开垦对绿洲农田碳氮累积及其与作物产量关系的影响

以新疆策勒绿洲近百年来不同开垦年限农田为研究对象,采用空间序列换算时间序列的方法,研究绿洲农田开垦过程中土壤有机碳和全氮密度、碳氮比(C/N)及速效氮含量的垂直变化特征,并探讨了农田土壤碳氮变化与作物产量的关系。结果表明:荒漠土壤开垦后,显著增加了表层土壤(0-20 cm)有机碳和全氮密度,随开垦年限延长对深层土壤(40-200 cm)有机碳密度也有一定的影响,如在开垦30 a左右时下降了36.4%,但在100 a左右时则增加了52.0%。耕层土壤C/N随开垦年限延长而明显增加,深层土壤除100 a农田外其它均有不同程度下降;不同土层C/N与速效氮含量呈负相关关系,仅在开垦初期(0-10 a)达到显著水平。不同年限农田的玉米产量存在显著差异,且和有机碳及全氮密度(0-200 cm)均呈显著正相关;棉花除100和10 a农田产量差异较小外,在其它农田间均达显著水平,但和有机碳及全氮密度无明显相关性。由此可见,在现有投入条件下,提高土壤碳氮累积量对增加玉米产量仍有十分重要作用,但对棉花产量的影响不明显。     

耕作对干旱区表层土壤无机碳的影响

为阐明干旱区耕作对0~50 cm表层土壤无机碳的影响,以新疆三工河流域不同开垦年限(未开垦荒地、5年、20年、50年和100年)土地为研究对象,对比分析了0~20和20~50 cm土层土壤无机碳在不同生长季和耕作年限下的聚积与分布特征。结果表明:生长季节内,不同耕作年限土壤无机碳含量具有相似的规律,趋于先增加后减小,6月值最大;各土层内,老绿洲原生荒地的土壤无机碳含量聚积加强,而灌溉土地则减少,同时,新绿洲原生荒地和灌溉土地土壤无机碳聚积作用趋势相反,即表层0~20 cm原生荒地土壤无机碳聚积,下层20~50 cm减少,而灌溉土地则表层减少、下层聚积;开垦5年后,土壤p H值显著降低(P0.05);随着开垦年限的增加,土壤无机碳含量和储量均先增加后减少,开垦20年土壤无机碳含量最高,是开垦100年的1.8倍,并且其储量达66.80 kg·m~(-2)。总体来看,耕作20年后,表层0~50 cm土层土壤无机碳含量和储量均开始减少。     

引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率

为揭示灌溉耕作对土壤有机碳密度剖面(0—100 cm)分布产生的影响,通过在宁夏引黄灌区进行实地调查与采样,以无灌溉耕作的自然土壤作为对照,研究不同灌溉耕作时间序列下灌区土壤有机碳密度的剖面分布特征,并估算其平均固碳速率。结果表明:灌区土壤有机碳含量具有随土层深度增加而下降的剖面分布特征,灌溉耕作对增加表层土壤有机碳含量作用最明显;灌区土壤剖面碳密度与灌溉耕作时间和土壤类型均显著相关(P0.01),相关系数分别为0.63和0.74,且因灌溉耕作时间和土壤类型的不同,土壤有机碳密度差异性显著(P0.05);灌溉耕作影响的土层深度及剖面土壤有机碳密度的增加量因灌溉耕作时间长短的不同而异;引黄灌区5类土壤的平均固碳速率为0.53 MgC·hm-2·a-1。引黄灌溉耕作在增加农田土壤固碳中发挥着重要作用。     

黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应

黄土高原大规模植被恢复显著影响了这一区域土壤水分和有机碳(SOC),从而影响其承载的土壤水源涵养和固碳服务。明确深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应特征是当前黄土高原地区生态水文与生态系统服务研究的一个重要科学问题,其中植被类型以及生长年限是这一过程的重要影响因素。然而,目前关于深层土壤有机碳和土壤水分对植被恢复的响应及二者关系的研究较少。通过对陕北典型黄土丘陵区不同植被类型和生长年限下0—5 m土壤水分与有机碳的监测,分析了深层土壤水分和有机碳对植被恢复的响应及其特征。研究发现:(1)植被恢复后0—5 m土层均出现水分亏缺,土壤水分亏缺在表层1 m最低,2—3 m最高;对于不同恢复方式,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时显著高于前一阶段(11—20a),而在恢复31a后水分开始恢复,而灌木、草地土壤水分亏缺程度则随恢复年限延长不断增加。(2)林地、灌木、草地0—5 m平均土壤有机碳含量为1.97、1.77、1.72 g/kg;林地土壤固碳量随恢复年限的增加而增加,并且在恢复20a时固碳量与对照农田相比出现净增;灌木土壤固碳量随恢复年限先增加后降低;草地土壤固碳量则随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田。(3)表层0—1 m土壤水分随恢复年限增加变化不显著,深层土壤水分则随恢复年限增加显著降低;相比而言,随恢复年限增加,土壤有机碳随年限的变化在各层土壤中均不显著。深层土壤水分与土壤有机碳呈现显著的正相关,且土壤有机碳的增加速率低于土壤水分,研究认为,深层土壤固碳与土壤水分关系密切,且深层土壤固碳需要充足水分参与。深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发展,使深层土壤有机碳输入减少。     

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。     

深圳市不同土地利用类型土壤有机碳与密度特征

土壤碳库变化对于全球温室效应、全球碳循环有重大的影响.城市土壤是全球碳循环的重要环节,城市化对城市土壤有机碳库的影响不容忽视.在野外调查和样品分析的基础上,对深圳市0～10、11～20、21～30cm深度不同土地利用类型土壤有机碳碳含量、密度及分布特征进行实测统计分析.结果表明:(1)深圳市不同土地利用类型0～30cm土壤有机碳含量均值介于0.72～40.52g·kg^-1.土壤有机碳密度均值介于0.27～13.36kg·m^-2.(2)土壤有机碳含量与密度随土层深度的增加而降低.0～10cm土壤有机碳含量均值介于1.56～71.88g·kg^-1,有机碳密度均值介于0.18～7.05kg·m^-2之间;11～20cm土壤有机碳含量均值介于0.59～36.79g·kg^-1,土壤有机碳密度均值介于0.09～4.5kg·m^-2,21～30cm土壤有机碳含量均值介于0～12.90g·kg^-1,土壤有机碳密度均值介于0～1.78kg·m^-2.(3)林地土壤有机碳含量和密度随着海拔高度的升高而降低,城市建设用地与闲置土地土壤有机碳含量与密度很低.(4)土地利用方式的变化可以改变有机碳在土壤中的贮存与分布.     

黄土丘陵区植被恢复对深层土壤有机碳储量的影响

以黄土丘陵区不同恢复年限的人工刺槐林、人工柠条林和自然撂荒地为对象,以0～100 cm(浅层)土壤为对照,研究了不同植被类型下100 ～ 400 cm(深层)土壤有机碳(SOC)储量的剖面分布特征和累积动态.结果表明:随土壤深度增加,浅层SOC储量显著降低,深层SOC变化趋势不明显,但储量很高,约占0～400cm剖面SOC的60％.80 ～ 100 cm土层的SOC储量与深层100～200和200 ～ 400 cm的SOC储量呈显著线性相关,是0～100 cm5个土层中与深层SOC储量变化相关性最强的一层,可用以估算深层SOC储量.人工刺槐林、柠条林、撂荒地表层(0 ～ 20 cm) SOC储量显著高于坡耕地,而深层SOC储量在不同利用类型间差异不显著.随植被恢复年限的增加,深层SOC储量呈上升趋势,人工刺槐林和人工柠条林100 ～400 cm SOC平均累积速率分别为0.14和0.19t·hm-2·a-1,人工柠条林与浅层SOC累积速率相当.在估算黄土丘陵区植被恢复的土壤固碳效应时,应考虑深层土壤有机碳累积量,否则会严重低估植被恢复的土壤固碳效应.     

