林火干扰对土壤性质及温室气体通量的影响

林火干扰是森林生态系统重要的干扰因子。林火的发生烧毁大量的森林资源,释放温室气体到大气当中,同时林火对土壤物理、化学性质以及土壤微生物都会产生一定的影响,进而影响到地-气主要温室气体的释放。本文综述了不同强度的森林火灾对土壤物理、化学性质以及土壤微生物的影响;森林火灾发生后的不同时间序列上地-气主要温室气体CO2、CH4、N2O通量的变异;尤其是在全球气候变暖背景下,冻土区森林火灾发生后,随冻土的融化,温室气体排放;林火发生时高温缺氧环境下往往会形成燃烧程度不同的木炭;本文还综述了火烧迹地木炭的不同管理方式如火场清理或就地掩埋,及其对火烧迹地土壤性质以及温室气体通量的影响。最后,提出今后应该注意的几个问题,并指出未来可能的研究拓展方向。     

长期不施磷对稻田温室气体排放的影响

稻田磷肥的“旱重水轻”施肥策略是有效提高磷素利用率、减少磷素流失的有效技术途径,但稻季不施磷对温室气体排放的影响尚不明确。本研究监测了苏州和宜兴两块长期定位试验田中正常施磷与不施磷处理水稻生育期内CH₄和N₂O的排放通量。结果表明: 与正常施磷处理相比,长期不施磷处理均显著促进了稻田CH₄和N₂O排放,其中,苏州试验田CH₄和N₂O排放量分别增加57%和25%,宜兴试验田CH₄和N₂O排放量分别增加221%和70%。长期不施磷使土壤的速效磷、有机酸和可溶性有机碳含量下降,与CH₄排放密切相关,特别是土壤速效磷含量与CH₄排放量呈显著负相关,相关系数r=-0.987。两处试验田不施磷处理的全球增温潜势均大于施磷处理。因此,稻田长期缺磷会对土壤有机酸、可溶性有机碳和速效磷含量产生影响,进而增加稻田CH₄和N₂O的排放。     

生物质炭对土壤性质及温室气体排放的影响

生物质炭是指生物质如作物残体、畜禽粪便以及其他任何形式的有机物质,在高温缺氧下裂解形成的物质。生物质炭有很多环境效应,最主要的是将碳长期固存在土壤中,缓温室效应,遏制全球气候变暖。生物质炭施入土壤后,能有效改善土壤结构,促进植物对土壤养分的吸收,提高作物产量,可以有效降低温室气体的排放。但大规模的生物质炭施用还存在很多的不确定性,包括工业生产的成本核算、原料的有效性以及生物质炭施用的长期效应的不确定等。本文综述了不同条件下制得的生物质炭的性质差异,生物质炭施入后对土壤物理、化学、微生物性质以及对地-气主要温室气体通量的影响,对水稻产量及稻田温室气体排放的影响,森林火灾发生后产生木炭的一些环境效应。     

秸秆还田与氮肥施用对稻田温室气体排放的影响

秸秆还田与氮肥施用是农田生态系统中碳氮元素的两大主要补给途径,其在调控稻田甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)排放以及水稻产量方面具有重要作用。以往的研究主要关注秸秆还田或氮肥施用单因素对稻田温室气体排放的影响,而双因素互作对甲烷和氧化亚氮排放的影响尚未明确。同时,在秸秆还田条件下如何进行合理的氮肥施用鲜有深入研究。本研究基于3个氮肥处理(0、180、360 kg N/hm²)和3个秸秆还田处理(0、2.25、3.75 t/hm²)进行多年水稻田间定位试验,研究结果表明:CH₄季节累积排放随秸秆还田量增加而增加,与施氮量无显著正相关关系;N₂O季节累积排放随施氮量增加而增加,与秸秆还田量无显著正相关关系;秸秆还田对于产量的影响具有不确定性,两年均在秸秆不还田+不施氮处理(S0N0)出现最低产量,2021与2022年最低产量分别为5740.64和4903.75 kg/hm²。2021与2022年最高产量分别在秸秆不还田+高氮(S0N2)和高量秸秆还田+高氮(S2N2)出现,分别为10938.48和10384.83 kg/hm²。同时,本研究发现在低量秸秆还田条件下,在碳足迹(CF, Carbon Footprint)方面,施氮量为251 kg N/hm²时碳足迹达到最低点,为1.01 kg C/kg;而在生态经济净收益(NEEB, Net Ecosystem Economic Benefits)方面,施氮量为294 kg N/hm²时生态经济净收益达到最高点,为11778.15 元/hm²。为协同生态经济净收益与碳排放,在低量秸秆还田(S1)下,配合251-294 kg N/hm²的施氮量为最优施肥方案。研究结果为指导稻田温室气体减排、实现稻田碳中和以及农田管理提供了理论支撑,为实现水稻的高产稳产与低碳生产科学依据。     

