不同开垦年限坡地黑土耕层土壤有机碳库分配特征

因耕作和侵蚀的共同作用,农田坡地景观多为坡上侵蚀、坡下沉积的空间格局,同时伴随侵蚀区和沉积区土壤有机碳(SOC)含量及稳定机制的差异.为探明长期耕作的农田黑土有机碳库积累-损耗特征,采用Stewart物理-化学联合分组方法,以典型黑土区不同开垦年限坡耕地为研究对象,探讨基于侵蚀-沉积作用的不同稳定机制碳库(游离未保护碳、物理保护碳、化学保护碳、生物化学保护碳)的分配特征.结果表明: 长期耕作与侵蚀导致坡下沉积区显著富积SOC,4种碳库含量整体表现为沉积区显著大于侵蚀区;黑土区坡耕地SOC以化学保护碳库和生物化学保护碳库为主(>90%),侵蚀区主要积累化学保护有机碳(84.6%),沉积区主要积累生物化学保护有机碳(51.4%);随着开垦年限的延长,4种碳库积累速率随着碳稳定程度的增加而增加,为生物化学保护碳库(48%)>化学保护碳库(42.2%)>物理保护碳库(6.4%)>游离未保护碳库(3.4%);游离未保护有机碳库占比和积累速率最小,但其对外界干扰最敏感,在黑土管理过程中应引起足够重视.     

黑土坡耕地有机碳及其组分累积-损耗格局对耕作侵蚀与水蚀的响应

耕作与水蚀是黑土区坡耕地碳库退化的主导因素,为进一步探究土壤有机碳(SOC)及其组分对不同侵蚀驱动力(耕作、水力)的响应格局,基于该区耕作侵蚀与水蚀模型,在定量表达耕作侵蚀-沉积量与水蚀量的基础上,利用地统计学的方法,分析了东北黑土区典型漫岗地形坡面尺度SOC及其3种组分的空间分布特征.结果表明: 耕作侵蚀与沉积速率分别表现为坡上>坡下>坡中>坡脚和坡脚>坡下>坡中>坡上;水蚀速率表现为坡下>坡脚>坡中>坡上;坡下陡坡位置耕作侵蚀与水蚀协同引起严重的土壤流失.虽然耕作侵蚀速率(0.02～7.02 t·hm^-2·a^-1)远小于水蚀速率(5.96～101.17 t·hm^-2·a^-1),但耕作侵蚀在全坡面范围均可对SOC产生不同程度的影响,而水蚀则主要在坡下径流汇集区显著影响SOC的累积-损耗.受水蚀与耕作侵蚀-沉积作用影响,SOC、颗粒有机碳、水溶性有机碳在侵蚀点含量低于沉积点,而微生物生物量碳变化趋势相反;耕作侵蚀通过影响颗粒有机碳参与SOC的积累-损耗过程.     

生态恢复对红壤侵蚀地土壤有机碳组成及稳定性的影响

为了研究红壤侵蚀区生态恢复过程中土壤有机碳的组成与动态变化,选择红壤侵蚀区生态恢复10 a和30 a的马尾松林为对象,以侵蚀裸地和次生林为对照,应用土壤有机碳物理分组方法,研究了侵蚀地植被恢复过程中表层土壤粗颗粒态有机碳(cPOC)、细颗粒态有机碳(f POC)和矿质结合有机碳(MOC)含量及POC/MOC比值的变化。结果表明:生态恢复显著提高了土壤有机碳含量(P0.05),土壤中不同组分有机碳含量也相应增加。生态恢复10 a,土壤有机碳主要以f POC形式积累,cPOC和MOC没有显著变化,其中0—10 cm土层POC占总土壤有机碳(SOC)比例高达64.1%,但稳定性较差。与恢复10 a相比,生态恢复至30 a时,0—10 cm土壤f POC含量相对不变,cPOC和MOC含量均显著增加(P0.05),10—20 cm土壤f POC和MOC增加量达到显著水平,而cPOC含量仍未显著增加,说明生态恢复过程中土壤固碳模式符合SOC饱和理论。生态恢复过程中土壤POC/MOC比值呈先升高后降低的趋势,且表层土壤大于亚表层土壤,说明随着生态恢复时间的增加,土壤有机碳稳定性逐渐提高,且亚表层土壤高于表层。因此,生态恢复对于侵蚀地碳固定的长期有效性具有重要意义。     

黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应

研究了黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应特征,分析了退耕还林草对土壤有机碳的近期影响和长期效应。结果表明,1)从黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应整体而言,相对于坡耕地,退耕还林和退耕撂荒具有显著的土壤碳增汇效应,而退耕还草、退耕还果没有明显土壤碳增汇效应。以天然草地土壤有机碳密度为目标,撂荒地表层土壤有机碳增汇潜力可达8.3 t/hm2。2)以10a为界,退耕还林草的近期土壤碳增汇效应不明显,而10a后土壤碳增汇效应逐渐明显,退耕还林、还灌、撂荒和坡耕地的固碳效应差异显著。3)在评估黄土丘陵区退耕还林草的土壤固碳效应时应当注重长期固碳效应。4)退耕还林草的土壤固碳效应主要受还林草方式及年限的影响,二者分别可解释55.6%和24.1%的有机碳变异性;地形因子可解释8.5%的有机碳变异性。在评估该区退耕还林的土壤固碳效应时应当充分考虑退耕年限和地形因子的影响。5)人工刺槐林地、人工柠条林地以及撂荒地深层土壤(100—200 cm)有机碳密度占2 m土体有机碳密度的35%—40%,而且随着植被恢复深层土壤有机碳密度显著增加。6)在估算黄土丘陵区退耕还林土壤固碳效应时应该考虑深层碳累积。如果按1 m土层的土壤有机碳密度计算,会严重低估退耕还林草的土壤固碳量。     

湛江高桥红树林湿地有机碳分布及埋藏特征

红树林是世界上单位生产力最高的生态系统之一,其能够持续地固定有机碳,对全球碳平衡和生物地球化学循环有着深远影响。以广东湛江国家级红树林自然保护区高桥核心区为研究区,旨在分析我国典型红树林湿地的固碳潜力,为红树林湿地碳计量提供依据。在垂直于海岸线的两条样线上选取6个不同潮位的样点进行沉积柱取样分析,通过重铬酸钾氧化-外加热法测定有机碳含量,基于放射性同位素~(210)Pb定年推演沉积率,并对湿地有机碳密度和埋藏率进行计算。结果表明:研究区红树林湿地有机碳含量2.14—36.94 g/kg,平均(12.79±9.91)g/kg。红树林湿地有机碳密度为(0.0100±0.0056)g/cm3,空间上差异显著显著,水平方向上两条样线均以中带样点的有机碳密度最大,近陆侧(内带)样点的有机碳密度高于近海侧(外带);垂直方向上,内带和外带样柱的有机碳密度均以表层最高,而且随深度增加而减小。研究区红树林湿地百年尺度上沉积率为6.5—11mm/a,且外带样点沉积速率显著快于内带样点。有机碳埋藏率空间差异大,外带样点为(34.58±7.67)g m-2a-1,而中带样点可达150.56 g m-2a-1。红树林湿地有机碳的分布受潮位的影响大,更高潮位点和表层的有机碳含量和密度更高,而处于低潮位的外带样点的有机碳沉积更快。研究区红树林湿地有机碳含量和密度比更低纬度带低,但均高于地带性陆地植被,且其能够通过持续的沉积过程来捕捉和固定有机碳,固碳潜力大。     

开垦对绿洲农田碳氮累积及其与作物产量关系的影响

以新疆策勒绿洲近百年来不同开垦年限农田为研究对象,采用空间序列换算时间序列的方法,研究绿洲农田开垦过程中土壤有机碳和全氮密度、碳氮比(C/N)及速效氮含量的垂直变化特征,并探讨了农田土壤碳氮变化与作物产量的关系。结果表明:荒漠土壤开垦后,显著增加了表层土壤(0-20 cm)有机碳和全氮密度,随开垦年限延长对深层土壤(40-200 cm)有机碳密度也有一定的影响,如在开垦30 a左右时下降了36.4%,但在100 a左右时则增加了52.0%。耕层土壤C/N随开垦年限延长而明显增加,深层土壤除100 a农田外其它均有不同程度下降;不同土层C/N与速效氮含量呈负相关关系,仅在开垦初期(0-10 a)达到显著水平。不同年限农田的玉米产量存在显著差异,且和有机碳及全氮密度(0-200 cm)均呈显著正相关;棉花除100和10 a农田产量差异较小外,在其它农田间均达显著水平,但和有机碳及全氮密度无明显相关性。由此可见,在现有投入条件下,提高土壤碳氮累积量对增加玉米产量仍有十分重要作用,但对棉花产量的影响不明显。     