晋西北黄土高原丘陵区不同土地利用方式下土壤碳氮储量

对晋西北黄土高原丘陵区杨树-小叶锦鸡儿人工林、小叶锦鸡儿人工灌丛、杨树人工林、撂荒地和农田5种土地利用方式下土壤碳氮储量进行研究.结果表明: 不同土地利用方式下土壤碳氮含量、碳氮密度和碳氮储量存在显著差异.5种土地利用方式0～20 cm表层土壤碳氮含量和碳氮密度均显著大于20～40 cm和40～60 cm土层.5种土地利用方式同一土层碳氮含量和碳氮密度大小为: 杨树-小叶锦鸡儿人工林>小叶锦鸡儿人工灌丛>杨树人工林>撂荒地>农田;0～60 cm土层土壤有机碳储量大小为:杨树-小-叶锦鸡儿人工林(30.09 t·hm^-2)>小叶锦鸡儿人工灌丛(24.78 t·hm^-2)>杨树人工林(24.14 t·hm^-2)>撂荒地(22.06 t·hm^-2)>农田(17.59 t·hm^-2);土壤氮储量与有机碳储量变化规律相似,杨树-小叶锦鸡儿人工林0～60 cm土层土壤氮储量(4.94 t·hm^-2)最高,其次是小叶锦鸡儿人工灌丛(3.53 t·hm^-2)、杨树人工林(3.51 t·hm^-2)和撂荒地(3.40 t·hm^-2),农田土壤氮储量(2.71 t·hm^-2)最低.杨树-小叶锦鸡儿人工林和小叶锦鸡儿人工灌丛是晋西北黄土高原丘陵区植被建设和生态恢复过程中较好的两种土地利用方式.     

荒漠绿洲农田垦殖过程中耕层土壤碳储量演变特征

以河西走廊中段临泽荒漠绿洲区为研究对象,通过实地调查结合遥感影像辨析确定农田的开垦年限,对比不同开垦背景的农田耕层(0～20 cm)土壤有机碳储量(SOCD)的变化特征,研究荒漠绿洲农田垦殖过程中SOCD的演变趋势.结果表明: 研究区农田耕层SOCD在2.41～32.97 t·hm^-2范围变动,平均值为17.22 t·hm^-2;盐碱地、戈壁和沙地背景农田SOCD平均值分别为19.36、16.10、15.93 t·hm^-2.随着开垦年限的增加,农田耕层SOCD呈增加趋势,但沙地和戈壁背景农田开垦20年后增加趋势放缓,盐碱地背景的农田在25年后才表现出放缓趋势;沙地、戈壁和盐碱地背景农田土壤有机碳(SOC)的固存速率分别为0.424、0.485、0.811 t·hm^-2·a^-1.SOCD与全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量呈显著正相关,而与速效钾、pH相关性不显著.综上所述,荒漠绿洲盐碱地背景农田SOC的固存速率显著高于戈壁、沙地背景农田,但开垦30年后不同背景农田SOCD仍处于较低水平,需要针对不同开垦背景对绿洲农田进行管理以提高荒漠绿洲土地利用效率和生产力.     

耕作方式转变对小麦/玉米两熟农田土壤固碳能力的影响

采用大田试验、室内分析与生产调研相结合的方法,研究了耕作方式对农田生态系统固碳能力的影响.结果表明：少、免耕以及秸秆还田等保护性耕作措施有利于土壤有机碳的累积;免耕秸秆还田（NTS）方式0～5 cm土层土壤有机碳累积量比传统耕作（CTA）方式高18.0%,旋耕秸秆还田（RTS）0～5和5～10 cm土层比CTA分别高17.6%和25.0%,而翻耕秸秆还田（CTS）方式10～30 cm土层土壤总有机碳累积量比CTA高31.8%;CTA转变为NTS后,源于农田投入的碳排放减少了54.3 kg·hm^-2·a^-1,而转变为CTS、RTS后,分别增加了46.9 kg·hm^-2·a^-1和34.4 kg·hm^-2·a^-1;综合土壤碳累积与农田投入碳排放可知,传统耕作转变为保护性耕作方式后可实现由“碳源”向“碳汇”的转变,而CTS、RTS、NTS 3种耕作方式中以RTS的固碳能力最强,达1011.1 kg·hm^-2·a^-1.     

