我国农田土壤碳氮耦合特征的区域差异

利用中国第2次土壤普查数据,分析了稻作和旱作方式下农田耕层土壤有机碳和全氮特征及其区域差异。结果表明,水田土壤有机碳和全氮含量分别为旱地的147.8%和145.5%,但水田碳氮含量的区域变异低于旱地。全国水田和旱地土壤有机碳氮比值分别为10.8和9.9,各区域水田土壤碳氮比值普遍高于旱地,其中东北水田最高,而华东旱地和西北旱地最低。旱地碳氮比值的区域变异显著,水田则不显著。农田耕层土壤有机碳和全氮含量呈显著正相关,除华北地区外,各区域无论水田还是旱地其碳氮含量之间相关系数都超过0.8,达极显著水平。由此可见,我国农田耕层土壤有机碳和全氮含量之间存在显著耦合关系,而且不同利用方式和区域之间差异显著;相同氮水平下,水田土壤可能储存更多的有机碳。

乌江梯级水库碳氮耦合的生物地球化学循环

以乌江梯级水库及相关河段为研究对象,对溶解CO_2和NO_3^-含量的时空变化特征进行了研究.溶解CO_2平均值为(113.6±105.7)μmol·L^(-1),变化为1.6~934.6μmol·L^(-1);NO_3^-平均值为(163.0±104.9)μmol·L^(-1),变化为0.4~632.0μmol·L^(-1).水库采样点溶解CO_2和NO_3^-的含量以及振幅均小于相应河流采样点.由于来源及影响因素不同,河流采样点CO_2和NO_3^-不存在显著性相关.筑坝建库后,水库浮游植物生物作用增强,成为影响物质循环的重要因素.光合作用和呼吸作用将C和N的生物地球化学循环耦合在一起,致使水库CO_2和NO_3^-表现出显著性相关.研究结果表明,梯级水电开发显著改变了原始河流C和N的生物地球化学循环特征.

CO_2浓度升高对森林碳平衡及碳氮耦合的影响

森林碳平衡及碳氮耦合对大气CO2浓度升高的响应存在着诸多不确定性,现有研究主要集中在温带地区,并体现在光合作用、生产力及分配、枯落物分解以及土壤碳库等各个方面,研究结果表明:CO2浓度升高(1)短期内增强了森林的光合能力,长期条件下由于氮供应与叶氮含量的下降,就会产生光合下调与适应现象;(2)提高了森林净初级生产力(NPP)并影响其在各组分之间的分配,但却没有促进土壤氮矿化作用,土壤氮有效性降低,限制了森林NPP的持续上升;(3)增加了森林枯落物的数量,刺激了微生物的氮吸收与同化以及植物对有效氮的利用,从而影响分解过程;(4)增强了森林土壤的碳汇功能,但同样会受到氮有效性的直接限制与支持氮固定的其它养分的间接限制。由于热带、亚热带地区的环境因素与温带地区存在较大差异,未来应加强这些区域的相关研究,进一步揭示森林生态系统对CO2浓度升高的响应机制。

酸性土壤中的碳氮耦合作用与N2O流失研究

以贵阳不同植被类型酸性土壤(果园、草地、茶园、阔叶林、针叶林)0~30 cm表层土壤为研究对象,比较了5种植被类型土壤养分含量、微生物量碳、微生物量氮、微生物量C/N、土壤呼吸作用、反硝化作用差异。结果表明:(1)研究区域土壤有机碳含量在7.11~37.00 g/kg之间,全氮含量在0.95~3.64 g/kg之间,低于贵州石灰土上的次生林;土壤有机碳/全氮均值介于5.98∶1~16.93∶1之间,表现为针叶林>茶园>草地>阔叶林>果园;(2)土壤NH4^+-N含量在0.79~49.49 mg/kg之间,阔叶林最高,针叶林和茶园最低;NO3^--N含量均值在0.04~1.18 mg/kg之间,针叶林最高,茶园和阔叶林最低,可能与针叶林、茶树等植物优先利用NH4^+-N作为养分来源有关;(3)SMBC、SMBN分别介于818.01~3 192.86 mg/kg和141.36~531.42 mg/kg之间,SMBC/SMBN与pH值、铵态氮含量分别呈显著、极显著负相关,表现为针叶林>草地>茶园>果园>阔叶林;(4)土壤反硝化速率介于122.21~1 229.09 mg/(kg·h)之间,高于贵州石灰土上的次生林,果园和针叶林N2O流失率较高,反硝化作用产生的CO2不断被消耗。总的来说,区域土壤趋于有机碳积累,酸性环境、低NH4^+-N含量下微生物倾向于生物体碳的积累;土壤氮矿化速率较快,N2O流失率较高,初始NO3^--N水平是决定酸性土壤N2O释放率的主要因素。

