基于CENTURY模型模拟火烧对大兴安岭兴安落叶松林碳动态的影响

火作为森林生态系统重要的自然干扰因子之一,对森林的碳动态有着不可忽视的影响.本研究使用CENTURY模型模拟了大兴安岭呼中林区兴安落叶松林的碳收支对不同强度火烧的响应.结果表明:在不同强度火烧后,土壤总碳库呈先升后降再逐渐恢复的变化趋势,而林分生物碳库则先降后升,其中,林分细小组分碳库的恢复速度明显快于大组分,各碳库的波动程度随火烧强度的增大而增大.森林植被的净初级生产力(NPP)和土壤异养呼吸在火后均先降后升,但NPP的恢复快于土壤异养呼吸,二者的动态变化改变了林分的碳源/汇作用.轻微火烧后,兴安落叶松林仍表现为弱碳汇,并很快恢复到火前水平;其他强度的火烧使兴安落叶松林在短期内(9～12年)表现为碳源,随后逐渐转为碳汇.较低强度的林火不仅可以促进落叶松林的更新、减少死可燃物,也不会对林分的碳汇功能造成太大影响;高强度的严重林火对土壤和林木碳库造成严重损失,延缓森林的恢复,并可使林分表现为较长时间的碳源.     

基于CENTURY模型的甘南高寒草甸过去50年的碳收支时空分布分析

化石燃料的燃烧和土地的过度使用等人类活动使得空气中的温室气体浓度不断增加,进一步加剧了气候变化,已成为人类不得不面对和解决的问题。甘南高寒草甸对气候变化十分敏感,对陆地生态系统而言,发挥着重要的作用。以甘南高寒草甸为研究对象,选用CENTURY模型研究了甘南高寒草甸过去50年碳收支的空间分布及其变化对改善气候变化具有重要意义。研究表明:(1)不同地区的碳收支呈现出不同的分布特征;(2)碳收支的空间分布随时间变化而变化,具体表现为各研究阶段碳收支的空间分布不同且各季度的空间分布也不相同。春季甘南北部局部地区呈现碳源,夏、秋、冬三季度均表现为碳汇,秋季碳汇量最大,达到226.94 g·m^-2·a^-1。碳收支的空间分布会随时间变化,各阶段有所不同,但整体上都呈现为碳汇;(3)从1969年到2018年,甘南高寒草甸整体上呈现碳汇现象,碳收支状况良好;(4)在每年中,碳汇量呈现出先增大后减小的趋势, 8月的碳汇量最大。     

天山北麓新人工绿洲扩张过程中的碳库格局变化与碳库迁移

基于地面调查数据、气象数据和遥感数据分析了40年来天山北麓新人工绿洲迅速扩张对区域植被和土壤的碳库格局、碳库迁移及碳储量的影响,结果如下:1976-2016年,研究区农田面积占比从3.25%增加到40%以上,沼泽消失,水库干涸,灌丛大幅减少,土壤盐碱化过程停止,裸盐碱地面积40年里减少近70%,新生草地在裸盐碱地上形成;2016年6月植被有效碳储量约为0.122Tg,比1976年下降了15.7%,成为一个弱的碳源;土壤碳库在干旱地区陆地生态系统碳库中占绝对主导地位,1976年研究区(0-60cm)的土壤有机碳储量为7.814Tg,其中耕地仅占4.2%,1996年土壤有机碳储量比1976年减少12.4%,呈明显碳源特征,到2016年,耕地土壤有机碳储量占比超过50%,总碳储量与1996年相比微降1.2%,土壤碳库重新趋于稳定。其中,裸盐碱地土壤碳库在向耕地、灌丛地、草地土壤碳库的迁移过程中贡献了1.265Tg的碳储量增量,草地土壤碳库在向耕地、灌丛地碳库的迁移过程中贡献了0.894Tg的碳储量增量;若维持现有耕地规模不再进行新的垦荒活动,40a垦荒造成的土壤碳库损失可以逐渐恢复并重新形成碳汇效应。     