稻田温室气体排放与土壤微生物菌群的多元回归分析

为揭示多种田间管理措施综合影响下双季稻田温室气体平均排放通量与土壤微生物菌群的多元回归关系,利用静态箱—气相色谱法和稀释培养计数法进行了温室气体排放通量和土壤产气微生物菌群数量的连续观测。两年研究结果显示,稻田甲烷排放通量与土壤微生物总活性和产甲烷菌数量关系密切,甲烷排放通量与二者的关系可分别由指数和二次多项式模型拟合。一元回归分析表明,仅产甲烷菌数量就能单独解释96.9%的稻田甲烷排放通量变异（R2=0.969,P<0.001）,但考虑两种因素以后的二元回归拟合优度高于一元回归（R2=0.975,P<0.001）。氧化亚氮排放通量与土壤硝化细菌和反硝化细菌数量也密切相关（P <0.05）,氧化亚氮排放通量与二者的二元非线性混合回归模型可以解释至少70.4%的稻田氧化亚氮排放通量（R2≥0.704, P <0.001）,其拟合优度也高于一元回归。稻田温室气体排放通量受多种影响因素控制,土壤产气微生物活性和数量是多种因素影响的直接响应,因此二者与温室气体排放存在显著相关,基于田间试验的多元非线性回归分析客观的揭示了温室气体排放通量与环境因子的相关关系。     

冻融交替对长白山不同林型土壤两种温室气体排放的影响

以长白山5种林型土壤(硬阔叶林、红松阔叶林、次生白桦林、长白松林和蒙古栎林)为对象,利用原位培养连续取样法研究了冻融过程中5种林型土壤CO2和N2O排放特征及相关机理.结果 表明:冻融期5种林型土壤是CO2和N2O的源.次生白桦林和红松阔叶林土壤CO2和N2O的平均通量显著高于其他3种林型.除硬阔叶林外,各林型土壤CO...     

秸秆不同还田方式对棕壤N_2O排放和土壤理化性质的影响

通过田间试验,采用静态箱-气相色谱法研究秸秆炭化还田和直接还田对棕壤旱田氧化亚氮(N2O)排放和相关土壤理化性质的影响。试验设单施化肥(对照CK)、化肥+玉米秸秆直接还田(CS)、化肥+玉米秸秆炭化还田(BC)3个处理,各处理均施用等量化肥。结果表明:(1)各处理土壤N2O排放量差异显著,表现为CKCSBC,BC和CS处理分别比CK降低38.9%和24.0%;(2)BC处理N2O排放强度显著降低,分别比CS和CK处理降低35.0%和39.2%,而CS与CK处理N2O排放强度差异不显著;(3)CS和BC处理均可显著降低土壤容重和氨氧化潜势,增加土壤p H、速效钾和有机碳含量;(4)相关分析结果表明,N2O排放量与土壤温度、土壤容重和氨氧化潜势均呈显著正相关,与土壤p H、硝态氮含量和土壤有机碳含量呈负相关。     