缙云山不同土地利用方式土壤有机碳组分特征

探讨了我国西南地区缙云山亚热带常绿阔叶林(以下简称林地)、果园、坡耕地以及撂荒地4种土地利用方式对土壤有机碳(SOC)组分含量及其分配比例的影响。采用物理分组技术,将SOC分为粗颗粒有机碳(cPOC)、细颗粒有机碳(fPOC)、微团聚体内颗粒有机碳(iPOC)、微团聚体内粉+黏颗粒(s+c_m)有机碳及粉+黏颗粒(s+c)有机碳。研究结果表明:在0—60cm的土壤深度范围内,SOC、cPOC、fPOC、iPOC、s+c_m组分以及s+c组分有机碳平均含量均为林地(9.02、3.14、1.61、0.33、0.42、3.53g/kg)显著高于果园(3.27、0.93、0.27、0.10、0.24、1.73g/kg)和坡耕地(2.58、0.51、0.10、0.12、0.08、1.77g/kg),说明林地开垦会导致SOC及各组分的流失;而撂荒地上述SOC及其各组分含量分别为14.90、5.17、2.36、0.42、0.59和6.36g/kg,均显著高于坡耕地,表明耕地撂荒后SOC及其组分能得到有效的恢复和截存。在SOC的各物理组分中,iPOC的有机碳分配比例最低,4种土地利用方式下均为3%左右;cPOC和fPOC作为活性较强的非保护有机碳库,在林地和撂荒地中所占SOC分配比例最高,达到50%以上;而果园和坡耕地中53um的粉+黏颗粒有机碳组成的化学保护有机碳库分配比例最大,分别为65.9%和71.6%,表明林地和撂荒地土壤有机碳的活性远远大于坡耕地及果园,支持更高的土壤肥力。在SOC及其组分中,fPOC可作为评估土地利用变化对土壤有机碳库影响的良好指标。     

青海省森林土壤有机碳氮储量及其垂直分布特征

森林土壤在调节森林生态系统碳、氮循环和减缓全球气候变化中起着关键的作用。但是,由于林型、林龄以及环境因子(海拔)的差异,至今对于森林土壤碳、氮储量的估算依然存在极大的不确定性。因此,利用森林土壤实测数据估算了青海森林土壤有机碳、氮密度和碳、氮储量,分析了土壤有机碳、氮密度的垂直分布格局。结果表明:1)土壤有机碳密度随海拔的增加呈单峰曲线变化,在海拔3100—3400 m达到最大34.33 kg/m~2;氮密度随海拔的增加而增加,范围为1.39—2.93 kg/m~2。2)在0—30 cm土层,土壤有机碳、氮密度均随土层的增加而降低,范围分别为3.84—4.63 kg/m~2、0.22—0.27 kg/m~2。3)青海省森林土壤碳储量为1098.70 Tg,氮储量为61.78 Tg。4)海拔与氮含量和密度之间存在极显著正相关关系(P0.01,P0.01)。土层深度与有机碳含量存在极显著负相关关系(P0.01);与有机碳密度、氮密度存在极显著正相关关系(P0.01,P0.01)。说明海拔和土层是影响青海省森林土壤有机碳、氮分布的关键因子。     

撂荒年限对陕北黄土区山地枣林深层土壤有机碳的影响

以陕西省延安市延川县齐家山红枣试验示范基地不同撂荒年限山地枣林(Ziziphus jujuba Mill.)为研究对象,采用空间代替时间的方法,研究该地区0~340 cm土壤有机碳的分布特征以及撂荒年限对有机碳分布的影响。结果显示:研究区土壤有机碳含量及有机碳储量具有明显的表聚现象;不同撂荒年限土壤有机碳储量差异显著,深层土壤有机碳储量达到整个土壤剖面的60%。在0~20 cm土壤有机碳含量与撂荒年限的增加呈正相关,撂荒20年(a)有机碳含量最高(12.62 g/kg),撂荒1 a有机碳含量最低(7.82 g/kg)。土壤深层有机碳(200~340 cm),随着撂荒年限的增加而降低,但不同撂荒年限间差异不显著。撂荒1 a土壤有机碳含量与土壤容重显著相关;撂荒3 a和6 a土壤有机碳含量与土壤速效钾显著相关;撂荒20 a土壤有机碳含量与土壤速效氮、砂砾含量显著相关。研究结果表明撂荒年限对土壤深层有机碳的分布影响较小。     

