土壤活性有机质(碳)的内涵和现代分析方法概述

土壤有机物质的活性成分是对土壤养分、植物生长乃至环境、大气和人类有影响的有效物质。在现代土壤研究中,出现了与之相关的繁多术语和应用指标,但是它们的内涵尚为混乱,其分析方法也缺乏系统的归纳。本文对土壤溶性有机碳(DOC)和水溶性有机碳(WSOC)、土壤有效碳(AC)、土壤潜在可矿化碳(PMC)、土壤易氧化碳(ROC)、土壤微生物量碳(SMBC)、土壤轻组有机碳(LF—C)几种较为普遍应用的土壤活性有机质(碳)从概念指标、分析意义到分析方法做了较系统的描述与理顺,以期对土壤有机质应用上的研究起到积极作用。     

土壤活性有机质及其与土壤质量的关系

活性有机质是土壤的重要组成部分 ,主要包括溶解性有机碳、微生物生物量、轻组有机质。它在土壤中具有重要作用 :(1)可以表征土壤物质循环特征、评价土壤质量 ,可以作为土壤潜在生产力以及由土壤管理措施引起土壤有机质变化的早期指标 ;(2 )在养分周转中起重要作用 ,是植物的养分库 ,可以提供植物所需要的养分如氮、磷、硫等 ;(3)能稳定土壤结构 ,对维持团粒结构稳定性有重要作用。从土壤养分、土壤物理、化学性质方面讨论了活性有机质与土壤质量的关系。土壤中的溶解性有机碳、微生物生物量碳氮含量与土壤有机碳、全氮和碱解氮等物质的含量呈正相关。活性有机质受土壤质地、含水量、温度等因素影响 ,与土壤酸碱度、阳离子交换量等也有关。土壤微生物生物量碳和微生物量 C/有机碳比与土壤粘粒、粉粒含量呈正相关、与砂粒含量呈负相关     

氮沉降增加情景下植物-土壤-微生物交互对自然生态系统土壤有机碳的调控研究进展

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性。大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程。过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚。本文以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系。该领域研究的薄弱环节体现在:(1)增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;(2)虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO-3和还原态NH+4输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;(3)微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;(4)增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚。未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节。上述研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据。     

土壤水分和氮添加对华北平原高产农田有机碳矿化的影响

通过105 d的恒温(25℃)控湿室内培养方法,探讨了华北平原高产粮田土壤有机碳矿化特征以及水分和有机、无机氮输入对其影响。试验设4个肥料添加水平和4个水分梯度,分别为对照(S0)、仅添加无机氮(尿素)(S1)、无机氮和有机氮(鸡粪)配施(S2)以及仅添加有机氮(S3)和25%(田间持水量;M0)、50%(M1)、75%(M2)和100%(M3)共16个处理,每处理3次重复。结果表明,各处理有机碳矿化速率均在培养后1 d达第1高峰,之后直线下降,培养7 d时下降幅度达57.2%—75.0%,培养20—30 d时出现第2高峰。有机碳累积矿化量有208.8—1161 mg/kg,主要集中在前30 d,可占整个培养期的59.1%—69.9%,105 d的净矿化率为0.07%—2.01%。根据双指数方程模拟结果,研究了土壤潜在矿化碳库(C1+C2),其中活性碳库(C1)和惰性碳库(C2)分别为53.0—135.1 mg/kg和156.9—1069 mg/kg,潜在矿化率为1.75%—9.66%。土壤含水量显著影响有机碳矿化,且与潜在矿化碳库呈二次函数关系(P0.05)。田间持水量25%—100%范围内,随着土壤含水量的升高,有机碳矿化速率呈增加趋势,但增幅降低,其中M2(田间持水量75%)的有机碳净矿化率最高。有机碳矿化量与土壤微生物碳和矿质氮含量呈线性正相关(P0.05),保持氮水平(200 kg N/hm2)相同,有机氮(鸡粪)和无机氮(尿素)均显著促进土壤有机碳矿化,但两者间差异不显著(P0.05),且有机氮和无机氮对有机碳矿化的影响均与土壤含水量有显著交互作用(P0.05)。     

颗粒有机质的来源、测定及其影响因素

土壤活性有机质及其组分作为土壤质量的重要指标在土壤化学、物理和生物性质方面起着重要作用。颗粒有机质能够有效地反映有机质的特性,与微生物生长、营养供给及C、N的生物学调节密切相关。作为活性有机质的一个量度指标,颗粒有机质越来越受到人们的重视。本文综述了土壤颗粒有机质的来源及其在土壤有机质转化过程中的作用,对其测定方法作了系统的描述,阐明了土壤理化性质、农业措施(施肥与耕作)及土地利用类型对土壤颗粒有机质在土壤形成及维持其稳定性方面的影响。     

