土壤有机碳分组方法概述

土壤有机碳与土壤肥力和气候变化密切相关而成为当今土壤学等相关领域的研究热点之一。由于土壤有机碳是具有某一特性的一类化合物的混合物,存在高度异质性,所以选用合理的方法有效区分不同碳组分是深入研究土壤有机碳的关键。首先回顾了土壤有机碳的传统分组方法 (包括物理分组、化学分组和生物分组),进而介绍了Stewart等人近年提出的土壤有机碳物理-化学联合分组方法,最后对土壤有机碳分组方法的未来趋势进行了展望。

长期有机无机肥配施增强黄壤性水稻土有机氮的物理保护作用

【目的】土壤有机碳物理一化学联合分组方法很好地联系了有机碳的多种稳定机制,成为深入研究土壤有机碳组分特征的有效手段。本研究旨在利用该方法研究长期施肥对黄壤性水稻土有机氮组分特征的影响,为合理施肥提供理论依据。【方法】基于南方黄壤性水稻土18年长期施肥定位试验,分析了不同施肥处理土壤有机氮组分含量及分配比例的变化。试验处理包括不施肥对照（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）、无机肥配施低量有机肥（0.5MNPK）和无机肥配施高量有机肥（MNPK）。【结果】单施化肥处理（NPK）水稻土总有机氮及各组分有机氮含量与不施肥对照相比无显著变化,施用有机肥处理（M、0.5MNPK、MNPK）则显著提高了土壤总有机氮、游离态粗颗粒、物理保护、化学保护及生物化学保护有机氮含量提高幅度分别为27%-51%、23%-39%、128%-274%、29%-42%和13%-28%,以有机无机肥配施最为显著,但降低了游离态细颗粒有机氮含量。在各个氮组分中游离态颗粒有机氮占总有机氮比例最高（46%-50%）物理保护有机氮比例最低（2%-6%）。与不施肥（CK）及单施化肥处理（NPK）相比,有机肥处理（M、0.5MNPK、MNPK）提高了土壤物理保护有机氮的分配比例。【结论】长期施肥土壤各组分有机氮及总有机氮两两之间均呈显著相关关系只有游离细颗粒有机氮与物理保护有机氮呈负相关关系。长期施用有机肥,极大改善土壤团聚体结构促进游离细颗粒有机氮的包裹,进而提高物理保护有机氮的相对比例,土壤有机氮的物理保护作用相对增强。因此,有机无机肥配施是提高稻田土壤有机氮含量的最有效措施。

火烧迹地恢复后不同稳定机制土壤有机碳库特征研究

以大兴安岭重度火烧迹地经过不同方式恢复的林分土壤为研究对象,采用物理-化学联合分组方法,研究未保护、物理保护、化学保护、生物化学保护、物理-化学保护和物理-生物化学保护有机碳组分含量特征及其与土壤总有机碳含量间的关系。结果表明,1)人工恢复的林分土壤总有机碳、未保护有机碳、物理保护有机碳、物理-化学保护有机碳、物理-生物化学保护有机碳和生物化学保护有机碳含量均显著高于自然恢复。化学保护有机碳含量在不同恢复方式下变化不显著。除化学保护有机碳和物理-化学保护有机碳外,其余各保护态有机碳均表现为上层土壤含量显著高于下层(P<0.05)。2)2种恢复方式下的土壤有机碳组分均以未保护有机碳占比最高,物理-化学保护有机碳占比最低。与天然恢复相比,人工恢复下的土壤物理保护有机碳含量占比显著提高2.80%~3.19%(P<0.05)。3)回归分析表明,除物理-化学保护有机碳和化学保护有机碳组分外,其余各保护态有机碳组分与总有机碳含量之间均呈极显著的正相关关系(P<0.001)。大兴安岭重度火烧迹地经过32 a的人工恢复,更利于土壤总有机碳积累,土壤未保护有机碳的积累更多。研究结果为该区域重度火烧迹地植被恢复提供科学依据。

