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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

陆地生态系统土壤铁结合态有机碳:含量、分布与调控

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库,其有机碳储量超过植被和大气碳库的总和.铁氧化物的矿物保护被认为是土壤有机碳长期稳定性的关键机制之一.铁氧化物具有比表面积大、吸附能力强的特点,且在热带和亚热带地区含量丰富.然而,目前关于陆地生态系统土壤铁结合态有机碳占土壤总有机碳的比例(f_(Fe-OC))及其分布格局和调控机制仍不明晰.本文整理了已报道的陆地生态系统351组土壤f_(Fe-OC)数据,分析了其在不同土层、生态系统、气候带的分布格局和受气候、土壤、矿物因子的调控机制.结果表明:(1)陆地生态系统土壤f_(Fe-OC)平均为21.9%,且深层土f_(Fe-OC)(37.5%)显著高于表层土(15.4%,P<0.01).(2)土壤平均f_(Fe-OC)在不同生态系统表现为:湿地(24.5%)>草地(16.2%)>森林(14.9%)>农田(14.8%),贫氧生态系统(24.2%)显著高于有氧生态系统(15.7%,P<0.01).土壤平均f_(Fe-OC)在不同气候带呈现出热带/亚热带(23.7%)>寒带(21.9%)>温带(20.2%)>高原带(16.6%)的规律.(3)陆地生态系统土壤f_(Fe-OC)主要受土壤深度的影响,且不同土层的调控机制不同:表层土f_(Fe-OC)主要受无定形态铁和有机络合态铁含量的影响,而深层土f_(Fe-OC)主要受土壤pH和土壤质地(黏粒、粉粒和砂粒含量)的影响.本研究结果为进一步认识陆地生态系统黏土矿物对土壤有机碳的保护机制提供了理论依据.

土壤颗粒态有机碳与矿物结合态有机碳对气候变暖响应的研究进展

提高陆地生态系统固碳增汇能力是如期实现“双碳”目标最为经济、绿色的途径之一。土壤颗粒态有机碳与矿物结合态有机碳作为重要的土壤有机碳组分,是精细诊断陆地生态系统碳循环变化的关键。已有研究表明气候变暖改变了陆地生态系统碳循环,同时对植物和微生物源有机碳输入产生影响,但关于土壤有机碳组分对气候变暖响应及其影响因素的研究尚未有统一结论。论文系统介绍了土壤颗粒态和矿物结合态有机质分组框架;阐述两种组分形成、转化和稳定过程;梳理目前学术界关于土壤颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳对气候变暖响应及其影响因素的研究进展。在此基础上讨论现有研究的不足和未来面临的挑战,并提出目前亟需解决的关键科学问题及未来研究方向,以期为制定土壤有机碳管理措施和应对气候变化提供一定的理论参考。

凋落物输入对木荷林土壤微团聚体有机碳及其化学结合形态的影响

[目的]探究地上凋落物、地下根系和菌根输入对红壤恢复林地土壤微团聚体的影响,为退化地进行森林恢复后土壤功能重建和生态系统碳循环提供依据。[方法]以亚热带红壤侵蚀退化地恢复形成的典型阔叶林分木荷纯林为研究对象,设置无凋落物(CT)、菌根(M)、根系+菌根(RM)、地上+地下凋落物(LRM)和地上凋落物加倍(DLRM)5种输入处理,对土壤微团聚体组成、有机碳及其化学结合形态进行分析。[结果]木荷恢复林土壤微团聚体质量百分比、有机碳、钙键结合态有机碳(Ca-SOC)、铁铝键结合态有机碳[Fe(Al)-SOC]和Ca-SOC/SOC在不同处理间均无显著差异(p>0.05);相对于CT,LRM处理使20~50μm和50~200μm粒级微团聚体Fe(Al)-SOC/SOC分别降低了40.06%和46.67%(p<0.05)。土壤微团聚体质量百分比、有机碳、Ca-SOC和Fe(Al)-SOC均随粒级的增大而减小,有机碳及结合态有机碳趋于在较小粒级的微团聚体颗粒组(<20μm)中富集。微团聚体Ca-SOC含量(0.55~1.28 g/kg)远低于Fe(Al)-SOC含量(6.88~13.34 g/kg),但其在不同粒级中的变化幅度大于Fe(Al)-SOC;Ca-SOC/SOC(1.54%~3.44%)亦小于Fe(Al)-SOC/SOC(16.75%~42.54%)。微团聚体质量百分比、有机碳、Ca-SOC和Fe(Al)-SOC两两之间呈极显著正相关关系(r=0.497~0.757,p<0.01)。[结论]木荷恢复林土壤微团聚体及其有机碳受粒级的影响,对地上凋落物、地下根系和菌根的短期输入有所响应,但未达到显著水平,需要在更长的时间尺度上开展研究。

