土地利用变化对土壤有机碳的影响研究进展

土壤有机碳是陆地碳库的重要组成部分,也是当前全球碳循环和全球变化研究的热点。土地利用/覆被变化及土地管理变化通过影响土壤有机碳的储量和分布,进而影响温室气体排放和陆地生态系统的碳通量。研究土地利用变化影响下的土壤有机碳储量及其动态变化规律,有助于加深理解全球气候变化与土地利用变化之间的关系。在阅读国内外有关文献的基础上,分别从土地利用及其管理方式变化的角度,概括了土地利用变化对土壤有机碳的影响过程与机理;针对当前研究的两大类方法,即实验方法和模型方法,分类详细介绍了它们各自的特点以及存在的一些问题。在此基础上,提出今后土地利用变化对土壤有机碳影响研究的发展趋势。     

汉中盆地秸秆还田撂荒和林地对土壤碳的影响

农业活动是温室气体重要的排放源,土壤碳库[土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)]稍微变化会对大气CO_2产生很大影响。汉中盆地是南水北调的重要水源涵养地,在该区域秸秆还田、农田撂荒和林地是目前常见土地利用方式,但缺乏不同利用方式对SIC和SOC影响的研究。该研究采集该区域典型样地土壤,用滴定法和有机碳分析仪分别测定其SIC和SOC含量,研究3种土地利用方式对土壤碳库的影响。结果表明:SOC随土层深度最为敏感的是农田,其次是撂荒地,林地最不敏感。0~140 cm土层SOC碳密度,林地最大,是撂荒田的2.26倍,农田是撂荒田的1.37倍。深土层SOC碳密度,林地是撂荒田的2.44倍,农田是撂荒田的1.07倍。撂荒田的SIC密度最大,其次是农田,林地的SIC碳密度最低。在0~140 cm土层中,SIC密度依次为12.37、11.68和9.77 kg·m~2,撂荒田的SIC碳密度是林地的1.27倍。随着我国农村发展,土地利用管理出现新的方式,今后在估算土地利用管理方式对土壤碳影响时还需要综合考虑SOC和SIC。     

土地利用变化对区域碳源汇的影响研究进展

土地利用变化对陆地生态系统碳循环有着重要的影响,既可能成为碳源,也可能是碳汇。在国内外相关研究的基础上,综述了土地利用变化对全球及区域尺度上森林、草地和农业生态系统碳循环的影响。全球范围内,森林砍伐后向草地和农田的转化发挥碳源的作用,在毁林碳排放中占主导地位,其中热带地区森林转变为农田和草场的碳排放均高于温带和北方森林。另一方面,土地利用变化可促进森林的碳贮存,如退耕还林、改善森林管理等。各区域森林生态系统通过土地利用变化贮存碳的潜力存在显著差别,热带湿润和半湿润地区具有较大的碳汇潜力,而干旱地区减少碳排放的空间相对较少。开垦活动是影响草地生态系统碳储存最主要的人类活动,草地转变为农田伴随着土壤碳的流失。森林或草场转变为农田的过程伴随着植被和土壤碳储量的减少,生态系统碳储量降低,因此它是一个碳排放的过程。伴随着城市的扩张,农田向建设用地的转化也是一个碳排放的过程。当前评估土地利用变化影响的研究方法主要有遥感观测和遥感模型、统计估算、生态系统模型以及土地利用与生态系统模型的耦合。研究方法得到不断地完善和改进的同时,还存在着一些不确定性,因此需要建立统一的观测统计方法,降低数据中的不确定性;完善土地利用与生态系统模型的耦合研究;建立多尺度土地利用变化及生态系统综合技术方法体系;开展碳减排目标下土地利用最优化布局研究。     

中国陆地生态系统土壤有机碳变化研究进展

通过文献资料, 对中国陆地生态系统土壤有机碳变化研究进行评述. 20世纪80年代初至21世纪初, 中国森林、草地、灌丛和农田土壤有机碳库合计年均增加(71±19) Tg/a, 三江平原沼泽湿地垦殖导致土壤有机碳损失(6±2) Tg/a. 该结果存在极大的不确定性, 尤其是对森林、灌丛和草地碳库变化的估计. 未来研究需重点关注土地利用变化及其碳源、碳汇效应, 放牧管理对草地土壤有机碳库的影响, 灌丛和非森林树木(经济林、防护林及四旁绿化造林)土壤有机碳变化估算, 深层土壤有机碳变化的测定和估算, 中国土壤的固碳潜力及陆地生态系统碳收支模型开发.     

