不同利用方式下土壤矿物结合态有机碳特征与容量分析

【目的】土壤矿物结合态有机碳是土壤有机碳固持的重要机制之一。探讨不同利用方式下土壤有机碳及矿物结合态有机碳(<53μm)的含量、分配比例及其差异性特征,对于深刻认识土壤碳的固持状态、固碳潜力及其可持续管理均具有重要意义。【方法】通过从中国知网、万方、Science Direct和Springer link等4个文献数据库,设定检索条件"2000—2014年"、"中国土壤有机碳"和"<53μm团聚体分组"3个关键词,筛选出已发表的111篇目标文献,收集901组土壤有机碳和矿物结合态有机碳含量与比例的相关数据集。其中,土地利用方式分为4类:农田(n=580)、草地(n=98)、林地(n=193)和其他(果园、茶园等,n=31)。农田包括黑土、水稻土、棕壤、潮土、红壤和灰漠土等六大土壤类型。不同利用方式及土壤类型中有机碳含量与分配比例的差异性均采用Kruskal-Wallis H单向显著性检验。【结果】不同利用方式下土壤总有机碳和矿物结合态有机碳含量的中值均存在显著差异(P<0.05)。其中,林地土壤总有机碳含量的中值为18.2 g·kg-1,显著高于草地(12.0 g·kg-1)和农田(10.3 g·kg-1);且林地矿物结合态有机碳含量(12.0 g·kg-1 soil)也显著高于农田和草地(8.0—7.6 g·kg-1soil)。3种利用方式下土壤矿物结合态有机碳与总有机碳之间均呈现极显著的正相关关系(P<0.001),农田土壤矿物结合态有机碳所占比例的中值为74.8%,显著高于林地(70.3%)和草地(67.8%)。农田中不同土壤类型的矿物结合态有机碳占总有机碳的比例也存在显著差异。其中,黑土中矿物结合态有机碳的比例最高,中值为87.4%,其次是水稻土(76.7%)和红壤(74.0%),而灰漠土最低(62.5%)。相关分析表明,土壤有机碳水平相对较高的黑土、水稻土和棕壤,矿物结合态有机碳分配比例随着土壤有机碳含量的增加而显著降低(P<0.05)。农田、草地和林地中土壤矿物结合态有机碳含量与土壤细颗粒(<53μm)含量均呈极显著的正相关关系,与Six等(2002)的估算结果相比,其饱和程度分别为68.4%、58.7%和91.5%。【结论】农田和草地中,土壤矿物结合态有机碳还未达到饱和,仍有一定的提升空间,土壤细颗粒(<53μm)仍具有一定的固碳潜力。

不同坡位柑橘园土壤团聚体矿物结合态有机碳矿化特征

矿物结合态有机碳(MAOC)是土壤有机碳(SOC)的主要组成部分,其矿化特性对土壤固碳和全球气候变化具有重要影响。坡位作为重要的地形因子,显著影响有机碳与土壤矿物的相互作用及稳定性。然而,目前关于不同坡位土壤MAOC矿化特征尚不清楚。本研究以南方丘陵区典型柑橘园土壤为研究对象,通过室内培养探究了不同坡位(坡上、坡中和坡下)柑橘园土壤团聚体MAOC的矿化特征,分析了土壤理化因子和疏水性对MAOC矿化的影响。结果表明:坡下柑橘园土壤MAOC的累积矿化量(C_(t))、矿化速率和潜在可矿化量(C_(o))均明显高于坡上和坡中,但坡下土壤C_(o)/MAOC的比值明显低于坡上和坡中。随着团聚体粒径的减小,各坡位柑橘园土壤MAOC的C_(t)、矿化速率和C_(o)均呈上升的变化趋势,而MAOC的矿化强度逐渐减弱。冗余分析(RDA)表明,MAOC潜在可矿化量(C_(o))与pH、SOC、MAOC、TN和C/N呈显著正相关(P<0.05),与铁铝氧化物(Fed/Ald、Feo/Alo和Fep/Alp)和疏水性呈显著负相关(P<0.05)。C_(o)/MAOC与铁铝氧化物和MAOC疏水性呈显著正相关,而与C_(o)、C_(t)、pH、SOC、MAOC、TN和C/N呈显著负相关。层次分割分析表明,Alo、Alp和Fep是影响MAOC矿化的重要因子。变差分解分析表明,Alo、Alp、Fep、C/N、MAOC和Feo的共同作用显著影响不同坡位团聚体中MAOC的矿化。研究结果对深入认识南方丘陵区不同坡位柑橘园土壤团聚体中矿物结合态有机碳形成机制、稳定特性以及提高土壤固碳具有重要意义。

