中国农田土壤N2O排放通量分布格局研究

中国作为世界上一个重要农业大国,对全球大气中N2O浓度的影响正在引起人们的普遍关注。该研究采用针对农业土壤痕量气体排放估算建立的,基于N2O的产生、传输和消耗机理的反硝化分解（DNDC）模型,在建立了有关中国气候、农业土壤和农业生产的分县数据库基础上,估计了我国各县农业土壤N2O的排放通量,发现我国农田土壤N2O排放通量有较明显的地区差异,西北地区较低,东南地区较高。还发现无论温度升高,还是施肥量变化,对我国农田土壤N2O排放通量的影响,都存在区域差异,表现为东南地区的变化幅度较西北地区大,这可能与我国气候的干湿变化有较密切的关系。     

中国农田土壤N2O排放通量分布格局研究

中国作为世界上一个重要农业大国,对全球大气中N2O浓度的影响正在引起人们的普遍关注.该研究采用针对农业土壤痕量气体排放估算建立的、基于N2O的产生、传输和消耗机理的反硝化分解(DNDC)模型,在建立了有关中国气候、农业土壤和农业生产的分县数据库基础上,估计了我国各县农业土壤N2O的排放通量,发现我国农田土壤N2O排放通量有较明显的地区差异,西北地区较低,东南地区较高.还发现无论温度升高,还是施肥量变化,对我国农田土壤N2O排放通量的影响,都存在区域差异,表现为东南地区的变化幅度较西北地区大,这可能与我国气候的干湿变化有较密切的关系.     

黄淮海平原河北省范围内农田土壤二氧化碳和氧化亚氮排放量的估算

以黄淮海平原河北省范围内的农田土壤为研究对象,通过与田间实际观测数据进行比较发现,DNDC模型能够较好地反映农田土壤温室气体CO2和N2O的排放通量,可以用来模拟估算农田土壤CO2和N2O的排放通量.根据模型估算,2003年河北省111个县市农业土壤CO2排放量约3.758×106tC,各县市总的N2O排放量40.345×106kgN.全省释放的CO2和N2O中有40%左右来自冬小麦/夏玉米地.因此,减少该地区农业土壤CO2和N2O排放量的措施,应集中用于排放量高的县市和这些地区的冬小麦/夏玉米地,进行大范围的普遍减排可能收效甚微,并且没有必要.     

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。     

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。     

应用DNDC模型分析管理措施对稻麦轮作系统CH4和N2O综合温室效应的影响

以南京地区稻麦轮作体系为对象,研究了不同农业管理措施对CH4和N2O排放通量及年度动态变化的影响,用田间观测数据验证生物地球化学循环模型(DNDC)在该耕作制度下的适用性;利用DNDC模型模拟不同环境因子和管理措施对CH4和N2O综合温室效应(GWP)的影响.结果表明:除了对照和麦季对CH4排放的模拟偏差较大外,DNDC对其余各处理模拟的CH4和N2O累积排放量与田间观测结果基本吻合,相对偏差变幅7.1%～26.3%,可以直接应用DNDC模型模拟环境因子和主要管理措施对CH4和N2O累积排放量引起GWP的影响.模型灵敏度检验结果表明,年均温度、土壤容重、土壤有机碳、土壤质地、土壤pH等环境因子对GWP的影响显著;施用氮肥、秸秆还田量和烤田期长短等管理因子对GWP的影响明显.在估算我国稻麦轮作制度下温室气体的点或区域排放规律时,应考虑上述这些影响因子.     

