基于模型的农田土壤固碳潜力估算

农田生态系统在陆地碳循环中具有重要地位. 增加农田土壤有机碳的固定不仅有助于减缓大气CO₂浓度增加速率, 而且对保障国家粮食安全具有重要意义. 基于农田土壤碳饱和理论, 分析了全球95个覆盖温带、热带、亚热带等不同气候区农田长期定位试验数据, 并构建了由气温、降水、土壤黏粒含量和pH驱动的农田土壤固碳潜力模型(R₂=0.58, n=76). 中国的长期定位试验较好地验证了这一模型(R₂=0.74, n=19). 模型敏感性分析表明, 低温湿润地区、高黏粒含量和低pH的土壤具有相对较高的固碳潜力; 高温低湿地区、低黏粒含量和高pH的土壤则较低. 利用所建模型和气候、土壤等基础数据, 对中国河南省农田土壤固碳潜力进行了估算. 结果表明, 该省农田表土(0~20 cm)碳饱和密度平均约为32 t/ha, 南部地区相对较高. 按该省第2次土壤普查的有机碳密度估算, 未来可望增加土壤固碳约为100 Tg.     

草地土壤固碳潜力研究进展

土壤固碳功能和固碳潜力已成为全球气候变化和陆地生态系统研究的重点。草地土壤有机碳库,作为陆地土壤有机碳库的重要组成部分,其较小幅度的波动,将会影响整个陆地生态系统碳循环,进而影响全球气候变化。因此,深入研究草地土壤固碳功能和固碳潜力对于适应和减缓气候变化具有重要意义。在土壤固碳潜力相关概念界定基础上,结合《2006年IPCC国家温室气体清单指南》,从样点及区域尺度上综述了目前关于草地土壤固碳潜力的一般估算方法,同时对各类方法的特点及适用性进行了评述,提出了草地生态系统固碳潜力研究概念模型。最后在对草地土壤固碳的影响因素及固碳措施总结的基础上,阐明了草地土壤有机碳固定研究中存在的问题和发展前景。     

农田土壤有机碳固定潜力研究进展

土壤有机碳的贮存和损失的研究是目前国际上前沿研究领域之一。研究农田土壤有机碳固定过程 ,对于了解农业生产过程和生态过程的关系具有十分重要的意义。在农田土壤中 ,发生变化的有机碳主要是年轻或轻组有机碳 ,而且土壤有机碳的损失或固定都是在土壤表层和有限的时间内发生 ,且数量巨大。传统的耕作体系是造成土壤有机碳损失的主要原因。为了增加农田土壤有机碳的保有量 ,农业管理措施应该从增加有机碳的输入量 (如草田轮作、保留残茬以及施用肥料等 )和减少土壤有机碳的矿化 (少、免耕等 )两方面入手     

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。     

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。     

中国农田土壤生态系统固碳现状和潜力

研究在搜集和整理全国典型农业长期定位实验站数据的基础上,通过自建经验公式估算了不同管理措施下我国农田土壤的固碳能力和潜力.通过施用化肥、秸秆还田、施用有机肥和免耕措施,目前对我国农田土壤碳增加的贡献分别为40.51、23.89、35.83 Tg·a-1和1.17 Tg·a-1,合计为101.4 Tg·a-1,是我国目前能源活动碳总排放量的13.3%.通过情景分析发现,提高化肥施用量、秸秆还田量、有机肥施用量和推广免耕,可以使我国农田土壤的固碳量分别提高到94.91、42.23、41.38 Tg·a-1和3.58 Tg·a-1,合计为182.1Tg·a-1.农田土壤总的固碳潜力相当于目前我国能源活动碳排放量的23.9%,对于全球CO2减排具有重要的作用.     

秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响

为研究秸秆还田配施中量元素(S)和微量元素(Fe和Zn)对粮田土壤有机碳固持的影响,进行了为期52 d的室内玉米秸秆腐解培养试验. 结果表明:秸秆腐解过程中分别添加S、Fe和Zn元素,均提高了微生物生物量碳(MBC)及土壤CO₂-C矿化速率,52 d腐解培养结束后,CO₂-C的累积矿化量显著提高,但土壤有机碳含量并未显著降低;3种元素中,添加Fe或Zn的处理提高了土壤惰性碳库、惰性碳库比例及土壤有机碳表观平衡,有利于土壤有机碳固持,而添加S的处理却降低了惰性有机碳比例及土壤有机碳表观平衡,不利于有机碳固持. 因此,在施N、P肥基础上,秸秆还田添加S、Fe或Zn均能促进土壤有机碳的矿化进程,但添加Fe或Zn可使更多有机碳固持于土壤中,添加S不利于土壤有机碳的固持.     

