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。

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。

森林土壤有机碳分解对模拟增温的响应

由化石燃料燃烧和土地利用变化引起的全球气候变暖是地球上最严重的人为干扰之一,对陆地生态系统结构和功能产生重要的影响。土壤有机碳(SOC)是陆地生态系统最大的碳库,其微小变化都会影响全球碳平衡和气候变化。近30年来,国内外学者在不同森林生态系统相继开展了野外模拟增温对SOC分解的影响及其调控机制研究。基于在全球建立的26个野外模拟气候变暖实验平台,系统分析增温对森林生态系统SOC分解的影响格局和潜在机制,发现增温通常促进森林SOC的分解,对气候变暖产生正反馈作用。然而,因增温方式和持续时间、土壤微生物群落结构和功能的多样性、SOC结构和组成的复杂性、植物-土壤-微生物之间相互作用以及森林类型等不同而存在差异,导致人们对森林SOC分解响应气候变暖的程度及时空格局变化缺乏统一的认识,且各类生物和非生物因子的相对贡献尚不清楚。基于已有研究,从土壤微生物群落结构和功能、有机碳组分以及植物-土壤-微生物互作3个方面构建了气候变暖影响SOC分解的概念框架,并进一步阐述了今后的重点研究方向,以期深入理解森林生态系统碳-气候反馈效应,为制定森林生态系统管理措施和实现“碳中和”提供科学依据。1)加强模拟增温对不同森林生态系统(特别是热带亚热带森林生态系统)SOC分解的长期观测研究,查明SOC分解的时空动态特征;2)加强土壤微生物功能群与SOC分解之间关系的研究,揭示SOC分解对增温响应的微生物学机制;3)形成统一的SOC组分研究方法,揭示不同碳组分对增温的响应特征和机制;4)加强森林生态系统植物-土壤-微生物间相互作用对模拟增温的响应及其对SOC分解调控的研究;5)加强模拟增温与其他全球变化因子(例如降水格局变化、土地利用变化、大气氮沉降)对SOC分解的交互作用,为更好评估未来全球变化背景下森林土壤碳动态及碳汇功能的维持提供理论基础。

长期施肥对小麦-玉米作物系统土壤颗粒有机碳和氮的影响

通过对华北平原小麦-玉米轮作农田生态系统18年田间施肥试验,研究了长期不同施肥处理对耕层(0～20cm)土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮的影响.施肥处理包括化肥NPK不同组合(NPK、NP、NK、PK)、全部施用有机肥(OM)、一半有机肥+化肥NPK(1/2OMN)及不施肥(CK)共7个处理.结果表明:各施肥处理均能在不同程度上增加土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮含量,提高土壤颗粒有机碳和氮分配比例及颗粒有机质C/N.施肥处理颗粒有机碳和氮储量较不施肥处理分别增加11.7%～196.8%和13.0%～152.2%,土壤颗粒有机碳对总有机碳储量增加的贡献率为31.5%～67.3%,土壤颗粒有机氮对全氮储量增加的贡献率为14.3%～100.0%;矿质结合有机碳和氮储量较不施肥处理分别增加2.0%～75.0%和0.0%～69.8%.各处理颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮储量均以OM处理最高,且有机肥与化肥NPK配施高于单施化肥各处理,而化肥处理中NPK均衡施用效果最好.说明施用有机肥、有机肥与化肥NPK配施及化肥NPK均衡施用是增加土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮的关键.

增氮对青藏高原东缘典型高寒草甸土壤有机碳组成的影响

土壤有机碳动态是陆地生态系统碳平衡研究的关键环节,有关青藏高原高寒草甸土壤有机碳组成对大气氮沉降增加的响应研究至今尚未开展。基于中国科学院海北生态站的大气氮沉降模拟控制实验平台,于2010年5月、7月和9月中旬分别测定不同施氮处理下0—10cm、10—20cm、20—30cm土壤中粗颗粒态有机碳(CPOC)、细颗粒态有机碳(FPOC)和矿质结合有机碳(MOC)含量,研究不同施氮类型(NH4Cl,(NH4)2SO4和KNO3)和施氮水平(0、10、20、40 kgN.hm-.2a-1)对土壤POC和MOC含量以及POC/MOC比值的影响。结果表明:青藏高原高寒草甸土壤POC积聚在土壤表层,占总土壤有机碳(SOC)含量的64%以上,稳定性较差。施氮水平显著改变了土壤CPOC、FPOC和MOC含量,而施氮类型的影响不显著。不同月份土壤POC和MOC含量对增氮的响应不同,反映了SOC组分对增氮响应的时间异质性。在生长季中期,施氮倾向于增加表层土壤POC含量,而在生长季初期和末期恰好相反。土壤MOC对增氮的响应不敏感。另外,施氮显著降低生长季初期表层土壤POC/MOC比例,SOC稳定性增加。表明,青藏高原高寒草甸土壤有机碳活性组分较高,未来大气氮沉降增加短期内即可降低活性有机碳含量,相应地改变了其组成和稳定性。