不同施肥措施下亚热带稻田土壤碳、氮演变特征及其耦合关系

在湖南省稻田生态系统长期定位监测点研究了不同施肥措施下稻田土壤碳、氮演变及其耦合特征.结果表明:1986—2003年,无肥处理(对照,CK)稻田土壤有机碳和全氮含量略呈下降趋势;化肥(NPK)处理有机碳和全氮含量基本保持稳定,而有机-无机肥配施处理有机碳和全氮含量均呈增加趋势.与对照相比,化肥处理的土壤有机碳和全氮含量分别提高13%和18%,低量有机肥(LOM)处理分别提高54%和45%,高量有机肥(HOM)处理分别提高89%和67%.统计分析表明,土壤有机碳和全氮含量呈显著正相关(P<0.01).稻田土壤C/N为8.5～12.9,多数分布在10左右.研究表明,有机-无机肥配合施用能在一定程度上促进稻田土壤碳、氮的固定与积累;稻田土壤碳、氮具有较好的耦合关系.

不同类型毛竹林土壤碳、氮特征及其耦合关系

以江西安福毛竹纯林（Ⅰ）、竹阔混交林（Ⅱ）、竹杉混交林（Ⅲ）为研究对象,并以木荷人工林（Ⅳ）、杉木纯林（Ⅴ）以及撂荒地（Ⅵ）为对照,对其土壤碳、氮特征进行研究。结果表明：不同林分和同一林分不同层次土壤有机碳含量、碳密度均存在很大差异。土壤有机碳含量排列顺序为Ⅰ〉Ⅲ〉Ⅱ〉Ⅴ〉Ⅳ〉Ⅵ,分别为13.12,12.42,11.47,10.57,8.53,7.45 g/kg,其差异达到显著水平;剖面有机碳密度顺序依次为Ⅰ〉Ⅴ〉Ⅲ〉Ⅳ〉Ⅱ〉Ⅴ,分别为8.81,7.69,7.51,7.38,5.94,5.70 kg/m2,其差异亦达到显著水平。在所调查林分类型中,土壤有机碳含量随深度的增加而呈现逐渐递减的趋势,0-40 cm土层存贮有机碳对土壤总有机碳贡献率均大于70%,贡献率明显。不同林分类型C/N差异性显著,混交林大于纯林,平均值都在11~15之间。线性分析表明,林区内土壤有机碳含量与全氮含量呈极显著相关,遵循三次多项式拟合模型。

干旱半干旱区CO_2浓度升高对生态系统的影响及碳氮耦合研究进展

大气CO2浓度升高已成为全球备受关注的环境问题。CO2排放量的增加加剧了地球表层的温室效应,也对生态系统的结构和功能产生了重要影响。生态系统对CO2浓度升高的响应是一个长期的过程。在干旱半干旱区,CO2浓度的升高对生态系统生产力、植物、土壤和微生物等都有影响,尤其改变了生态系统中的碳循环,并加剧了生态系统对氮的需求。碳循环是生态系统重要的能量流通渠道;氮是生态系统最重要的营养元素之一,也是生态系统固碳能力的限制因子。因此,加强碳氮耦合关系的探讨对研究全球气候及生态系统变化具有重要意义。对干旱半干旱区CO2浓度升高对生态系统的影响及碳氮耦合的研究进展进行了综述和讨论,为进一步研究干旱半干旱区碳、氮循环提供参考。

不同培肥作用下黑土碳氮功能耦合效应的研究

研究在不同培肥作用下黑土土壤有机质,全氮,微生物量碳、氮,可溶性碳、氮含量的变化,初步对黑土土壤生态系统碳氮功能耦合进行研究。结果表明,与对照相比,农肥处理对土壤有机质和全氮含量有显著的促进作用,而化肥处理对土壤全氮含量提高不明显;土壤耕作层的有机质和全氮,土壤微生物量碳氮及土壤可溶性碳氮均表现出显著的正相关;农肥处理显著的提高了土壤有机质、全氮和土壤可溶性C/N值,化肥处理则有效的提高了土壤微生物量的C/N值。