秸秆还田与施肥对稻田土壤微生物生物量及固氮菌群落结构的影响

利用氯仿熏蒸法和变性梯度凝胶电泳法(PCR-DGGE)研究了秸秆覆盖还田与施肥对灰棕冲积水稻土0—10cm和10—20cm土层土壤微生物生物量碳、氮和固氮菌群落结构的影响。结果表明:土壤微生物量碳、氮和固氮菌多样性从0—10cm土层到10—20cm土层均呈现降低趋势。无秸秆覆盖处理(对照组)的土壤微生物生物量碳(SMB-C)和微生物生物量氮(SMB-N)量最小。在秸秆覆盖还田处理中,低氮和无钾处理的SMB-C和SMB-N都显著低于全量氮磷钾肥处理。虽然无磷处理的SMB-N低于全量氮磷钾处理,但差异不显著。说明秸秆覆盖还田配施充足氮磷钾肥能显著提高土壤微生物生物量碳、氮。由DGGE图谱多样性指数分析得知,配施充足氮磷钾肥的处理土壤的固氮菌多样性最丰富。UPGMA聚类分析显示,10种不同处理的聚类图也不同,对照(无秸秆)处理0—10cm和10—20cm的微生物不同于其它处理单独聚在了一个群里。DGGE条带测序得知,14个条带的近缘种大部分为非培养细菌nifH基因片段,主要优势菌群其归属于变形菌门(Proteobacteria)的β-变形菌纲(Betaproteobacteria)。应用PCR-DGGE技术可以解释灰棕冲积水稻土秸秆覆盖不同肥料用量固氮菌分子群落结构特点。     

有机、无机氮肥施用对苜蓿产量、土壤硝态氮和温室气体排放的影响

2012年5月—2014年6月,采用田间小区试验方法,研究了不同氮肥管理对N₂O与CH₄的排放、土壤硝态氮含量以及苜蓿干草产量的影响.试验共设5个处理:对照(CK)、单施尿素处理(100 kg N·hm^-2, CF)、尿素(100 kg N·hm^-2)与腐熟牛粪(60 kg N·hm^-2)混施处理(DM₁)、尿素(100 kg N·hm^-2)与沼液(60 kg N·hm^-2)混施处理(DT)及减量尿素(40 kg N·hm^-2)与牛粪(60 kg N·hm^-2)混施处理(DM₂).结果表明: 与CK相比,CF、DM₁、DT和DM₂处理苜蓿干草产量分别增加44.2%、38.9%、56.3%和30.6%,N₂O排放分别比对照增加52.2%、89.1%、133.7%和59.4%,但各施肥处理对甲烷吸收表现出不同程度的抑制作用.苜蓿生产中,尿素和牛粪处理N₂O-N排放与肥料氮素投入量比值(排放系数)为0.25%～0.28%,而沼液处理N₂O-N排放系数为0.64%,显著高于前者.苜蓿生产中,施用化肥或有机无机混施均能显著增加苜蓿干物质产量,土壤硝态氮深层淋洗风险较小,但增加了CO_2-equivalent净排放量.     

大气CO2增加对陆地生态系统微量气体地气交换的影响

简要综述了近年来国内外在大气CO₂浓度增加对微量气体交换影响方面的研究进展.首先介绍了有关大气CO₂浓度增加的研究技术和方法,比较了目前两种常用技术开顶箱(OTC)和开放式空气CO₂增加(FACE)方法的优缺点,然后着重阐述了用OTC和FACE研究陆地生态系统CH₄、N₂O、CO₂等微量气体的地气交换对大气CO₂浓度增加的响应.综合现有的资料表明,大气CO₂浓度增加,会促进绿色植物生物量增加,同时改变生物质的C/N比,降低有机质的分解速率,增强了陆地生态系统对大气CO₂的固持作用;大气CO₂浓度增加会提高产甲烷菌的活性和影响CH₄的排放过程,有可能导致湿地生态系统CH₄的排放增加;大气CO₂浓度增加对N₂O排放影响的研究较少,且尚无一致的结论.另外,对于其他微量气体,尚没有相关研究报道.鉴于此,今后应加强大气CO₂浓度增加的微量气体地气交换响应研究.     