基于土地利用/覆被变化的荒漠绿洲碳储量动态评估

以典型的荒漠绿洲区为研究对象,基于不同时期土地利用/覆被类型图,运用Bookkeeping模型,结合土壤、植被碳密度基础资料及调查数据,评估了近30年临泽绿洲土地利用/覆被变化特征及其对碳储量的影响。结果表明:(1)临泽荒漠绿洲区的土地利用/覆被变化特征主要表现为:居民及建设用地、耕地、林地呈增加趋势,增幅分别为90.2%、75%、46.5%;盐碱地、水体、沙地、荒漠草地则呈减少趋势,减幅分别为73.9%、67.8%、46.2%、5.5%。(2) 30 a耕地面积增加了269.38 km~2,其中耕地开垦面积为372.57 km~2,开垦主要来源于盐碱地、荒漠草地和沙地,分别占耕地开垦面积的24.7%、24.4%和21.05%。耕地转变为其他土地覆被类型的面积为103.19 km~2,转变后的主要去向分别是居民及建设用地、盐碱地和荒漠草地,分别占耕地转变为其他土地覆被类型面积的32.78%、17.8%和15.37%。(3)土地利用/覆被变化导致总碳储量增加5.89×10~5t,其中土壤碳储量增加量为4.02×10~5t,植被碳储量增加量为1.86×10~5t;耕地变化使碳储量增加4.91×10~5t,其中使碳储量增加的转变分别是荒漠草地-耕地、沙地-耕地、盐碱地-耕地、耕地-林地,相反的转变则使碳储量减少。总体来看,临泽荒漠绿洲土地利用/覆被面积和结构均发生了变化,耕地开垦为最主要的土地利用/覆被变化,土地利用/覆被变化导致碳储量总体呈增加趋势,耕地变化是影响碳储量变化的主要因素。     

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.     

人工油松林恢复过程中土壤理化性质及有机碳含量的变化特征

采用时空替代法,选取岷江上游大沟流域内不同恢复时期(12、18、25、35a)的人工油松林为研究对象,研究了植被恢复过程中土壤理化性质及有机碳含量的变化特征,同时探讨了它们之间的相互关系.研究结果表明沿恢复梯度,土壤质量得到了改善,主要表现为土壤粘粒含量、比表面积、有机质含量显著增加,土壤粉粒含量和pH值则显著下降.土壤有机质与土壤粘粒和比表面积呈显著正相关,与土壤容重呈显著负相关.此外,土壤有机碳含量沿恢复梯度显著增加,0-50 cm内土壤有机碳含量从5.59 kg/m2增加到12.64 kg/m2,土壤年平均固碳速率为0.31 kg/m2.     

接种蚯蚓对秸秆还田土壤碳、氮动态和作物产量的影响

通过为期 2年的小区 (2 .8m× 1.0m)试验 ,研究了旱作水稻 小麦轮作条件下接种蚯蚓对施用玉米秸秆 (第一季用量 15 0 0g·m-2 ,以后各季为 75 0g·m-2 )农田土壤碳、氮动态和作物产量的影响 .结果表明 ,接种 10条·m-2 或 2 0条·m-2 环毛蚓 (Pheretimasp .)对土壤有机碳和全氮含量无显著影响 ,蚯蚓活动未造成土壤C库的衰减 ,土壤碳、氮基本维持平衡 .接种蚯蚓处理土壤N的矿化作用增强 ,矿质N含量提高 ,NO3 - N含量增加 ,而且稻季比麦季增加更为明显 .接种蚯蚓在稻、麦季均能提高微生物量碳、氮含量 ,蚯蚓具有扩大土壤微生物量N库和促进有机N矿化的双重作用 .这种作用在有效C源供应丰富的作物生长发育旺盛期更为明显 .接种蚯蚓对旱作水稻和小麦有一定的增产作用 ,其中水稻的增产幅度达 9.3% ,小麦为 5 .1% .接种蚯蚓后土壤容重明显降低 ,孔隙度显著增加 .蚯蚓在保持土壤C库平衡的同时 ,对于促进秸秆有机肥N素养分的再循环和作物生产力的提高具有重要的生态学意义 .     

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．     

气候变化对陆地生态系统土壤有机碳储量变化的影响

通过研究气候变化对土壤有机碳储藏的影响,对预测未来气候变化下土壤有机碳动态变化与深入理解陆地生态系统变化和气候变化之间的相互作用有着极其重要的意义。本文归纳了土壤类型法、模型模拟法等途径对土壤有机碳储量估算的结果并分析它们各自的不确定性,综述了气候变化对土壤碳贮藏影响机理的研究与相应过程模拟的模型研究进展,并综合分析了当前研究中还存在的问题与不足。     

