土壤活性有机碳的表征及其生态效应

土壤活性有机碳指在一定的时空条件下,受植物、微生物影响强烈、具有一定溶解性、在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、分解、易矿化,其形态,空间位置对植物、微生物来说活性比较高的那一部分土壤碳素。国外描述这一部分碳素的术语为有效碳、水溶性碳、易氧化碳、可矿...     

Storage, patterns and controls of soil organic carbon in the Tibetan grasslands

The soils of the Qinghai-Tibetan Plateau store a large amount of organic carbon, but the magnitude, spatial patterns and environmental controls of the storage are little investigated. In this study, using data of soil organic carbon (SOC) in 405 profiles collected from 135 sites across the plateau and a satellite-based dataset of enhanced vegetation index (EVI) during 2001–2004, we estimated storage and spatial patterns of SOC in the alpine grasslands. We also explored the relationships between SOC density (soil carbon storage per area) and climatic variables and soil texture. Our results indicated that SOC storage in the top 1 m in the alpine grasslands was estimated at 7.4 Pg C (1 Pg=10¹⁵ g), with an average density of 6.5 kg m⁻². The density of SOC decreased from the southeastern to the northwestern areas, corresponding to the precipitation gradient. The SOC density increased significantly with soil moisture, clay and silt content, but weakly with mean annual temperature. These variables could together explain about 72% of total variation in SOC density, of which 54% was attributed to soil moisture, suggesting a key role of soil moisture in shaping spatial patterns of SOC density in the alpine grasslands.     

基于CENTURY模型研究干旱区人工绿洲开发与管理模式变化对土壤碳动态的影响

近半个世纪前,中国西北干旱区人类大规模的水土开发活动使得流域下部的荒漠覆被土地转变成了人工绿洲,强烈的人类耕作活动使得人工绿洲土壤有机碳库发生了显著变化。以干旱区典型的三工河流域下部的人工绿洲为例,基于CENTURY模型,研究人工绿洲开发前后及农业管理模式变化对表层土壤有机碳库(0-20cm)的影响。CENTURY模型模拟结果表明:(1)研究区荒漠灌木林地开垦为人工绿洲后,在最初的2a土壤总有机碳(TOC)快速增加,随后呈逐渐下降的趋势;(2)研究区人工绿洲在被开发后50a的连续耕作下,平均土壤TOC呈先增后减再增的"N"型变化趋势,但最终土壤TOC超过了原始自然状态下的TOC,而且2008年土壤TOC比原始荒漠状态增加7.74%,说明研究区表层土壤有机碳总体呈"碳汇"趋势。尤其在研究区实施了免耕、秸秆粉碎还田、科学测土配方施肥等保护性耕作措施后,土壤固碳效应明显,这完全不同于热带森林、中国北部温带半干旱草原及非洲Savanna半干旱稀树草原开垦为耕地后土壤有机碳大量损失的结论。     

子午岭林区生态系统转换对土壤有机碳特征的影响

生态系统转换影响土壤有机碳的动态、循环及环境质量.本研究分析了子午岭林区农田、草地、灌丛和森林不同生态系统土壤总有机碳、活性有机碳和稳定性有机碳含量.结果显示:各生态系统中,表层(0~10 cm)土壤总有机碳含量显著高于深层土壤(40~70 cm).与农田生态系统表层土壤相比,草地、灌丛、森林生态系统土壤总有机碳含量分别增加82.07%、121.67%和183.16%,深层土壤有机碳含量也有类似的趋势;从增加的绝对值来看,表层土壤活性有机碳含量分别增加2.24、4.13和5.43 g/kg,土壤稳定性有机碳含量分别增加4.76、6.23和10.18g/kg.表明农田生态系统转换为林、草生态系统,有利于土壤有机碳的积累.而且,土壤作为碳“汇”的功能增强,更有利于CO2固定和生态环境改善.     