Effects of biochar application on soil greenhouse gas fluxes: a meta‐analysis

Biochar application to soils may increase carbon (C) sequestration due to the inputs of recalcitrant organic C. However, the effects of biochar application on the soil greenhouse gas (GHG) fluxes appear variable among many case studies; therefore, the efficacy of biochar as a carbon sequestration agent for climate change mitigation remains uncertain. We performed a meta‐analysis of 91 published papers with 552 paired comparisons to obtain a central tendency of three main GHG fluxes (i.e., CO₂, CH₄, and N₂O) in response to biochar application. Our results showed that biochar application significantly increased soil CO₂ fluxes by 22.14%, but decreased N₂O fluxes by 30.92% and did not affect CH₄ fluxes. As a consequence, biochar application may significantly contribute to an increased global warming potential (GWP) of total soil GHG fluxes due to the large stimulation of CO₂ fluxes. However, soil CO₂ fluxes were suppressed when biochar was added to fertilized soils, indicating that biochar application is unlikely to stimulate CO₂ fluxes in the agriculture sector, in which N fertilizer inputs are common. Responses of soil GHG fluxes mainly varied with biochar feedstock source and soil texture and the pyrolysis temperature of biochar. Soil and biochar pH, biochar applied rate, and latitude also influence soil GHG fluxes, but to a more limited extent. Our findings provide a scientific basis for developing more rational strategies toward widespread adoption of biochar as a soil amendment for climate change mitigation.     

Offsetting global warming‐induced elevated greenhouse gas emissions from an arable soil by biochar application

Global warming will likely enhance greenhouse gas (GHG) emissions from soils. Due to its slow decomposability, biochar is widely recognized as effective in long‐term soil carbon (C) sequestration and in mitigation of soil GHG emissions. In a long‐term soil warming experiment (+2.5 °C, since July 2008) we studied the effect of applying high‐temperature Miscanthus biochar (0, 30 t/ha, since August 2013) on GHG emissions and their global warming potential (GWP) during 2 years in a temperate agroecosystem. Crop growth, physical and chemical soil properties, temperature sensitivity of soil respiration (R_s), and metabolic quotient (qCO₂) were investigated to yield further information about single effects of soil warming and biochar as well as on their interactions. Soil warming increased total CO₂ emissions by 28% over 2 years. The effect of warming on soil respiration did not level off as has often been observed in less intensively managed ecosystems. However, the temperature sensitivity of soil respiration was not affected by warming. Overall, biochar had no effect on most of the measured parameters, suggesting its high degradation stability and its low influence on microbial C cycling even under elevated soil temperatures. In contrast, biochar × warming interactions led to higher total N₂O emissions, possibly due to accelerated N‐cycling at elevated soil temperature and to biochar‐induced changes in soil properties and environmental conditions. Methane uptake was not affected by soil warming or biochar. The incorporation of biochar‐C into soil was estimated to offset warming‐induced elevated GHG emissions for 25 years. Our results highlight the suitability of biochar for C sequestration in cultivated temperate agricultural soil under a future elevated temperature. However, the increased N₂O emissions under warming limit the GHG mitigation potential of biochar.     

生物黑炭对旱地土壤CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响

采用土柱室内模拟的方法,通过添加0%、0.5%、2%、4%、6%、8%生物黑炭于土壤中,测定土壤CO2、CH4、N2O排放通量,探讨生物黑炭对旱地土壤CO2、CH4、N2O排放及其环境效益的影响。结果表明:室内模拟土柱培养期内,施用生物黑炭能显著增加CO2排放,且生物黑炭添加百分数(x)与CO2累积排放量(y)之间满足线性方程:y=12.591x+235.02(R2=0.834,n=24);当生物黑炭添加量达到2%及以上时,基本抑制了CH4的排放和显著减少土壤N2O排放,并显著减少CH4和N2O的综合温室效应,当其达到4%以上时,CH4和N2O的综合温室效应降幅更大并趋于稳定,但施用少量生物黑炭(0.5%)可显著促进N2O排放,对减少CH4和N2O综合温室效应并无明显效果。生物黑炭表观分解率随其添加量的增加逐渐减少,生物黑炭添加比例越高,积累于土壤中的碳越多,从投入生物黑炭量与固碳量和减排比角度综合考虑,农业生产中推荐生物黑炭施用量为20 t/hm2,其固碳减排效果俱佳。     