微生物驱动土壤矿物结合态有机碳的形成

矿物结合态有机碳(mineral-associated organic carbon,MAOC)是土壤中重要的稳定态有机碳,其含量和动态决定着土壤碳库组成和容量,显著影响全球气候格局.植物和微生物是MAOC形成的两个主要途径,其来源和贡献一直存在很大的争议,特别是在不同生态系统中,植物和微生物对MAOC形成的相对贡献和控制因素可能存在较大的不确定性,对这些问题认知的不足阻碍了土壤可持续管理战略的实施.本研究选取中国区域尺度的旱地(n=24)、水田(n=19)和林地(n=21)表层土壤(0~20 cm),基于矿物结合态有机质(mineral-associated organic matter,MAOM)中的氨基糖和木质素酚的分析,揭示了MAOC中微生物和植物源的贡献及其驱动因子.结果显示,在旱地、水田和林地土壤MAOC中,植物来源碳分别贡献了44.5%、50.1%和49.3%,微生物残体碳分别贡献了44.2%、40.4%和41.0%,其中真菌氨基葡萄糖/细菌胞壁酸比相似(10.6、10.0和11.5,P>0.05).这些结果表明,微生物残体碳在MAOC中具有相似的稳定性,矿物结合改变了土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)的组成,可以在很大程度上抵抗土地利用变化对SOC分解的影响.在所有生态系统中,MAOC的形成主要由微生物活动调控.与旱地生态系统相比,水田的环境胁迫导致微生物分解能力受到限制,林地中较高的植物输入量因微生物分解能力有限使植物残留相对富集,土壤稳定碳库以植物源碳为主.高黏粉粒含量和高年平均温度(mean annual temperature,MAT)有利于MAOC中植物源碳的相对富集,而低土壤p H和低MAT使微生物源碳的贡献增加.研究结果对于调整和完善农业土壤管理策略,增加土壤碳储量及减少碳排放,实现土壤碳中和目标具有重要意义.

岩溶山地不同土地利用方式土壤颗粒有机碳和矿物结合态有机碳的分布特征

对重庆中梁山岩溶山地不同土地利用方式下0—40cm土壤颗粒有机碳和矿物结合态有机碳的含量和分布特征进行了研究。结果表明:不同土地利用方式土壤有机碳含量平均值表现为:林地>菜地>草地>橘园地>弃耕地。除橘园地外,其它各土地利用类型土壤细颗粒有机碳(FPOC)含量大于粗颗粒有机碳(CPOC)。不同利用方式土壤颗粒有机碳含量在剖面层次中表现不同。0—20cm表层土壤CPOC含量表现为:橘园地>草地>菜地>林地>弃耕地,差异较大。土壤FPOC含量表现为:林地>草地>菜地>橘园地>弃耕地;20—40cm土壤CPOC和FPOC最高值出现在菜地,最低值出现在弃耕地。不同土地利用方式土壤矿物结合态有机碳(MOC)含量和土壤有机碳含量分布特征一致。除橘园地外土壤各组分有机碳分配比例大致表现为:MOC/SOC>CPOC/SOC>FPOC/SOC。相关分析表明,不同土地利用方式土壤SOC和POC呈正相关,相关性不一致。林地和草地呈极显著相关(P<0.01),弃耕地呈显著相关(P<0.05),菜地和橘园地相关性不显著。表明人为干扰和耕作措施会影响POC对SOC的贡献。