长期施肥下旱地红壤不同保护态有机碳库变化特征

为研究长期施肥对旱地红壤不同保护态有机碳组分(库)的影响,在不施肥(CK)、单施氮肥(N)、施常量氮磷钾肥(NPK)、施2倍量氮磷钾肥(HNPK)、氮磷钾肥配施有机肥(NPKM)、单施有机肥(M)6个处理下,分析物理-化学联合分组方法分离的土壤未保护、物理保护、物理-化学保护、物理-生物化学保护、化学保护、生物化学保护的有机碳组分的含量特征及其与总有机碳含量的关系,并探究土壤各保护态有机碳库储量与累积碳投入量间的关系。结果表明,CK与N处理间的土壤各保护态有机碳组分的含量均无显著差异(P>0.05)。与CK相比,施氮磷钾肥(NPK、HNPK)与有机肥(M、NPKM)处理的土壤总有机碳含量、未保护有机碳组分含量、物理保护有机碳组分含量分别提高13.3%~48.0%、39.2%~221.5%、41.9%~132.3%,土壤未保护有机碳、物理保护有机碳占土壤总有机碳的比例提高1.9~10.0、2.5~5.5个百分点,增幅均达显著水平(P<0.05),该效应在施有机肥条件下表现更为明显。土壤各保护态有机碳组分含量与总有机碳含量均呈正相关关系,线性回归方程拟合结果显示,单位总有机碳含量增加引起的未保护游离粗颗粒有机碳和物理保护有机碳含量的变化值分别达44.3%和28.0%(P<0.001)。除土壤生物化学保护有机碳外,其他保护态有机碳库的储量均与累积碳投入量呈极显著线性正相关(P<0.01)。研究表明,施肥后土壤增加的有机碳优先固存于未保护游离粗颗粒有机碳和物理保护有机碳组分中。与施化肥相比,有机培肥可更好地促进旱地红壤总有机碳的固存、提升有机碳的活性及增强有机碳的物理保护作用。在当前碳投入水平下,旱地红壤的生物化学保护有机碳可能已接近平衡状态。

灌丛化对高寒草地土壤有机碳组分的分异研究

草地灌丛化过程中植被优势群落类型的转变会通过凋落物及根系分泌物的数量和性质差异影响土壤有机碳(SOC)组分。为探索高寒草地土壤不同活性有机碳组分对灌木侵入的响应,本研究采用Stewart物理-化学联合分组方法,将青藏高原东缘四种典型灌丛化草地以及未灌丛化草地土壤有机碳分为游离态活性有机碳(Nonprotected organic carbon,Non-C)、物理保护态有机碳(Physically-protected organic carbon,Phy-C)、化学保护态有机碳(Chemically-protected organic carbon,Che-C)和生物化学保护态有机碳(Biochemically-protected organic carbon,Bio-C),分析不同活性有机碳组分含量变化及其影响因素。结果表明:(1)灌木侵入对高寒草地表层土壤(0~10 cm)SOC含量影响不显著(P>0.05),但不同活性有机碳组分含量有所分异。高山绣线菊(Spiraea alpina)和窄叶鲜卑花(Sibiraea angustata)灌木侵入降低了土壤Non-C和Bio-C组分(P<0.05);金露梅(Potentilla fruticosa)灌木侵入降低了土壤Non-C组分(P<0.05);小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌木侵入降低了土壤Phy-C和Che-C组分(P<0.05),而提高了土壤Bio-C组分含量(P<0.05)。(2)未灌丛化草地和灌丛化样地土壤均以Non-C组分为主,其次是稳定态有机碳库(Che-C和Bio-C),而Phy-C占比最少。(3)土壤黏粒和全氮是影响高寒灌丛化草地土壤不同活性有机碳组分的主要因素,解释度共达51.2%。高寒草地灌木侵入过程中,灌木种类对不同活性土壤有机碳组分含量影响不一致,灌丛化草地和未灌丛化草地土壤表层均以Non-C为主,因此在外界扰动的情况下,该地区的有机碳库可能成为碳源。