不同水旱复种轮作方式对稻田土壤有机碳及其组分的影响

通过连续2年的田间试验,研究不同水旱复种轮作方式对土壤有机碳及其组分的影响.结果表明: 稻田2年水旱复种轮作后的土壤总有机碳(TOC)呈现先升高后下降的趋势,易氧化有机碳(ROC)分蘖期最高、成熟期最低,土壤微生物生物量碳(SMBC)在分蘖期最高,可溶性有机碳(DOC)则在成熟期达到最高.土壤TOC的差异变化最大值和最小值分别出现在孕穗期和成熟期,ROC出现在返青期和孕穗期,DOC出现在成熟期和返青期,SMBC出现在分蘖期和返青期.“冬闲-早稻-晚稻→冬闲-早稻-晚稻”的土壤TOC、DOC变化幅度最大,“紫云英-早稻-晚稻→油菜-花生-晚稻”的土壤ROC变化幅度最大,“蔬菜-花生/玉米-晚稻→紫云英-早稻-晚稻”模式的SMBC变化幅度最大.“马铃薯-玉米/大豆-晚稻→蔬菜-花生/玉米-晚稻”在孕穗期的TOC含量较高;“紫云英-早稻-晚稻→油菜-花生-晚稻”能在晚稻生长的前期和中期积累较多的土壤ROC;“油菜-花生-晚稻→马铃薯-玉米/大豆-晚稻”在返青期和成熟期的土壤DOC含量较高,在孕穗期和抽穗期的SMBC较高.土壤各有机碳及其组分的大小关系为:TOC>ROC>SMBC>DOC.可见在当地土壤肥力条件下,水旱复种轮作方式能提高土壤有机碳及其组分的含量,有利于改善土壤质量,提高土壤肥力.     

Daycent模型模拟不同农作管理措施下华北地区土壤有机碳的变化

基于华北地区3个长期定位试验站点（河南郑州、山东禹城和河北曲周）的试验数据,用站点实测作物产量和土壤有机碳（SOC）双标准对Daycent模型进行校验和验证.结果表明： 模型参数组合对作物产量和SOC的长期变化动态拟合效果良好,表明Daycent模型可较好地模拟作物产量和SOC的动态变化.用校验和验证了的模型对3个站点在气候情景RCP 4.5下4种不同管理措施（单施化肥NPK、化肥+有机肥MNPK、秸秆还田SNPK、免耕+秸秆NT）下SOC的变化动态进行模拟.结果表明： 郑州站点NPK、MNPK、SNPK处理中,MNPK处理的SOC相对年平均增幅最高,2001—2050年间的SOC年增幅达1.7%,其次为SNPK处理（年均增幅为1.3%）和NPK处理（年均增幅为0.8%）,从长远角度看,增施有机肥对灌溉轻壤土有机碳的增加有明显效果.在禹城站点,研究期间,MNPK处理的SOC年均增幅（0.4%）高于NPK处理（0.3%）,由于该站点土壤有轻度盐化特征,因此各措施下SOC的增幅较低.在曲周站点,NT处理更有利于SOC的增加,研究期间的SOC年均增幅达1.3%,远高于SNPK处理（0.7%）和NPK处理（0.4%）.华北地区气温适宜、灌溉条件好、具备秸秆还田及免耕机械条件,免耕+秸秆还田是该地区增加SOC的较好农作管理措施.     

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。     

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.     

Soil organic carbon changes as influenced by agricultural land use and management: a case study in Yanhuai Basin, Beijing, China

The effects of agricultural land use and management practices on soil organic carbon (SOC) are of great concern. In this study, SOC changes were investigated in sandy loam soils (Ustochrepts, USDA Soil Taxonomy) under orchard, vegetable, corn (Zea maize L.), and soybean (Glycine max L.) cultivation in northern China. The corn fields were further classified into three categories based on their inputs, i.e. high-input, mid-input, and low-input corn fields. In April 2005, a total of 197 soil samples were collected from 42 soil sites within 100 cm soil depth in Yanhuai Basin, Beijing, China. SOC contents were determined using rapid dichromate oxidation, and ANOVA statistical analysis was used to test the significances between land use and management practices at p<0.05. The results showed that: (1) the effects of land use and management practices on SOC primarily occurred within the topsoil (0–25 cm), and the SOC contents sharply decreased with the increase in soil depth. (2) SOC content and density values of orchard, vegetable, and high-input corn fields were higher than those of soybean, mid- and low-input corn fields.     

Soil organic carbon changes as influenced by agricultural land use and management: a case study in Yanhuai Basin, Beijing, China

The effects of agricultural land use and management practices on soil organic carbon (SOC) are of great concern. In this study, SOC changes were investigated in sandy loam soils (Ustochrepts, USDA Soil Taxonomy) under orchard, vegetable, corn (Zea maize L.), and soybean (Glycine max L.) cultivation in northern China. The corn fields were further classified into three categories based on their inputs, i.e. high-input, mid-input, and low-input corn fields. In April 2005, a total of 197 soil samples were collected from 42 soil sites within 100 cm soil depth in Yanhuai Basin, Beijing, China. SOC contents were determined using rapid dichromate oxidation, and ANOVA statistical analysis was used to test the significances between land use and management practices at p<0.05. The results showed that: (1) the effects of land use and management practices on SOC primarily occurred within the topsoil (0–25 cm), and the SOC contents sharply decreased with the increase in soil depth. (2) SOC content and density values of orchard, vegetable, and high-input corn fields were higher than those of soybean, mid- and low-input corn fields.     

