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.     

农田生态系统土壤有机碳库及其影响因子

土壤有机碳(SOC)的数量和质量在很大程度上与维持和提高土壤肥力密切相关。农田生态系统土壤碳库研究一直是农业、生态和环境领域的一个主要方向。土地利用、耕作、作物类型、种植密度、灌溉、施肥以及其他人为活动等,对农田生态系统土壤有机碳库的变化均能产生影响。本文综合评述了农田生态系统土壤有机碳库及其影响因子,土壤碳截获潜力,维持和提高土壤有机碳库的措施,以及农田土壤碳截获在温室气体减排及气候变化中的潜在作用等,最后提出了农田生态系统土壤有机碳库研究的主要方向。     

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。     

林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响研究进展

林火干扰是森林生态系统特殊而重要的生态因子,可改变生态系统的养分循环与能量传递。研究林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响,有助于理解森林生态系统中土壤碳固持和碳循环过程,为制定科学合理的旨在减缓全球变化的林火管理策略具有重要意义。从4个方面阐述了林火干扰对森林生态系统土壤有机碳的影响及内在机制:分别从大尺度和小尺度两个方面阐述了林火干扰对土壤有机碳的影响及对森林生态系统碳循环与碳平衡的作用机制;探讨了不同林火干扰类型和林火干扰强度下,土壤活性有机碳对林火干扰的响应机制;阐明了林火干扰对土壤惰性有机碳的影响及作用机制;论述了林火干扰主要通过改变土壤有机碳的输入和输出过程进而影响土壤有机碳的稳定性及内在机制。最后提出了提高林火干扰对森林生态系统土壤有机碳影响定量化研究的4种路径选择:(1)全面比较研究不同林火干扰类型对土壤有机碳循环及其碳素再分配过程的功能特征;(2)进一步阐明林火干扰通过改变植被结构进而影响土壤生物群落结构,剖析土壤碳库循环的内在机制;(3)完善不同时空尺度下林火干扰对森林生态系统土壤碳库周转过程的定量化研究;(4)加强不同林火干扰类型土壤碳库稳定性差异的研究。     

土壤微生物碳泵概念体系2.0

土壤微生物在陆地生态系统元素循环中扮演着关键角色,对土壤健康、粮食安全和全球气候变化发挥着重要的调节作用。土壤微生物同化代谢产物对土壤碳储存与有机质维持的贡献不容忽视。近年来,以微生物代谢和死亡残体生成过程为核心提出的土壤微生物碳泵概念体系得到了广泛关注,它主要描述了以土壤异养微生物代谢为驱动的土壤有机碳形成和稳定化过程,是目前陆地生态系统碳固存的重要机制体系与研究热点。本文对该体系的研究进展进行了梳理,并提出了引入自养微生物固碳通道与结合土壤矿物碳泵概念的土壤微生物碳泵概念体系2.0,以期丰富和完善现有的微生物介导的陆地生态系统土壤碳循环与固持机制,为实现我国“双碳”目标提供理论支撑。     

土壤有机碳对外源氮添加的响应及其机制

土壤有机碳库是陆地生态系统碳库的重要组成, 在全球碳循环中发挥着重要的作用。受元素化学计量平衡调控作用, 氮输入的增加将会对土壤有机碳库产生重要影响。然而, 目前关于陆地生态系统碳库对氮添加的响应主要集中在植被碳库, 对土壤碳库研究较少, 且研究结论争议较大, 尤其对其响应机制缺少系统梳理。该文作者通过对已有文献进行梳理, 认为生态系统类型、土壤碳变化的检测方法、土壤深度, 以及土壤稳定性碳和易变碳含量的差异可能是造成当前研究土壤碳汇增量(每克氮输入所增加的碳)差异的重要原因。氮添加条件下土壤有机碳的积累机制可能包括3个方面: 1)氮添加增加了凋落物输入, 促进了碳积累; 2)氮添加减少土壤碳输出, 尤其是抑制了稳定性碳的分解; 3)促进土壤腐殖质及稳定性碳的形成。此外, 该文结合当前研究中存在的不足, 提出今后需加强对深层土壤碳、土壤可溶性有机碳的淋溶及吸附, 以及不同土壤碳组分对氮添加的响应研究, 并通过改进检测方法减少氮添加条件下碳储量的测量误差。     