长期施肥下黄壤性水稻土有机碳组分变化特征

【目的】土壤有机碳具有高度异质性,不同组分的有机碳由于化学性质和存在方式等不同,其生物有效性和肥力功能不同,并反映出不同的稳定机制,所以深入研究土壤有机碳的组分特征,对于更好地了解土壤有机碳的稳定性和肥力机制具有重要意义。本研究以黄壤性水稻土为对象,旨在研究揭示长期施肥对土壤有机碳组分特征的影响并探讨合理培肥模式。【方法】以中国黄壤性水稻土18年长期施肥定位试验为依托,通过田间取样和室内分析,采用土壤有机碳物理-化学联合分组方法,重点研究不同施肥条件下土壤有机碳组分含量及分配比例的变化,并通过定量分析组分碳含量与年均碳投入量的关系,探讨土壤有机碳饱和现象。试验处理包括不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥(M)、无机肥配施低量有机肥(0.5MNPK)和无机肥配施高量有机肥(MNPK),碳投入梯度为0.87—6.02 t·hm-2·a-1。【结果】与不施肥(CK)相比,单施化肥(NPK)处理显著增加了土壤游离态粗颗粒有机碳、化学保护粉粒组有机碳和生物化学保护粉粒组有机碳含量,总有机碳提升10%;有机肥处理(0.5MNPK、M、MNPK)显著增加了土壤游离态粗颗粒有机碳、物理保护有机碳、化学保护粉粒组、黏粒组有机碳和生物化学保护粉粒组、黏粒组有机碳,增加幅度高于化肥处理,总有机碳提升24%—46%,其中以有机无机肥配施(MNPK)的提升幅度最大;与不施肥(CK)及单施化肥(NPK)处理相比,有机肥处理(0.5MNPK、M、MNPK)土壤物理保护有机碳的分配比例显著升高;模型分析发现,长期施肥条件下土壤游离态粗颗粒有机碳浓度与年均碳投入量呈显著的线性关系,而化学保护态有机碳浓度与生物化学保护态有机碳浓度以及土壤总有机碳含量,均与年均碳投入量呈显著的"饱和曲线效应"的对数函数关系。【结论】有机无机肥配施是提升黄壤性水稻土有机碳水平的最佳培肥措施,并以物理保护有机碳的提升幅度最大,强化了有机碳的物理稳定机制;黄壤性水稻土较稳定的有机碳组分(化学保护态、生物化学保护态)以及总有机碳存在饱和现象,在当前条件下出现饱和限制。

黄壤性水稻土有机碳及其组分对长期施肥的响应及其演变

【目的】不同保护机制的有机碳由于稳定性的差异,表现出不同的肥力效应和生物有效性。研究贵州省主要水稻土类型黄壤性水稻土有机碳组分对长期施肥的响应及其演变,为区域稻田土壤固碳潜力评估和地力提升技术筛选提供科学依据。【方法】依托贵州省黄壤性水稻土长期施肥定位试验(始于1995年),采集2006—2014年间5个偶数年份不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥(M)、低量有机肥无机肥配施(0.5MNPK)和常量有机肥无机肥配施(MNPK)5个处理的土样,采用Stewart物理-化学联合分组法和碳氮分析仪,测定土壤总有机碳及未保护(即游离活性)、物理保护、化学保护和生物化学保护4个有机碳组分的含量,并采用线性回归法分析其演变特征。【结果】与不施肥(CK)及单施化肥(NPK)处理相比,施用有机肥(M、0.5MNPK和MNPK)显著增加了土壤游离活性、物理保护、化学保护有机碳含量(P<0.05),总有机碳提升15%—39%,其中以常量有机无机配施(MNPK)的提升幅度最高。拟合分析发现,2006—2014年间,4个施肥处理的土壤有机碳及其组分含量随时间均呈增加趋势,除生物化学保护有机碳外,其余组分有机碳在有机肥处理下的线性增加趋势比单施化肥(NPK)处理下更为明显,不施肥处理随时间无明显变化。施用有机肥(M、0.5MNPK和MNPK)处理的土壤游离活性、物理保护、化学保护有机碳含量的年均增加速率和增幅均高于不施肥(CK)及单施化肥(NPK)处理,总有机碳的年均增加速率分别为不施肥(CK)及单施化肥(NPK)处理的3.5—3.7倍和1.5—1.6倍。游离活性有机碳占总有机碳的比例(58%—63%)是其他组分的3—14倍。【结论】未保护游离活性有机碳是土壤总有机碳的最大部分,且对施肥响应最敏感。常量有机无机肥配施是提升土壤有机碳储量的最有效模式。