生物质炭对水稻土团聚体微生物多样性的影响

生物质炭施用对土壤微生物群落结构的影响已有报道,但土壤团聚体粒组中微生物群落对生物质炭施用的响应的研究还相对不足。以施用玉米秸秆生物质炭两年后的水稻土为对象,采用团聚体湿筛法,通过高通量测序对土壤团聚体的微生物群落结构与多样性进行分析,结果表明:(1)与对照相比,生物质炭施用显著促进了大团聚体(2000—250μm)的形成,并提高了团聚体的稳定性。(2)不同粒径团聚体间微生物相对丰度存在显著差异。在未施生物质炭的处理(C0)中,随着团聚体粒径增大,变形菌门、子囊菌门、β-变形杆菌目、格孢腔菌目的相对丰度逐渐降低,而酸杆菌门、担子菌门、粘球菌目、类球囊霉目的相对丰度逐渐升高。(3)生物质炭施用显著改变了团聚体间的微生物群落结构。与C0处理相比,生物质炭施用处理的大团聚体中变形菌门、鞭毛菌门和β-变形杆菌目的相对丰度分别显著提高了14.37%、33.28%和33.82%;微团聚体(250—53μm)中酸杆菌门、子囊菌门和粘球菌目的相对丰度分别显著降低了20.15%、19.93%和17.66%;粉、黏粒组分(<53μm)中担子菌门的相对丰度升高90.25%,而子囊菌门和鞭毛菌门的相对丰...     

施用生物炭6年后对稻田土壤酶活性及肥力的影响

利用田间定位试验,研究0(BC₀)、7.5(BC₁)、15(BC₂)和22.5(BC₃)t·hm^-2水稻秸秆生物炭及3.75 t·hm^-2水稻秸秆(STR)一次性施加6年后对稻田土壤肥力及酶活性的影响.结果表明: 施用生物炭6年后土壤有机碳、有效磷和速效钾含量显著增加,增幅分别为34.6%、12.4%和26.2%,土壤pH值和容重显著降低,但对土壤全氮含量无显著影响.土壤脲酶和酸性磷酸酶的活性显著增加,土壤荧光素二乙酸酯酶(FDA水解酶)和芳基硫酸酯酶的活性受到不同程度的抑制,其中,BC₂处理的土壤脲酶活性增加量最大,增幅为36.5%.土壤酸性磷酸酶活性随着生物炭施加量的增加而增加,与土壤速效磷含量呈显著正相关关系;土壤FDA水解酶和脲酶主要与土壤速效钾含量有关;酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶与土壤容重呈显著正相关.施用生物炭6年后土壤脱氢酶和多酚氧化酶活性明显升高,增幅分别为48.8%和27.5%,而过氧化氢酶活性逐渐下降,且显著低于对照BC₀.STR处理显著增加了土壤脲酶、FDA水解酶、脱氢酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶的活性,降低了过氧化氢酶和多酚氧化酶的活性,降幅分别为23.4%和15.9%.     

炉渣与生物炭施加对稻田土壤碳库及微生物的影响

以福州平原稻田为实验区,在2015年早、晚稻秧苗移栽前,对稻田进行施加生物炭、炉渣、生物炭+炉渣（混施）处理,并以不施加处理作为对照。为了了解施加处理的后续效应,于2017年检测早、晚稻拔节期和成熟期土壤有机碳含量及真菌、细菌数量。结果表明：3种施加处理稻田土壤有机碳（SOC）含量均比对照组有显著提高（P < 0.05）,但溶解性有机碳（DOC）、易氧化碳（EOC）、土壤微生物量碳（MBC）含量各处理之间差异不显著（P > 0.05）。与对照组相比,各施加处理组在一定程度上提高了土壤中真菌和细菌数量,但差异不显著（P > 0.05）。细菌数量与DOC含量呈极显著负相关（P < 0.01）,与EOC含量呈显著负相关（P < 0.05）,与MBC含量呈显著正相关（P < 0.05）。真菌/细菌比值与真菌数量、DOC含量呈极显著正相关（P < 0.01）。说明炉渣和生物炭施加处理2年后,仍可提高稻田土壤的碳库稳定性,并增加土壤微生物数量。     