耕作措施对旱作农田土壤颗粒态有机碳的影响

为了探明耕作措施对陇中黄土高原旱作农田土壤有机碳的影响,以连续进行17年的不同耕作措施长期定位试验为研究对象,利用碘化钠重液分组法,探索了传统耕作(T)、传统耕作+秸秆还田(TS)、免耕(NT)、免耕+秸秆覆盖(NTS)4种耕作措施对陇中黄土高原旱作农田土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳的影响。结果表明:土壤总有机碳含量随土层加深而降低,游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳的含量和占土壤总有机碳的比例均随土层加深而降低,而矿质结合态有机碳含量和占土壤总有机碳比例则随土层加深而增加。在0~40 cm各土层,各处理土壤颗粒态有机碳占总有机碳的比例(54.02%~76.78%)均高于矿质结合态有机碳占总有机碳的比例(31.78%~46.11%)。较之T处理,TS和NTS处理均不同程度提升土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳的含量和占土壤总有机碳的比例,其中NTS处理的提升效果最显著,TS处理次之。虽然NT、TS、NTS处理可提升土壤矿质结合态有机碳含量,但T处理下的矿质结合态有机碳占总有机碳的比例高于NT、TS和NTS处理。耕作模式和秸秆添加模式均对土壤总有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳的提升具有显著效应,但秸秆添加模式的效应高于耕作模式。同时,免耕模式仅对0~10 cm各土层土壤总有机碳的提升效应达到显著水平,对0~20 cm各土层土壤碳组分的提升效应均达显著水平,而添加秸秆对0~40 cm各土层土壤总有机碳和各组分均发挥着显著提升效应。综合来看,免耕配合秸秆还田可以提升土壤活力,促进土壤固碳,有利于该区构建环境友好型和可持续发展型农业生产模式。

培肥措施对旱地农田产量可持续性及土壤有机碳库稳定性的影响

阐明黄土高原旱作雨养农业区长期不同培肥措施下产量可持续性和有机碳库稳定性对经济和环境友好兼顾的培肥模式筛选具有重要意义。基于2012年设置在陇中黄土高原旱作区的玉米农田长期定位试验,对比了不施肥(CK)、氮肥(NF)、有机肥(OM)、秸秆(ST)、有机肥结合无机肥(OMNF)处理下产量稳定性、可持续性和土壤有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳、矿质结合态有机碳及碳库稳定性。研究结果表明:1)不同培肥措施下2014-2018年平均产量和水分利用效率具有显著差异(P<0.05),OMNF处理具有最高的平均产量、水分利用效率,分别比CK增加了42.75%、108.73%,同时OMNF处理产量稳定性(0.34)和可持续性指数(0.43)最佳,具有高的增产潜力。2)不同培肥处理均能显著提高不同层次有机碳含量(P<0.05),0~30 cm土层有机碳提高幅度为6.80%~18.81%,ST、OM、OMNF等有机物料添加处理均能显著提高各土层土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳(P<0.05),0~30 cm土层提高幅度分别为5.24%~57.05%、4.31%~20.69%、4.72%~25.17%、6.58%~7.95%。不同培肥处理土壤有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳的含量均随土层加深而降低,而矿质结合态有机碳含量则随土层加深而增加。3)不同培肥模式下土壤有机碳组分均以矿质结合态有机碳为优势组分(55.60%~67.51%),颗粒有机碳以闭蓄态颗粒有机碳为主要组分(19.14%~22.50%)。在0~10 cm各土层,OMNF、NF处理土壤碳库稳定性较高,ST、OM、OMNF处理能促进土壤碳库活性,其他土层变化规律不一致;随土层加深,ST、OM、OMNF处理的碳库稳定性提高。综合来看,OMNF措施可以增加作物产量,提升土壤活力,促进土壤固碳,是该区域玉米种植经济和环境友好兼顾的较好农业生产模式。

