生物炭对土壤有机碳矿化的激发效应及其机理研究进展

近年来由于生物炭具有碳素稳定性强和孔隙结构发达等特性,其在土壤固碳减排方面的作用研究受到广泛关注.然而当生物炭进入土壤环境后最终是增加土壤碳的储存还是促进土壤碳的排放?目前学术界对该问题仍存在争议.生物炭对土壤有机碳的激发效应及其机理研究有待进一步深入开展.本文在分析生物炭自身碳素组分和稳定性、孔隙结构及表面形态特征的基础上,综述了添加生物炭对土壤本底有机碳矿化产生激发效应的研究进展,分别阐述了产生正激发和负激发效应(即促进和抑制矿化)的机制机理,认为正激发效应主要是基于生物炭促进土壤微生物活性增强、生物炭中易分解组分的优先矿化以及由此引发的土壤微生物的共代谢作用,而负激发效应主要是基于生物炭内部孔隙结构和外表面对土壤有机质的包封作用和吸附保护作用、生物炭促进土壤有机-无机复合体形成的稳定化作用、生物炭对土壤微生物及其酶活性的抑制作用.最后对今后相关研究方向进行了展望,以期为生物炭在土壤固碳减排方面的应用提供理论依据.     

稻田土壤有机碳矿化及其激发效应对磷添加的响应

采用室内模拟培养和¹³C同位素标记技术相结合的研究方法,探讨了在葡萄糖与无机氮肥共施的条件下,土壤有机碳矿化及其激发效应对外源磷添加的响应,以揭示土壤有机碳矿化的碳磷耦合调控机制.结果表明:外源磷的输入加快了CO_2的释放,但抑制了CH_4的释放;在整个土壤淹水培养期间,磷添加抑制了土壤碳矿化释放CH_4总量的53.1%,其中外源葡萄糖-¹³C矿化成¹³CH_4的总量降低了70.5%;磷添加促使通过微生物转化的葡萄糖-¹³C向易利用态碳库的分配比例增加了3.6%,显著提高土壤有机碳快库矿化速率,缩短土壤碳矿化周期.土壤培养前期,外源有机质的添加表现为短暂的负激发效应;随着葡萄糖不断矿化分解,CO_2累积激发效应(PE_{CO_2})总体上呈现先增加后下降的趋势,而CH_4累积激发效应(PE_{CH_4})稳步增加最终保持基本稳定状态;培养结束时(100 d),在磷添加条件下,PE_{CO_2}增强32.3%,PE_{CH_4}显著降低93.4%.冗余分析和Pearson分析表明,电导率、氧化还原电位和溶解有机碳对稻田土壤碳矿化的影响最为显著;速效磷与¹³CH_4、PE_{CH_4}呈极显著负相关.在外源有机质添加条件下,磷的添加能够抑制CH_4排放及其激发效应,促进土壤有机质的矿化和养分释放,提高土壤原有有机碳的可利用性,促进稻田土壤有机碳循环.     

不同化学性质叶凋落物添加对土壤有机碳矿化及激发效应的影响

凋落物输入可显著影响土壤有机碳(SOC)矿化速率,但添加不同化学性质叶凋落物对土壤有机碳矿化释放CO₂及激发效应的影响及其机理仍不清楚。本研究将亚热带6种树种¹³C标记的叶凋落物添加至天然次生林0～10 cm原位土柱中,比较不同树种叶凋落物添加对土壤总CO₂、外源凋落物和土壤来源CO₂释放速率和累积量以及激发效应的影响,并量化叶凋落物化学性质与土壤CO₂释放累积量、激发效应的相关关系。结果表明: 添加叶凋落物能够显著提高土壤总CO₂和土壤来源CO₂释放量,存在显著正激发效应,激发效应值为68%～128%。不同树种叶凋落物添加对土壤有机碳矿化和激发效应的影响存在显著差异。Pearson相关分析和逐步多元线性回归分析发现,凋落物来源CO₂释放累积量与叶凋落物C、P和纤维素含量呈显著负相关,而土壤来源CO₂释放量与叶凋落物C:N和木质素:N呈显著正相关。综上,不同化学性质的叶凋落物对土壤有机碳矿化和激发效应的影响存在异质性,在亚热带地区森林类型转变过程中营造具有高质量叶凋落物的人工林将有助于减少森林土壤碳损失。     