开垦对海北高寒草甸土壤有机碳的影响

在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站地区,选择高寒草甸开垦后形成的农田(种植春油菜)作为研究对象,开垦年限分别为0、10、20和30年,利用土壤有机碳密度分组法,对0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土层土壤有机碳(SOC)及不同组分(轻组有机碳LFOC,重组有机碳HFOC)含量及随开垦年限变化关系进行了研究。结果表明,高寒草甸开垦后土壤有机碳及其组分的变化主要发生在0~10 cm土层,LFOC下降最快,其次为HFOC和SOC,至30年时分别下降了48.63%、43.97%、37.64%。而0~40 cm土体内,SOC、LFOC和HFOC亦呈下降趋势,开垦30年,它们的下降速率分别为785.77、16.79和460.29 kg C.hm-2.yr-1。开垦将大大降低高寒草甸作为碳汇的功能,土壤碳库的总贮量由143 516.94 kg C.hm-2.yr-1下降至114 298.34 kg C.hm-2.yr-1,使其逆转为碳源。     

青藏高原高寒草甸生态系统碳增汇潜力

为了揭示青藏高原高寒草甸生态系统植被变化对碳储量的影响,以原生矮嵩草草甸、退化草甸、人工草地以及农田为研究对象,对比分析了该4种不同土地格局下生态系统的有机碳现状.以原生矮嵩草草甸土壤碳储量为基准对不同类型高寒生态系统的碳增汇潜力进行了估算.结果表明:不同类型生态系统的碳储量和碳增汇潜力有很大差异,在0-40cm土层中,(1)原生草甸碳储量最高,达到17098 g C/m2,退化草甸、人工草地和农田的有机碳汇增加潜力分别为:5637、3823、1567 g C/m2.(2)对于退化草甸和人工草地,土壤有机碳含量和密度明显低于原生草甸和农田.(3)地下生物量碳储量主要集中在0-20cm,且原生草甸地下生物量的碳储量比其他3个植被类型高3.6-5倍.总体上,青藏高原草地生态系统存在巨大的碳增汇潜力.     

红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态

运用RothC(version 26.3)模型,并结合“时空代换法”对长汀河田红壤侵蚀退化地马尾松人工恢复后林地表层(0-20cm)土壤有机碳库的动态变化进行了反演和预测,研究结果表明:RothC 26.3模型的模拟结果能够较好地反映红壤侵蚀地植被恢复过程中土壤有机碳的变化趋势;RothC 26.3模型适用于中亚热带季风气候条件下马尾松林地土壤碳库的动态模拟;侵蚀退化地在马尾松林建植后,林地表层土壤碳吸存速率以非线性的形式上升,并在15-25a时间内达到最大,马尾松恢复后前30a林地土壤平均碳吸存速率约为0.385 tC·hm-2· a-1,自马尾松建植后演替至当地顶级群落(次生林)全过程中平均碳吸存速率约0.156 tC·hm-2·a-1;根据模拟结果得到的拟合方程,计算得到研究区红壤侵蚀退化地的碳饱和容量约为36.85 tC/hm2,固碳潜力约为33.26 tC/hm2.     

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。     

松嫩平原农田土壤有机碳变化及固碳潜力估算

基于1979—1985年全国第二次土壤普查和2015年实地采样数据,利用土壤类型法计算了近35年来松嫩平原及其各县农田表层土壤有机碳密度和土壤碳库储量;并分析了松嫩平原农田土壤有机碳密度的空间分布及变化特征;利用饱和值法对松嫩平原及其各县市农田土壤有机碳量的变化趋势进行拟合,估算其农田土壤的固碳潜力。结果表明:(1)2015年松嫩平原农田表层土壤有机碳密度平均值为1.61 kg/m~2,近35年来约有81.59%的农田土壤有机碳密度呈下降趋势,集中分布在松嫩平原北部、东部和东南部地区,以富裕县东部、依安县中部、肇东县西部、扶余县西部等地区土壤有机碳密度下降幅度最大;(2)2015年松嫩平原农田表层土壤有机碳库总储量为233.63 Tg,比全国第二次土壤普查减少了32.62 Tg;(3)2015年松嫩平原农田表层土壤总固碳潜力为-32.7 TgC,呈现出"碳源"趋势,农田土壤单位面积固碳潜力平均值为-1.793×10~(-3)Tg/km~2。     