长期不同施肥对塿土大团聚体中有机碳组分特征的影响

【目的】研究长期施肥对土大团聚体中有机碳组分特征的影响,揭示不同施肥方式下土壤有机碳的固持机制,为合理施肥提供理论依据。【方法】采集土35年长期肥料定位试验不同施肥处理0—10 cm和10—20 cm土样,分析其大团聚体中各组分有机碳含量的变化。试验处理为:不施肥(CK)、单施化肥(NP)、单施有机肥(M)和有机肥配施化肥(MNP)。【结果】与CK相比,长期NP处理对大团聚体中粗颗粒有机碳(cPOC)、细颗粒有机碳(fPOC)、大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳(iPOC)以及矿质结合态有机碳(MOC)组分的有机碳(OC)含量均无显著影响;而M处理以及MNP处理可显著提高两土层cPOC和iPOC组分的OC含量以及0—10 cm土层MOC组分的OC含量,其中,cPOC含量增幅分别为174%~338%和215%~245%,iPOC含量增幅分别为127%~241%和106%~130%,MOC含量增幅达28.9%~34.6%。MNP处理显著提高了0—10 cm土层fPOC组分的OC含量,增幅达482.1%。累积碳投入量与大团聚体中各组分的OC含量呈显著线性相关,尤其是iPOC含量,表明长期施肥过程中土有机碳在大团聚体中固存的差异主要受物理保护的颗粒有机碳组分的影响。【结论】关中地区土长期施化肥对大团聚体中各组分OC含量没有显著影响,而长期单施有机肥能进一步增加大团聚体中各组分OC含量,有机肥配施化肥能显著增加团聚体中各组分OC含量,特别是大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳组分的含量,进而增加土的有机碳固持。因此,有机肥配施化肥是提高土有机碳含量的有效措施。

施氮对陇中黄土高原旱作农田土壤颗粒态有机碳的影响

为探明不同施氮水平对陇中黄土高原旱作农田土壤有机碳的影响,以布设于2013年的施氮定位试验为研究对象,利用碘化钠重液分组法,探究了N0,N52.5,N105,N157.54种施氮水平对陇中黄土高原旱作农田土壤总有机碳(STOC)、游离态颗粒有机碳(FPOC)、闭蓄态颗粒有机碳(OPOC)、矿质结合态有机碳(MOC)的影响。结果表明:在0—20 cm土层,不同处理下STOC,FPOC,OPOC,MOC含量及FPOC/STOC,OPOC/STOC均随土层加深而降低,MOC/STOC随土层加深而增大。较N0处理,N52.5,N105,N157.5处理均可提升STOC,FPOC,OPOC含量以及FPOC/STOC,OPOC/STOC,且N105处理下提升效应最优;N105和N157.5处理可显著提升0—20 cm各土层MOC含量,且N105处理下提升效应最优。综上所述,N105处理可有效促进土壤固碳能力、节约投入成本,可筛选为该区春小麦栽培的合理施氮量。

培养条件下枯落物分解过程中微生物残体对土壤有机碳形成的贡献

采用黄土丘陵区多年生C3草本植物长芒草为对象,模拟“枯落物⁃土壤”转换界面,进行了为期512 d的室内分解试验,对枯落物分解过程中界面土层微生物残体和土壤碳组分动态进行了研究。结果表明:土壤微生物残体的形成在分解早期和中期由真菌主导,而在晚期由细菌主导。真菌残体碳对矿物结合态有机碳的贡献率(38.7%~75.8%)明显高于细菌(9.2%~22.5%),是细菌残体贡献率的3~4倍。土壤有机碳含量在枯落物分解过程中呈下降趋势。植物碳源的输入调动了微生物对土壤碳组分的利用。颗粒态有机碳分解早期和晚期持续下降,成为土壤有机碳含量减少的直接原因;而微生物残体碳和矿质结合态有机碳的波动变化对土壤有机碳含量的降低只起到间接作用。一次性外源添加枯落物引起的土壤微生物残体碳的增加并没有直接贡献土壤有机碳的积累。

内蒙古乌梁素海湿地土壤有机碳组成与碳储量

2013年5月,在乌梁素海湿地的明水区、湖中芦苇（Phragmites australis）区、人工芦苇区（弃耕26 a）和弃耕芦苇区（弃耕3 a）,采集0~40 cm深度的土壤（或沉积物）样品,研究土壤的有机碳组成[颗粒有机碳（POC）和矿质结合有机碳（MOC）]和碳储量。乌梁素海明水区的平均水深1~3 m,生长着沉水植物;湖中芦苇区水深约1 m,自然生长着野生芦苇,常年淹水;弃耕芦苇区为2011年农田退耕后形成的芦苇沼泽,季节性淹水;人工芦苇区的芦苇于1988年种植,季节性淹水。结果表明,明水区和湖中芦苇区表层土壤（0~10 cm深度）的总有机碳含量（〉15 g/kg）明显高于弃耕芦苇区[（2.60±0.33）g/kg]和人工芦苇区[（6.29±0.75）g/kg]。随着土壤深度的增加,人工芦苇区、明水区和湖中芦苇区土壤的总有机碳（TOC）含量都在减少。弃耕芦苇区各深度土壤的总有机碳和颗粒有机碳含量都相对最低。湖中芦苇区表层土壤的颗粒有机碳含量[（6.96±3.02）g/kg]最高,并且随着土壤深度的增加,其颗粒有机碳含量减少最快。除弃耕芦苇区外,其他采样区土壤（沉积物）的矿质结合有机碳含量都随着土壤深度的增加而减少,且在10~20 cm深度变化最明显,与颗粒有机碳含量垂直变化相似。明水区沉积物的颗粒有机碳含量占总有机碳含量的比例相对较低,表明其碳库最稳定。各采样区土壤（沉积物）不同组分有机碳含量与有机氮含量显著线性相关,TOC/TON、POC/PON和MOC/MON平均值分别为11.0、12.8和10.2。明水区沉积物总有机碳的储量最高（3.93 kg/m2）,其次为湖中芦苇区（3.48 kg/m2）和人工芦苇区（3.18 kg/m2）,弃耕芦苇区土壤总有机碳的储量仅为1.87 kg/m2。各采样区土壤（沉积物）的矿质结合有机碳储量都占较大比例,分别为80.2%（明水区）、67.9%（湖中芦苇区）、78.3%（人工芦苇区）和68.8%（弃耕芦苇区）。如果沼泽化导致明水区退化为芦苇沼泽,乌梁素海湿地的碳库损失将达到0.45 kg/m2。