接种蚯蚓和腐解菌对秸秆腐解及土壤矿物结合有机碳形成的影响

为了探究接种蚯蚓和腐解菌对秸秆分解及土壤矿物结合有机碳形成的影响,本研究以商品腐解菌和赤子爱胜蚓为接种物,分别设置仅添加秸秆(CK)、添加秸秆并接种腐解菌(SM)、添加秸秆并接种赤子爱胜蚓(SE)和添加秸秆并同时接种腐解菌和赤子爱胜蚓(SME)的试验处理,探讨腐解菌和蚯蚓的交互作用对土壤温室气体排放、细菌和真菌丰度、团聚体结构、金属离子含量、颗粒有机碳含量及矿物结合有机碳含量的影响及潜在机制。结果表明:(1)与CK相比,SE和SME处理显著增加了秸秆的腐解率;(2)与CK相比,SE和SME处理显著促进了土壤CO_(2)和N_(2)O的排放;SE和SM处理显著增加了土壤细菌的丰度,但是各处理间土壤真菌丰度无显著差异;(3)与CK相比,SE和SME处理显著增加了土壤中可提取钙镁含量,但是各处理间的非晶型铁铝含量和团聚体结构无显著差异;(4)与CK相比,SE和SME处理显著增加了土壤矿物结合有机碳和钙镁结合碳的含量,但是各处理间颗粒有机碳、铁铝结合碳的含量无显著差异;(5)线性回归分析结果表明,土壤钙镁结合碳含量与土壤可提取钙镁含量显著正相关,土壤矿物结合有机碳含量与细菌基因拷贝数呈正相关。综上所述,蚯蚓主导了秸秆的腐解和矿物结合有机碳的形成,蚯蚓和腐解菌的交互作用没有进一步促进秸秆腐解转化为土壤矿物结合有机碳。

耕作年限对棉田土壤颗粒及矿物结合态有机碳的影响

研究耕作年限对棉田土壤颗粒及矿物结合态有机碳的影响。以相应荒地为对照,选取南北疆兰州湾、31团和普惠农场3个典型绿洲不同耕作年限土壤为研究对象,应用物理分组方法研究颗粒及矿物结合态有机碳的变化规律。结果表明:耕作有利于棉田土壤总有机碳的积累,耕作(0～5年)总有机碳增加迅速,年均增加在0.65g/kg以上;颗粒有机物、有机碳和颗粒有机碳的分配比例在耕作0～10年间增加,较荒地分别增加50.12%,263.64%,79.79%,10年后下降。矿物结合态有机碳含量则随耕作年限的延长递增,矿物结合态有机物含量变化趋势与颗粒有机物相反。土壤有机碳在耕作1～10年增加,有利于土壤质量的提高,是荒漠区土壤碳汇,是合理的耕作年限。