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。     

青海省森林乔木层碳储量现状及固碳潜力

为阐明青海省森林生态系统乔木层植被碳储量现状及其分布特征, 该研究利用240个标准样地实测的乔木数据, 估算出青海省森林生态系统不同林型处于不同龄级阶段的平均碳密度, 并结合青海省森林资源清查资料所提供的不同龄级的各林型面积, 估算了青海省森林生态系统乔木层的固碳现状、速率和潜力。结果表明: 1) 2011年青海省森林乔木层平均碳密度为76.54 Mg·hm ^-2, 总碳储量为27.38 Tg。云杉(Picea spp.)林、柏木(Cupressus funebris)林、桦木(Betula spp.)林、杨树(Populus spp.)林是青海地区的主要林型, 占青海省森林面积的96.23%, 占青海省乔木层碳储量的86.67%, 其中云杉林的碳储量(14.78 Tg)和碳密度(106.93 Mg·hm ^-2)最高。按龄级划分, 乔木层碳储量表现为过熟林>中龄林>成熟林>近熟林>幼龄林。2)青海省乔木层总碳储量从2003年的23.30 Tg增加到2011年的27.38 Tg, 年平均碳增量为0.51 Tg·a ^-1。乔木层固碳速率为1.06 Mg·hm ^-2·a ^-1, 其中柏木林的固碳速率最大(0.44 Mg·hm ^-2·a ^-1); 桦木林的固碳速率为负值(-1.06 Mg·hm ^-2·a ^-1)。3)青海省乔木层植被固碳潜力为8.50 Tg, 其中云杉林固碳潜力最高(3.40 Tg)。该研究结果表明青海省乔木层具有较大的固碳潜力, 若对现有森林资源进行合理管理和利用, 将会增加青海省森林的碳固存能力。     

生物炭施用的固碳减排潜力及农田效应

气候变暖及粮食安全是保证人类可持续发展的重要课题。生物炭具有较高的稳定性、较高碳含量等特点,能增加土壤碳储量,提高土壤物理及化学性质,提高农田产出,能应对高温胁迫及土壤退化双重压力,具有一举多赢的生态环境效益,在缓解温室效应及粮食危机方面展现出巨大的潜力。综合前人研究成果,分析了生物炭固碳减排潜力及农田效应影响因素(包括:生物炭原料、制备温度、施用量、土壤类型等)。综合固碳减排及提高产出两方面因素,提出了较合适的生物炭施用标准,即300—700℃制备的农林废弃物生物炭,且施用量不超过5%。对生物炭固碳减排及田间效应领域未来的研究方向进行了展望。     

松嫩平原玉米带土壤碳氮储量的空间特征

利用第二次全国和县级土壤普查的382个典型土壤剖面资料和1∶50万数字化土壤图建立土壤剖面空间数据库,利用土壤类型法估算松嫩平原玉米带土壤碳、氮储量,分析土壤有机碳、氮密度的空间分布特征,探讨土壤有机碳、氮密度与土壤类型和土地利用类型之间的关系.结果表明:松嫩平原玉米带土壤有机碳、氮储量分别为(163.12±26.48)Tg和(9.53±1.75)Tg,土壤碳、氮储量主要集中在草甸土、黑钙土和黑土等土类中.土壤有机碳、氮密度分别为5.51～25.25和0.37～0.80kg·m-2,土壤C/N值大致在7.90～12.67.土壤有机碳、氮密度的空间分布均表现为东部和北部高、西部低.在不同土地利用类型中,旱田土壤的有机碳密度最高,为(19.07±2.44)kg·m-2;林地土壤的氮密度最高,为(0.82±0.25)kg·m-2;水田土壤的碳、氮密度均较低.     