有机物料还田对双季稻田土壤有机碳及其活性组分的影响

有机物料还田是提升农田土壤有机碳、培肥土壤的重要措施。为探讨不同有机物料的还田效果,采用室外培养方法,研究了在等碳输入条件下,施用水稻秸秆、紫云英、生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭对洞庭湖双季稻区潮土有机碳和活性有机碳组分含量的影响。结果表明: 经过180 d的培养试验,与不施用有机物料相比,施用有机物料提高了土壤活性有机碳含量。生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭处理分别使土壤有机碳含量显著提升了26.1%、9.7%和30.7%,水稻秸秆和紫云英对土壤有机碳含量的提升效应在试验期间并不显著。水稻秸秆和紫云英还田更有利于土壤可溶性有机碳和微生物生物量碳的积累,猪粪更有利于土壤可溶性有机碳的积累,生物有机肥更有利于土壤微生物生物量碳和易氧化有机碳的积累,水稻秸秆生物炭则更有利于土壤微生物生物量碳和轻组有机碳的积累。与水稻秸秆还田相比,紫云英、生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭还田使土壤碳库管理指数分别提高了31.8%、111.6%、62.2%和50.7%。从土壤固碳和土壤碳库管理指数来看,生物有机肥、猪粪和水稻秸秆生物炭的还田效果优于水稻秸秆和紫云英还田。     

亚热带森林不同植物及器官来源的可溶性有机质输入对土壤激发效应的影响及其作用机理

外源有机物的输入可以通过正负激发效应影响土壤有机碳(SOC)的矿化。然而, 当前的研究较少考虑不同植物及器官来源可溶性有机质(DOM)输入对土壤激发效应的影响及其作用机理。该研究以武夷山森林土壤为研究对象, 以室内培养的方式向土壤中添加¹³C标记青冈(Cyclobalanopsis glauca)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、木莲(Manglietia fordiana)和相思(Acacia confusa)这4种植物的根和叶来源DOM, 研究不同植物及器官来源DOM输入对土壤激发效应的影响及其作用机理。主要结果: 不同植物及器官来源DOM添加初期加快了SOC的矿化, 呈现正激发效应, 随后转为负激发效应。从整个培养期(90天)的累积激发效应来看, DOM的输入均抑制了SOC的矿化, 使其矿化量减少22%-49%, 其中青冈根DOM输入使SOC的矿化量减少最多, 而由木莲叶DOM输入减少的SOC矿化量最少。DOM输入引起的土壤激发效应强度受不同植物器官影响明显, 具体表现在植物根来源DOM输入所引起的土壤激发效应强度显著高于植物叶来源DOM输入所引起的激发效应强度(相思除外)。DOM的输入总体上提高了土壤微生物生物量碳(MBC)含量、土壤β-葡萄糖苷酶活性、纤维素酶活性以及土壤有效氮含量, 而对微生物群落组成无明显影响。从结构方程模型来看, DOM输入所引起的土壤激发效应主要受土壤微生物对外源碳的利用(¹³C-MBC)、纤维素酶活性以及土壤有效氮含量的影响, 这些因子的变化可解释植物叶来源DOM和根来源DOM添加处理下土壤激发效应变化的68%和86%。该研究结果表明在土壤氮充足的条件下, DOM的输入可以通过提高微生物生物量、土壤酶活性来加快分解所添加的外源有机物, 从而减少了对SOC的分解。因此, 在该研究中“底物优先利用”是土壤激发效应的主要作用机理。     

Effects of Soil Texture on Belowground Carbon and Nutrient Storage in a Lowland Amazonian Forest Ecosystem

Soil texture plays a key role in belowground C storage in forest ecosystems and strongly influences nutrient availability and retention, particularly in highly weathered soils. We used field data and the Century ecosystem model to explore the role of soil texture in belowground C storage, nutrient pool sizes, and N fluxes in highly weathered soils in an Amazonian forest ecosystem. Our field results showed that sandy soils stored approximately 113 Mg C ha^-1 to a 1-m depth versus 101 Mg C ha^-1 in clay soils. Coarse root C represented a large and significant ecosystem C pool, amounting to 62% and 48% of the surface soil C pool on sands and clays, respectively, and 34% and 22% of the soil C pool on sands and clays to 1-m depth. The quantity of labile soil P, the soil C:N ratio, and live and dead fine root biomass in the 0–10-cm soil depth decreased along a gradient from sands to clays, whereas the opposite trend was observed for total P, mineral N, potential N mineralization, and denitrification enzyme activity. The Century model was able to predict the observed trends in surface soil C and N in loams and sands but underestimated C and N pools in the sands by approximately 45%. The model predicted that total belowground C (0–20 cm depth) in sands would be approximately half that of the clays, in contrast to the 89% we measured. This discrepancy is likely to be due to an underestimation of the role of belowground C allocation with low litter quality in sands, as well as an overestimation of the role of physical C protection by clays in this ecosystem. Changes in P and water availability had little effect on model outputs, whereas adding N greatly increased soil organic matter pools and productivity, illustrating the need for further integration of model structure and tropical forest biogeochemical cycling. Received 3 March 1999; accepted 27 August 1999.     