土壤碳库构成研究进展

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳库的构成影响其累积和分解,并直接影响全球陆地生态系统碳平衡,同时也影响土壤质量变化。弄清土壤碳库的组分及构成,是进一步研究土壤碳库变化机制的关键。综述了土壤碳库的组分和构成,对有机碳库进行不稳定性有机碳库和稳定有机碳库归类,描述各类碳库的性质,并对各类碳库的分析测定方法进行了评述。提出在土壤碳构成中增加黑碳和煤炭(碳)以完善土壤有机碳构成框架。在未来研究中,应加强土壤无机碳及湿地土壤和新开发新复垦的重构土壤碳库构成及变化,各类碳库化学构成,交叉重叠的定量关系,碳库之间的转化及在土壤中的迁移,黑碳对土壤碳库稳定性及土壤质量的影响,煤开采扰动区煤炭(碳)对土壤质量的影响及环境效应等科学问题的研究。     

气候变化对森林土壤有机碳贮藏影响的研究进展

森林土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解的变化直接影响陆地生态系统的碳贮藏与全球的碳平衡.气候变化将影响植物光合作用及土壤有机碳的分解和转化过程,进而影响森林土壤有机碳贮量及土壤碳动态.温度、降水、大气CO2浓度等气候因子对森林土壤碳贮藏均具有重要影响.了解气候变化对森林土壤有机碳贮藏的影响有助于人们科学管理森林碳库以及进一步寻找缓解气候变化的可行途径.为此,本文综述了森林土壤有机碳贮量的分布以及升温、降水变化和大气CO2浓度升高对森林土壤有机碳贮藏影响的国内外研究进展,并提出了有关的研究展望.     

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。     

土壤有机碳库的关键影响因素及其不确定性

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,比植被碳库或大气碳库的两倍还多。准确评估土壤有机碳库是预测全球变化与土壤有机碳之间反馈关系的关键。但目前对土壤有机碳库的估算还存在很大不确定性。该文综述了土壤有机碳库估算及其影响因素和土壤有机碳库估算不确定性的来源和常用的采样方法,以及计算土壤碳汇的最新研究进展。未来技术进步以及模型的不断完善可能会降低土壤有机碳库估算的不确定性,提高其估算的精度     

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。     

Combined global change effects on ecosystem processes in nine U.S. topographically complex areas

Concurrent changes in climate, atmospheric nitrogen (N) deposition, and increasing levels of atmospheric carbon dioxide (CO₂) affect ecosystems in complex ways. The DayCent-Chem model was used to investigate the combined effects of these human-caused drivers of change over the period 1980–2075 at seven forested montane and two alpine watersheds in the United States. Net ecosystem production (NEP) increased linearly with increasing N deposition for six out of seven forested watersheds; warming directly increased NEP at only two of these sites. Warming reduced soil organic carbon storage at all sites by increasing heterotrophic respiration. At most sites, warming together with high N deposition increased nitrous oxide (N₂O) emissions enough to negate the greenhouse benefit of soil carbon sequestration alone, though there was a net greenhouse gas sink across nearly all sites mainly due to the effect of CO₂ fertilization and associated sequestration by plants. Over the simulation period, an increase in atmospheric CO₂ from 350 to 600 ppm was the main driver of change in net ecosystem greenhouse gas sequestration at all forested sites and one of two alpine sites, but an additional increase in CO₂ from 600 to 760 ppm produced smaller effects. Warming either increased or decreased net greenhouse gas sequestration, depending on the site. The N contribution to net ecosystem greenhouse gas sequestration averaged across forest sites was only 5–7 % and was negligible for the alpine. Stream nitrate (NO₃ ^?) fluxes increased sharply with N-loading, primarily at three watersheds where initial N deposition values were high relative to terrestrial N uptake capacity. The simulated results displayed fewer synergistic responses to warming, N-loading, and CO₂ fertilization than expected. Overall, simulations with DayCent-Chem suggest individual site characteristics and historical patterns of N deposition are important determinants of forest or alpine ecosystem responses to global change.     

