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。     

土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响

通过对比分析六盘山林区典型天然次生林(杂灌林、山杨和辽东栎林)与农田、草地及农田、草地与人工林(13、18和25年生华北落叶松)邻近样地土壤有机碳含量和密度及其在土壤剖面上分布的差异,研究了天然次生林变成农田或草地及农田或草地造林后对土壤有机碳贮量的影响,结果表明,土壤有机碳含量方面,农田和草地比天然次生林分别低54％和27％,差异主要在0～50cm土层;农田和草地比人工林分别低42％和26％,差异主要在0～40cm土层,土壤有机碳密度方面,农田和草地比天然次生林分别低35％和14％,差异主要在0～50cm土层;农田比人工林低23％,草地比人工林高4％,差异主要在0～30cm土层．天然次生林和人工林土壤有机碳含量和密度随土层加深而递减的幅度比农田或草地大．这些差异主要由土地利用变化引起的土壤有机碳输入与输出及根系分布的变化所致．结果说明六盘山林区天然次生林破坏变成草地或农田后土壤有机碳含量和密度(主要是0～50cm土层)将下降,而农田中造林后土壤有机碳含量和密度(主要是0～30cm土层)又将增加,草地上造林后土壤有机碳含量增加而密度变化不大。另外,土壤有机碳含量和密度在土壤剖面上的分布也将随土地利用变化而发生改变。     

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.     

黄土高原小流域不同地形下土壤有机碳分布特征

研究了黄土高原小流域尺度塬面、坡地、沟道和梯田4种地形条件下土壤有机碳总量和活性组分的分布、储量及碳库管理指数的差异.结果表明,小流域土壤有机碳和不同活性有机碳的变异系数介于32％-70％之间,表现出中到高度的变异特征.4种地形下各组分有机碳含量和储量以塬面土壤最高,沟道土壤最低,并随土层深度的增加而降低,降低程度随有机碳活性增强而增加.以塬面土壤为对照所获得的碳库管理指数可灵敏指示有机碳对地形条件的响应特征,中活性有机碳库管理指数的指示效果最好.研究结果可部分解释黄土高原土壤有机碳地带性分布特征.     

利用Century模型模拟不同农业经营模式下黑土农田土壤有机碳的演变

Century模型是用来预测土壤有机碳趋势的重要模型之一,近20年来在农林生态系统上得到广泛应用.本文运用该模型对不同农业经营模式下的黑土农田土壤有机碳变化进行了比较与预测.结果表明:Century模型可以预测黑土农田土壤有机碳的演变;100年内(2006-2105年)土壤有机碳含量,在移耕农业模式下呈下降趋势,预计年均下降0.063g·kg-1;有机农业模式下呈缓慢下降趋势,预计年均下降0.027g·kg-1;"石油农业"模式下亦呈下降趋势,预计年均下降0.045g·kg-1;有机-无机结合农业模式下降趋势得到控制,土壤有机碳含量维持在34.00g·kg-1左右,基本处于平衡状态.     

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     

关中平原作物秸秆不同还田方式对土壤有机碳和碳库管理指数的影响

以关中平原持续4年的小麦、玉米（麦玉）秸秆还田中长期定位试验为基础,研究了麦玉秸秆9种不同还田方式对土壤总有机碳（TOC）、活性有机碳（LOC）含量和活性有机碳分配比例（LOC/TOC）、总有机碳储量（SCS）及碳库管理指数（CPMI）的影响.结果表明： 麦玉秸秆还田均可显著提高土壤（0～30 cm）TOC、LOC含量和SCS,且土壤有机碳主要集中于耕层（0～20 cm）;麦玉秸秆双季还田的TOC、LOC含量和SCS显著高于单季还田和双季均不还田,其中,与双季均不还田相比,小麦秸秆粉碎还田 玉米秸秆深松还田的TOC、LOC含量和SCS提高幅度最显著.在0～10和10～20 cm土层中,小麦秸秆粉碎还田 玉米秸秆深松还田的CPMI显著高于其他处理,其中,小麦秸秆粉碎还田较其不还田可使CPMI提高19.1%和67.9%,玉米秸秆深松还田较其不还田可提高22.6%和32.4%.相关性分析显示,CPMI较LOC/TOC更能有效表征0～30 cm土层土壤有机碳的固持和转化关系.从提高本地区土壤有机碳固持量角度来看,小麦秸秆粉碎还田 玉米秸秆深松还田为最佳还田方式.     

