Soil organic carbon storage and soil CO2 flux in the alpine meadow ecosystem

High-resolution sampling, measurements of organic carbon contents and C-14 signatures of selected four soil profiles in the Haibei Station situated on the northeast Tibetan Plateau, and application of C-14 tracing technology were conducted in an attempt to investigate the turnover times of soil organic carbon and the soil-CO2 flux in the alpine meadow ecosystem. The results show that the organic carbon stored in the soils varies from 22.12x10(4) kg C hm(-2) to 30.75x10(4) kg C hm(-2) in the alpine meadow ecosystems, with an average of 26.86x10(4) kg C hm(-2). Turnover times of organic carbon pools increase with depth from 45 a to 73 a in the surface soil horizon to hundreds of years or millennia or even longer at the deep soil horizons in the alpine meadow ecosystems. The soil-CO2 flux ranges from 103.24 g C m(-2) a(-1) to 254.93 gC m(-2) a(-1), with an average of 191.23 g C m(-2) a(-1). The CO2 efflux produced from microbial decomposition of organic matter varies from 73.3 g C m(-2) a(-1) to 181 g C m(-2) a(-1). More than 30% of total soil organic carbon resides in the active carbon pool and 72.8%. 81.23% of total CO2 emitted from organic matter decomposition results from the topsoil horizon (from 0 cm to 10 cm) for the Kobresia meadow. Responding to global warming, the storage, volume of flow and fate of the soil organic carbon in the alpine meadow ecosystem of the Tibetan Plateau will be changed, which needs further research.

Effect of long-term grazing on soil organic carbon content in semiarid steppes in Inner Mongolia

To clarify the response of soil organic carbon (SOC) content to season-long grazing in the semiarid typical steppes of Inner Mongolia, we examined the aboveground biomass and SOC in both grazing (G-site) and no grazing (NG-site) sites in two typical steppes dominated by Leymus chinensis and Stipa grandis, as well as one seriously degraded L. chinensis grassland dominated by Artemisia frigida. The NG-sites had been fenced for 20 years in L. chinensis and S. grandis grasslands and for 10 years in A. frigida grassland. Above-ground biomass at G-sites was 21-35% of that at NG-sites in L. chinensis and S. grandis grasslands. The SOC, however, showed no significant difference between G-site and NG-site in both grasslands. In the NG-sites, aboveground biomass was significantly lower in A. frigida grassland than in the other two grasslands. The SOC in A. frigida grassland was about 70% of that in L. chinensis grassland. In A. frigida grassland, aboveground biomass in the G-site was 68-82% of that in the NG-site, whereas SOC was significantly lower in the G-site than in the NG-site. Grazing elevated the surface soil pH in L. chinensis and A. frigida communities. A spatial heterogeneity in SOC and pH in the topsoil was not detected the G-site within the minimal sampling distance of 10 m. The results suggested that compensatory growth may account for the relative stability of SOC in G-sites in typical steppes. The SOC was sensitive to heavy grazing and difficult to recover after a significant decline caused by overgrazing in semiarid steppes.

Nitrogen deposition and carbon sequestration in alpine meadows

Nitrogen deposition experiments were carried out in alpine meadow ecosystems in Qinghai-Xizang Plateau in China, in order to explore the contribution of nitrogen deposition to carbon sequestration in alpine meadows. Two methods were used in this respect. First, we used the allocation of N-15 tracer to soil and plant pools. Second, we used increased root biomass observed in the nitrogen-amended plots. Calculating enhanced carbon storage, we considered the net soil CO2 emissions exposed to nitrogen deposition in alpine meadows. Our results show that nitrogen deposition can enhance the net soil CO2 emissions, and thus offset part of carbon uptake by vegetation and soils. It means that we have to be cautious to draw a conclusion when we estimate the contribution of nitrogen deposition to carbon sequestration based on the partitioning of N-15 tracer in terrestrial ecosystems, in particular in N-limited ecosystems. Even if we assess the contribution of nitrogen deposition to carbon sequestration based on increased biomass exposed to nitrogen deposition in terrestrial ecosystems, likewise, we have to consider the effects of nitrogen deposition on the soil CO2 emissions.