137Cs和210Pbex示踪黑土区坡耕地土壤侵蚀对有机碳的影响

通过在野外28.5 hm2的坡耕地上采集土壤样品,定量评价了利用137Cs和210Pbex研究土壤有机碳(SOC)动态的潜力,以探讨东北黑土区土壤侵蚀对土壤有机碳的影响.结果表明:农耕地土壤137Cs、210Pbex和SOC在平面和垂直深度上均具有相似的分布特征.在平面上,尽管受土壤侵蚀沉积的影响,137Cs、210Pbex面积活度及SOC储量变异很大,但它们具有相同的变化趋势.在垂直断面上,侵蚀区137Cs、210Pbex和SOC在0～25 cm耕层内分布均匀,25 cm以下放射性活度减小,SOC含量也相应下降;沉积区0～100 cm深度上137Cs和210Pbex呈现先增加后减小的分布规律,SOC也具有类似的变化特征.农耕地SOC与137Cs、210Pbex呈显著线性相关,表明它们在黑土区农耕地上具有相似的物理运移特征,137Cs和210Pbex可直接用来定量评价黑土侵蚀下SOC的时空分布特点.     

氮输入对中国东北地区土壤碳蓄积的影响

由于人类活动的干扰,通过沉降和施肥形式进入陆地生态系统的氮素持续增加,中国已经成为继欧洲和北美之后的第三大氮沉降区,同时也是最大的化肥消费国。氮输入与陆地生态系统生物地球化学循环的一系列过程都相互联系,碳循环及其格局也受到氮输入的影响。土壤有机碳库在全球碳循环中具有重要作用,氮输入能否或在多大程度上对土壤碳库产生影响已经成为全球变化和氮沉降研究中不可回避的问题。东北地区是世界三大黑土带之一,土壤碳的变化不仅对于土壤肥力维持具有重要意义,而且对区域碳收支具有重要影响。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型,基于我国能源消费、施氮数据和降水数据生成了一套中国大气氮沉降的时空网格数据,结合大气CO_2浓度、气候、土地覆被、土壤类型和质地的时空数据,模拟评估了1961-2010年氮输入对中国东北地区土壤碳蓄积的影响。结果表明:(1)1961-2010年东北地区的平均氮沉降速率为1.00gNm~(-2)a~(-1),年增长率为0.047 gN m~(-2)a~(-1)。东北农田总氮输入速率达到5.78 gN m~(-2)a~(-1),从20世纪80年代开始显著增加。(2)氮输入促进了东北地区土壤碳的蓄积,东北陆地生态系统的土壤碳密度平均增加了135 gC/m~2,50a氮输入共增加土壤碳蓄积0.16 PgC。(3)氮输入引起的东北地区土壤碳蓄积量的变化呈现出东高西低、南高北低的空间格局,辽河平原、松嫩平原和三江平原的土壤碳密度增加量超过了300 gC/m~2。(4)不同植被类型下的土壤碳密度对氮输入的响应存在较大差异,农田土壤碳密度平均增加了230 gC/m~2,森林、灌丛和草地则分别增加了76、169 gC/m~2和89 gC/m~2。氮输入的空间差异和不同植被类型对氮输入响应的差异共同决定了东北地区土壤碳增加量的空间格局。通过本研究阐明了氮输入对东北农田土壤碳蓄积的影响,从而为农田生态系统的固碳减排和农田土壤碳氮管理提供了决策依据。     

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。