造林再造林、森林采伐、气候变化、CO2浓度升高、火灾和虫害对森林固碳能力的影响

森林生态系统具有吸收大气CO_2、缓解气候变化的作用。造林再造林作为京都议定书认可的大气CO_2减排途径,是提高森林固碳能力的低成本、有效策略。森林生态系统固碳能力还受森林采伐、气候变化、大气CO_2浓度升高、火灾以及虫害等自然因素和人为因素的强烈影响。综述了全球和区域造林再造林的固碳能力,以及目前较受重视的一些因素(森林采伐、气候变化、大气CO_2浓度升高、火灾以及虫害)对森林生态系统固碳能力的影响。结果表明,全球造林再造林固碳能力为148—2400TgC/a;采伐造成的全球森林碳损失最大为900 TgC/a,其次是火灾为300 TgC/a,虫害造成森林碳释放最小在2—107 TgC/a之间。建议在今后的研究中,应关注固碳措施和多种环境因素对森林生态系统固碳能力,尤其是对森林土壤固碳能力的影响,严格控制森林采伐和火灾发生,以及减少或避免造林再造林活动引起的碳泄漏。     

1990-2030年中国主要陆地生态系统碳固定服务时空变化

以中国森林、草地、湿地等主要陆地生态系统为研究对象,估算了植被和土壤有机碳固定量现状与近20年生态系统碳固定变化量,预测了未来20年3种不同社会经济发展情景下主要陆地生态系统的碳固定潜力,评估了我国主要陆地生态系统碳固定服务的现状、过去变化及未来潜力。结果表明：（1）2010年,中国主要陆地生态系统碳固定总量达17.29PgC,其中植被碳固定量8.70PgC,30cm深度土壤有机碳固定量8.59PgC。其中,森林碳固定量占73.26%,草地占21.55%,湿地占5.18%。（2）1990-2000年,我国主要陆地生态系统碳固定总量减少了2.15%,其中森林、草地和湿地分别减少了1.12%、0.97%、20.19%。2000-2010年,碳固定总量增加了2.92%,其中森林增加了3.72%,草地和湿地分别减少了0.62%和5.59%。（3）前、后两个10年相比,碳固定总量从轻微下降转变为轻微上升趋势。其中,森林碳固定量从下降趋势转变为上升趋势,说明生态工程成效明显。草地碳固定量处于基本持衡态势,碳固定减少量和减少比例有所下降,湿地碳固定量的下降趋势亦有所缓解,说明草地退化、湿地破坏趋势有所遏制,但仍需要重点关注。（4）至2030年,3种社会经济发展情景下,我国主要陆地生态系统碳固定总量将呈现较明显的上升态势,增量可达430.11-498.06TgC,增加比例5.15-5.97%,以森林碳固定量增加为主,而草地碳固定服务呈现微弱减少态势。     

煤矿废弃地生态修复的土壤有机碳效应

采煤使得植被和土壤遭到损毁破坏,导致原生态系统碳汇功能的急剧退化甚至完全丧失。采煤堆积的煤矸石可发生氧化自燃,是巨大的CO_2排放源。生态修复对减少矿区碳排放及减缓大气温室效应具有重要意义。分析了国内外煤矿废弃地生态修复后的土壤有机碳动态特征,修复模式、修复时间和修复措施对土壤有机碳及其活性组分的影响,总结了土壤固碳的主要影响因子。研究结果表明,土壤有机碳在人工植被修复和有机物添加后增加显著,且与修复时间成正比。煤矿废弃地通过采取适宜的生态修复措施,有很大的土壤固碳潜力。未来应加强团聚体固碳等土壤固碳机理和土壤活性有机碳等科学问题的研究,以期为退化区生态修复进程中土壤固碳功能提升提供参考。     

Nitrogen Management Affects Carbon Sequestration in North American Cropland Soils