我国主要森林生态系统碳循环研究

作者广泛收集了近二十年来我国森林生物量生产力、土壤剖面有机质含量、凋落物现存量、年凋落量、凋落物分解等方面的研究资料，以及国内外土壤呼吸的相关资料，把森林作为一个自然的生态系统，从生物自身循环的角度系统地研究了我国森林在全球变化中的地位和作用提供了基础数据。主要得到以下几个方面的研究结果： 1、基于上述资料，采用林业部规划院1989-1993年的最新统计的我国不同森林类型的面积（不包括经济林和竹林，台湾省未计入），估算了我国森林生态系统总碳贮量。森林生态系统有机碳库包括植被、土壤和凋落物层三个分室，我国主要森林生态系统的碳贮量为281.16 * 10~8吨，其中植被碳库为62.00 * 10~8吨，占总碳库的22.2%;土壤碳库为210.23 * 10~8吨，占总碳库的74.6%;凋落物层的碳贮量为8.92 * 10~8吨，占总量的3.2%。我国森林生态系统碳贮量由大到小的顺序是：落叶阔叶林、暖性针叶林、常绿和常绿落叶阔叶林、云冷杉林、落叶松林、硬叶常绿阔叶林、温性针叶林、针叶和针阔混交林、阔叶红松林、热带林、樟子松林，前5类森林碳贮量占总贮量的87%，是我国森林主要的碳库。 2、分析了我国森林生态系统各个分室的碳密度特点。我国森林生态系统的平均碳密度是258.83t/ha，基本趋势是随纬度的增加而增加。其中植被的平均碳密度是57.07t/ha，随纬度的增加而减小;土壤碳密度约是植被碳密度3.4倍，其区域特点与植被碳密度呈相反趋势，随纬度升高而增加，作者根据所选117个样本建立了土壤有机碳密度与水热因子的模拟方程;凋落物层平均碳密度是8.21t/ha，随水热因子的改善而减小。这些结果为研制森林生态系统仿真模型提供了基础。 3、分析了我国森林生态系统的主要碳平衡通量，对中国森林生态系统的碳源与碳汇作初步评价，为减缓我国二氧化碳排放提供理论基础。结果表明我国森林生态系统在与大气的气体交换中表现为碳汇，年通量为4.80 * 10~8吨C/年。基本规律是随纬度的升高，即从热带向寒带，碳汇功能下降，这取决于系统碳收支的各个通量之间的动态平衡;阔叶林的固碳能力大于针叶林。 4、初步评价了我国森林生态系统在碳循环中的作用。我国生物物质燃烧、化石燃料燃烧、人口呼吸每所释放的总碳量为9.87 * 10~8吨/年，而我国森林生态系统可以吸收其中的48.7%。