土地利用对崇明岛围垦区土壤有机碳库和土壤呼吸的影响

土地利用方式是影响农业土壤碳固持和温室气体减排的关键因子之一,而准确地评价土地利用变化的影响往往因土壤本底的不均一和土地利用历史多变而复杂化。为此,在崇明东滩湿地围垦区选取了本底均匀、利用历史简单的几种土地利用类型(水-旱轮作农田、人工林、鱼塘撂荒地),研究其土壤有机碳库和土壤呼吸的变化及其与土壤环境间的关系,以期评价其各自的固碳和温室气体减排潜力。农田土壤的表层(20cm)有机碳和微生物生物量碳含量最高,分别为12.62g/kg和225.34mg/kg,包括苗圃栾树林、水杉林带以及桔园在内的人工林地次之,鱼塘撂荒地最低;但撂荒地深层土壤(40—100cm)的有机碳含量高于其它类型,反映了围垦前湿地土壤有机碳累积的残留影响。土壤呼吸强度的顺序则为鱼塘撂荒地农田桔园苗圃栾树林水杉林带。农耕地在前作小麦收割种植水稻后,土壤CO2通量显著下降,不及旱作时的10%。除农田和撂荒地以外,土壤表层5 cm深处温度可以很好地解释土壤呼吸速率的变化,但在高温高湿季节呼吸速率较为离散。研究表明:在有机质含量较低的土壤中,水-旱轮作可增加土壤有机碳的储量;受人类活动干扰较小的林地土壤,有机碳含量反而有可能低于农田土壤。在中国南方湿润亚热带地区,水旱轮作可较好地协调农业土壤的碳固持和释放过程的矛盾,可能具有相当大的农业减排潜力。     

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。     

荒漠-绿洲土壤微生物群落组成与其活性对比

结合野外观测与实验室研究方法,对比研究了准葛尔盆地南缘盐生荒漠与绿洲农田土壤微生物活性与其群落组成的变化特征,并分析了土壤温度与湿度对荒漠-绿洲土壤微生物活性的影响。结果表明:荒漠开垦为绿洲后,土壤细菌明显增加,真菌无明显变化,放线菌显著减少。细菌在绿洲农田土壤矿化作用中占主导,真菌则在荒漠中占优势,绿洲农田土壤微生物活性(包括真菌与细菌活性)明显高于荒漠。温度对荒漠-绿洲土壤微生物活性的影响只在一定土壤湿度范围内作用显著,绿洲农田受其影响较大;荒漠有机质含量明显高于绿洲农田,但水分与盐分因素抑制了微生物对其的分解和矿化。不同土地利用方式导致了荒漠绿洲间土壤湿度及盐份的较大差异,加之与土壤温度极显著的交互作用,使得开垦后土壤有机碳的易得性增强,微生物群落结构发生显著改变,进而有机碳的矿化速率加快,土壤碳库随之消减。     

戴云山黄山松林土壤碳组分的海拔变化特征及影响因素

海拔梯度可能通过多种环境因子影响土壤有机质,土壤有机碳库是土壤有机质的重要组成部分,其微小变化将会产生极其重要的影响。因此海拔差异可能导致海拔间土壤碳库差异。土壤有机碳是反映土壤肥力的重要指标,可能受土壤理化性质和微生物等多种因素的影响。黄山松是高山地绿化和用材的优良树种,近年来戴云山自然保护区内高海拔地区的黄山松群落呈现衰退趋势。研究戴云山黄山松林土壤有机碳组分沿海拔梯度的变化情况,不仅可以为该区域碳库估算提供科学依据,而且有助于揭示影响黄山松生长变化的机理。因此,选取戴云山不同海拔[1300 m (L)、1450 m (M)和1600 m (H)]梯度的黄山松林,对其土壤基本理化性质、有机碳组分及微生物特征进行测定和分析。研究发现,海拔梯度下土壤养分含量呈先升高后降低的变化趋势,土壤碳组分含量与其变化一致,且微生物生物量碳和微生物生物量氮均在M海拔处最高,海拔梯度对碳水解酶没有显著影响。冗余分析表明,总氮是影响土壤有机碳变化的最主要因素,其次是碳氮比。因此在海拔跨度不大的情况下,土壤有机碳动态可能主要受氮素而非温度的影响。高海拔地区土壤惰性碳占比高,未来可能会持续加剧该地区黄山松的生长困境,使该区域碳库受到影响。     

Soil organic carbon budget and fertility variation of black soils in Northeast China