黄土丘陵区两种主要退耕还林树种生态系统碳储量和固碳潜力

黄土丘陵区是中华文明的起源地,而原有植被却遭受严重破坏。因此,自20世纪70年代末开始的三北防护林工程、退耕还林工程和天然林保护工程等大型生态恢复工程,在本区均有大面积分布。这些工程已经对生态恢复起到重要作用,并将对全球碳素循环起到积极作用。以黄土丘陵区的主要造林树种--油松(Pinus tabulaeformis Carr.)和刺槐(Robinia pseudoacacia L.)为研究对象,共设置样方28个,测定森林乔木、灌木、草本生物量及凋落物碳储量;钻取并分析土样516份,获得土壤有机碳储量。结合文献数据和农田碳储量数据,建立0-86年生油松林和0-56年生刺槐纯林生态系统碳储量-林龄序列;在此基础上分析造林对生态系统碳储量和固碳潜力的影响。结果表明,造林后的油松林和刺槐林生态系统的植被、凋落物及土壤碳储量逐渐增加;在没有人为干扰的情况下,19、27、36、86年生油松林生态系统碳储量分别为70.76、143.43、167.30、271.23-332.26 Mg/hm²;8、17、39年生刺槐林生态系统碳储量分别为80.37、94.08、140.77 Mg/hm²。受间伐干扰、45\,52年生油松林生态系统碳储量分别为136.42\,168.56 Mg/hm²,相对于没有人为干扰的油松林,其植被碳储量明显下降,而土壤碳储量保持稳定甚至升高。受乱砍滥伐干扰的71年生油松林和56年生刺槐林的生态系统碳储量分别为118.87\,76.99 Mg/hm²,相对于没有人为干扰的森林,其植被碳储量和土壤碳储量均呈明显下降趋势。种植油松林之后的86a时间内,其生态系统固碳潜力为211.61-272.64 Mg/hm²;而种植刺槐林、在39a时间内的生态系统固碳潜力为81.15 Mg/hm²。     

土地利用变化对花岗岩红壤底土溶解性有机质数量和光谱特征的影响

了解底土溶解性有机质(DOM)的数量和化学结构对土地利用变化的响应,对科学评价区域土壤有机质动态和碳库稳定性具有重要意义。通过选取花岗岩红壤丘陵区同一景观单元的天然林地(常绿阔叶林)以及由此转变而来的杉木人工林、板栗园和坡耕地,采用化学分析结合光谱扫描(紫外光谱、二维荧光光谱和傅里叶变换红外光谱)技术,研究底土(0.2—1 m)和表土(0—0.2 m)DOM数量和结构对土地利用变化的响应差异,结果表明:58%—87%的DOM贮存在底土中。天然林地土壤的DOM数量最为丰富,底土DOM的宏观化学结构比表土更为简单,以碳水化合物、类蛋白为主。天然林转变为其他利用方式后,底土DOM的损失量(26%—41%)超过表土(12%—49%),冬季比夏季更为凸显;这反映底土DOM数量对人为干扰和植被变化的高度敏感性。同时,底土DOM宏观化学结构趋于复杂化,芳香类、烷烃类和烯烃类的化学抗性物质出现积累的现象。DOM光谱曲线形状、特定峰值、特征值对土地利用的响应敏感,对人为干扰后植被、土壤有机质的变化具有生态指示意义。研究显示,天然林地转变为其他利用方式后,不仅导致底土DOM的损失,也显著降低土壤有机质品质,长期上削弱底土的碳库稳定性和碳吸存能力。     

农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面，中国农田生态系统面积大，碳储量高，是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上，比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题，通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布，并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明，中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势，农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均，0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间，增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施，但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后，从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广，为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异

探讨了黄土丘陵区退耕种植10—40a的柠条、沙棘及刺槐林地土壤总有机碳库及其活性组分密度随退耕时间、土层分布及相对比例的变化差异。结果表明:100 cm深土壤碳库在退耕10a时仅柠条林地碳库未比坡耕地显著增加,但退耕20—40a3种林地比退耕10a时都已有显著增加,且增幅均为刺槐>沙棘>柠条,其中总有机碳的最大增幅分别达到90.92、27.87、14.89Mg/hm2,活性有机碳的分别达到30.28、10.51、9.67 Mg/hm2。各还林地碳库增加在退耕10a时主要来自0—40 cm浅层土,而40—100 cm深层土碳库到退耕20a起才开始显著增加。对比退耕10a时,到退耕40a时柠条、沙棘及刺槐林地0—20 cm表层土分别平均累积了35.4%、27.9%、27.1%的总有机碳,20.2%、45.1%、23.1%的活性有机碳,而20—100 cm各土层间对碳库累积比例大小变化无一致规律,平均每20 cm厚土层累积了17.4%的总有机碳和17.6%活性有机碳。并且相比坡耕地,各林地均使100 cm深土壤活性有机碳占总有机碳的比例提高,改良了碳库质量。综上分析,长期退耕下3种林地固碳效应有明显差异,以刺槐林地碳累积效应较强。