长期配施秸秆与猪粪的红壤旱地有机碳库组成特征

以长期(1988-2014年)配施有机肥小区的对照(CK)、CK+花生秸秆(PS)、CK+稻秆(RS)及CK+猪粪(PM)的红壤旱地土壤为材料,采用Zimmermann等建立的方法将土壤有机碳逐级筛分为颗粒有机碳(POC)、砂粒和稳定团聚体碳(SAOC)、溶解性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(LOC)以及惰性有机碳(rSOC)组分,并基于洛桑模型(RothC)将上述碳组分进一步划分为易分解植物残体碳(DPM)、难分解植物残体碳(RPM)、微生物生物量碳(BIO)、腐殖质碳(HUM)以及惰性有机碳(IOM)五个碳库,分析了长期配施作物秸秆与猪粪对各组分有机碳的影响,探讨了外源碳投入量及铁铝氧化物与各组分碳的相关关系。结果表明:长期配施秸秆与猪粪的红壤旱地中各组分有机碳含量和分布比例大小依次为:SAOC>rSOC>LOC>POC>DOC,而RothC模型各碳库含量和比例大小依次为:HUM>IOM>RPM>BIO>DPM。长期配施作物秸秆与猪粪的红壤旱地中HUM、BIO与IOM碳库组分的含量与比例均无显著变化,已处于相对稳定的平衡状态。与CK处理相比,PM处理可显著增加红壤旱地SOC;PS和RS处理可显著提高红壤旱地中DPM和RPM的含量,且RS处理有助于DPM与RPM中的有机碳向BIO与HUM转换。相关分析表明,外源碳投入量及土壤中非晶质氧化铝数量的增加有助于红壤旱地中稳定态有机碳的累积。

施用有机肥煤矿复垦耕地有机碳的固持效率及组分变化

【目的】研究长期施用不同量有机肥下复垦耕地总有机碳(SOC)及其各组分的固碳效率变化,为煤矿区复垦土壤肥力快速提升提供理论依据。【方法】山西煤矿塌陷区复垦长期定位试验始于2008年,设置不施肥(CK)、施用化肥(F)、化肥配施低量有机肥(LMF)和化肥配施高量有机肥(HMF)4个处理。2019年玉米收获前,采集0—20 cm土层土壤样品,采用物理-化学联合分组方法,测定土壤总有机碳(SOC)及各组分有机碳含量,分析碳投入与土壤总有机碳及各组分有机碳含量之间的关系。【结果】复垦11年后,与CK相比,F、LMF和HMF处理SOC含量分别显著增加了23.8%、39.6%和82.1%(P<0.05),固碳速率分别达到0.57、0.83和1.28 t/(hm^(2)·a)。复垦土壤的固碳效率为20.9%,游离态颗粒有机碳组分的固碳效率最大(9.0%),是土壤固碳的主要形式。与CK相比,F处理的土壤游离态颗粒有机碳、化学保护粘粒组有机碳和生物化学保护粘粒组有机碳储量分别提高37.1%、52.3%和93.5%,而LMF和HMF处理提高了土壤游离态粗颗粒有机碳组分、物理保护有机碳、化学保护粉粒组和粘粒组有机碳及生物化学保护粘粒组有机碳储量。与CK相比,HMF处理对上述各组分的提升幅度分别为66.1%、179.6%、59.7%、48.6%及63.0%;与LMF处理相比,HMF处理对各组分的提升幅度分别为19.6%、32.1%、28.5%、5.3%和7.3%。与CK和F处理相比,LMF和HMF处理显著提高了土壤物理保护有机碳在总有机碳中的分配比例。复垦土壤有机碳年均固定量均与年均碳投入量之间极显著正相关,复垦土壤各组分有机碳年均固定量与年均碳投入量之间极显著正相关(P<0.01)。【结论】复垦土壤有机碳年均固定量与碳投入量之间极显著正相关,在复垦11年后,复垦土壤仍有很大的固碳潜力,固存的有机碳主要以游离态颗粒有机碳为主。施用高量有机肥是快速恢复煤矿区复垦土壤有机碳含量的有效措施。