中国主要森林生态系统碳储量和碳收支评估

森林作为陆地生态系统中主要的植被类型在全球碳循环研究中有着十分重要的作用，而森林资源清样调查资料以其系统性、科学性、连续性等优点在森林生态系统碳循环研究中具有十分重要的地位。本研究以中国主要森林植被类型为研究对象，基于中国森林资源清样调查资料（FID），采用建立的生物气候生产力模型和反映林龄和蓄积量共同影响的生产力回归模型分别估计了中国油松林和主要造林树种的生产力;利用改进的材积源生物量法估算了中国主要森林植被类型的碳储量;并基于多元线性回归方法和因子分析法探讨了林业用地以及气候因子对中国森林植被碳储量的影响;同时，结合生物地球化学循环模型CENTURY模型评估了中国森林生态系统的碳收支。主要研究结果如下： 1建立了中国油松林生物气候生产力模型NPPa=［0.331n（V／A）+0.18］*3000（1-e-0.00096‘哪，根据油松林的森林资源清样调查资料和气候资料估算的中国油松林生产力平均为7.82Mg•ha-1•yr-1，其变化幅度为3.32-11.87Mg•ha-1•yr-1，其分布表现为南高北低的趋势。生产力较高的区域主要分布在东部和南部（四川、湖北、河南、辽宁等省），均大于7.7Mg•ha-1•yr-1;生产力较低的区域主要分布在北部和西部较为干旱的区域（内蒙古），NPP均低于5.5Mg•ha-1•yr-1：油松林集中分布区（陕西、山西）生产力处于中等水平，在5.5-7.7Mg•ha-1•yr-1之间。 2基于森林资源清样调查资料评估了中国五种主要造林树种（落叶松Larix，油松Pinusstabulaeformis，马尾松Pinusmassoniana，杉木Cunninghamialanceolata，杨树Populus）的生产力，分别为8.43、5.75、4.42、4.41、7.33Mg•ha-1•yr-1，低于世界平均生产力水平，主要原因可能是这五种造林树种大都处于未成熟阶段，表明中国造林树种在提高中国森林生态系统的固碳能力方面有很大的潜力。 3基于两次（第三次和第四次）森林资源清查资料和改进的材积源生物量法评估了中国森林的碳储量，分别为3.48和3.78PgC（1Pg＝1015g）。 基于多元线性回归模型探讨了林业用地变化对森林植被碳储量的影响。分析表明：在森林平均林龄减小的情况下，森林植被碳储量有增加的趋势;而森林碳储量随森林面积的增加而增加。当平均林龄增加10年，全国森林面积增加1*104ha时，全国森林植被的碳储量将增加54.51Tg（1Tg＝1012g），表明我国森林植被碳储量取决于自然和人为因素共同作用。 采用因子分析方法探讨了气候变化对森林植被碳储量的影响，分析表明：气温是森林植被碳储量的主要限制因子。当气温升高时，森林植被碳储量有降低的趋势;降水与森林植被碳储量呈正相关，随降水的增加森林植被碳储量增加。在年均温升高4℃，年降水量增加10％;年均温升高4℃，年降水量不变;年均温升高4℃，年降水量减少10％三种气候变化情景下，我国森林植被碳储量的增加量分别为：9.19Tg、6.67Tg和4.15Tg。 4基于生物地球化学循环模型模拟的中国森林生态系统的碳收支为0.17PgC，中国森林表现为一个巨大的碳汇。其中，西南地区森林碳收支占44％，华东及西北地区的森林碳收支总和不足14%。

长白山自然保护区北坡森林结构、植物多样性与碳储量40余年的变化

长白山自然保护区始建于1960年，位于北坡的红松针阔叶混交林森林生态系统是我国东北地区典型温带地带性森林植被之一，面临着全球气候变化和人类干扰的双重影响。 本研究以间隔43年的野外调查数据为基础，对1963年和2006年的长白山自然保护区北坡海拔800~1700m的森林植物群落进行对比分析，得到该区域的森林结构、植物多样性与碳储量的变化特点，讨论森林动态变化与人类活动、气候变化的关系，评价长白山自然保护区的保护效果： 对长白山北坡森林沿海拔梯度的森林结构和植物多样性的分析表明：群落的整体空间格局保存完好，植物种类变化不大，乔木层的建群种的种类基本不变，植物多样性与海拔高度呈负相关关系;林下层植物多样性受小环境影响，与海拔高度无明显相关。 以红松（Pinus koraiensis）针阔混交林、红松针叶混交林和云冷杉暗针叶林三种类型为单元分别研究各森林类型的多样性变化：α多样测度选择物种丰富度、Shannon-Wiener和Pielou均匀度指数，较好体现了样地内发生的多样性变化，灌木层和草本层多样性明显下降，一些稀有种和药用物种消失，红松等原优势物种有衰退趋势，阔叶树比例增大;β多样性测度选取Cody指数，体现出海拔梯度上的植被空间格局细节变化，演替层特别是阔叶树的物种更替变化有向高海拔移动的趋势。 对森林生态系统各层次碳储量进行估算：乔木层和灌木层采用维量法，对灌木层自建生长回归方程;草本层、枯枝落叶层采取收获法;植物细根采取根钻法;土壤采取土壤深度加权法。碳密度估算结果都与前人研究结果相似。各类型植被碳库总碳密度都达到170 t/hm2，远远高于国内平均森林植被碳库密度值44.9 t/hm2。 乔木层43年来的碳储量变化都无显著性差异，但仍表现出：阔叶树种碳储量上升，特别在高海拔类型这种变化更加明显;针叶树种碳储量在暗针叶林内大幅下降;树干的碳库分配比例都有所减少，表明植被碳库正存在向不稳定性方向发展的趋势。针阔混交林和暗针叶林的土壤碳储量，与植被碳库出现相反的变化趋势，整体碳库保持在一个相对平衡的状态。 推测造成这种变化的原因是：禁止砍伐等保护措施的实施，基本保存了乔木层垂直分布格局，而气候变暖使阔叶树种比例大幅增加，采集松籽等人类生产及旅游活动对林下层植被影响破坏较大。提议加强保护区内管理力度和规划，以减缓长白山北坡森林群落的不稳定变化趋势。