松嫩平原玉米带农田土壤氮密度时空格局

基于1980年吉林省第二次全国土壤普查剖面资料和2003—2006年的实测数据,估算了松嫩平原玉米带不同土壤类型农田表层(0—20 cm)土壤氮密度和储量,分析了该地区土壤氮密度的25a时空变化特征及其原因。结果表明,两个时期松嫩平原玉米带农田土壤氮密度的空间分布格局基本一致,中部高、边缘低,平均土壤氮密度变化不大,均为0.31 kg/m2,但25 a间不同土壤类型和土地利用方式的土壤氮密度变化趋势存在差异,暗棕壤、水稻土和沼泽土的氮密度上升,其它类型土壤的氮密度不变或下降,旱田的氮密度不变,水田的氮密度明显下降,25 a间研究区内的农田土壤总氮储量每年减少7.6×105kg。25 a间土壤氮密度的变化与1980年的初始值负相关,土壤氮密度的新稳定状态值为0.32 kg/m2。如保持1980年的土地利用方式和栽培耕作措施不变,该地区农田土壤总固氮潜力为5.18×106kg/a。但实际上,与固氮潜力相比,2005年该区农田土壤总氮储量偏低了1.20×108kg。因此,今后该区应多注重肥料的合理施用,加强农田管理,尤其是旱田改水田的管理。     

黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析

东北黑土区自开垦以来有机质含量逐渐降低,有机碳库长期处于亏缺状态,理论上也具有较大的固碳潜力。以典型黑土区长期传统作业的坡耕地(30—60 a)为研究对象,通过测定不同坡位(坡上侵蚀区和坡下沉积区)、不同土层(表土和底土)有机碳分布特征,估算不同开垦年限黑土固碳潜力及其恢复至固碳潜力所需的时间。结果表明:(1)总有机碳、有机碳密度以及碳饱和水平均表现为沉积区显著大于侵蚀区,表土显著大于底土,且均在开垦30a坡耕地达到最大值;(2)固碳潜力表现为侵蚀区(1.24—2.89 kg/m~2)显著大于沉积区(0.79—1.04 kg/m~2),底土(0.83—3.59 kg/m~2)显著大于表土(0.6—2.53 kg/m~2),随着开垦年限的增加表现为开垦30 a显著小于开垦40 a、60 a;(3)黑土坡耕地(30—60 a)侵蚀区和沉积区土壤(0—50 cm)达到固碳潜力分别需要20—181 a和13—66 a。黑土坡耕地固碳潜力的时空变异性在农业经营以及修复管理过程中需引起重视,以实现黑土资源的可持续利用。     

不同施肥措施对我国南方稻田表土有机碳含量及固碳持续时间的影响

基于我国南方38个稻田试验点222个样本的表土有机碳数据,设5种施肥措施类型［无机氮肥(N)、无机氮磷肥配施(NP)、无机氮磷钾肥配施(NPK)、单施有机肥(O)和有机无机肥配施(OF)］,研究了不同施肥措施下我国南方稻田表土有机碳含量的相对年变化量和固碳持续时间.结果表明：5种施肥措施下,稻田表土有机碳含量相对年变化量集中在0～0.4 g·kg^-1·a^-1,两熟制和三熟制的表土有机碳含量相对年均增量分别为0.20和0.26 g·kg^-1·a^-1;有机肥处理(O和OF)比无机肥处理(N、NP和NPK)的表土有机碳含量相对年增量更高,其中,OF处理最高,为0.32 g·kg^-1·a^-1;随着时间的延长,土壤有机碳的累积速率逐渐降低,N、NP、NPK、O和OF处理下表土固碳持续时间分别为22、28、38、57和54年.从土壤固碳角度考虑,有机无机肥配施为我国南方稻田最佳施肥措施.     