基于DPSIR的吉林省白山市生态安全评价

通过对白山市的生态安全现状和问题进行分析,探究其生态环境改变的主要驱动力因子和胁迫因子;基于DPSIR模型提出了白山市生态安全综合评价指标体系,并进一步构建了适于山地地区的生态安全评价模型;利用1989年、1999年和2006年的3期TM遥感影像,结合研究区的DEM数据和实地调查数据建立解译标志,对白山市土地覆被进行景观分类,借助Fragstats分析景观指数,提取重要的生态安全评价指标,对白山市所辖各区县进行生态安全综合评价.结果表明： 白山市生态安全的空间差异显著,整体生态安全状况呈现出一种恶化趋势,人为活动对地表景观格局和物种栖息地分布产生了深刻的影响,已成为生态安全格局变化的主要驱动力因子.     

大兴安岭林区兴安落叶松人工林土壤有机碳贮量

通过样地调查,研究了大兴安岭林区10、15、26和61年生兴安落叶松人工林0～ 40cm土壤有机碳(SOC)贮量,以及原始兴安落叶松林皆伐后营造人工林过程中SOC碳源/汇的变化.结果表明:随林龄的增加,兴安落叶松人工林SOC贮量呈现先减少后增加的趋势,转折点在林龄15 ～26 a.与原始落叶松林相比,兴安落叶松人工林土壤碳库初期(10 ～26 a)表现为碳源,之后逐渐转变为碳汇,林龄61 a时SOC贮量达158.91· hm-2.兴安落叶松人工林土壤碳库的垂直分布表现为初期下层SOC贮量高于上层,26 a后上层高于下层,说明人为干扰对该地区森林土壤碳库垂直分布产生了强烈的影响.大兴安岭林区兴安落叶松人工林的主伐年龄以＞60 a为宜.     

1981-2019年华北平原农田土壤有机碳储量的时空变化及影响机制

农业土壤具有可观的固碳及减碳潜力,有助于减缓人类温室气体排放导致的气候变化。为了更好地了解华北平原土壤有机碳储量动态及其驱动因子,结合荟萃分析、随机森林机器学习模型和卫星遥感数据,研究了1981-2019年间中国华北平原农田土壤有机碳储量的时空变化及其驱动因子。结果表明,1981-2019年间华北平原0-20 cm农田土壤有机碳储量约为（523.10±79.36） Tg C （（14.56±1.66） Mg C/hm²）,并以5.94 Tg C/a （0.12 Mg C hm^-2 a^-1）的年固持速率稳步增长,占比约为中国农田每年新增土壤有机碳的23.3%。其中,常规农田管理措施,包括无机肥施用、有机肥施用和秸秆还田,对土壤有机碳增长的贡献平均为25.1%,即1.49 Tg C/a （0.03 Mg C hm^-2 a^-1）。相比对照组,氮磷钾无机肥施用可提高22.7%-26.0%的土壤有机碳固定速率,有机肥可提高48.3%,秸秆还田可提高23.4%。同时,上述常规农田管理措施对土壤有机碳的积累作用受到土壤本身理化性质的调控,在温度和降水较高的气候条件下更显著。值得注意的是,无论是无机肥施用、有机肥施用还是秸秆还田,当投入量超过农作物和土壤微生物对碳和养分的需求时,土壤有机碳累积速率会显著下降。这也导致2000年后土壤有机碳固持速率明显减缓,由9.4 Tg C/a下降为3.5 Tg C/a。总的来说,过去几十年农田管理措施的改进显著提高了华北平原农田土壤有机碳的增加速率,而未来华北平原农田系统固碳潜力仍然可观,但亟待明确在保证粮食产量的同时不同气候和土壤环境条件下最佳固碳所需的化肥、有机肥和秸秆投入量。     

Impact of agricultural management practices on soil organic carbon: simulation of Australian wheat systems