武功山山地草甸不同植被群落碳氮分布格局及其耦合关系

以武功山山地草甸为研究对象,分析不同群落(飘拂草、苔草、原生芒草、修复芒草)和不同土层深度(0~20cm和20~40 cm)碳氮分布规律及其耦合关系,结果表明:(1)武功山不同群落间有机碳、氮素随着发生层的下降而降低,同一物种上下层间整体呈显著性差异;同一土层不同物种间整体差异不显著。(2)不同物种间土壤有机碳和全氮、碱解氮间呈极显著正相关关系,R2均大于0.85,拟合程度较好。本研究揭示了土壤碳氮分布格局及其耦合关系,为估算整个武功山山地草甸碳氮循环和生态系统的植被修复提供基础数据和理论支持。

陆地生态系统碳氮水循环的关键耦合过程及其生物调控机制探讨

陆地生态系统碳循环、氮循环和水循环是全球变化科学研究的三大主题,而陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其生物调控机制则是全球变化生态学研究的前沿性科学问题。目前,对陆地生态系统碳氮水耦合循环过程及其调控机制认识的不足是制约评估陆地增汇/减排效果,预测分析全球变化对生态系统生产力和固碳功能影响的瓶颈性问题。本文在综合分析陆地生态系统碳氮水循环的耦合过程基础上,论述了制约生态系统碳氮水循环空间格局耦联关系的生物地理学机制,制约典型生态系统碳氮水循环耦合关系的生物生理生态学机制,以及典型生态系统碳氮水耦合循环的关键生物物理和生物化学过程。重点评述了生态系统碳氮水耦合循环的主要过程及其生物调控机制研究进展,包括:(1)植物叶片冠层生物学过程和根系冠层生物学过程及其对生态系统碳氮水耦合循环控制机制,以及二者之间的关联与互作关系;(2)土壤微生物功能群网络及其对碳氮循环过程的影响;(3)生态系统碳氮水交换通量的时空变化规律,以及生态系统的生态化学计量学理论与实践。本文最后还简要介绍了国家基金委重大研究项目"森林生态系统碳氮水耦合循环的生物控制机制"的研究思路及其主要研究内容。期望能够通过这些探讨对推动我国该研究领域的基础理论建设和新技术发展有所贡献。

贝加尔针茅草原土壤原位矿化过程中碳氮转化耦合特征

依托在贝加尔针茅草原建立的长期模拟氮沉降试验平台(始于2010年),运用PVC顶盖埋管法进行原位培养试验,研究不同氮添加下贝加尔针茅草原土壤碳氮组分、净硝化速率、净氨化速率、有机碳转化速率的变化特征及碳氮耦合关系。试验处理包括:对照N0,低氮添加(15、30、50 kg·hm^-2·a^-1)记为N15、N30和N50,高氮添加(100、150、200、300 kg·hm^-2·a^-1)记为N100、N150、N200和N300。结果表明:培养期间,N15、N30、N50和N100处理的净硝化速率显著高于对照N0(P<0.05),分别增加了40.80%、110.31%、206.83%和202.04%;N30、N50和N100净氨化速率显著低于对照N0(P<0.05),分别降低了16.88%、169.60%和150.67%;N15和N30处理的净矿化速率高于对照N0,分别增加了150%和50%;N50、N100、N150和N200处理的净矿化速率低于对照N0,分别降低了254.52%、161.50%、33.90%和79.85%。土壤有机碳与土壤全氮呈极显著正相关,土壤可溶性有机碳与土壤可溶性有机氮呈极显著正相关,土壤微生物生物量碳与土壤微生物生物量氮呈极显著负相关。有机碳转化速率显著影响微生物生物量氮转化速率,且符合一元线性回归方程。连续高氮沉降会降低土壤净氮矿化速率和有机碳转化速率,对土壤碳氮循环产生负面影响。