施用猪粪生物炭对酸性和石灰性水稻土颗粒态和矿物结合态有机碳含量及化学结构的影响

[目的]土壤颗粒态有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MAOC)是土壤有机碳库的主要组成,了解施用生物炭对其含量变化及其在土壤总有机碳中的占比和化学组成特征,对认识土壤有机碳动态变化具有重要意义。[方法]于2019年,分别在杭州市富阳区的酸性和石灰性水稻土上进行猪粪生物炭施用量和方法定位试验,种植制度为单季水稻。试验设置6个处理:常规施化肥(NPK),NPK基础上施用猪粪4.5 t/(hm^(2)·a)(SM),NPK基础上施用猪粪生物炭4.5 t/(hm^(2)·a)(SBc1)、11.25 t/(hm^(2)·a)(SBc2)、22.5 t/(hm^(2)·a)(SBc3),以及猪粪生物炭一次性施用112.5 t/hm^(2)(SBc4)。2021年(第3年)水稻收获后,采集0-20 cm耕层土壤样品,分析其基本理化性质,并将土壤样品分为250~2000μm(粗颗粒态有机物),53~250μm(细颗粒态有机物)和<53μm(矿物结合态有机物)3个粒级,分析各粒级土壤中有机碳含量以及占比,并采用傅里叶红外光谱仪分析了各粒级土壤有机碳的特征光谱,以特征光谱峰值半定量性的评估了有机碳组成的变化。[结果]与SM处理相比,酸性水稻土中SBc3、SBc4处理土壤有机碳含量分别显著增加了49.4%和103.3%,石灰性水稻土中土壤有机碳含量分别增加了42.2%和53.0%。与SM处理相比,4个猪粪生物炭处理显著增加了酸性水稻土粗颗粒态有机碳(C-POC)含量137.8%~554.1%,细颗粒态有机碳(F-POC)含量37.6%~85.2%(P<0.05);SBc3和SBc4处理分别显著增加了石灰性水稻土中C-POC含量110.0%和203.0%,F-POC含量54.8%和96.0%(P<0.05);与SM处理相比,4个猪粪生物炭处理对两种水稻土MAOC含量的影响均不显著(P>0.05)。傅里叶红外光谱特征测定结果表明,施用猪粪和猪粪生物炭对两种水稻土各粒级中主要有机化合物的类型无显著影响,但会影响其比例,与NPK处理相比,SBc3和SBc4处理分别显著增加了酸性水稻土有机碳中芳香族化合物的比例19.5%和38.0%,降低了酚醇碳族化合物的比例7.8%和17.9%,显著降低了石灰性水稻土有机碳中芳香族化合物的比例21.0%和19.1%,增加了酚醇族化合物的比例19.1%和33.2%(P<0.05)。[结论]对于较高的猪粪生物炭施用量,不论一次性施用还是逐年施用均可显著增加水稻土总有机碳含量,且粗颗粒有机碳增加幅度大于细颗粒,而对矿物结合态有机碳含量无显著影响。施用猪粪生物炭对土壤有机碳主要组成有机化合物无显著影响,但会增加酸性水稻土有机碳的稳定性,而降低石灰性水稻土有机碳的稳定性。相同施用量下,猪粪生物炭提高酸性水稻土有机碳含量的作用高于石灰性水稻土。本试验结果可为猪粪生物炭在农田的科学应用提供技术支撑和理论依据。

植物多样性对青藏高原东北部高寒草甸土壤有机碳的影响

植物多样性显著影响生态系统的结构和功能,对土壤有机碳固存起至关重要作用。以往植物多样性对土壤有机碳的影响多在人工控制植物多样性条件下进行,表明高植物多样性显著促进土壤有机碳积累。而在自然草地生态系统中,植物多样性对土壤有机碳影响的研究相对薄弱。本研究选取了青藏高原东北部15个典型高寒草甸作为研究样地,通过测定植物地上及地下生物量、土壤pH值、土壤微生物量碳氮、土壤有机碳、颗粒有机碳及矿物结合态有机碳、全氮及全磷等,旨在探究自然条件下植物多样性对土壤有机碳固存的影响,为土壤碳储量的变化及草地的科学管理提供理论依据。结果表明,植物多样性显著提高了植物盖度和地上生物量(P<0.01),而对不同土层(0~20 cm和20~40 cm)地下生物量无显著影响;在0~20 cm和20~40 cm土层中,植物多样性的增加显著提高了土壤微生物量碳和有机碳含量(P<0.05),而对不同土层微生物量氮无影响;通过对土壤有机碳分组发现植物多样性和土壤矿物结合态有机碳含量呈显著正相关(P<0.01),而和土壤颗粒有机碳含量无相关性。综上,在青藏高原高寒草甸,自然条件下较高的植物多样性对土壤有机碳含量有显著促进效果,这种促进效果主要表现在矿物结合态有机碳含量的增加。本研究为草地生态系统植物多样性与土壤碳库间的相互关系提供新见解及理论基础。