土地利用变化对川西米亚罗林土壤活性碳库的影响

为了揭示土地利用变化对土壤活性有机碳库的影响,在四川省亚高山米亚罗林区,以原始冷杉林(M-Y)和由原始林转化成的45年龄云杉人工林(M-60)、25年龄云杉人工林(M-80)和菜地(M-C)等4种土地利用类型为研究对象,进行了土壤的微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(WDOC)和易氧化有机碳(LOC)的含量和季节变化研究.结果表明,土地利用变化明显影响土壤活性有机碳组分的含量,其中微生物量碳和水溶性有机碳的变化趋势为M-Y>M-60>M-80>M-C,易氧化有机碳的变化趋势则为M-60>M-Y.土地利用变化没有改变活性有机碳各组分的垂直分布,各组分均随着土层深度的增加而降低,季节变化幅度较小,但枯落物层和表层土壤的变化幅度明显高于深层土壤,而各组分的分配比例变化幅度明显小于活性有机碳含量的变化.     

长三角典型城郊土地利用变化及其土壤碳氮响应

城市化在改变城市周边土地利用及其空间布局的同时,也改变了城郊土壤的碳氮循环等关键生物地球化学过程。明确城郊地区土地利用变化及其对土壤碳氮储量的影响,可有效揭示城郊地区土壤肥力提供等关键生态系统服务的演变特征。以长三角典型城郊宁波樟溪流域为例,分析了1974年至2015年其土地利用变化特征,并采用DNDC模型模拟了土地利用变化所引起的土壤碳、氮储量变化。研究表明该流域内农地和林地面积均在不断减小,而园地和城镇建设用地面积在不断增加。模拟表明农地单位面积有机碳、总氮含量逐年降低,而林地则不断增加,园地呈波动变化,不同土地利用类型的单位面积有机碳和总氮含量对温度和降雨的变化有不同程度的响应。随着城郊地区土地利用变化,流域内农地土壤有机碳和总氮储量逐年降低,园地和林地土壤有机碳和总氮储量逐年增加,土地利用变化决定了流域土壤有机碳和总氮的储量变化特征。     

城市土壤碳循环与碳固持研究综述

城市化过程带来的土地利用变化和环境污染是全球变化的重要方面,城市为人们了解人类与自然复合生态系统对全球变化的影响及其对全球变化的响应过程提供一个独特的"天然实验室"。陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点领域之一,然而,人们对城市在全球碳循环中的作用和影响知之甚少,城市土壤碳循环研究处于起步阶段。介绍了城市土壤的主要特性和碳循环特征,指出强烈的人为作用是其最突出的特点;综述了城市土壤碳库、碳通量和碳固持研究方面取得的进展;探讨了城市化过程中土地利用变化、土壤中生物及土壤管护措施、城市小气候、大气污染沉降和土壤污染等对土壤碳循环的影响;提出未来城市碳循环研究需要开展长期系统监测、深化城市土壤碳循环机制研究、创新研究范式和研究方法、并将研究成果与城市景观规划与设计相结合,提升城市土壤碳管理能力。     

土地利用变化对草原生态系统土壤碳贮量的影响

本文概述了长期非持续性土地利用（草原开垦和过度放牧）对草原生态系统土壤碳贮量影响的有关研究成果和进展,指出了今后这方面研究的重点内容和对策。     

戴云山黄山松林土壤碳组分的海拔变化特征及影响因素

海拔梯度可能通过多种环境因子影响土壤有机质,土壤有机碳库是土壤有机质的重要组成部分,其微小变化将会产生极其重要的影响。因此海拔差异可能导致海拔间土壤碳库差异。土壤有机碳是反映土壤肥力的重要指标,可能受土壤理化性质和微生物等多种因素的影响。黄山松是高山地绿化和用材的优良树种,近年来戴云山自然保护区内高海拔地区的黄山松群落呈现衰退趋势。研究戴云山黄山松林土壤有机碳组分沿海拔梯度的变化情况,不仅可以为该区域碳库估算提供科学依据,而且有助于揭示影响黄山松生长变化的机理。因此,选取戴云山不同海拔[1300 m (L)、1450 m (M)和1600 m (H)]梯度的黄山松林,对其土壤基本理化性质、有机碳组分及微生物特征进行测定和分析。研究发现,海拔梯度下土壤养分含量呈先升高后降低的变化趋势,土壤碳组分含量与其变化一致,且微生物生物量碳和微生物生物量氮均在M海拔处最高,海拔梯度对碳水解酶没有显著影响。冗余分析表明,总氮是影响土壤有机碳变化的最主要因素,其次是碳氮比。因此在海拔跨度不大的情况下,土壤有机碳动态可能主要受氮素而非温度的影响。高海拔地区土壤惰性碳占比高,未来可能会持续加剧该地区黄山松的生长困境,使该区域碳库受到影响。     