开垦对海北高寒草甸土壤有机碳的影响

在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位站地区,选择高寒草甸开垦后形成的农田(种植春油菜)作为研究对象,开垦年限分别为0、10、20和30年,利用土壤有机碳密度分组法,对0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土层土壤有机碳(SOC)及不同组分(轻组有机碳LFOC,重组有机碳HFOC)含量及随开垦年限变化关系进行了研究。结果表明,高寒草甸开垦后土壤有机碳及其组分的变化主要发生在0~10 cm土层,LFOC下降最快,其次为HFOC和SOC,至30年时分别下降了48.63%、43.97%、37.64%。而0~40 cm土体内,SOC、LFOC和HFOC亦呈下降趋势,开垦30年,它们的下降速率分别为785.77、16.79和460.29 kg C.hm-2.yr-1。开垦将大大降低高寒草甸作为碳汇的功能,土壤碳库的总贮量由143 516.94 kg C.hm-2.yr-1下降至114 298.34 kg C.hm-2.yr-1,使其逆转为碳源。     

若尔盖湿地高寒草甸退化过程中土壤有机碳含量变化及成因分析

土壤碳输入与输出之间的收支差决定土壤有机碳(SOC)含量。若尔盖湿地高寒草甸退化过程中, 土壤碳输入和输出哪个过程对SOC含量的影响占主导作用还不明确。该研究用空间序列代替时间序列的方法研究了若尔盖湿地高寒草甸不同退化阶段(高寒草甸(AM)、轻度退化高寒草甸(SD)和重度退化高寒草甸(HD)) SOC含量变化及原因。首先, 通过测定高寒草甸退化阶段上主要的土壤理化性状、微生物生物量、植物生物量和功能群组成的变化, 分析了退化阶段上土壤碳输入量的变化及原因; 其次, 结合室内土壤碳矿化培养实验结果和研究区的月平均气温以及土壤呼吸温度敏感性(Q₁₀)估算了该区域土壤碳输出, 并分析了其变化原因; 最后, 分析了造成SOC含量变化的主要原因和过程。结果表明: 在退化梯度上, 土壤含水量(SWC)、SOC和全氮(TN)含量、微生物生物量碳氮含量降低; 植物群落组成逐渐从莎草科、禾本科占优势过渡到杂类草占优势, 且植物生物量降低; SOC矿化量降低; 有机碳潜在积累量降低(与AM阶段相比, SD和HD阶段有机碳潜在输入量、输出量和积累量分别降低了16%、18%、15%和59%、63%、41%)。SWC降低引起土壤容重、SOC含量、TN含量、全磷含量、C:N的改变, 进而导致植物功能群分布模式和土壤微生物的变化, 最终引起SOC输入和输出量的降低。SWC降低导致的植物碳潜在输入量的降低是若尔盖湿地高寒草甸退化过程中SOC含量下降的主要原因。     

棉秆炭特性及其对灰漠土土壤有机碳矿化的效应

生物炭具有提高土壤肥力和减缓温室气体排放的作用,但其对土壤有机碳矿化的作用效应存在争议。以新疆灰漠土为研究对象,采用300℃和600℃制备的棉花秸秆炭(棉杆炭)为试材,在25℃、75%的土壤饱和含水量条件下,通过100 d的室内培养,研究了不同比例的棉杆炭添加(0、0.1%、0.5%、1.0%、2.0%和100%,以质量计)对土壤有机碳矿化的效应。结果表明:1)高温制备的棉杆炭,孔隙结构排列整齐,表面光滑,孔隙度和比表面积大,芳香化程度增强;2)棉杆炭的有机碳矿化速率与时间呈乘幂关系(P0.05),300℃棉杆炭相比600℃棉杆炭的累积矿化量和累积矿化率分别提高了318%和87.06%;高温炭化抑制了有机碳矿化;与对照相比,添加300℃棉杆炭增加了土壤有机碳累积矿化量(0.1%处理除外,降低了7.22%),并随棉杆炭添加量而增加,土壤有机碳累积矿化量提高幅度在3.05%—35.28%,而添加600℃棉杆炭降低了土壤有机碳累积矿化量,降低幅度为6.11%—10.79%;3)培养前期(0—20 d)300℃棉杆炭对灰漠土土壤原有有机碳矿化为正激发效应(0.1%处理除外),后期为负激发效应,整个培养期内为负激发效应;600℃棉杆炭培养前期(0—5 d)对土壤原有有机碳激发效应微小,主要表现为负激发效应。由此可见,低温制备的棉杆炭能提高土壤有机碳矿化,而高温制备棉杆炭则抑制了土壤有机碳矿化,棉杆炭添加对土壤原有有机碳矿化具有负激发效应,能够促进土壤有机碳积累。     