Dynamics of soil organic carbon storage following restoration of grassland on Yunwu Mountain

Grassland recovery and reconstruction are critical to ecological restoration in the Chinese Loess Plateau (CLP). Investigating changes in soil organic carbon density (SOCD), soil organic carbon (SOC) storage, and the rate of SOC sequestration is very important to assess the effect of ecological recovery and estimate the capacity of soil carbon sequestration. Here, we present the data of SOCD, SOC storage, and SOC sequestration rate from grasslands conversion from farmlands in the CLP. Our results indicate that: (1) The average SOCD (0–100 cm) in sites continued cultivation (CC), cultivation abandonment at 1999 (AC-99) and cultivation abandonment at 1989 (AC-89) is 6.00, 21.64 and 22.23 kg m^?2, respectively. SOCD in sites AC-99 and AC-89 is significantly higher than that in site CC and the average SOCD of China (10.53 kg m^?2), which indicates that vegetation restoration is benefit to increase soil carbon storage as well as preserve soil and water in this area. (2) The SOC storage (0–100 cm) in sites CC, AC-99 and AC-89 is 60.02, 216.35 and 222.32 kg m^?2, respectively. Results of ANOVA indicate that SOC storage of AC-99 is significantly higher than that of CC, while SOC storage of AC-89 is significantly higher than that of AC-99 at the depth of 0–50 cm (P < 0.001). It suggests that the capability of soil carbon sequestration increases after vegetation restoration, which is mainly due to the increase of plant roots. (3) The rate of SOC sequestration varies at different depths, which is high at the depth of 0–50 cm while low at the depth of 50–100 cm. This is probably due to the accumulation of plant root in the surface layer, which is the main controlling factor of SOC in this area. Our results indicate that the SOCD and SOC storage increase with vegetation restoration in our study site significantly.     

黄土丘陵区不同侵蚀环境下土壤有机碳对植被恢复的响应

植被恢复是提高土壤有机碳累积和储存的重要措施。以黄土丘陵区两个典型侵蚀环境下的小流域即黄土区坊塌流域和砒砂岩区满红沟流域退耕坡面为研究对象,分析了土壤有机碳含量(SOCC)、有机碳密度(SOCD)在同一侵蚀环境不同群落下的变化以及在同一群落不同侵蚀环境间的差异,旨在探明不同侵蚀环境下土壤有机碳对植被恢复的响应。结果表明:1)同一侵蚀环境下,与坡耕地相比,自然恢复方式下退耕地植被恢复初期SOCC、SOCD均显著降低,之后随植被恢复均显著升高(P0.05);人工恢复方式下退耕地20—25年柠条锦鸡儿群落和13—14年刺槐群落SOCC、SOCD均显著升高(P0.05),说明同一侵蚀环境内,退耕地在两种恢复方式下均能显著提高土壤有机碳累积和储存。2)同一侵蚀环境下,与相近恢复年限的自然恢复群落相比,刺槐群落SOCC、SOCD均显著高于长芒草+铁杆蒿群落(P0.05),砒砂岩区柠条锦鸡儿群落SOCC、SOCD均显著低于铁杆蒿群落(P0.05),黄土区柠条锦鸡儿群落SOCC显著低于而SOCD显著高于铁杆蒿群落(P0.05),说明相同恢复时间内,相对于自然恢复方式,人工刺槐造林在两种侵蚀环境下均能累积与储存较多的土壤有机碳,而柠条锦鸡儿造林在两种侵蚀环境下累积土壤有机碳的效果均不佳,在黄土区储存土壤有机碳效果好于砒砂岩区。3)同一群落下,黄土区人工和自然恢复群落SOCC均高于砒砂岩区;黄土区人工恢复群落SOCD均显著高于而自然恢复群落SOCD均低于砒砂岩区(P0.05),说明黄土区人工恢复累积和储存土壤有机碳及自然恢复累积土壤有机碳的效果较好,而砒砂岩区自然恢复储存土壤有机碳的效果较好。     