黄土高原生物土壤结皮发育过程中颗粒态和矿物结合态有机碳变化特征

土壤颗粒态有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MAOC)是重要的土壤碳库,其比例的变化决定土壤有机碳的周转速率及稳定性。探讨沙地生物土壤结皮发育过程中颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳的含量、分配比例和差异性特征,对于深刻认识初始土壤形成过程中有机碳库形成、稳定机制具有重要意义。选择神木市六道沟流域生物土壤结皮4个发育阶段(藻结皮、藻结皮+少量藓结皮、藓结皮+少量藻结皮、藓结皮)为研究对象,裸沙作为对照,研究生物结皮层及结皮层下层0—2 cm,2—10 cm,10—20 cm土层土壤颗粒态和矿物结合态有机碳的变化特征。结果表明:(1)在BSCs土层,POC的增加速率大于MAOC,MAOC处于饱和状态;(2)在BSCs和0—2 cm土层,以微生物源有机碳为主导的MAOC主要贡献有机碳积累,在2—10 cm和10—20 cm土层,以植物源有机碳为主导的POC主要贡献有机碳积累;(3)POC和MAOC含量随土层增加而降低,随着生物土壤结皮发育而增加;(4)POC和MAOC与SOC均有显著的正相关关系,表明结皮定殖和发育显著促进了土壤有机碳积累。这些结果表明生物土壤结皮的定殖和发育能够显著促进POC和MAOC增加进而贡献土壤有机碳的固存。在土壤早期发育过程中,MAOC对SOC的贡献占主导地位。然而由于沙土黏粒含量的缺乏导致MAOC趋于饱和时,SOC的增加或主要由POC的积累来实现。

长期施肥对水稻土颗粒有机碳和矿物结合态有机碳的影响

在23 a的田间定位试验区,研究了长期施肥对水稻土颗粒有机碳和矿物结合态有机碳的影响。结果表明,在不施肥(CK)、无机肥(NPK)、有机肥(猪粪+紫云英绿肥)(OM)和无机肥与有机肥配施(NPKM)处理中,A层游离态和闭蓄态颗粒有机物含量比P层高,随着土层的加深呈下降的趋势;而矿物态有机物呈相反的趋势。增施有机肥(NPKM,OM处理)有利于提高土壤中游离态和闭蓄态颗粒有机物及其有机碳的含量以及占土壤有机碳的比例。团聚体中颗粒有机物占土壤团聚体重量的比例及颗粒有机物的有机碳含量均随着团聚体粒径的减小而明显增加。增施有机肥显著提高了团聚体特别是微团聚体(<0.25mm)中颗粒有机物及其有机碳的含量。团聚体中颗粒有机物的有机碳含量显著高于容积土壤中颗粒有机物的有机碳含量。这些结果表明微团聚体对颗粒有机物具有富集和保护作用。

红松针阔混交林林隙土壤颗粒有机碳和矿物结合有机碳的时空异质性

在黑龙江省伊春市带岭区凉水国家自然保护区原始红松针阔混交林内，选择3个代表林隙作为试验样地，运用网格法布设采样点，在生长季（6-10月）对表层土壤（0～20 cm ）颗粒有机碳（ POC ）和矿物结合有机碳（ MOC）含量进行连续测定，采用经典统计学和地统计学相结合的方法，分析土壤 POC 和 MOC 的时空异质性。结果表明：土壤 POC和 MOC含量随月份变化显著，大体呈现出先升后降然后又明显升高的趋势，但 MOC 变化滞后于 POC；土壤 POC（ CV：50.5%～94.4%）和 MOC（ CV：31.5%～50.5%）含量均存在空间异质性，其变异均为中等程度变异；方差分析表明，月份对土壤 POC和 MOC含量均具有极显著影响（P ＜0.01），而林隙大小对前者影响极显著（P＜0.01），对后者影响不显著（P＞0.05）；结构比[C/（C0＋C）]表明，两者均具有强烈的空间自相关性，主要由结构性因素引起；土壤 POC和 MOC含量空间分布的等值线图显示，它们在研究尺度内呈斑块状或连续分布；POC在林隙中心或近中心位置含量较低，斑块状分布较明显，而 MOC 分布比 POC 均匀，且低值中心大多分布在林隙边缘； MOC的空间分布格局随月份的变化比 POC相对稳定。