南亚热带森林土壤碳库稳定性与碳库管理指数对模拟酸雨的响应

通过对土壤总有机碳(SOC)、易氧化有机碳(ROC_(333)、ROC_(167)、ROC_(33))、颗粒有机碳(POC)、微生物量碳(SMBC)、溶解性有机碳(DOC)的测定,探讨模拟酸雨(pH 3.0、pH 3.5、pH 4.0、对照CK)对鼎湖山三个不同演替阶段森林(季风常绿阔叶林、针阔混交林、马尾松针叶林)土壤碳库稳定性及碳库管理指数的影响。结果表明:模拟酸雨增加了总有机碳的含量和各组分活性有机碳的含量(P0.05),但酸雨在一定程度上抑制了土壤中微生物量与活性。土壤中各组分活性有机碳与总有机碳呈显著相关,其中ROC_(333)和POC的含量与SOC关系最为密切,相关系数分别为0.853、0.846;碳库管理指数(CMI)结果表明,碳库活度(L)及碳库活度指数(LI)随森林的正向演替有下降的趋势,CPI与CMI呈现相反的趋势。在土壤有机碳及部分活性碳组分增加,碳库活性降低的前提下,土壤碳库稳定性增加。从各项指标的变化幅度可以得出:南亚热带森林土壤随森林群落正向演替而对模拟酸雨响应有更加敏感的趋势,各指标间的敏感性表现为CMIR_(333)POCSMBCR_(167)R_(33)LIDOCCPISOC。     

Simulation of management and soil interactions impacting SOC dynamics in sugarcane using the CENTURY Model

Newer methods of management and harvesting of sugarcane are being considered to improve soil and water conservation in Brazil. Our aim in this study was to evaluate soil C dynamics under sugarcane cultivation as influenced by the use of conservation management, using measurements from four different management systems and land use histories, i.e. conventional management with preharvest burning, no burning with residue retention and two systems without burning plus additional organic amendments. Field sites also differed in terms of soil texture. We compared field measurements of soil C stocks, ¹³C and microbial biomass with simulated results from the Century ecosystem model for each of the sites and management histories. We also did long-term simulations of the management treatments and sites to approximate steady-state SOC levels, to explore potential management-induced differences in SOC stocks and interactions with soil texture. The model accurately represented treatment and site differences for total SOC stocks, in which SOC stocks were strongly affected by both rates of organic matter input to soil and soil clay content. However, the model tended to underestimate the relative contribution of sugarcane-derived C to total SOC for sites with high residue and external organic matter amendments. Measured microbial biomass C across the sites was closely aligned with relative amounts of organic matter input but did not appear to be strongly affected by soil texture, whereas the model predicted that both texture and organic matter input rate would impact microbial biomass C. Long-term simulations of the conservation management alternatives suggested that SOC stocks could be maintained at or above levels in the original native Cerradão vegetation, whereas conventional practices using residue burning would result in a reduction of SOC to ca. 60% of native levels. Our results support the use of the CENTURY model as an aid to assess the impacts of different soil management practices on SOC stocks under sugarcane in Brazil.     

滇南喀斯特断陷盆地土地利用方式对土壤有机碳及其活性组分的影响

土地利用方式是影响土壤有机碳库的重要因素,为探究喀斯特断陷盆地土壤有机碳库对土地利用方式及环境因素的响应,以滇南喀斯特地区5种典型土地利用方式(耕地、草地、灌丛、人工林、天然林)为研究对象,分析不同土地利用方式土壤有机碳(SOC)及活性有机碳(LOC)组分,即可溶性有机碳(DOC)、易氧化性有机碳(EOC)及微生物量碳(MBC)的含量、储量及分配比例在土壤垂直剖面(0-60 cm)的变化特征。结果表明：5种土地利用方式的SOC含量随土层深度的增加逐渐降低,其储量依次为灌丛(191.77 t/hm²)、草地(166.86 t/hm²)、耕地(142.47 t/hm²)、人工林(134.31 t/hm²)和天然林(102.62 t/hm²);EOC和MBC的平均含量及储量均以草地及灌丛最高、人工林及天然林次之,二者在土壤垂直剖面上与SOC含量的变化特征一致,但EOC和MBC含量在土层间的下降幅度大于SOC;土地利用方式和土层深度对DOC无显著影响(P>0.05);活性有机碳的分配比例受土地利用方式及土层深度的显著影响(P<0.01),其中人工林的EOC/SOC和MBC/SOC显著低于草地、灌丛及天然林。通径分析指出SOC和EOC主要受C/P比、全磷、砂粒和交换性钙的影响,砂粒和C/P比是影响MBC的主要因子。研究阐明在喀斯特断陷盆地地区EOC和MBC对土地利用方式的响应比SOC更敏感。另外,今后在土壤碳库的研究中应更多关注土壤磷和物理结构对其的影响。     

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.