造林对土壤碳储量影响的研究

全球气候变化和土地利用变化,体现了自然和人类活动对陆地生态系统的影响。造林,作为一种土地利用变化．能够改变陆地土壤碳储量。但其作用结果具有不确定性,受到多种因素的制约。本文对造林后土壤碳储量变化和影响这种变化的因素及其影响效果进行综述,介绍了土壤碳储量变化的研究方法,最后指出当前研究的不足和今后的努力方向。随着我国造林面积的扩大和人工林年龄的增加,加强造林后土壤碳积累机制及这种积累的空间分异和时间动态的研究,具有重要的政治意义和科学实践意义。     

青藏高原芨芨草型温性草原不同土地利用方式的理论碳增汇潜力比较

于2009年7~8月对青藏高原芨芨草(Achnatherumsplendens)型温性草原主要分布区的4种土地利用类型──原生草地、退化草地、农田耕种和退耕还草区的土壤容重、土壤有机碳含量和植物地上、地下生物量进行对比研究,以探讨土地利用方式对青藏高原草地生态系统碳储垂向分布的影响.结果表明,土地利用方式显著影响着浅层(0~20 cm)土壤容重和地下生物量(P<0.05);农田耕种和退耕还草对土壤有机碳含量的影响程度可深达60cm;农田耕种区和退耕还草区的地上生物量极显著高于原生草地区和退化草地区(P<0.01);原生草地、退化草地、农田耕种区和退耕还草区的系统(植物+0~40 cm土壤)碳储分别为122.84、108.82、130.68和108.99 t?hm-2;以原生草地区地下系统碳储为参照,退化草地、农田耕种区和退耕还草区的增汇潜力分别为14.05、-6.38和14.88 t?hm-2,但增汇的时间效益和经济效益区别较大.     

Impact of tropical land‐use change on soil organic carbon stocks – a meta‐analysis

Land‐use changes are the second largest source of human‐induced greenhouse gas emission, mainly due to deforestation in the tropics and subtropics. CO₂ emissions result from biomass and soil organic carbon (SOC) losses and may be offset with afforestation programs. However, the effect of land‐use changes on SOC is poorly quantified due to insufficient data quality (only SOC concentrations and no SOC stocks, shallow sampling depth) and representativeness. In a global meta‐analysis, 385 studies on land‐use change in the tropics were explored to estimate the SOC stock changes for all major land‐use change types. The highest SOC losses were caused by conversion of primary forest into cropland (?25%) and perennial crops (?30%) but forest conversion into grassland also reduced SOC stocks by 12%. Secondary forests stored less SOC than primary forests (?9%) underlining the importance of primary forests for C stores. SOC losses are partly reversible if agricultural land is afforested (+29%) or under cropland fallow (+32%) and with cropland conversion into grassland (+26%). Data on soil bulk density are critical in order to estimate SOC stock changes because (i) the bulk density changes with land‐use and needs to be accounted for when calculating SOC stocks and (ii) soil sample mass has to be corrected for bulk density changes in order to compare land‐use types on the same basis of soil mass. Without soil mass correction, land‐use change effects would have been underestimated by 28%. Land‐use change impact on SOC was not restricted to the surface soil, but relative changes were equally high in the subsoil, stressing the importance of sufficiently deep sampling.     

Distributions of carbon in calcareous soils under different land uses in western Iran

Concentrations of Natural stable and unstable carbon in ecosystems have been used extensively to help to understand a wide range of soil processes and functions. This study was conducted to explore the effects of land use changes on different carbon fractions (F₁, F₂, F₃ and F₄), permanganate oxidizable carbon (POXC), soil organic carbon (SOC) and total organic carbon (TOC) associated with soils in calcareous soils of western Iran. Four popular land uses in the selected site including natural forest, range land, dryland farming and irrigated farming systems were employed as the basis of soil sampling. The results showed a strong relationship between land use conversion and SOC stocks changes. The greatest mean values for carbon content and the least mean values of CaCO₃ in bulk topsoil (0–15 cm) in the forest land were observed. Dryland farming had the least both active and passive pools of C in comparison with the other land uses. The positive and significant correlations was observed between SOC, Total C and POXC contents and different C fractions. Taking C and POXC pools into account, a more definitive picture of the soil C is obtained than when only total C is measured. The influence of land use changes on overall soil carbon stocks could be helpful for making management decision for farmers and policy makers in the future, for enhancing the potential of C sequestration in western Iran.     