土地利用变化对东北温带幼龄林土壤碳氮磷含量及其化学计量特征的影响

土地利用方式的改变打破森林生态系统原有的碳氮磷平衡,从而显著地影响森林生态系统的生物地球化学循环过程。以地段相邻、林龄相同(10年生)、原始植被一致但土地利用方式不同(无土壤翻动的天然次生林[NS]、间作大豆而土壤翻动中等的人工林[MS]、间作人参而土壤翻动严重的次生林[SS])的温带幼龄林为对象,探索土地利用变化对土壤碳、氮、磷含量及相互关系的影响。结果显示:(1)土地利用方式显著改变表层和深层土壤碳含量,各土壤层次碳含量均呈现NS>MS>SS;而氮含量仅在0—20 cm具有显著性差异(P<0.05);不同土地利用类型之间磷含量无显著差异(P>0.05);表明碳氮磷对土地利用变化敏感程度不同。(2)SS土壤碳氮比(C/N)和碳磷比(C/P)低于NS和MS,而NS和MS之间C/N和C/P因土壤层次而异。不同土壤层次氮磷比(N/P)均随土壤翻动强度的增加而显著减小(NS>MS>SS,P<0.05),且随土层加深而降低;表明N/P相对于C/N和C/P可能对土地利用变化具有更优生态指示功能。(3)土地利用变化显著改变土壤碳-氮、碳-磷、氮-磷的耦合关系。土壤碳-氮(C-N)之间存在极显著(P<0.001)的线性关系,其中3种土地利用方式的土壤C-N关系的斜率差异不显著(P=0.458,共同斜率为11.1),但截距差异显著(P<0.001)。结合本地区和全球文献数据分析指出,森林土壤碳氮关系既有大尺度上的普适性,又有小尺度上对土地利用方式响应的局域分异性。

基于土壤微生物的碳氮互作效应综述

土壤微生物在养分循环中起着至关重要的作用,可为陆地生态系统能量流动提供动力。碳(C)、氮(N)元素是构成生物基本骨架和能量代谢最基本的元素,其循环关系到生物生长和生态系统的稳定性。在陆地生态系统中,土壤微生物C、N元素有着明显的相互作用,环境中C、N浓度的变化会促使其发生变化,进而导致微生物群落结构和生物功能改变。笔者从CO2浓度升高、黑碳添加和N沉降加剧出发,总结了环境条件变化对微生物C、N的影响;分析了现实环境背景下土壤微生物C、N的相互作用,探讨微生物C、N的内在联系,为微生物C、N耦合及生态系统C、N耦合提供参考依据。并提出,今后在气候变化对土壤微生物影响的研究中,应当根据地域和时空的差异建立多个研究模型,深入研究微生物C、N与环境中C、N的关系,注重生态系统C、N耦合的同时,也要注重微生物与其他生物之间,特别是与植物之间的C、N耦合。

长期施肥对黔中黄壤碳氮活性的影响

【目的】探明黔中黄壤在长期不同施肥条件下碳氮变化关系,为黄壤碳氮循环理论的构建、区域土壤质量评价和农业可持续发展提供依据。【方法】基于贵州省黄壤长期定位监测点,研究不同施肥措施下旱地土壤活性碳、氮演变及其耦合特征。【结果】①有机肥处理黄壤有机碳及有机氮含量均明显提升,各有机肥处理有机碳和有机氮含量较不施肥处理分别提高18%~33%和10%~30%,且随有机肥用量增加其含量明显提升。②有机肥处理有机碳和有机氮储量也显著提升,分别较不施肥处理提高6%~18%和13%~32%。③土壤微生物量碳、微生物量氮及溶解性碳均以有机肥处理较高,较不施肥处理分别提高12%~37%、63%~95%和14%~68%;土壤溶解性氮以化肥处理略高但处理间差异不显著。④微生物量碳与溶解性有机碳占土壤有机碳的比例和微生物量氮占土壤全氮的比例以有机肥处理较高;溶解性有机氮占土壤全氮的比例以化肥处理较高。⑤各施肥处理微生物量碳氮比均在10以上,显示黄壤中真菌较多,有机质分解较快。⑥短期内,土壤有机碳、氮与微生物量碳、氮呈显著和极显著正相关性;作物产量与有机氮及溶解性有机碳呈显著和极显著正相关性。【结论】施用有机肥有利于增加土壤碳、氮库容和提高作物产量;相比土壤有机碳、氮,土壤活性碳、氮组分较有机碳、氮是评价土壤肥力及作物产量变化的更敏感指标。