Quantifying soil organic carbon (SOC) dynamics at a high spatial and temporal resolution in response to different agricultural management practices and environmental conditions can help identify practices that both sequester carbon in the soil and sustain agricultural productivity. Using an agricultural systems model (the Agricultural Production Systems sIMulator), we conducted a high spatial resolution and long‐term (122 years) simulation study to identify the key management practices and environmental variables influencing SOC dynamics in a continuous wheat cropping system in Australia's 96 million ha cereal‐growing regions. Agricultural practices included five nitrogen application rates (0–200 kg N ha^?1 in 50 kg N ha^?1 increments), five residue removal rates (0–100% in 25% increments), and five residue incorporation rates (0–100% in 25% increments). We found that the change in SOC during the 122‐year simulation was influenced by the management practices of residue removal (linearly negative) and fertilization (nonlinearly positive) – and the environmental variables of initial SOC content (linearly negative) and temperature (nonlinearly negative). The effects of fertilization were strongest at rates up to 50 kg N ha^?1, and the effects of temperature were strongest where mean annual temperatures exceeded 19 °C. Reducing residue removal and increasing fertilization increased SOC in most areas except Queensland where high rates of SOC decomposition caused by high temperature and soil moisture negated these benefits. Management practices were particularly effective in increasing SOC in south‐west Western Australia – an area with low initial SOC. The results can help target agricultural management practices for increasing SOC in the context of local environmental conditions, enabling farmers to contribute to climate change mitigation and sustaining agricultural production.     

Direct measurement of soil organic carbon content change in the croplands of China

Agricultural soils in China have been estimated to have a large potential for carbon sequestration, and modelling and literature survey studies have yielded contrasting results of soil organic carbon (SOC) stock change, ranging from ?2.0 to +0.6% yr^?1. To assess the validity of earlier estimates, we collected 1394 cropland soil profiles from all over the country and measured SOC contents in 2007–2008, and compared them with those of a previous national soil survey conducted in 1979–1982. The results showed that average SOC content in the 0–20 cm soil increased from 11.95 g kg^?1 in 1979–1982 to 12.67 g kg^?1 in 2007–2008, averaging 0.22% yr^?1. The standard deviation of SOC contents decreased. Four major soil types had statistically significant changes in their mean SOC contents for 0–20 cm. These were: +7.5% for Anthrosols (paddy soils), +18.3% for Eutric Cambisols, +30.5% for Fluvisols, and ?22.3% for Chernozems. The change of SOC contents showed a negative relationship with the average SOC contents of the two sampling campaigns only when soils in the region south of Yangtse River were excluded. SOC contents of the two major soil types in the region south of Yangtse River, i.e., Haplic Alisols/Haplic Acrisols and Anthrosols (paddy soils), changed little or significantly increased, though with a high SOC content. We suggest that the increase of SOC content is mainly attributed to the large increase in crop yields since the 1980s, and the short history as cropland establishment is mainly responsible for the decrease in SOC content for some soil types and regions showing a SOC decline.     

繁殖Ⅲ期不同性别鲫鱼(Carassius auratus)的运动能力及能量代谢的比较

为了考查繁殖期不同性别鲫鱼(Carassius auratus)的运动能力及生理代谢特征,在20±1℃条件下,分别依次测定1龄且处于繁殖第Ⅲ期不同性别实验鱼的快速启动、临界游泳速度(Ucrit)、静止代谢率(MO2rest)、最大运动代谢率(MO2active)及运动过程中的代谢率(MO2)。结果表明:鲫鱼雌鱼与雄鱼的临界游泳速度(Ucrit)分别为6.97±0.22、7.29±0.31BL.s-1,差异不显著;雌、雄鱼快速启动中的最大运动速度(Vmax)分别为20.48±0.69、20.40±1.09BL.s-1,无显著差异,同时它们的最大加速度(amax)、反应时间、120ms内移动距离同样均无显著差异;雌鱼与雄鱼的MO2rest差异不显著;MO2active与代谢空间(△MO2)分别为341.92±22.59、307.50±22.66mgO2.kg-1.h-1和257.18±18.51、220.20±18.95mgO2.kg-1.h-1,前者均显著高于后者(P<0.01)。可见,处于繁殖Ⅲ期的鲫鱼雌鱼与雄鱼的Ucrit及快速启动均无显著差异;并且雌鱼有氧运动能力的维持存在功率补偿。     