How can soil monitoring networks be used to improve predictions of organic carbon pool dynamics and CO2 fluxes in agricultural soils?

As regional and continental carbon balances of terrestrial ecosystems become available, it becomes clear that the soils are the largest source of uncertainty. Repeated inventories of soil organic carbon (SOC) organized in soil monitoring networks (SMN) are being implemented in a number of countries. This paper reviews the concepts and design of SMNs in ten countries, and discusses the contribution of such networks to reducing the uncertainty of soil carbon balances. Some SMNs are designed to estimate country-specific land use or management effects on SOC stocks, while others collect soil carbon and ancillary data to provide a nationally consistent assessment of soil carbon condition across the major land-use/soil type combinations. The former use a single sampling campaign of paired sites, while for the latter both systematic (usually grid based) and stratified repeated sampling campaigns (5?C10 years interval) are used with densities of one site per 10?C1,040 km². For paired sites, multiple samples at each site are taken in order to allow statistical analysis, while for the single sites, composite samples are taken. In both cases, fixed depth increments together with samples for bulk density and stone content are recommended. Samples should be archived to allow for re-measurement purposes using updated techniques. Information on land management, and where possible, land use history should be systematically recorded for each site. A case study of the agricultural frontier in Brazil is presented in which land use effect factors are calculated in order to quantify the CO₂ fluxes from national land use/management conversion matrices. Process-based SOC models can be run for the individual points of the SMN, provided detailed land management records are available. These studies are still rare, as most SMNs have been implemented recently or are in progress. Examples from the USA and Belgium show that uncertainties in SOC change range from 1.6?C6.5 Mg C ha^?1 for the prediction of SOC stock changes on individual sites to 11.72 Mg C ha^?1 or 34% of the median SOC change for soil/land use/climate units. For national SOC monitoring, stratified sampling sites appears to be the most straightforward attribution of SOC values to units with similar soil/land use/climate conditions (i.e. a spatially implicit upscaling approach).     

黄土丘陵区小流域尺度土壤有机碳密度及储量

通过对上黄小流域不同土地利用方式下114个样点的采样分析,结合地统计学原理对小流域不同土层土壤有机碳密度的空间变异程度进行研究。研究表明,除表层土壤有机碳密度的空间变异程度较弱外,其余两层均属于中等强度变异。并呈现东部天然草地分布区与中部带状灌丛林地分布区空间变异程度较强的分布特点。不同土层深度和土地利用方式下土壤有机碳密度存在明显差异,土壤有机碳含量随着土层深度的增加而逐渐减小,有机碳密度则表现为10-30cm最高,30-60cm其次,0-10cm最低。不同土地利用方式下,有机碳密度表现为:天然草地 > 果园 > 灌丛林地 > 河滩、河台地 > 撂荒地 > 人工草地 > 耕地。以土地利用方式为基本单元,对上黄小流域土壤有机碳储量进行估算。结果表明,上黄小流域土壤有机碳总储量为46527.12t,其中,灌丛林地(22052.81t)和天然草地(14573.14t)的储量最高,占总储量的78.72%。     

科尔沁沙地不同土地利用和管理方式对土壤质量性状的影响

研究了科尔沁沙地退化草地开垦后,在14年不同的土地利用和管理方式下土壤物理、化学和生物学性状的特征。结果表明,农林(林草)复合利用模式在土壤粒级组成、孔隙分布、持水性能、有机质和N、P养分、酶活性等方面表现出较好的质量性状特征。有机无机配施、精细管理的灌溉农田次之,而粗放管理的旱作农田。土壤质量性状严重恶化,逐步向流沙方向演变,与科尔沁原生景观草地土壤相比,管理良好的利用系统,土壤物理性状、P含量和一些酶活性指标提高,但有机质和全氮含量明显低,表明已退化生态系统C、N库的恢复和重建需要较长的时间。研究结果表明,不同的土地利用方式和管理措施显著影响土壤质量变化的程度和方向;调整土地利用结构,基本农田实行精细管理,旱作农田退耕还草还林是保护土地资源。实现区域生态恢复和重建的根本选择。     

Soil carbon stocks and bulk density: spatial or cumulative mass coordinates as a basis of expression?