Relationships between carbon and nitrogen contents and enzyme activities in soil of three typical subtropical forests in China

森林类型更替是影响生态系统有机质循环的重要因素, 它对森林生态系统的生产力、碳吸存和养分保持功能有影响。然而关于中亚热带不同森林类型对土壤碳氮含量和酶活性的影响及土壤碳氮含量和酶活性之间的关系鲜有报道。该文研究了福建省三明市3种典型亚热带森林——米槠(Castanopsis carlesii)天然次生林(SF)、米槠人工促进天然更新林(AR)、马尾松(Pinus massoniana)人工林(PM)的淋溶层(A层)土壤碳氮含量和土壤微生物酶活性的关系。结果表明: 在3种森林类型表层土壤中, 可溶性有机质中可溶性有机碳、可溶性有机氮(DON)、荧光发射光谱腐殖化指数的趋势均为SF > AR > PM, 芳香化指数大小为PM > AR > SF; SF和AR的NH₄ ⁺-N显著高于PM, NO₃ ^--N在3种林分中的含量低且差异不明显, 造成这种差异的原因是树种差异和人为干扰程度不同。PM的β-葡萄糖苷酶活性显著低于SF和AR; 纤维素水解酶活性大小为AR > SF > PM; PM多酚氧化酶显著高于SF和AR, 3种林分过氧化物酶无显著差异。AR的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)显著高于其他两种林分。冗余分析显示土壤总氮和DON是驱动淋溶层土壤酶活性的主要环境因子。总之, 土壤总氮含量与NAG活性呈正相关关系, 并且可溶性有机氮可能是氮循环中的重要一环; 土壤微生物优先利用易分解碳; 且碳氮养分循环之间存在一定的耦合关系。氮提高了与土壤碳相关的水解酶活性, 从而可促进碳周转。     

不同林龄落叶松人工林土壤微生物生物量碳氮的季节变化

为从土壤微生物生物量角度分析不同林龄落叶松人工林的土壤肥力状况,对辽宁东部山区两种林龄(9年生,幼龄林;43年生,成熟林)落叶松人工林不同土层(腐殖质层和矿化层)微生物生物量碳、氮季节变化进行了监测,并分析了微生物生物量碳氮的季节变化与土壤养分及水分的关系.结果表明:两种林龄落叶松腐殖质层微生物生物量碳、氮含量均高于矿化层;在腐殖质层,幼龄林微生物生物量碳、氮含量高于成熟林.方差分析表明,在春、秋季节,同一土层两林龄土壤微生物生物量碳、氮含量之间差异达到显著水平(P<0.01).在观测的3个季节内,幼龄林腐殖质层的微生物生物量碳基本无变化,而成熟林的微生物生物量碳在秋季达到最高;两种林龄落叶松微生物生物量氮均在夏季达到最高.在矿化层,两种林龄落叶松微生物生物量碳、氮均在秋季达到最大.相关分析发现,微生物生物量碳、氮之间以及土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳、全氮呈显著正相关,而与土壤水分无相关性;另外,落叶松人工林内的灌木种类和数量以及季节性温度变化对土壤微生物生物量碳氮也有影响.上述结果表明,研究区域土壤微生物生物量碳、氮的季节波动与土壤养分状况密切相关,幼龄林土壤养分状况优于成熟林.     

生源要素有效性及生物因子对湿地土壤碳矿化的影响

湿地土壤是全球碳存储的重要场所,湿地生态系统的碳循环过程对全球变化有重要指示作用。土壤碳矿化是湿地生态系统碳循环的重要环节,对于认知湿地生态系统生物地球化学循环过程具有重要的意义。综述了生源要素及生物因素对湿地土壤碳矿化的内在作用机制。土壤活性有机碳库通过调节土壤能源物质和微生物活性影响土壤碳库的有效性,是表征土壤碳矿化的敏感指标。湿地其它养分如N、P、S等元素的有效性也是影响土壤碳矿化的关键要素。电子受体(NO₃^-、SO₄^2-、Fe³⁺、Mn⁴⁺等)对湿地土壤碳矿化和有机碳转变的影响主要通过电子受体的还原过程完成,在厌氧分解过程中,湿地土壤利用难溶性电子受体可能是土壤C矿化的更重要途径。动物、植物、微生物群落和区系等则是土壤碳矿化的主要驱动因子。土壤动物区系在有机态养分矿化为无机态养分的过程有着独特的功能,能显著增加土壤碳矿化。土壤微生物的活性,决定着土壤中有机碎屑的降解速率,是土壤有机碳分解周转的主要诱导因素。湿地植物则通过影响根系、微生物呼吸底物的供应以及对小气候和土壤因子的调节而影响土壤有机质的分解。湿地生源要素和生物因子还极易与土壤理化性质如温度、水分、pH值和质地等环境因素形成交互和制约,共同影响土壤碳矿化。最后,提出了进一步研究生源要素和生物因素与湿地土壤碳矿化关系需要解决的一些重要问题。     