桂西北石灰土土壤有机碳矿化对外源有机物质和碳酸钙的响应

为明确外源有机物质和无机碳酸盐对桂西北石灰土土壤有机碳矿化的影响,加深对土壤有机碳周转特征的认识,本文以广西环江县喀斯特地区的棕色石灰土、黑色石灰土和地带性红壤(对照)为研究对象,进行为期100 d的室内培养试验[对照(无外源物添加,CK)、添加14C-稻草(S)、添加Ca14CO3(C)],并对土壤呼吸释放的CO2及14C-CO2含量进行测定.结果表明:培养100 d后,外源物的添加均明显促进了红壤、棕色和黑色石灰土有机碳的矿化,外源14C-稻草和Ca14 CO3对上述土壤有机碳矿化的激发效应分别为28.7％、46.2％ 、15.5％和127.0％ 、175.3％、100.1％;土壤表观累积矿化量中外源Ca14CO3的贡献率分别为40.4％、48.4％、19.6％;土壤类型和添加物及两者间的交互作用均对土壤有机碳矿化的激发效应、土壤表观累积矿化量中外源物的贡献、土壤有机碳的矿化速率、土壤有机碳累积矿化量/率有显著影响.因此,外源有机物质和碳酸钙的添加改变了土壤有机碳的矿化特征,对于含碳酸盐的石灰土,研究土壤有机碳矿化、周转规律,评估其对大气CO2的影响必须考虑无机碳酸盐的贡献.     

甘南高寒草甸土壤有机碳储量时空分布特征的模拟分析

以甘南州高寒草甸为研究对象,利用CENTURY模型,根据甘南州及周边气象站点1971—2020年的月值气象数据和土壤类型数据,将CENTURY模型参数本地化,使其适用于甘南高寒草甸土壤有机碳储量模拟。对模拟结果进行时空统计,得到甘南州土壤有机碳储量(0～20 cm)的空间分布和时序变动情况。结果表明：甘南州土壤有机碳储量呈由西南向东北递减,由西向东递减的分布特征,且土壤总有机碳储量与慢性土壤有机碳储量的变动趋势较为一致;1971—2020年甘南州平均土壤有机碳储量为8444.40 g·m^-2,其中各组分库的土壤有机碳储量分别为270.12 g·m^-2(活性)、4516.70 g·m^-2(慢性)、3478.77 g·m^-2(惰性)。土壤有机碳储量高值地区主要是碌曲县和玛曲县,而合作市的有机碳较低。海拔、气温、降水均对土壤有机碳储量有影响,且土壤有机碳储量的变化在空间上与海拔和降水的变动具有一致性,随温度的升高土壤有机碳储量呈下降趋势。     

青海湖流域矮嵩草草甸土壤有机碳密度分布特征

通过对青海湖流域不同退化程度矮嵩草草甸土壤容重和有机碳含量的测定,确定了其土壤有机碳密度。结果表明:不同退化程度下矮嵩草草甸土壤有机碳含量和变化特征各有不同。从未退化-重度退化,0—100 cm土壤剖面平均有机碳含量分别为(25.17±4.73)g/kg,(17.51±3.06)g/kg,(20.79±1.30)g/kg和(14.53±1.20)g/kg,即未退化中度退化轻度退化重度退化;0—20 cm土壤平均有机碳含量从(64.47±11.70)g/kg减少为(14.52±1.52)g/kg,减少了77.48%。土壤剖面有机碳密度变化趋势与其有机碳含量变化趋势一致。0—100 cm土壤剖面有机碳密度分别为(18.16±4.12)kg/m3,(14.24±3.52)kg/m3,(18.64±2.82)kg/m3和(13.27±2.28)kg/m3,即中度退化未退化轻度退化重度退化;土壤有机碳集中分布在0—40 cm深度,从未退化到严重退化,该深度有机碳密度分别为(32.06±6.41)kg/m3,(25.10±4.20)kg/m3,(22.68±3.17)kg/m3和(17.10±2.77)kg/m3,比整个剖面有机碳密度高出76.53%,76.25%,21.68%和28.88%。不考虑其他因素,以空间尺度代替时间尺度,这一结果说明矮嵩草草甸的退化导致土壤逐渐释放有机碳,其作为储存碳的功能在减弱,必须加强对矮嵩草草甸生态系统的保护,以防止其碳库变为碳源。     

浙江天童土地利用方式对土壤有机碳矿化的影响

以浙江天童地区的栲树群落为参照,选择了木荷林、灌丛、马尾松林、杉木林、金钱松林、竹林、茶园和裸地等土地利用类型,测定了土壤有机碳含量,以及在25 ℃和60%饱和含水量条件下培养33 d的有机碳矿化速率.结果表明:土壤有机碳含量与矿化速率均以常绿阔叶林最高,针叶林、竹林和茶园次之,裸地最低;相反,土壤有机碳矿化释放的CO2-C比例以栲树林最低.可见,常绿阔叶林土壤的固碳能力高于其它类型,常绿阔叶林被改为其它类型后,土壤有机碳含量和矿化速率显著下降.     