Accounting for CO₂ fluxes by determining changes in stocks of soil carbon (C) as a result of land use change is an option for complying nations under the Kyoto Protocol. The 1996 IPCC guidelines for C accounting recommend that soil C stocks to a depth of 30 cm be used in such accounting. However, the soil bulk density often changes with land use and the soil C per unit ground area to a fixed depth will also change even without any change in the mass fraction of C in dry soil. This problem will generally arise when soil C accounting is taken to a fixed depth (i.e. uses ‘spatial coordinates’). For accuracy in determining the land use change effects on soil C, soil sampling should be referred to a fixed dry soil mass per unit ground area (i.e. use ‘cumulative mass coordinates’). There has been intermittent literature‐discussion about this issue over several decades. Methods to accomplish C accounting on a mass coordinate basis, none of them accurate or efficient, have been suggested. Here, we propose a simple, accurate methodology for determining soil C stocks using cumulative mass coordinates, which does not involve repeat sampling trips, nominal specification of the location of boundaries between soil horizons, or independent sampling for determining soil bulk densities. Each core is taken a little (say 10 cm) below the nominal mass/depth required and the retrieved core is sliced into two at a point a little above the nominal mass/depth (say 10 cm above). An accurate determination of the depth of the core or slice is not needed, but an accurate determination of the dry mass of soil above and below the slice‐point is required. Linear interpolation between these two measurements is then used to estimate the cumulative soil C per unit ground area to the target dry soil mass per unit ground area. Even though this method eliminates the need for reporting soil bulk densities for C accounting, it is urged that the bulk densities and density changes still be routinely reported. This is because such information is of fundamental importance for understanding and predicting the movement of fluids and substances carried in them within the soil and between the soil and the environment. Hence, these data are likely to be of fundamental importance in developing our future understanding and predictive capacity of soil C changes with land use change.     

快速城市化地区住宅用地表层土壤有机碳的变异性及其影响因素——以福州南台岛为例

在高分辨率影像提取福州市南台岛(仓山区)住宅用地的基础上,从覆盖研究区的30m×30m网格中随机选择50个样方进行表层土壤取样,进而分析这一快速城市化地区住宅用地表层土壤有机碳密度(Soil organic carbon density,SOCD)的变异特征及其影响因素。结果表明:城市地区住宅用地在剧烈的人类活动干扰下,土壤呈现明显的空间变异特征,其SOCD平均值为33.814t/hm~2,变异系数达72.8%,其中郊区村镇住宅用地0—20cm土层的SOCD高于城市居住用地72%,预示着村镇就地城市化后将造成土壤碳储量的下降;然而,表层土壤有机碳含量与密度在建成时间为0—5年和5—10年的城市住宅小区间无显著差异,只有住宅建成时间达到10—15年才有显著提高。基于湿度、热度、绿化率与物业管理费等因子构建的城市住宅区绿化环境管理质量指标,与城市居住区表层土壤有机碳含量及密度存在显著正相关,与土壤容重呈显著负相关,成为快速城市化地区影响SOCD变异的另一主要因素。     

鼎湖山森林土壤活性碳及惰性碳沿海拔梯度的变化

对鼎湖山3个不同海拔高度下的沟谷雨林(LA)、低地常绿阔叶林(MA)和山地常绿阔叶林(UA)的土壤活性碳库和惰性碳库进行了研究。结果表明:(1)土壤总碳库仅在30—45 cm土层中存在显著差异且碳库大小随着海拔的增加而增加。(2)土壤微生物生物量碳(MBC)碳库在0—15 cm是LA和MA显著大于UA,在30—45 cm是MA和UA显著高于LA,在45—60 cm土层中MA最大。水溶性碳(WSOC)和颗粒碳(POC)碳库均不随海拔高度而改变。WSOC碳库占总碳库的百分比仅在30—45cm土层中存在差异且大小顺序为:LAUAMA,POC碳库占总碳库的百分比仅在土层15—30 cm上存在显著差异且MA比值最大。易氧化性碳(ROC)碳库及占总碳库百分比都是在表层土壤(0—15 cm)中产生显著变化,且UA极显著地大于LA和MA。(3)惰性碳(RC)碳库仅在深层土壤中存在显著差异且MA中RC碳库最大,UA次之,LA最小。RC碳库占总碳库比值仅在表层土壤0—15 cm存在显著差异且UA最大。表层土壤中ROC碳库和RC碳库占总碳库百分比的增加是导致中高海拔森林土壤总碳库最大的主要原因。(4)不同海拔高度上森林土壤理化性质与土壤碳库组成存在显著相关,土壤理化性质的改变是引起不同海拔高度森林土壤碳库组成变化的重要原因。