高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化

高寒草原对高寒生态系统的稳定具有重大意义。为探明高寒草原土壤有机碳（SOC）、土壤活性有机碳（ASOC）变化,以及草地退化对土壤碳库稳定性的影响,对藏北高原正常、轻度和严重退化高寒草原表层（0-10 cm）、亚表层（10-20 cm）土壤进行了初步研究。结果表明：（1）轻度、严重退化草地各土层SOC、ASOC均呈不同程度的下降。其中,退化草地SOC的降幅均以表层最大,且各土层降幅均随草地退化加剧而下降;退化草地ASOC的降幅则均以亚表层最大,但各土层ASOC的降幅随草地退化加剧而提高。（2）正常草地、轻度和严重退化草地表层ASOC比率分别为16.8%、21.3%、16.6%,亚表层分别为21.8%、18.1%和16.0%;土壤碳库活度与ASOC比率的变化趋势完全一致。因此,轻度退化草地SOC的不稳定性主要体现在表层土壤。（3）退化草地表层、亚表层碳库管理指数（CMI）均呈显著下降,但表层降幅相对较低;与严重退化草地比,轻度退化草地不同土层CMI明显提高。（4）高寒草原环境中,正常草地、轻度和严重退化草地各土层SOC、ASOC间则均呈一定程度的负相关,表明土壤微生物对SOC、ASOC的影响和作用可能不同。     

Effects of fencing and grazing on the temporal dynamic of soil organic carbon content in two temperate grasslands in Inner Mongolia,China

This study aimed to investigate the impact of long-term grassland management on the temporal dynamic of SOC density in two temperate grasslands. The top soil SOC density, soil total nitrogen density and soil bulk density (0–20 cm) under long-term fencing and grazing treatments, the aboveground net primary productivity of fenced plots and the associated climatic factors of Leymus chinensis and Stipa grandis grasslands in Inner Mongolia were collected from literatures and analyzed. The results showed that the SOC density increased linearly with fenced duration but was insensitive to grazed duration in both grasslands. Compared with long-term grazing, fenced plots had larger potential for carbon sequestration, and the accumulation rate of SOC density was 29 and 35 g Cm^–2y^–1 for L. chinensis and S. grandis grasslands. Fenced duration and mean annual temperature jointly contributed large effect on temporal pattern of SOC density. Climate change and grazed duration had little influence on the inter-annual variance of SOC density in grazed plots. Our results confirmed the enhancement effect of long-term fencing on soil carbon sequestration in degraded temperate grassland, and long-term permanent plot observation is essential and effective for accurately and comprehensively understanding the temporal dynamic of SOC storage.     

不同农业土地利用方式和管理对土壤有机碳的影响 ——以北京市延庆盆地为例

自20世纪80年代以来,我国农业土地利用方式和农田管理发生了巨大变化,由此引起的土壤有机碳（SOC）含量、密度及其垂直分布发生了相应的变化,研究不同土地利用方式和管理对土壤有机碳的影响对于探讨农田生态系统的固碳作用具有重要的意义.以北京市延怀盆地为典型研究地区,选择6种农业土地利用和管理模式,共计42块样地,在1m深土体内分层采集197个土壤样品.研究结果表明：（1） 不同农业土地利用和管理方式对SOC含量的影响主要发生在0～25 cm土层中,剖面中SOC含量自上向下明显降低.（2） 通过对6种土地利用和管理方式下土壤SOC含量进行比较,结果发现果园和高投入的玉米地土壤在0～100 cm土层中SOC含量均较高,变化范围分别为4.16～10.00 g kg^-1和4.73～9.31 g kg^-1; 菜地土壤在0～40 cm土层中SOC含量较高,变化范围为6.42～9.67 g kg^-1;大豆地、中、低投入玉米地土壤在0～100 cm土层中SOC含量较低,变化范围分别为3.27～7.73 g kg^-1、3.14～8.33 g kg^-1和1.83～7.67 g kg^-1. （3） 不同农业土地利用方式对SOC密度影响的趋势与对SOC含量影响的趋势基本一致,在0～100 cm土壤中,SOC密度的顺序为果园＞菜地＞高投入玉米地＞中投入玉米地＞大豆地＞低投入玉米地,变化范围为4.15～8.22 kg m^-2.     