Black soils in Northeast China are characteristic of high soil organic carbon (SOC) density and were strongly influenced by human activities. Therefore, any change in SOC pool of these soils would not only impact the regional and global carbon cycle, but also affect the release and immobilization of nutrients. In this study, we reviewed the research progress on SOC storage, budget, variation, and fertility under different scenarios. The results showed that the organic carbon storage of black soils was 646.2 TgC and the most potential sequestration was 2887.8 g m⁻². According to the SOC budget, the net carbon emission of black soils was 1.3 TgC year⁻¹ under present soil management system. The simulation of CENTURY model showed that future climate change and elevated CO₂ concentration, especially the increase of precipitation, would increase SOC content. Furthermore, fertilization and cropping sequence obviously influenced SOC content, composition, and allocation among different soil particles. Long-term input of organic materials such as manure and straw renewed original SOC, improved soil structure and increased SOC accumulation. Besides, soil erosion preferred to transport soil particles with low density and fine size, decreased recalcitrant SOC fractions at erosion sites and increased activities of soil microorganism at deposition sites. After natural grasslands were converted into croplands, obvious variation of soil chemical nutrients, physical structure, and microbial activities had taken place in surface and subsurface soils, and represented a degrading trend to a certain degree. Our studies suggested that adopting optimal management such as conservation tillage in black soil region is an important approach to sequester atmospheric CO₂ and to slow greenhouse effects.     

秸秆管理和施肥方式对绿洲棉田土壤有机碳库的影响

通过监测绿洲滴灌棉田不同秸秆管理和施肥方式下土壤有机碳库及碳库组分的变化,可揭示农田管理措施对棉田土壤有机碳库的调节机制,为干旱区提高农田土壤生产力以及农业固碳减排措施的制定提供科学依据.试验采用裂区设计,以秸秆还田(S)和秸秆不还田(NS)2种秸秆管理方式为主区,4种施肥处理为副区:包括不施肥(CK)、单施氮磷钾化肥(NPK)、单施有机肥(OM)和氮磷钾化肥与有机肥混施(NPK+OM).结果表明: 施肥和秸秆还田均显著增加了土壤有机碳库,提高了有机碳(C_T)、易氧化有机碳(C_L)、微生物生物量碳(C_MB)、水溶性有机碳(C_WS)、热水溶性有机碳(C_HWS)的含量和有机碳累计矿化量(C_TM)及碳库管理指数(CMI).秸秆还田较秸秆不还田土壤有机碳库提高了20.6%;处理NPK、OM、NPK+OM分别较CK提高了7.8%、29.5%、37.7%.不同施肥处理下C_T、C_L、C_MB、C_WS、C_HWS均表现为NPK+OM>OM>NPK>CK.秸秆还田较秸秆不还田C_TM提高了5.9%;NPK、OM、NPK+OM处理较CK分别提高了32.7%、59.5%、97.3%.对CMI与SOC及其组分间的相关性分析表明,CMI与C_T、C_MB、C_L、C_WS、C_HWS、C_TM、C库、固碳潜力均呈极显著相关关系,因此, CMI是评价绿洲棉田管理措施对土壤质量影响的重要指标.在干旱区建设高标准绿洲农田,发展棉花生产,采用秸秆还田和有机无机肥配施等农业技术措施,不仅能增加土壤有机碳及活性组分的含量,培肥地力,而且能促进土壤固碳,有利于农业资源高效利用和可持续发展.     

Crop Management for Soil Carbon Sequestration

Reducing emissions of greenhouse gases (GHG) from agriculture is related to increasing and protecting soil organic matter (SOM) concentration. Agricultural soils can be a significant sink for atmospheric carbon (C) through increase of the SOM concentration. The natural ecosystems such as forests or prairies, where C gains are in equilibrium with losses, lose a large fraction of the antecedent C pool upon conversion to agricultural ecosystems. Adoption of recommended management practices (RMPs) can enhance the soil organic carbon (SOC) pool to fill the large C sink capacity on the world's agricultural soils. This article collates, reviews, and synthesizes the available information on SOC sequestration by RMPs, with specific references to crop rotations and tillage practices, cover crops, ley farming and agroforestry, use of manure and biosolids, N fertilization, and precision farming and irrigation. There is a strong interaction among RMPs with regards to their effect on SOC concentration and soil quality. The new equilibrium SOC level may be achieved over 25 to 50 years. While RMPs are being adapted in developed economies, there is an urgent need to encourage their adoption in developing countries. In addition to enhancing SOC concentration, adoption of RMPs also increases agronomic yield. Thus, key to enhancing soil quality and achieving food security lies in managing agricultural ecosystems using ecological principles which lead to enhancement of SOC pool and sustainable management of soil and water resources.     