黄土高原北部草地的恢复与重建对土壤有机碳的影响

草地的恢复与重建是黄土高原生态建设的重要内容,探讨草地恢复过程中土壤有机碳密度（SOCD）的变化规律对于合理评价北方水蚀风蚀交错带地区生态恢复的环境效应及其对土壤碳固存潜力的影响具有重要的理论价值。以黄土高原北部水蚀风蚀交错带地区不同生长年限的紫花苜蓿（Medicago sativa）人工草地及其退化后形成的次生草地为主要研究对象,探讨了SOCD的动态变化特征。结果表明,研究区0-100cm土体的SOCD普遍较低,变化范围为1.18-2.81kgCm^-2,略高于地球上荒漠带的水平（1.4kgCm^-2）,显著低于黄土高原中部（4.46-9.95kgCm^-2）与全国（11.52-12.04kgCm^-2）的平均水平。但是当土地利用方式由农田转变为人工草地以后,以及随着人工草地向长芒草（Stipabungeana）次生天然草地的自然演替,SOCD均有不同程度的增加,增加幅度最大可达72%,土壤表现为明显的碳汇。不同土地利用方式0-100cmSOCD的变化顺序为：灌木林地（2.11kgCm^-2）〉次生天然草地（1.95kgCm^-2）〉人工草地（1.91kgCm^-2）〉弃耕地（1.69kgCm^-2）〉农田（1.68kgCm^-2）,但统计差异不显著,意味着植被恢复对土壤碳固存的影响相对较小,该地区土壤固存CO2的潜力并不大,发育较好的次生天然草地0-100cm土体SOCD平均仅为2.20kgCm^-2。对SOCD垂直变化的分析结果表明表层SOC主要固存于表层0-20cm土壤,而且与0-100cm土体的SOCD具有显著的线性相关性,由表层观测值可以有效估计0-100cm土体的SOCD,估计误差为9.9%（0.18kgCm^-2）。     

Root and inorganic nitrogen distributions in sesbania fallow,natural fallow and maize fields

One hypothesis for a benefit of integrating trees with crops is that trees with deep root systems can capture and pump up nutrients from below the rooting zone of annual crops. Few studies have compared both root and nutrient distribution for planted trees, crops and grassland vegetation. A field study was conducted on a Kandiudalfic Eutrudox in the highlands of western Kenya to measure rooting characteristics and distribution of inorganic N and water in three land-use systems (LUS): (i) Sesbania sesban (L.) Merr. fallow, (ii) uncultivated natural weed fallow and (iii) unfertilized maize (Zea mays L.) monoculture. The maximum rooting depth was 1.2 m in the maize LUS, 2.25 m in a 13-month-old natural fallow, and > 4 m in a 15-month-old sesbania fallow. Total root length was 1.26 km m^-2 for the maize LUS, 5.98 km m^-2 for the natural fallow, and 4.56 km m^-2 to 4 m for the sesbania fallow. Root length to 1.2 m was greater (p < 0.01) for natural fallow than for maize and sesbania fallow. A considerable portion of the sesbania root length to 4 m was in the subsoil; 47% was at 1.2 to 4 m and 31% was at 2.25 to 4 m. Deep rooting of sesbania coincided with lower soil water below 2 m in the sesbania fallow than the natural fallow. Nitrate-N, but not ammonium-N, to 4 m was affected by LUS. Total nitrate to 4 m was 199 kg N ha^-1 for the maize LUS, 42 kg N ha^-1 for the natural fallow and 51 kg N ha^-1 for the sesbania fallow. Soil nitrate in the maize LUS was highest at 0.3 to 1.5-m depth on this Oxisol with anion sorption capacity. No such accumulation of subsoil nitrate was present under sesbania and natural fallow.     