氮肥减量配施生物炭对黄壤稻田土壤有机碳活性组分和矿化的影响

化肥减施增效有助于农业的可持续发展。本研究用等氮量生物炭替代化肥氮,设置0、10%、20%、30%、40%(CK,T₁～T₄) 5个替代比例,在水稻收获后采集土壤样品进行室内分析,研究氮肥减量配施生物炭对黄壤稻田土壤有机碳活性组分和矿化的影响。结果表明: 氮肥减量配施生物炭均可显著提高土壤有机碳(SOC)含量,且与生物炭配施量呈正比。氮肥减施20%条件下,土壤微生物生物量碳(MBC)和易氧化碳(ROC)含量均最高,分别为293.68和250.00 mg·kg^-1,土壤可溶性碳(DOC)含量最低。SOC矿化速率在培养的第3天达到最高,前期(第3~6天)迅速下降,中期(第6~18天)缓慢下降,后期(第18~30天)趋于稳定,矿化速率随时间的动态变化符合对数函数;SOC累积矿化量和累积矿化率分别为0.66～0.86 g·kg^-1和2.9%～4.0%,均以T₂处理最低。稻谷产量随氮肥减施比例的增加呈先增加后下降趋势,T₂处理最高,比CK显著增加了13.4%。本试验条件下,化学氮肥减量20%配施适量生物炭(5 t·hm^-2)可有效提高SOC、MBC、ROC含量和水稻产量,降低SOC累积矿化量和累积矿化率,增强土壤固碳能力,是贵州黄壤稻田土壤固碳培肥的较好选择。     

Estimation of the increase in CH4 emission from paddy soils by rice straw application

The relationship between the amount of CH₄ emission to the atmosphere from submerged paddy soils with rice plants and the application level (0–8 g kg^-1) of rice straw (RS) in soil was investigated in a pot experiment. Amounts of CH₄ emitted from pots with respective RS levels differed between a clayey yellow soil and a silty gray lowland soil. However, the increase in cumulative amounts of CH₄ emission with the increase in the application level of RS was similar in pattern between the two soils, and the increase (Y) was formulated with a logistic curve: x, application level of RS; k, a coefficient for relative CH₄ emission.Since the seasonal variations in coefficients a, b, and c in the logistic equation were also formulated as the function of the sum of effective temperature (E, (T–15); T, daily average temperature), the increase in cumulative amounts of CH₄ emission from any paddy soil by any level of RS application was known to be estimated by the following equation:     

生物质炭添加对红壤性水稻土重金属有效性及土壤质量的影响

通过田间定位试验探讨了不同生物质炭添加量对红壤性水稻土理化性质、重金属有效性和土壤质量的影响。生物质炭于2017年水稻种植前一次性添加于耕作层(0～17cm),分别设置5个不同处理:CK:0 t·hm^-2,A10:10 t·hm^-2,A20:20 t·hm^-2,A30:30t·hm^-2和A40:40 t·hm^-2,经种植两季水稻后于2018年9月采集耕作层(0～17 cm)和犁底层(17～29 cm)土壤,计算土壤质量指数(SQI),评价土壤质量。结果表明:在耕作层(0～17 cm)和犁底层(17～29 cm),随着生物质炭添加量的增加,土壤容重逐渐降低;土壤孔隙度、pH值、有机质和可溶性有机碳含量增加,铵态氮和有效磷分别在添加量为20和30 t·hm^-2时达到最大值;土壤中脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性降低;生物质炭能够降低有效态Cd、As和Pb的含量,在生物质炭添加量为40 t·hm^-2时最低;在土壤耕作层(0～17cm),有效态...     

生物炭添加对土壤呼吸和有机碳含量的影响

以菜地和果园土壤为研究对象,通过室内培养实验,向土壤中分别添加不同材料制备的生物炭(马尼拉草、阔叶和竹叶),热解温度为350℃,研究不同材料制备生物炭添加对土壤呼吸和有机碳含量的影响.结果表明：不同生物炭施入土壤后,土壤 CO 2释放速率总的趋势是前期分解速率快,后期缓慢.在整个培养过程中(28 d),随着培养时间的延长,土壤 CO 2释放速率下降趋势逐渐降低.在不同土壤培养条件下,均是添加阔叶生物炭后土壤 CO 2-C 累计释放增多,果园和菜地土壤 CO 2-C 累计分别达到482．57和424．72 mg·kg-1.添加不同的生物炭均能提高土壤有机碳含量,但只有添加阔叶生物炭之后,差异才会达到显著(P ＜0．05).研究结果为正确利用生物炭和评价其在土壤碳库作用提供科学依据.