长期双季稻绿肥轮作对水稻产量及稻田土壤有机质的影响

以中国农业科学院红壤实验站1982年布置的长期定位试验为研究对象,分析了长期双季稻绿肥轮作体系下水稻产量变化趋势、稻田土壤有机质变化特征及土壤活性有机质组成。结果表明,绿肥作物与双季稻轮作种植后,水稻产量显著高于冬闲对照,绿肥作物紫云英、油菜和黑麦草处理年平均水稻产量（1982-2008）分别为10.8 t?hm-2?a-1,10.2 t?hm-2?a-1和10.0 t?hm-2?a-1,较冬闲对照分别提高27.2%,20.5%和18.1%。试验前期（1982-1993）种植绿肥作物各处理之间水稻产量无显著差异,试验开展11年后（1994-2008）种植紫云英处理水稻产量显著高于油菜和黑麦草处理。长期双季稻绿肥轮作土壤有机质随年份显著增加,双季稻紫云英轮作土壤有机质积累速度最快,年增加0.31 g?kg-1,双季稻黑麦草次之,土壤有机质年增加0.28g?kg-1,双季稻油菜轮作土壤有机质年增加0.26g?kg-1。种植绿肥作物紫云英稻田土壤活性有机质显著高于其它处理。种植绿肥作物各处理土壤有机碳、全氮、土壤微生物量碳和土壤微生物量氮含量均显著高于冬闲对照。其中黑麦草和紫云英处理土壤微生物量碳含量及微生物熵显著高于油菜和冬闲对照处理。在湘南红壤丘陵双季稻区,种植绿肥作物对提高水稻产量、增加土壤有机质、提高土壤有机质活性具有重要意义,绿肥选择上以紫云英对水稻产量和稻田土壤培肥综合效果最好。     

重金属污染对土壤有机质积累的影响

采用田间采样分析与室内培养试验相结合的方法,研究了不同重金属污染土壤中有机质积累的差异及重金属污染强度对土壤有机质矿化动态变化的影响.结果表明：污染土壤中重金属的大量积累可减弱有机物质的矿化速率,增加土壤有机质的积累.土壤中颗粒态有机质及其占总有机碳的比例随重金属积累的增加而增加;而微生物生物量碳占总碳的比例却随土壤重金属污染水平的提高而下降.污染土壤中颗粒态有机质对重金属有显著的富集,这可能是影响土壤有机物质进一步矿化的原因之一.重金属污染可改变土壤有机质的矿化速率,影响土壤有机质的积累与分配.     

喀斯特常绿落叶阔叶混交林植物与土壤地形因子的耦合关系

基于中国科学院亚热带农业生态研究所在木论国家级自然保护区借鉴CTFS标准建立的2hm2喀斯特常绿落叶阔叶混交林动态监测样地(50个20m×20m样方),选取代表木本植物群落、土壤性质和地形因子的22个指标,对其总体特征及三者之间的相互关系进行了经典统计分析、主成分分析、聚类分析与典型相关分析。结果表明,喀斯特常绿落叶阔叶混交林生态系统的景观异质性强、土壤养分含量高、物种丰富且结构合理,除海拔、Simpson指数、均匀度、pH之外的18个指标均呈中、强变异;综合土壤因子是影响生态系统的主要因子群,其次是综合群落多样性因子和结构性因子,综合地形因子的作用相对较弱;4种不同类型真实而直观地表征了群落类型、土壤肥力和地形的差异,相对优化的第3种类型主要分布在海拔较高、裸石率较大、坡度较高的阴坡中上部;植被、土壤、地形两两之间均存在着较高的相关性,植被与土壤因子之间,有机质、氮、磷起较大的作用,主要影响群落结构,植被和地形之间,坡向和岩石裸露率影响群落结构和物种丰富度,而坡向和坡位直接导致了土壤有机质、全氮、有效磷和pH的变化。     