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。

闽江河口湿地围垦稻田对土壤铁碳结合特征的影响

土壤铁氧化物结合态有机碳是有机碳长期维持的主要途径,但其机理研究仍较为薄弱。为探究河口湿地围垦稻田对土壤铁碳结合特征的影响,本研究选择福建省闽江河口天然芦苇湿地与围垦稻田为研究对象,对两种类型土壤中的铁结合态有机碳(Fe-OC)及其相关指标进行测定与分析。结果显示:①芦苇湿地围垦稻田改变了土壤氧化还原过程,显著影响土壤中铁相的转化。围垦后土壤二价铁[Fe(Ⅱ)]、三价铁[Fe(Ⅲ)]、活性总铁含量(HCl-Fe_(t))及Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)分别显著下降了24.68%、52.56%、51.45%、35.68%(P<0.05)。游离态氧化铁(Fe_(d))与无定形态铁(Fe_(o))含量分别显著下降了21.64%和29.24%(P<0.05),络合态铁(Fe_(p))含量则有所增加。②芦苇湿地围垦稻田显著影响土壤碳固存,Fe-OC与土壤有机碳含量(SOC)在围垦稻田后分别显著下降了39.03%和18.42%(P<0.05);芦苇湿地与稻田土壤Fe-OC均主要以吸附途径结合,稻田土壤Fe-OC对土壤有机碳的贡献率(fFe-OC)显著高于芦苇湿地(P<0.05)。③土壤全氮、含水量、电导率、铁以及土壤有机碳、溶解性有机碳与Fe-OC呈显著正相关(P<0.01)。本研究可为退耕还湿、土壤碳增汇提供科学参考。

模拟酸雨对福州平原水稻田土壤化学结合态有机碳含量的影响

为阐明酸雨对水稻田土壤化学结合态有机碳含量的影响,以福州平原水稻田为研究对象,在早稻和晚稻生长期中,设置对照(CK)、模拟pH=2.5、pH=3.5、pH=4.5酸雨处理,对酸雨影响下福州平原水稻田土壤化学结合态有机碳含量进行了测定与分析.结果表明,酸雨作用下早、晚稻土壤有机碳(SOC)含量介于13.40～20.17 g·kg^(-1),与土壤全氮(TN)含量显著正相关(p<0.01);各处理下早稻田SOC含量均低于晚稻田,且早稻田土壤各处理间SOC含量差异不显著(p>0.05),其中,晚稻CK、pH=2.5和pH=3.5处理的SOC含量与早稻差异显著(p<0.05),酸雨处理均高于CK(p<0.05).早、晚稻土壤Ca-SOC含量介于0.31～0.42 g·kg^(-1),早稻期间pH=2.5处理中Ca-SOC含量与其他处理差异明显(p<0.05).早、晚稻土壤Fe(Al)-SOC含量介于2.90～4.64 g·kg^(-1),早稻各处理间差异不显著(p>0.05),而晚稻各处理间差异显著(p<0.05).相比之下,晚稻残渣态-SOC含量显著高于早稻(p<0.05),酸雨处理显著高于CK(p<0.05),且pH=2.5处理含量最高,均值为(15.21±0.37) g·kg^(-1),而早稻各处理残渣态-SOC含量差异不显著(p>0.05).此外,早、晚稻SOC与Fe(Al)-SOC、残渣态-SOC之间均具有显著正相关关系(p<0.01),早稻残渣态-SOC、晚稻Fe(Al)-SOC与土壤TN显著正相关(p<0.01).综上所述,酸雨通过提高晚稻SOC和Fe(Al)-SOC含量,进而增强土壤碳库稳定性,促进有机碳的积累.