Agricultural soils in North America can be a sink for rising atmospheric CO₂ concentrations through the formation of soil organic matter (SOM) or humus. Humification is limited by the availability of nutrients such as nitrogen (N). Recommended management practices (RMPs) that optimize N availability foster humus formation. This review examines the management practices that contribute to maximizing N availability for optimizing sequestration of atmospheric CO₂ into soil humus. Farming practices that enhance nutrient use, reduce or eliminate tillage, and increase crop intensity, together, affect N availability and, therefore, C sequestration. N additions, from especially, livestock manure and leguminous cover crops are necessary for increasing grain and biomass yields and returning crop residues to the soil thereby increasing soil organic carbon (SOC) concentration. Conservation tillage practices enhance also the availability of N and increase SOC concentration. Increase in cropping intensity and/or crop rotations produce higher quantity and quality of residues, increase availability of N, and therefore foster increase in C sequestration. The benefit of C sequestration from N additions may be negated by CO₂ and N₂O emissions associated with production and application of N fertilizers. More studies need to be conducted to ascertain the benefits of adding N via manuring versus N fertilizer additions. Furthermore, site specific adaptive research is needed to identify RMPs that optimize soil N use efficiency while improving crop yield and C sequestration thereby curbing greenhouse gas (GHG) emissions. Due to the wide range of climate in North America, there is a large range of C sequestration potential in agricultural soils through N management. Humid croplands may have the potential to sequester 8–298 Tg C yr^?1 while dry croplands may sequester 1–35 Tg C yr^?1. These estimates, however, are highly uncertain and wide-ranging. Clearly, more research is needed to quantify, more precisely, the C sequestration potential across different N management scenarios especially in Mexico and Canada.     

Nitrogen deposition and plant species interact to influence soil carbon stabilization

Anthropogenic nitrogen (N) deposition effects on soil organic carbon (C) decomposition remain controversial, while the role of plant species composition in mediating effects of N deposition on soil organic C decomposition and long‐term soil C sequestration is virtually unknown. Here we provide evidence from a 5‐year grassland field experiment in Minnesota that under elevated atmospheric CO₂ concentration (560 ppm), plant species determine whether N deposition inhibits the decomposition of soil organic matter via inter‐specific variation in root lignin concentration. Plant species producing lignin‐rich litter increased stabilization of soil C older than 5 years, but only in combination with elevated N inputs (4 g m^?2 year^?1). Our results suggest that N deposition will increase soil C sequestration in those ecosystems where vegetation composition and/or elevated atmospheric CO₂ cause high litter lignin inputs to soils.     

Carbon sequestration potential of soils in southeast Germany derived from stable soil organic carbon saturation

Sequestration of atmospheric carbon (C) in soils through improved management of forest and agricultural land is considered to have high potential for global CO₂ mitigation. However, the potential of soils to sequester soil organic carbon (SOC) in a stable form, which is limited by the stabilization of SOC against microbial mineralization, is largely unknown. In this study, we estimated the C sequestration potential of soils in southeast Germany by calculating the potential SOC saturation of silt and clay particles according to Hassink [Plant and Soil 191 (1997) 77] on the basis of 516 soil profiles. The determination of the current SOC content of silt and clay fractions for major soil units and land uses allowed an estimation of the C saturation deficit corresponding to the long‐term C sequestration potential. The results showed that cropland soils have a low level of C saturation of around 50% and could store considerable amounts of additional SOC. A relatively high C sequestration potential was also determined for grassland soils. In contrast, forest soils had a low C sequestration potential as they were almost C saturated. A high proportion of sites with a high degree of apparent oversaturation revealed that in acidic, coarse‐textured soils the relation to silt and clay is not suitable to estimate the stable C saturation. A strong correlation of the C saturation deficit with temperature and precipitation allowed a spatial estimation of the C sequestration potential for Bavaria. In total, about 395 Mt CO₂‐equivalents could theoretically be stored in A horizons of cultivated soils – four times the annual emission of greenhouse gases in Bavaria. Although achieving the entire estimated C storage capacity is unrealistic, improved management of cultivated land could contribute significantly to CO₂ mitigation. Moreover, increasing SOC stocks have additional benefits with respect to enhanced soil fertility and agricultural productivity.     

土壤溶解性有机碳在陆地生态系统碳循环中的作用

土壤溶解性有机碳(DOC)是有机碳库的活跃组分,在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用.本文从碳循环重要性着手,综述了土壤DOC在土壤碳固持与温室气体排放中的作用;结合我国的现实情况(如土壤酸化、气候变暖等),探讨了土壤DOC的相关影响因素如土壤性质、环境因素、人为活动对土壤DOC的影响及作用机制,对进一步理解土壤DOC在陆地生态系统碳循环与温室气体减排中的作用具有重要意义.