坡地黑土侵蚀区和沉积区不同有机碳库分配特征

试验采用Stewart物理-化学联合分组方法,以东北黑土区长期耕作坡耕地为研究对象,探讨坡上侵蚀-坡下沉积区不同稳定机制碳库(游离未保护、物理保护、生物化学保护、化学保护)分配特征。结果表明:坡上侵蚀区减少活跃碳库(游离未保护),但同时促进中等稳定机制碳库(物理保护)的更新,并富集惰性碳库(生物化学和化学保护);被侵蚀土壤有机碳(SOC)在坡下沉积区埋藏、固存,显著增加沉积区各碳库质量分数。坡上侵蚀区碳积累速率,从大到小依次为生物化学保护SOC(61.5%)、化学保护SOC(27.8%)、物理保护SOC(5.9%);坡下沉积区碳积累速率,从大到小依次为化学保护SOC(20.4%)、物理保护SOC(10.7%)、游离未受保护SOC(5%)。侵蚀区游离未保护SOC和沉积区生物化学保护SOC,对总有机碳的变化无明显响应。

喀斯特小流域不同土地利用方式下土壤有机碳的组分特征

本文以贵州高坡喀斯特小流域的土壤为研究对象,在野外调查及室内分析的基础上,探讨了稻田、林地和荒草地三种土地利用方式对土壤有机碳(SOC)组分含量特征及其分配比例的影响。采用物理-化学联合分组方法,将SOC分为不同粒径的12个土壤组分。研究结果表明,在0~20 cm的表层土壤范围内,林地(3.77 k/kg)各组分有机碳平均含量均显著(P<0.05)高于荒草地(3.17 k/kg),荒草地显著(P<0.05)高于稻田(2.11 k/kg)。在SOC的各组分中,稻田、林地和荒草地三种土地利用方式下iPOM即物理保护有机碳分配比例分别为10%、7%、11%,其在林地中的分配比例较低;cPOM和fPOM作为活性较强的未保护游离活性有机碳,在林地和荒草地中所占SOC分配比例最高,达到30%以上;稻田中游离态粉粒、粘粒和微团聚体粉粒、粘粒有机碳组成的化学保护有机碳分配比例最大为5%。在SOC及其各组分中,fPOM可作为土地利用变化对土壤有机碳影响的评估指标。

不同种植年限下玉米田淡灰钙土有机碳组分变化特征研究

以宁夏吴忠市红寺堡不同种植年限的淡灰钙土为研究对象,用物理-化学联合分组方法研究土壤全碳和有机碳不同组分随种植年限的变化。结果表明,淡灰钙土全碳含量最高为20.12 g/kg,有机碳含量最高为8.84 g/kg,与碳饱和相距甚远;土壤全碳和有机碳随着种植年限的增加,短期内呈上下波动的曲线,全碳呈上升趋势,有机碳呈下降趋势。游离态颗粒有机碳含量最高,其次为物理保护有机碳,然后为化学保护有机碳,生物化学保护有机碳所占比例最小。粗颗粒组分有机碳与种植年限呈负相关,细颗粒组分有机碳与种植年限呈正相关。

不同开垦年限坡地黑土耕层土壤有机碳库分配特征

因耕作和侵蚀的共同作用,农田坡地景观多为坡上侵蚀、坡下沉积的空间格局,同时伴随侵蚀区和沉积区土壤有机碳(SOC)含量及稳定机制的差异.为探明长期耕作的农田黑土有机碳库积累-损耗特征,采用Stewart物理-化学联合分组方法,以典型黑土区不同开垦年限坡耕地为研究对象,探讨基于侵蚀-沉积作用的不同稳定机制碳库(游离未保护碳、物理保护碳、化学保护碳、生物化学保护碳)的分配特征.结果表明:长期耕作与侵蚀导致坡下沉积区显著富积SOC,4种碳库含量整体表现为沉积区显著大于侵蚀区;黑土区坡耕地SOC以化学保护碳库和生物化学保护碳库为主(>90%),侵蚀区主要积累化学保护有机碳(84.6%),沉积区主要积累生物化学保护有机碳(51.4%);随着开垦年限的延长,4种碳库积累速率随着碳稳定程度的增加而增加,为生物化学保护碳库(48%)>化学保护碳库(42.2%)>物理保护碳库(6.4%)>游离未保护碳库(3.4%);游离未保护有机碳库占比和积累速率最小,但其对外界干扰最敏感,在黑土管理过程中应引起足够重视.