土壤矿质结合态有机碳形成及稳定机制的研究进展

随着分子生物学的发展,微生物的作用改变了科学界对土壤有机碳(SOC)形成和固持的认知。土壤微生物残体与矿物结合形成矿质结合态有机碳(mineral-associated organic carbon,MAOC)加深了对SOC固存的理解。MAOC是以土壤微生物残体C为主的SOC组分,主要由分子量相对较低且可识别的微生物残体与矿物表面结合而成。由于MAOC对草地和农田生态系统土壤C库的贡献超过50%,且周转时间较长(百年—千年尺度),研究其形成过程和稳定机制已成为碳中和背景下土壤碳汇的焦点。现阶段的研究明确指出,MAOC的形成和稳定不仅与微生物残体C密切相关,还与土壤矿物有着非常紧密的联系。基于此,聚焦土壤微生物“碳泵”调控SOC形成这一前沿科学问题,围绕土壤微生物残体贡献MAOC形成这一科学构架进行概述,旨在揭示不同来源LMW—DC(溶解态低分子量C底物)对MAOC形成的贡献,探讨土壤矿物对LMW—DC选择性吸附机理,探究MAOC贡献稳定C库的影响因素。并对该研究领域未来的发展进行展望,以期能从分子水平出发,探究不同生态系统、土壤类型及土层深度微生物的调控差异,为土壤有机碳固持的研究提供理论参考,为丰富土壤C源/汇功能提供科学依据。

土壤颗粒有机碳和矿质结合有机碳对4种耕作措施的响应

以陕西关中平原中部耕作定位试验为研究对象,研究深松、旋耕、免耕和统耕作4种耕作方式在秸秆还田和不还田条件下对土壤颗粒有机碳和矿质结合态有机碳的影响。结果表明,相对于传统耕作,深松、旋耕和免耕处理都使土壤颗粒碳(POC)含量增加,但在秸秆还田下相应增加幅度更大,在0-10cm土层颗粒碳增加20.71%～69.25%,表现出深松>旋耕>免耕>传统耕作的顺序,而对其他10-20cm,20-30cm,30-40cm土层的颗粒碳影响较小。在同一种耕作模式下,秸秆还田的与无秸秆还田的相比,深松、旋耕、传统耕作使土壤POC增加了9.17%～26.61%,其中以传统耕作措施的提高幅度最大。在秸秆不还田条件下,各耕作处理矿质结合态有机碳的差异较小,但在秸秆还田条件下,旋耕促进了土壤矿质结合态有机碳(MOC)的增加,比对照(传统耕作)提高了22.98%。从土壤有机碳的角度考虑,深松和旋耕并结合秸秆还田是较适合于当地土壤条件的耕作模式。

喀斯特地区不同植被下小生境土壤矿物组成及有机碳含量空间异质性初步研究

通过对喀斯特地区乔木林、灌木林和草丛不同植被类型覆盖下的土面、石面、石缝、石沟、石洞、石槽和石坑7类小生境土壤样品分析测定,探讨了小生境土壤矿物组成及有机碳的空间异质性特征。结果表明:(1)不同植被类型下土壤矿物组成存在明显差异,即从草丛→灌木林→乔木林,小生境土壤中的石英、高岭石基本保持不变,但草丛土壤中的白云石矿物全部消失,灌木林、乔木林土壤中逐渐出现绿泥石;(2)随着植被正向演替,土壤有机碳含量显著增加,小生境土壤有机碳含量在不同植被类型条件下存在明显的异质性,表现为草丛>乔木林>灌木林。与此同时,以小生境土壤有机碳含量及变异系数为评价因子,分别对乔木林、灌木林及草丛中小生境有机碳进行聚类分析,结果显示,小生境微地貌特征是土壤有机碳含量及空间变异性的重要影响因子。对于土壤有机碳保护,草丛及灌木林区应以提高植被覆盖率为主;乔木林区则主要是保持现有良好的植被状况,减少人为干扰。