易分解有机碳输入量对武夷山不同林型土壤激发效应的影响

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳储量库,其微小的变化也能使大气中CO₂浓度发生巨大的改变,植物来源碳的输入能通过激发效应促进或抑制土壤有机碳(SOC)的分解,对SOC的动态平衡产生影响。以武夷山三个林型(阔叶林、马尾松林、针阔混交林)土壤为研究对象,通过向土壤中添加不同量的¹³C标记葡萄糖(0、100、200、400 mg C/kg)研究易分解有机碳输入量对不同林型土壤激发效应的影响,并在此基础上探讨易分解有机碳输入量对土壤激发效应影响的作用机理。结果表明,葡萄糖输入对土壤激发效应的影响与葡萄糖输入量和林型有关。葡萄糖的输入均抑制了三个林型SOC的分解(即,呈现负的激发效应)。阔叶林土壤和针阔混交林土壤激效应强度随着葡萄糖输入量的增加而增加,而马尾松林土壤的激发效应强度对葡萄糖输入量的响应并不明显。然而在马尾松林土壤中由葡萄糖所引起的激发效应强度显著高于其他两种林型土壤。研究结果表明,易分解有机碳的输入可以抑制SOC的矿化,形成负激发效应,阔叶林土壤的激发效应强度与土壤可利用氮、葡萄糖添加量与微生物碳量比值有关,而针阔混交林与马尾松林土壤...     

Shifts in priming partly explain impacts of long‐term nitrogen input in different chemical forms on soil organic carbon storage

Input of labile organic carbon can enhance decomposition of extant soil organic carbon (SOC) through priming. We hypothesized that long‐term nitrogen (N) input in different chemical forms alters SOC pools by altering priming effects associated with N‐mediated changes in plants and soil microbes. The hypothesis was tested by integrating field experimental data of plants, soil microbes and two incubation experiments with soils that had experienced 10 years of N enrichment with three chemical forms (ammonium, nitrate and both ammonium and nitrate) in an alpine meadow on the Tibetan Plateau. Incubations with glucose–¹³C addition at three rates were used to quantify effects of exogenous organic carbon input on the priming of SOC. Incubations with microbial inocula extracted from soils that had experienced different long‐term N treatments were conducted to detect effects of N‐mediated changes in soil microbes on priming effects. We found strong evidence and a mechanistic explanation for alteration of SOC pools following 10 years of N enrichment with different chemical forms. We detected significant negative priming effects both in soils collected from ammonium‐addition plots and in sterilized soils inoculated with soil microbes extracted from ammonium‐addition plots. In contrast, significant positive priming effects were found both in soils collected from nitrate‐addition plots and in sterilized soils inoculated with soil microbes extracted from nitrate‐addition plots. Meanwhile, the abundance and richness of graminoids were higher and the abundance of soil microbes was lower in ammonium‐addition than in nitrate‐addition plots. Our findings provide evidence that shifts toward higher graminoid abundance and changes in soil microbial abundance mediated by N chemical forms are key drivers for priming effects and SOC pool changes, thereby linking human interference with the N cycle to climate change.     

温度、水分对湿地土壤有机碳矿化的影响

采用密闭培养法,研究了小叶章(Deyeuxia angustifolia)湿地土壤有机碳的矿化动态,探讨了温度和水分条件对有机碳矿化的影响.结果表明:湿地土壤有机碳在培养初期(0～2 d)矿化速率较高,之后矿化速率逐渐降低;33 d培养期间,表层(0～10 cm)土壤的总矿化量为1.59～2.62 mg C·g-1,为下层(10～100 cm)的4～22倍;温度升高10℃使总矿化量分别增加60%～210%(75%WHC)和30%～200%(淹水);一级动力学方程能较好地描述湿地土壤有机碳矿化动态,其C0值随土壤深度呈指数递减变化,且C0和C0/SOC值均随温度的升高而升高;不同深度土壤Q10值分别变化为1.7～3.1(75% WHC)和1.2～3.0(淹水),且与土壤深度之间存在明显的二次抛物线相关;土壤深度、培养温度对湿地土壤有机碳矿化具有显著影响,而水分处理对有机碳矿化的影响不显著.     

杉木凋落物对土壤有机碳分解及微生物生物量碳的影响

利用¹³C稳定同位素示踪技术,研究了杉木凋落物对杉木人工林表层(0～5 cm)和深层(40～45 cm)土壤有机碳分解、微生物生物量碳和可溶性碳动态的影响.结果表明: 杉木人工林中深层土壤有机碳分解速率显著低于表层土壤,但其激发效应却显著高于表层土壤.杉木凋落物添加使土壤总微生物生物量碳和源于原有土壤的微生物生物量碳均显著增加,但对土壤可溶性碳没有显著影响.深层土壤被翻到林地表层,可能加速杉木人工林土壤中碳的损失.     

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。