基于GIS和地统计学的稻田土壤养分与重金属空间变异

以湖南省长沙县北山镇3.56 hm²的水稻田为研究区域,基于网格法(25 m×25 m)等距离取样,采用GIS和地统计学相结合的方法,对研究区土壤耕作层(0～20 cm)的pH值、有机质、全氮、速效磷、阳离子交换量(CEC)与3种典型重金属元素Cd、As、Pb的空间变异特征进行了定量分析.结果表明: 研究区内土壤pH值和Pb含量表现为弱变异,其他各项指标均表现出中等强度变异,变异顺序的大小为:速效磷＞Cd＞全氮＞有机质＞CEC＞As＞Pb＞pH.半方差检验结果表明,有机质、速效磷、As的半方差函数的最佳拟合模型为指数模型;pH、全氮、CEC、Cd和Pb的最佳拟合模型为球状模型;除CEC呈中等空间相关外,其余指标均表现出强烈的空间相关.克里格插值分析表明: pH、全氮、CEC、Pb呈斑块状分布;有机质、速效磷、Cd、As呈块状和带状分布.植被、地形和人类活动是造成研究区土壤养分与重金属格局差异的主要因素.相关性分析表明,部分土壤养分与重金属含量的相关性达到显著水平,其中pH与有机质、Cd与Pb的相关性达到了极显著相关水平.     

贵州山区土壤中微生物担是能源物质碳流动的源与汇

在传统的农业生态系统的研究中 ,主要精力放在营养物 (如Ｎ)上 ,认为它们是限制生产力的因素 ;而往往忽略了土壤中碳的重要性 ,认为收获不受Ｃ限制的影响。然而 ,碳循环中的有机碳的分解作用部分控制着出现在地表下和显露在地表上的农业过程[4]。土壤中所储存的有机质 ,其数量既反映土壤从植物残留物的输入所获得的有机质与微生物群落的能量和营养需求之间的平衡 ,又反映植物对营养物的需求与有机质分解作用之间的平衡。因此 ,土壤中碳的平衡能反映出有机质中能量物质的储存[5]。大部分由光合作用形成的碳 ,是通过地表下的生态系统来流动的[…     

黄河三角洲刺槐群落土壤优先流及养分分布特征

黄河三角洲湿地面临严重的水资源短缺、湿地退化、土壤盐碱化等问题,湿地土壤干旱缺水,土壤收缩产生裂隙等优先流路径,在小尺度上改变湿地内部以及湿地板块之间水文连通性,小尺度水文效应往往制约大尺度水文连通性,基于当前社会对湿地修复的迫切需求,从小尺度对水文连通研究有必要加以重视。然而,目前的研究多集中在大尺度水文连通的阐述,为进一步明确黄河三角洲湿地小尺度水文连通和养分随优先流路径运移分布情况,以此区域典型刺槐群落为研究对象,基于室外染色示踪实验和室内图像处理技术,分析土壤优先流形态和分布特征,并探究优先流和土壤养分含量之间的关系。结果表明：（1）刺槐群落染色面积比随土壤深度变化主要包括2个阶段,第一阶段：优先流和基质流相互影响作用显著,第二阶段：优先流和基质流相互作用不显著,优先流强度逐渐增强,明显存在指流现象,极少部分管流现象。（2）刺槐群落染色面积比、基质流深度和百分之五十染色深度的数值较大,优先流区染色面积比较小,基质流深度发生在土壤深10-15 cm区间,该类型植被群落水流均匀入渗深度较大,优先流和基质流相互作用程度大,水文连通性较高。（3）优先流区土壤有机碳、有机质、全氮、全磷和有效磷含量值均高于基质流区;（4）土壤优先流区染色面积比与5种养分指标均呈负相关关系,有机碳、有机质和有效磷含量受优先流路径影响显著。（5）土壤中有机碳、有机质和有效磷含量在一定程度上可以衡量土壤优先流发育水平。研究结果可为黄河三角洲湿地生态系统保护和管理提供参考。     

高原鼢鼠扰动及恢复年限对高寒草甸土壤养分和微生物功能多样性的影响

为了研究高原鼢鼠扰动后退化高寒草甸恢复演替的动态过程,利用常规实验室分析方法和Biolog-ECO生态板法对青藏高原东缘高寒草甸土壤养分和微生物功能多样性进行分析.结果表明: 高原鼢鼠扰动显著降低了土壤有机质、全氮、速效氮和速效磷含量,对土壤全磷和全钾含量无显著影响;在一定植被恢复年限内,土壤微生物的碳源利用率、Shannon、Pielou和McIntosh指数随着植被恢复年限的增加而升高;主成分分析表明,碳水化合物和氨基酸是土壤微生物利用的主要碳源类型;冗余分析表明,土壤pH、有机质、全氮、速效氮和全钾是影响土壤微生物代谢活性和功能多样性的主要因子.不同植被恢复年限土壤微生物功能多样性的变化可能是对地上植被、土壤微生物群落组成和土壤养分变化的响应.     