不同气候条件下土壤有机碳水热响应驱动机制研究

土壤有机碳(SOC)是陆地生态系统中最大的碳库,其对气候变化的响应直接影响全球碳循环。然而,关于土壤有机碳对长期水热变化的响应及其微生物调控机制尚不清楚。借助跨气候带土壤移置试验平台,开展了一项8年的土壤移置试验,其中将寒温带地区(中国海伦)的黑土剖面移置到温带和中亚热带地区(即封丘和鹰潭)来模拟土壤水热条件增加。水热增加提高了植被生物量,地上部植株C/N与微生物酶活性;降低了土壤有机碳、全氮、微生物残体碳(MNC)和活性矿物的相对含量。并且,微生物残体碳对有机碳的贡献也随着水热条件的增加而降低。通过计算ΔMNC/ΔSOC以表征水热增加后微生物残体碳损失速率。结果发现,ΔMNC/ΔSOC随着水热条件的增加而显著增加,封丘地区为72.50%±9.35%,而在鹰潭达到了82.67%±2.37%。重要的是,土壤活性矿物的变化与ΔMNC/ΔSOC呈强烈的负相关关系,突出了矿物保护在调控ΔMNC/ΔSOC发挥的关键作用。这些结果表明,水热增加降低了土壤矿物对微生物残体碳的保护和/或刺激了土壤中微生物对微生物残体碳的利用,通过减少微生物残体碳促进了有机碳的显著损失。

湖泊湿地土壤有机碳形成、周转及稳定性研究进展

湖泊湿地生态系统作为重要的陆地碳汇之一,其土壤有机碳(SOC)储量变化将对全球气候产生显著影响。当前全球变化背景下,湖泊湿地经历的水位降低、水域面积缩小等生态问题使其碳汇功能面临严重威胁。尽管已有大量文献研究了湖泊湿地SOC的动态变化,但由于研究地点、实验方法和关注重点的不同,难以形成一致的结论,因此详细阐明湖泊湿地SOC存储和转化过程的演化趋势尤为重要。综述国内外湖泊湿地SOC的研究成果,从其形成、周转及稳定性三个方面进行归纳,总结现阶段湖泊湿地SOC的研究热点和不足,并结合当前湖泊湿地面临的现状,阐述影响其有机碳动态变化的因素。现有研究表明,植物源碳尤其是凋落物碳是湖泊湿地SOC的主要来源,但微生物碳在湖泊湿地SOC形成中的作用不容忽视,且植物和微生物碳对湖泊湿地碳储量的贡献比可能具有空间异质性。湿地SOC周转主要受微生物的调控,但中小型区系的土壤动物也扮演着重要的角色,它们可能既是驱动者也是贡献者,研究提示将土壤动物纳入湿地SOC的周转模型才可更准确地评估湖泊湿地的碳周转过程。有机物-矿物化学结合态保护是维持湖泊湿地SOC稳定的最重要机制,多种生物和非生物(气候、水环境等)因素会直接或间接影响SOC的稳定储存。目前维持湖泊湿地SOC稳定性的机制仍延用陆地或海洋生态系统的理论模型,需进一步评估其在湖泊湿地中的适用性。研究旨在总结湖泊湿地中SOC形成和转化的研究进展,为研究提供文献参考和思路。

黏土矿物改良剂对新垦砂壤质耕地土壤有机碳积累的影响

为了解黏土矿物改良剂在新垦耕地地力提升中的作用,选择膨润土、高岭石、沸石和硅藻土4种黏土矿物,在添加量为10%的条件下,采用培养试验研究其对有机肥料矿化及土壤有机碳积累的影响。结果表明,与对照比较,添加黏土矿物可明显增加土壤有机碳的积累,其效果由强到弱为膨润土、高岭石、硅藻土、沸石;团聚体分析和重液分组结果表明,添加黏土矿物可显著增加土壤水稳定性团聚体数量,促进矿物结合态有机碳的形成。研究认为,黏土矿物增加有机碳稳定性是其促进土壤有机碳积累的主要原因。