四川森林土壤有机碳储量的空间分布特征

利用森林土壤实测数据与GIS相结合的研究方法估算了四川森林土壤有机碳密度和碳储量,研究了四川森林土壤有机碳密度的空间分布特征.四川森林土壤有机碳储量为(2394.26 ±514.15) TgC,平均碳密度为190.45 Mg·hm-2;四川不同森林类型土壤有机碳储量和碳密度差异较大,分别介于(5.05±0.37)～(1101.74±205.40) TgC、(102.69±21.09)～(264.41±49.24) Mg·hm-2之间,其有机碳含量、碳密度和碳储量都随土层厚度的增加而降低.四川森林土壤有机碳密度空间分布特征明显,总体上表现出随纬度、海拔高度的增加而增加,随经度的增加而减小.从森林土壤生态系统水平监测森林土壤有机碳储量有助于提高其估算精度.     

DNDC模型在中国的改进及其应用进展

DNDC模型是目前国际上最成功的生物地球化学模型之一,可以被发展为适合一个特定国家或地区环境条件的模型.我国科学家经过不断的改进和扩充,发展了适用于中国特有的农业生态系统的版本.通过修改土壤水氮运移过程的缺省参数,引入了地表径流曲线和修正的通用土壤流失方程来控制和模拟地表径流,加入了薄膜覆盖管理模式的参数化模块,补充了种养结合的子模型.这些改动不仅增加了模型模拟土壤水氮运移、氮素淋失、地表径流的能力,而且提高了模型在不同生产管理模式下的应用范围.改进后的模型针对土壤有机碳变化、温室气体排放、氮素平衡等方面进行了大量验证,并在点位和区域尺度上进行了广泛应用;此外,对DNDC模型存在的问题,如模拟结果不准确、模型参数矫正困难、模型模块不足等进行了讨论;最后,明确了模型在中国农业生产中的贡献,以期为模型的研究和应用提供参考,更好地服务于中国农业生产.     

施氮和冬种绿肥对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响

为探讨冬季绿肥改良土壤的生态效应及确定合适比例的氮肥与绿肥翻压量,在“冬季绿肥 双季稻”复种型农作制度基础上,设置4×4双因素试验,研究不同紫云英翻压量和施氮水平对土壤活性有机碳库各组分及碳库管理指数的影响.结果表明： 单施绿肥能够显著促进土壤总有机碳和活性有机碳的累积.与对照相比,单施绿肥处理土壤总有机碳含量和活性有机碳含量分别平均增加22.2%、26.7%,但单施氮肥处理的土壤有机碳含量下降了0.6%～3.4%.与不施肥相比,单施绿肥和绿肥氮肥配施处理的土壤碳库管理指数分别平均增加了24.55和15.17,而单施氮肥处理减少了2.59.单施绿肥、绿肥氮肥配施和单施氮肥处理的土壤平均微生物生物量碳分别比对照高54.0%、95.2%和14.3%.活性有机碳含量与碳库管理指数存在极显著（P＜0.01）的相关性,与可溶性有机碳、微生物生物量碳也存在显著的相关性（P＜0.05）.水稻产量与活性有机碳含量和碳库管理指数均存在极显著的相关性,且相关系数明显大于总有机碳.可见在当地土壤肥力条件下,施有机肥或有机无机肥适当配施能提高土壤有机碳含量和土壤碳库管理指数,有利于改善土壤质量,提高土壤肥力.     

Stimulation of N2O emission by manure application to agricultural soils may largely offset carbon benefits: a global meta‐analysis

Animal manure application as organic fertilizer does not only sustain agricultural productivity and increase soil organic carbon (SOC) stocks, but also affects soil nitrogen cycling and nitrous oxide (N₂O) emissions. However, given that the sign and magnitude of manure effects on soil N₂O emissions is uncertain, the net climatic impact of manure application in arable land is unknown. Here, we performed a global meta‐analysis using field experimental data published in peer‐reviewed journals prior to December 2015. In this meta‐analysis, we quantified the responses of N₂O emissions to manure application relative to synthetic N fertilizer application from individual studies and analyzed manure characteristics, experimental duration, climate, and soil properties as explanatory factors. Manure application significantly increased N₂O emissions by an average 32.7% (95% confidence interval: 5.1–58.2%) compared to application of synthetic N fertilizer alone. The significant stimulation of N₂O emissions occurred following cattle and poultry manure applications, subsurface manure application, and raw manure application. Furthermore, the significant stimulatory effects on N₂O emissions were also observed for warm temperate climate, acid soils (pH < 6.5), and soil texture classes of sandy loam and clay loam. Average direct N₂O emission factors (EFs) of 1.87% and 0.24% were estimated for upland soils and rice paddy soils receiving manure application, respectively. Although manure application increased SOC stocks, our study suggested that the benefit of increasing SOC stocks as GHG sinks could be largely offset by stimulation of soil N₂O emissions and aggravated by CH₄ emissions if, particularly for rice paddy soils, the stimulation of CH₄ emissions by manure application was taken into account.     