天山中段南坡巴伦台地区不同海拔植物群落物种多样性与土壤因子的关系

为探讨天山中段南坡巴伦台植物群落物种多样性随海拔梯度的分布特征及其与土壤环境因子的关系,该研究采用野外调查的方法,在和静县巴伦台地区海拔范围内设置34个样地进行了植物多样性和土壤因子的调查及室内指标的统计分析。结果表明:(1)研究区共调查到30科75属134种植物,草本层为主要优势层。不同海拔高度上土壤理化指标具有异质性,土壤含水量、全盐、有机质、全氮、全钾、有效氮和有效钾差异性显著(P<0.05),其中除全钾以外,其他土壤因子的含量均表现为中海拔大于低、高海拔区域。随海拔的升高,植物群落在低、高海拔段Pielou均匀度指数较高; 灌木层物种Patrick丰富度指数较低; 草本层物种Shannon-Wiener指数、Simpson指数随海拔升高先增加后减小。(2)RDA分析表明,影响植物群落物种多样性的主要环境因子是海拔、土壤含水量、全盐、有机质、全氮和有效氮。海拔作为主导因子,与草本层各物种多样性指数呈正相关,与灌木层各物种多样性指数呈负相关关系; 全盐是抑制植物群落总体物种Simpson指数的主要土壤因子; 氮元素一定程度上限制灌木、半灌木物种的生长。该研究结果表明土壤因子对不同生活型物种多样性的形成具有一定的筛选作用及不同物种对环境变化的适应策略不同。     

Effect of fluoride pollution on the organic matter content of soil

In the present study effect of fluoride contamination of soil and litter by an aluminium factory on the organic matter content of soil is investigated. It was found that increase in fluoride content of litter and soil causes accumulation of organic matter content in the surface soil. It is suggested that the presence of fluoride in the litter and soil decreases the growth and activity of micro-organisms resulting in greater accumulation of organic matter in the soil.     

禹城市耕地土壤盐分与有机质的指示克里格分析

针对目前黄淮海平原盐渍土改良区存在的土壤盐碱、瘠薄等障碍问题,以该区域典型县域禹城市为研究对象,综合运用GIS和非参数地质统计学的指示克立格法,对0-20 cm深度的耕地土壤盐分和有机质的空间变异性进行了分析,并给出了土壤盐分和有机质满足一定阀值条件的概率分布图。结果表明,土壤盐分和有机质采用指示克里格方法都可以获得较为稳健的变异函数;受结构性因素与随机性因素共同影响,它们的指示半方差均表现为中等强度的空间自相关性,且单元指示克里格与多元指示克里格插值结果表明,土壤盐分、有机质的概率分布存在空间上的规律性与相似性;在空间分布上,研究区域土壤盐分含量高和有机质含量低的高概率区域主要分布在西北部的张庄镇、西部的房寺镇以及南部的莒镇乡等地区,该区域有一定的次生盐渍化风险;而土壤盐分含量高和有机质含量低的低概率分布区域主要分在徒骇河流经的河滩高地,土壤类型为褐土化潮土,是研究区域的主要高产区,基本无盐渍化。研究获取的综合指示概率分布图和概率风险评价对土壤可持续利用管理具有重要意义,为区域土壤质量的提高和土壤障碍因子消减提供参考。     

千佛山侧柏林种群和群落特征的研究

本文用样方法对济南市千佛山北坡侧柏林的种群和群落特征进行了系统研究。发现林下灌木和草本种均呈集群分布。灌木层具有较高的植物多样性、均匀度和较小的生态优势度,草本层则正相反。各环境因子对植物多样性的影响正负不一,且均不显著。在光照强度、土壤水分和土壤有机质三维资源轴上对物种资源选择性和生态位重叠的计测表明,多数种对在土壤有机质和土壤水分资源轴上重叠较大,同一资源轴上灌木种对间的重叠值较草本种对间的重叠值大。