暖温带地区典型森林群落叶面积指数、生产力和树木年轮特征的分析

以辽东栎(Quercus liaotungensis)为主的落叶阔叶林、华北落叶松林(Larix principisrupprechtii)和油松(Pinus tabulaeformis)林是我国暖温带地区具有代表性的森林群落类型。本研究：1）应用国内外流行的半球图方法，通过对这三种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的测定和综合比较，分析了叶面积指数和林冠开阔度的季节动态，揭示了暖温带地区不同类型森林群落叶面积指数和林冠开阔度的特征;2）基于野外调查的样地资料，利用维量分析法估算了中国科学院北京森林生态系统定位研究站三种森林群落乔木层的生物量和生产力，并揭示生产力和叶面积指数之间的相关关系;3）利用油松森林群落和落叶松森林群落采集树芯作为研究对象，用树木年轮学方法，建立相应的年表，联系气候资料进行相关分析，揭示树木生长的限制因子。 研究结果表明：1）落叶阔叶林(优势种为：辽东栎、棘皮桦(Betula dahurica)、五角枫(Acer mono))和华北落叶松林两种落叶森林群落的叶面积指数值均随生长季的到来而呈现增长的趋势，最大值出现在8月;林冠开阔度值随着生长季的到来而下降，最大值出现在11月。落叶阔叶林的叶面积指数和林冠开阔度的季节动态较之华北落叶松林明显。油松是常绿树种，其群落叶面积指数和林冠开阔度的变化程度均不明显，但林冠开阔度的变化趋势也是与叶面积指数的变化趋势相反。通过计算得出叶面积指数和林冠开阔度相关显著，并且呈现指数回归的关系。2） 油松、落叶松、落叶阔叶林三种森林群落乔木层的生物量和生产力分别为93.59 t•hm-2、119.36 t•hm-2 、169.94 t•hm-2和4.02 t•hm-2•a-1、5.58 t•hm-2•a-1、7.04 t•hm-2•a-1;三种森林群落乔木层生产力和叶面积指数回归曲线分析显示，生产力和叶面积指数呈现线性正相关关系。3）油松和落叶松生长与气候因子相关分析结果显示，两种群落树木的生长受当地降水和气温的影响，油松与5月份的温度显著负相关，落叶松与2月份和5月份的降水显著正相关。 以上研究结果为以遥感途径获取暖温带地区叶面积指数提供了地面校正依据，为研究该地区利用LAI估算生产力以及利用遥感途径得到的NDVI测定生产力、研究气候因子对树木年轮宽度形成的影响，以及进一步对该地区林分、景观和区域尺度上碳、水、通量等方面的模拟提供了基础数据。

退耕草地演替过程中的碳储量变化

退耕草地演替的研究对了解现有退耕草地的变化趋势有重要意义,也可以为退耕地的植被恢复提供科学依据。本研究采用以空间代替时间的方法,对处于不同演替时间阶段退耕草地的土壤碳储量以及植被的地上部分与根系生物碳储量变化进行了研究,结果表明,退耕草地演替过程中,地上部分生物碳储量呈阶梯式上升趋势,演替初期地上部分生物碳储量先降后升,并在演替的22~32年,保持相对平稳,之后在演替的40~60年,达到第2个相对平稳的阶段。根系生物碳储量也呈分阶段的阶梯式上升趋势,但第1个相对平稳的阶段出现在演替的第12~28年,在演替的第32~60年出现第2个相对平稳的阶段。退耕草地的土壤碳储量在退耕演替的初期下降,且在演替的第1~12年一直小于农地,在演替的第15年之后,土壤碳储量逐步上升。在0~150 cm的不同土层中,土壤有机碳含量以0~15 cm最高,在演替的1~12年,各土层有机碳含量均小于农地,之后在演替的第15~60年,各土层土壤有机碳含量均随演替时间的增加有所增加,且0~50 cm表层土壤有机碳含量在演替第34~60年迅速积累,增幅较大。在演替初期,草地地上部分生物碳储量、根系生物碳储量和土壤碳储量较演替第1年均表现为下降...