武汉东湖沉积物碳氮磷垂向分布研究

建立了东湖Ⅰ站90cm和Ⅱ站150cm沉积物剖面年代序列框架,研究了碳氮磷的垂向分布,并对碳-氮和碳-磷耦合进行了讨论。东湖Ⅰ站和Ⅱ站沉积物总有机碳(TOC)分别为3.00%和2.44%,总氮(TN)分别为0.45%和0.34%,总磷(TP)分别为1.11mg/g和0.69mg/g。东湖Ⅰ站和Ⅱ站沉积物TOC与TN之间呈极显著的正相关关系,TOC/TN质量比的变化是受到气候变化、人类活动、氮比有机碳分解速度快等因素综合作用的结果。TP与TOC之间也呈正相关关系,但相关性差,由于污水大量排入Ⅰ站,导致东湖Ⅰ站TOC/P质量比明显低于Ⅱ站,表层沉积物中磷比碳降解速度快导致TOC/P质量比升高。

陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

有机无机配施对水稻产量及氮肥残效的影响

为揭示有机无机配施条件下;N尿素在稻田土壤中的残效状况,在我国北方棕壤性水稻土上进行盆栽试验,结合土壤氮素供应及水稻对肥料氮的吸收利用,探寻最佳的施肥方式。设置空白(CK)、尿素(N)、秸秆+尿素(NS)、猪粪+尿素(NM)、稳定性尿素(NI)、秸秆+稳定性尿素(NIS)、猪粪+稳定性尿素(NIM)7个处理。结果表明,稳定性尿素、秸秆、猪粪的添加均能影响;N标记的尿素在土壤中的残留、转化及水稻吸收利用。相比于N,NI显著延缓了尿素水解(P<0.05),增加水稻返青期和分蘖期铵态氮的供应,增加各生育期生物量及产量,提高了水稻的收获指数和氮素回收利用率。秸秆和猪粪的添加均显著提高了土壤微生物量碳氮,增强了氮素供应能力。NS或NIS增加了水稻穗及地上部分对肥料氮的吸收利用,其具有最高的收获指数(0.39~0.47)。相比于N,NIM提高水稻产量约137%,增加水稻分蘖期和成熟期生物量分别约1.98%和53%,提高了氮素回收利用率,约是N的1.82倍。秸秆配施氮肥的微生物量碳氮具有较好的耦合性,猪粪添加的增产效果更为明显。总之,在我国北方稻田土壤中,从产量及生物量的角度,NI、NIM为推荐施用模式,从肥料氮固持及培肥土壤的角度,NS、NIS是值得长期探索的施用方式。

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。

陆面模式中氮循环过程的引入Ⅰ:模式介绍及站点验证（英文）

陆地生态系统氮循环对碳循环过程及其对气候变化的反馈具有重要的影响,但当前陆面模式多数都没有考虑氮循环过程对碳循环过程的限制。本研究基于氮在土壤-植被-大气中的传输交换过程,将氮循环过程引入到陆面模式AVIM(Atmosphere-Vegetation Interaction Model)中,发展形成包含碳氮耦合过程的新版模式AVIM-CN。与2004-05年当雄生态系统定位站通量观测数据相对比,模式中引入氮循环过程后,高寒草甸的总初级生产力模拟值从1.1403 gC m^(-2)d^(-1)降到了0.7073 gC m^(-2)d^(-1),前者更接近通量站的观测值0.5407 gC m^(-2)d^(-1)。生态系统呼吸的模拟值也从1.7695 gC m^(-2)d^(-1)降到了1.0572 gC m^(-2)d^(-1),更接近对应的通量观测值0.8034 gC m^(-2)d^(-1)。整体而言,在模式中考虑氮的限制作用后,当雄站的热量通量和碳通量的模拟值更接近实测值。不考虑氮过程对碳过程的限制,模式高估了约40%的陆地生态系统碳通量。

宁南山区林地土壤原位矿化过程中碳氮转化耦合特征

为了解宁南山区典型植被恢复模式之一——人工林地土壤碳氮转化的特征以及二者的关系,运用PVC顶盖埋管法进行1 a的原位矿化培养实验,每隔2个月采样,研究柠条、山桃、山杏林地中土壤有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳与土壤有机氮、无机氮以及净氨化速率、净硝化速率、净矿化速率和微生物固定速率在一年中的变化特征以及碳氮耦合关系.结果表明在原位培养过程中,61~120 d碳氮的变化最明显,主要受到土壤水分的影响;土壤有机碳和全氮极显著正相关,土壤微生物量碳氮、可溶性有机碳氮显著正相关;土壤有机碳转化速率显著影响净氨化速率、净硝化速率和MBN转化速率,且符合一元线性回归方程;柠条地培养一年后土壤微生物商(MBC/SOC)、MBN/SON显著升高,而且净硝化速率、净矿化速率显著大于山桃和山杏.