黄土高原不同人工林型微生物残体碳对土壤有机碳组分的积累贡献及影响因素

为探究不同人工林型微生物残体碳(Microbial necromass carbon,MNC)对土壤有机碳组分的积累贡献及影响因素,在黄土高原选取刺槐林、山杏林、油松林为研究对象,分析了三种人工林0—60 cm土层真菌残体碳(Fungal necromass carbon,FNC)、细菌残体碳(Bacterial necromass carbon,BNC)、MNC对颗粒态有机碳(Particulate organic carbon,POC)和矿物结合态有机碳(Mineral—associated organic carbon,MAOC)的积累贡献及其影响因素。结果表明:(1)三种人工林POC、MAOC中FNC、BNC、MNC含量均随土层深度的增加而降低;(2)刺槐林和山杏林MNC对MAOC的积累贡献(60.9%,52.0%)高于POC(33.5%,49.5%),其中FNC对MAOC的积累贡献分别是BNC的4.4和2.5倍,油松林在0—10 cm土层MNC对POC的积累贡献(73.8%)高于MAOC(48.2%),其中FNC对POC的积累贡献是BNC的3.5倍,而在10—60 cm土层MNC对MAOC的积累贡献(30.9%)高于POC(24.4%),其中FNC对MAOC的积累贡献是BNC的3.4倍;(3)总有机碳和全氮含量与MNC/POC、MNC/MAOC呈显著正相关关系(P<0.05),黏粒含量与MNC/MAOC呈显著正相关关系(P<0.05),pH值、砂粒含量与MNC/MAOC呈显著负相关关系(P<0.05)。说明黄土高原三种人工林0—60 cm土层MNC主要贡献MAOC的积累,油松林0—10cm土层除外,且与细菌残体碳相比,真菌残体碳在土壤有机碳组分积累中的贡献更大,土壤总有机碳、全氮、黏粒、砂粒含量、pH值是影响该区不同人工林型微生物残体碳贡献土壤有机碳组分积累的主要因素。

膨润土与秸秆配施对燕麦根区土壤有机碳组分和丛植菌根真菌多样性的影响

为探究膨润土与秸秆配施后燕麦根区不同土层土壤有机碳及其组分含量和丛植菌根真菌(arbuscular mycorrizal fungi, AMF)多样性变化,在黄土高原旱作区燕麦单作田间定位试验中,连续3年进行秸秆还田(S)、单施膨润土(B)、膨润土配施秸秆(H)、不施膨润土和秸秆不还田(CK)4个处理,研究不同处理下不同土层土壤有机碳及其组分含量和AMF多样性的差异及其相关性。结果表明,与CK相比,B、S和H处理能不同程度提高土壤总有机碳(TOC)和不同组分有机碳[可溶性有机碳(DOC)、轻组有机碳(LFOC)、颗粒有机碳(POC)、粗颗粒有机碳(CPOC)和细颗粒有机碳(FPOC)]含量及其分配比例,0~20 cm土层增幅大于20~40 cm土层。与CK相比,其他处理提高了0~20 cm土层土壤TOC、DOC、LFOC、POC、CPOC和FPOC含量,其中H处理提高显著(P<0.05),依次提高了19.55%、27.21%、54.69%、56.35%、54.72%和31.11%;各处理增加了矿物结合态有机碳(MOC)含量,增幅为2.59%~6.03%,但差异不显著。与CK相比,H处理显著提高土壤LFOC/TOC、POC/TOC、CPOC/TOC和POC/MOC,增幅分别为29.71%、30.45%、30.49%和50.91%;显著提高了0~20 cm土层土壤AMF香农指数和辛普森指数,增幅分别为60.87%和16.05%。相关性分析表明,香农指数与土壤CPOC含量呈极显著正相关(P<0.01),与DOC含量呈显著正相关(P<0.05);辛普森指数与LFOC含量呈显著正相关。综上,膨润土与秸秆配施可不同程度提高燕麦耕层土壤有机碳及其组分含量、AMF多样性,可用于改善黄土高原旱作区土壤质量。