Storage and sequestration potential of topsoil organic carbon in China's paddy soils

Carbon (C) storage and sequestration in agricultural soils is considered to be an important issue in the study of terrestrial C cycling and global climatic change. The baseline C stock and the C sequestration potential are among the criteria for a region or a state to adopt strategies or policies in response to commitment to the Kyoto Protocol. Paddy soils represent a large portion of global cropland. However, little information on the potential of C sequestration and storage is available for such soils. In this paper, an estimation of the topsoil soil organic carbon (SOC) pool and the sequestration potential of paddy soils in China was made by using the data from the 2nd State Soil Survey carried out during 1979–1982 and from the nationwide arable soil monitoring system established since then. Results showed that the SOC density ranged from 12 to 226 t C ha^?1 with an area‐weighted mean density of 44 t C ha^?1, which is comparable to that of the US grasslands and is higher than that of the cultivated dryland soils in China and the US. The estimated total topsoil SOC pool is 1.3 Pg, with 0.85 Pg from the upper plow layer and 0.45 Pg from the plowpan layer. This pool size is ～2% of China's total storage in the top 1 m of the soil profiles and ～4% of the total topsoil pool, while the area percentage of paddy soil is 3.4% of the total land. The C pool in paddy soils was found predominantly in southeast China geographically and in the subgroups of Fe‐accumulating and Fe‐leaching paddy soils pedogenetically. In comparison with dryland cultivation, irrigation‐based rice cultivation in China has induced significant enrichment of SOC storage (0.3 Pg) in paddy soils. The induced total C sequestration equals half of China's total annual CO₂ emission in the 1990s. Estimates using different SOC sequestration scenarios show that the paddy soils of China have an easily attainable SOC sequestration potential of 0.7 Pg under present conditions and may ultimately sequester 3.0 Pg. Soil monitoring data showed that the current C sequestration rate is 12 Tg yr^?1. The total C sequestration potential and the current sequestration rate of the paddy soils are over 30%, while the area of the paddy soils is 26% that of China's total croplands. Therefore, practicing sustainable agriculture is urgently needed for enhancing SOC storage to realize the ultimate SOC sequestration of rice‐based agriculture of China, as the current C sequestration rate is significantly lower than the potential rate.     

松嫩平原潜在蒸散量的时空变化特征

利用松嫩平原及周边地区72个气象站1961—2003年逐日气象资料,应用Penman-Monteith方程计算潜在蒸散量,采用气候倾向率、Mann-Kendall突变检验、累积距平法,对松嫩平原地区潜在蒸散量变化进行定量分析,并应用ArcGIS软件的空间分析功能对研究区潜在蒸散量的空间分布特征进行分析.结果表明:1961—2003年,松嫩平原年均潜在蒸散量在330~860 mm,总体呈减小趋势,空间分布总体特征为西南高、四周低,呈环带状向西南方向增加;年潜在蒸散量的气候倾向率为-0.21 mm.a-1;年潜在蒸散量在1982年达最大值,形成突变点,而后下降,至1995年降至最低,此后呈增加趋势;春、夏、秋、冬季潜在蒸散量的气候倾向率分别为-0.19、0.01、-0.05、0.03 mm.a-1,表明春、秋季潜在蒸散量呈微弱减小趋势,夏、冬呈微弱增加趋势.     

Primary evaluation of carbon sequestration potential of wetlands in China

As one of the important ecosystem services of wetlands, carbon sequestration potential of lakes and swamps in China were investigated. Significant differences were found among the carbon sequestration potential of various lakes, determined by natural conditions and human disturbance. In this study, swamps had a carbon sequestration potential of 4.90 TgC, much higher than lakes in China. Mangrove and coastal marsh have the highest carbon sediment rate among swamps. Carbon sequestration potential in returning farms to lakes and swamps was 30.26 and 0.22 GgC. … a^?1, respectively. Under the ongoing national wetland conservation action plan in China, the carbon sequestration potential of wetland restoration was 6.57 GgC. … a^?1. Protection and restoration measurements can improve carbon sequestration potential of wetlands.     

Primary evaluation of carbon sequestration potential of wetlands in China

As one of the important ecosystem services of wetlands, carbon sequestration potential of lakes and swamps in China were investigated. Significant differences were found among the carbon sequestration potential of various lakes, determined by natural conditions and human disturbance. In this study, swamps had a carbon sequestration potential of 4.90 TgC, much higher than lakes in China. Mangrove and coastal marsh have the highest carbon sediment rate among swamps. Carbon sequestration potential in returning farms to lakes and swamps was 30.26 and 0.22 GgC. … a^?1, respectively. Under the ongoing national wetland conservation action plan in China, the carbon sequestration potential of wetland restoration was 6.57 GgC. … a^?1. Protection and restoration measurements can improve carbon sequestration potential of wetlands.