利用1∶5万土壤数据库估算浙江省土壤有机碳密度及储量

土壤有机碳库作为陆地生态系统中重要的碳库之一,对于温室效应和全球变化研究具有重要意义.利用浙江省1∶5万土壤数据库,对浙江省277个土种0～100 cm土层的有机碳密度进行估算,分析了全省土壤有机碳密度和储量,以及各主要土壤类型有机碳密度和分布.结果表明： 浙江省土壤有机碳密度值主要集中在5～10 kg·m^-2;山香灰土有机碳密度最高,为52.80 kg·m^-2,清水砂最低,为1.82 kg·m^-2;红壤和水稻土土类土壤有机碳储量最大,两者之和占浙江省土壤有机碳总储量的63.8%;浙江省土壤总面积为100784.19 km²,土壤有机碳储量为875.42×10⁶ t,土壤有机碳平均密度为8.69 kg·m^-2.通过叠加数字高程模型分析,发现土壤有机碳密度随高程、坡度和坡向的变化均呈现明显的变化趋势.     

新疆焉耆盆地绿洲区农田土壤有机碳储量动态模拟

以焉耆盆地绿洲区丝路重镇——焉耆回族自治县长期定位监测的数据为基础,实地采集800个土样进行土壤有机碳(SOC)实验室测试,进行点位模拟校验模型,并拓展到区域模拟,采用BCCC-CSM1.1气候模式,研究农田土壤有机碳密度分布特征及有机碳储量空间分布格局,为气候变化条件下,绿洲区耕地SOC储量和SOC密度变化提供数据支持。结果表明:(1) DNDC模型能够较好地模拟研究区农田的SOC及其动态变化,相关系数大于0.96,模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)在0.48%—13.08%之间,模拟值与实测值显著相关。(2)点位模拟不同处理间SOC变化显示,不同土壤质地土壤有机碳含量差异明显,5年来SOC增长趋势表现为粉砂质壤土壤土砂质壤土。(3) 2017年焉耆县农田表层土壤有机碳总储量为0.44 Tg C,在未来30年里,在相应农业措施下,研究区农田0—20 cm土层SOC密度和储量呈显著增加趋势,单位面积碳增量增幅为-7%—29%;新增固碳量3.708×10~8—1.978×10~9 t,增幅为-5%—48%,呈现出"碳汇"趋势,这对恢复农田SOC的平衡和绿洲农业的可持续发展至关重要。     

长期施肥对水稻土有机碳分布及化学结合形态的影响

采用湖南省4个23年连续施肥的稻田长期定位试验,研究了施肥对湖南省水稻土有机碳分布及化学键合形态的影响。试验设不施肥(CK)、化肥(NPK)、中量有机肥(MOM)和高量有机肥(HOM)4个处理。结果表明:在所有施肥处理中,水稳性团聚体均以0.25～1mm和2～5mm粒径含量最高,分别达全土总量的18%～43%和13%～48%。中、高量有机肥处理显著增加了>1mm大团聚体含量以及有机碳在大团聚体中的分配,其中0.25～1mm和1～2mm粒径团聚体中有机碳含量均略高于其余粒径组。与不施肥比较,钙结合态有机碳(Ca-SOC)占总有机碳的比例在2%～4%左右且随有机肥施用呈下降趋势,而铁铝结合态有机碳Fe(Al)-SOC占总有机碳的18%～33%呈上升趋势。有机肥施用条件下,有机碳在大团聚体中的分布的增加、Fe(Al)-SOC的提升以及Ca-SOC的降低意味着土壤有机碳物理和化学保护作用的增强,有利于稻田土壤有机碳的积累,是有机肥施用条件下保持稻田土壤较高固碳速率的重要原因。