晋西黄土区人工林细根与土壤水碳的耦合关系

以晋西黄土区山西离石典型人工林刺槐、侧柏、核桃为研究对象,研究其深剖面（0-500 cm）细根参数、土壤水分和有机碳的分布特征,并以农地为对照,评价各人工林土壤水分亏缺和有机碳积累效应,在此基础上探讨三者的耦合关系。结果表明：（1）3种人工林土壤浅层（0-70 cm）细根累计生物量占整个土层的56%-71%,具有明显表聚性。（2）3种人工林土壤深层（70-500 cm）土壤水分亏缺效应均显著高于浅层（P < 0.05）,与农地相比,其亏缺值表现为：侧柏 > 核桃 > 刺槐。（3）3种人工林深层土壤有机碳密度占整个土层的77%-86%;与农地相比,侧柏和核桃土壤有机碳积累效应总体为正向积累作用,刺槐则相反。（4）在土壤浅层,细根参数与土壤水分和有机碳密度均有显著相关性,而在深层,细根主要与有机碳密度显著相关,与土壤水分的相关性仅在刺槐样地显著。晋西黄土区不同人工林深层细根分布有很大差异,且已对其深层土壤水分和有机碳的分布产生影响。综合来看,刺槐的细根分布已造成深层土壤水分亏缺,同时也不利于深层有机碳的积累。     

长白山低山区森林土壤有机碳及养分空间异质性

以吉林延边汪清林业局金仓林场境内森林土壤为对象,采用多元线性回归方法和地统计学回归克里格方法,研究了土壤有机碳及养分的垂直分布规律,预测了其空间分布,并对预测结果进行插值.结果表明: 0～60 cm深度土壤有机碳密度为(16.14±4.58) kg·m^-2.随土壤深度增加,土壤有机碳含量、有机碳密度以及土壤全N、全P、全K、有效P及速效K含量都呈减小趋势,其中不同土层间土壤有机碳含量、有机碳密度差异显著(P<0.01).0～60 cm土层土壤有机碳含量和碳密度的拟合方程中,地形因子中高程和坡向余弦值是最优的拟合因子,方程的决定系数分别为0.34和0.39(P<0.01).0～20和0～60 cm土层的半方差函数模型分别为高斯模型和指数模型,利用回归克里格插值方法得到土壤有机碳的空间分布图.与普通克里格法相比,回归克里格法的空间预测精度改进了18%～58%.利用回归克里格插值方法预测了土壤全N的空间分布特征.     

毛乌素沙地区域尺度生物结皮有机碳

生物结皮在旱区荒漠养分循环和碳氮固存等生态系统功能方面发挥着重要作用,尤其能通过光合作用固定CO₂,从而提高土壤有机碳含量。目前有关区域尺度生物结皮土壤有机碳认知的缺乏在一定程度上制约了土壤碳库的精准预测。本研究选取毛乌素沙地全域(4.22万km²)内45个样地,测算了藓结皮和藻结皮两类典型生物结皮及其下土壤的有机碳含量(SOC)和密度(SOCD),并结合气候、土壤和植被等指标,深入探讨了区域尺度下生物结皮有机碳的空间分布特征及其主控因素。结果表明: 1)与裸沙相比,生物结皮显著提升了土壤有机碳含量和密度,且藓结皮及其下土壤有机碳含量(4.93 g·kg^-1)和密度(0.41 kg·m^-2)均高于藻结皮(1.89 g·kg^-1、0.18 kg·m^-2)。2)区域尺度上,生物结皮的有机碳含量和密度具有明显的空间分布特征,呈现出由东北-中部、西部-东南方向递减的带状分布与块状镶嵌分布。3)生物结皮及其下土壤有机碳含量和密度主要受气候、土壤和植被的综合影响,并因生物结皮类型而异,藓结皮主要受年均最高温和蒸散力的影响,而藻结皮主要受水蒸气分压的影响。