水稻秸秆/根系添加对稻田红壤发生层颗粒态及矿物结合态有机碳的影响

【目的】基于室内培养试验,明确等碳量添加水稻秸秆(S)、根系(R)或二者混合物(S+R)对稻田红壤不同发生层中颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳的影响。【方法】以稻田红壤(20~30年)氧化还原层1(Br1)、犁底层(Ap2)及水耕表层(Ap1)的土壤为材料,基于等碳量添加S、R及S+R的培养试验,分析了水稻秸秆与根系添加到供试土壤30、60、120和210天时,各发生层土壤中总有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳及矿物结合态有机碳的变化差异与影响因素。【结果】等碳量添加S、R或S+R均可显著增加稻田红壤各发生层土壤总有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳及矿物结合态有机碳含量。但随着培养时间的延长,各发生层土壤总有机碳、闭蓄态颗粒有机碳和矿物结合态有机碳含量均呈显著降低趋势,而游离态颗粒有机碳含量则呈显著增加趋势。R或S+R处理的土壤总有机碳增加量均高于S处理,且Br1层土壤总有机碳的增加量显著高于Ap1和Ap2层。【结论】水稻秸秆与根系还田利于稻田红壤有机碳的增加,而将水稻秸秆和根系的混合物深还至Br1层(20~40 cm)对稻田红壤有机碳量的增加效果更好。

不同经营模式对蒙古栎林土壤有机碳组分的长效性影响

准确把握长期不同经营措施下蒙古栎林(Quercus mongolica)土壤有机碳及其组分碳含量的变化,对于深入理解森林经营管理对土壤碳库的长效影响作用及其固碳机制具有重要意义。以黑龙江省哈尔滨市丹清河实验林场蒙古栎天然次生林为研究对象,采用物理分组方法,研究目标树经营(经营强度45%、40%、70%,折灌除草)、综合抚育经营(经营强度45%、40%,不清理灌草)、无干扰经营对土壤有机碳及其组分碳含量的长效影响。结果表明,在23 a的经营实践后,与无干扰经营相比,目标树经营和综合抚育经营对土壤总有机碳含量的影响不显著,综合抚育经营显著降低了19.94%的粗自由颗粒有机碳(cfPOC)含量(P<0.05),而目标树经营显著提高了矿物结合态有机碳(MOC)含量97.92%(P<0.05),细自由颗粒有机碳(ffPOC)和物理保护颗粒有机碳(i POC)含量在3种经营模式间无显著差异。粗自由颗粒有机碳占土壤总有机碳含量的70.63%—76.53%,是土壤固存有机碳的主要形式。土壤C/N依次按颗粒有机碳、物理保护有机碳和矿物结合态有机碳逐渐降低,反映了有机碳在土壤中转化和固定的过程。从提升土壤质量及固碳能力方面考虑,目标树经营是蒙古栎次生林最优经营模式,无干扰模式次之,综合抚育经营对土壤质量和固碳增汇的影响较小。

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。

丛枝菌根真菌介导的土壤有机碳稳定机制研究进展

土壤有机碳(SOC)的稳定是陆地生态系统碳循环的关键过程之一,对维持土壤肥力和减少温室气体排放具有重要意义。以往认为植物残体中难降解性物质的物理保护和腐殖质影响土壤中有机碳库的稳定性。最近的研究结果表明,微生物介导的碳循环过程在土壤有机碳稳定中发挥着重要作用。丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)作为土壤中一类重要的共生微生物,参与植物光合碳向土壤的转运和分配,是陆地生态系统碳循环的重要一环,但其在土壤有机碳稳定中的作用潜力还未得到充分挖掘。基于此,本文估算了植物光合碳在AMF根外菌丝的分配量;总结了AMF介导的土壤有机碳稳定机制,主要包括AMF活体菌丝对碳的截留,分泌物及残体的分子结构抗性和土壤矿物吸附,提高植物源碳的质量和数量,菌丝分泌物及残体的激发效应和稳定土壤团聚体;探讨了影响AMF介导的稳定性有机碳形成的非生物(气候因子、土壤养分和土壤矿物)和生物因子(植物和AMF种类);提出了AMF与土壤有机碳周转互作机理进一步的研究方向,包括探究菌根植物光合碳转化为稳定性SOC的机制,解析不同生态系统中AMF对稳定性SOC的贡献及影响因素,并厘清不同管理措施下AMF生物量、多样性与稳定性SOC的关系。以期为更好地利用AMF提升陆地生态系统碳汇和缓解全球气候变化提供理论依据。

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。