火烧迹地不同恢复方式土壤有机碳分布特征

以大兴安岭1987年重度火烧后恢复的兴安落叶松人工林、樟子松人工林、人促杨桦林和天然次生杨桦林为对象,研究不同恢复方式林分土壤有机碳、土壤可溶性有机碳和土壤微生物生物量碳的分布特征.结果表明: 4种恢复方式林分的土壤有机碳、土壤可溶性有机碳和土壤微生物生物量碳分别为9.63～79.72 g·kg^-1、33.21～186.30 mg·kg^-1和200.85～1755.63 mg·kg^-1,且随土层深度增加而降低.不同恢复方式间土壤有机碳、土壤可溶性有机碳和土壤微生物生物量碳差异显著,以人促杨桦林最高,兴安落叶松人工林和天然次生杨桦林次之,樟子松人工林最低.各恢复方式林分的土壤微生物熵为1.1%～2.3%,以人促杨桦林最高,樟子松人工林最低,不同林分土壤微生物熵的垂直分布特征不同.土壤微生物生物量碳与土壤有机碳、土壤可溶性有机碳含量均呈显著正相关.人促杨桦林土壤有机碳活性高于其他林分,火烧迹地采用人工促进天然恢复的方式较人工恢复和天然恢复的土壤碳循环能力更强.     

不同施肥处理对红壤性水稻土微团聚体有机碳汇的影响

在田间定位试验区 ,研究了不同施肥处理对表层红壤性水稻土微团聚体组成以及土壤有机碳在各级微团聚体中分布和赋存的影响。结果表明 ,红壤性水稻土中 0 .0 2～ 0 .0 5 mm微团聚体所占比例最大 ,达 4 0 % ;其次是 0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm和 0 .0 5～0 .1mm的微团聚体 ;>0 .2 mm微团聚体占的比例最小。长期施用无机肥 (NPK)、有机肥 (猪粪 紫云英绿肥 ) (OM)、无机肥与有机肥配施 (NPKM) ,能显著增加 0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm微团聚体的含量而降低 <0 .0 0 2 m m微团聚体的含量。土壤有机碳含量与0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm微团聚体含量之间呈显著正相关关系 ;而与 <0 .0 0 2 mm微团聚体含量呈显著负相关关系。各级微团聚体有机碳含量从高到低顺序为 :>0 .2 mm,0 .1～ 0 .2 mm,<0 .0 0 2 m m,0 .0 5～ 0 .1m m,0 .0 0 2～ 0 .0 2 mm,0 .0 2～ 0 .0 5 m m。 OM、NPKM处理能显著增加 >0 .0 0 2 mm各级微团聚体有机碳的赋存量 ,新增加的有机碳主要向微团聚体 0 .1～ 0 .0 5 m m,0 .0 5～ 0 .0 2 mm和 0 .0 2～ 0 .0 0 2 mm富集 ,它们是土壤有机碳的主要载体。 3种施肥处理对提高土壤有机碳赋存效果高低顺序为 :NPKM>OM>NPK。     

利用CENTURY模型研究东北黑土有机碳的动态变化Ⅰ．自然状态下土壤有机碳的积累

应用CENTURY模型,对自然状态下的黑土有机碳库进行了模拟．结果表明,在自然状态下,黑土有机碳库经历了一个由快到慢的增长过程,经过长时间积累,趋向于稳定状态．0～20cm表层土壤有机碳总量最后稳定在7914．72～11672．78g·m^-2．黑土有机碳从北向南总的趋势是逐渐降低．达到稳定状态时,活性土壤有机碳库、慢分解土壤有机碳库和惰性土壤有机碳库分别占土壤全碳的3．36％～4．62％、50．54％～55．47％和36．47％～41．95％,可见慢分解和惰性组分库的增长对土壤有机碳库的积累起到了重要作用．模型模拟结果与已发表的实测结果比较接近,可以为进一步研究开垦后黑土有机碳变化提供依据．     

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。