不同施肥方式对马铃薯农田土壤有机碳组分和碳库管理指数的影响

针对马铃薯生产实践中长期单施化肥或化肥过量施用等不合理施肥措施导致土壤碳库活性变差和土壤生物活性降低等问题。通过田间定位试验,分析不同施肥方式:不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥(M)、有机无机肥配施(NPKM)对旱作马铃薯农田土壤有机碳组分和碳库管理指数的影响。结果显示,连续施肥5年后添加有机肥的M、NPKM处理较CK和NPK处理显著提高了土壤闭蓄态颗粒有机碳(OPOC)和土壤颗粒态有机碳(POC)含量,降低了土壤矿质结合态有机碳(MOC)含量。与CK和NPK处理相比,M、NPKM处理闭蓄态颗粒有机碳(OPOC)含量分别提高了32.52%、30.39%和27.09%、24.78%;土壤颗粒态有机碳(POC)含量分别提高了31.52%、29.65%和25.18%、23.15%。添加有机肥的M和NPKM处理显著提高了颗粒态有机碳(POC)的比例,降低了MOC的比例,与CK和NPK相比,M、MNPK处理中POC的比例分别增加了27.72%、25.23%和10.61%、7.54%,MOC的比例分别降低39.42%、33.16%和14.97%、9.81%。添加有机肥显著提高了土壤总有机碳(TOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROC)的含量,与CK处理相比,M和NPKM处理的TOC分别增加了15.28%和13.64%,MBC增加了21.82%和19.17%,ROC的含量分别增加了32.45%和31.35%;施用有机肥和有机无机配施均显著提高碳库管理指数(CPMI)较单施化肥分别提高28.8%和35.65%。综上所述,施用有机肥处理(M处理和MNPK处理)显著地提高了马铃薯农田土壤闭蓄态颗粒有机碳(OPOC)、颗粒态有机碳(POC)和总有机碳(TOC)及微生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROC)含量,提高了土壤碳库管理指数;即马铃薯栽培施用有机肥有利于土壤活性有机碳的积累、能够改变土壤有机碳组分分布特征。

模拟硫沉降对华北落叶松人工林土壤有机碳组分的影响

深入研究硫沉降对森林土壤有机碳库影响,可以为正确评估森林生态系统碳循环过程及其对全球气候变化的响应提供依据。在山西太岳山34年生华北落叶松人工林设置人工模拟硫沉降实验,采用物理分组的方法,研究施硫水平(0、50、100、150 kg S·hm-2·a-1)对土壤粗颗粒有机碳(CPOC,>250μm)、细颗粒有机碳(FPOC,53~250μm)和矿质结合态有机碳(MOC,<53μm)含量的影响,并运用通径分析探讨了土壤有机碳组分与土壤环境因子的关系。结果表明:华北落叶松人工林土壤表层(0~10 cm)POC、MOC和POC/MOC值均高于亚表层(10~20 cm);土壤POC和MOC随月份变化显著,8月土壤POC和MOC均显著低于6月和10月;对照处理6月表层土壤的POC/MOC值低于8月和10月,亚表层则相反;施硫显著改变了土壤MOC,但并未显著改变土壤POC;低硫和中硫水平表层土壤MOC较对照处理显著减少,高硫水平亚表层土壤MOC较对照处理显著增加(P<0.01);土壤CPOC、FPOC和MOC与土壤温度、湿度、p H值有极显著负相关关系。通径分析表明,温度对3种土壤有机碳含量直接作用最大,而湿度对土壤POC并没有直接作用。试验结果表明,短期施硫降低了华北落叶松人工林土壤有机碳稳定性,后期在对硫沉降影响研究中应多加考虑温度这一重要因子的作用。