不同土地利用方式对土壤有机无机碳比例的影响

【目的】土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)对全球碳循环和减缓气候变化具有重要作用,进一步明确二者之间相互转化关系,对准确估算土壤碳储量具有重要意义。现有研究对SOC和SIC相互关系缺乏系统量化,研究结果不一。因此,明确SOC和SIC之间相互关系,可为准确估算和模拟土壤碳的转化过程提供理论基础。【方法】本研究搜集了我国1990—2018年已发表的文献共41篇,从不同气候区、不同土地利用方式、不同土层深度探究了SOC和SIC比例的变化,进一步量化了二者之间的相互关系。【结果】不同气候区、不同土地利用方式下土壤SOC/SIC值在0—20 cm土层均大于20—100 cm土层。具体来说,在温带大陆性气候区,草地0—20 cm土壤SOC/SIC值最小(0.53),林地(0.90)和农田(0.80)土壤较高,且三种土地利用方式下SOC和SIC呈极显著正相关关系;而在温带季风性气候区,0—20 cm土壤SOC/SIC值表现为草地(0.82)≈农田(1.05)>林地(0.29),且SOC和SIC在林地、农田土壤中呈正相关关系,但在草地土壤中二者为负相关关系。另外,温带大陆性气候区20—100 cm以林地土壤SOC/SIC值最高,草地和农田次之,而在温带季风性气候区三种土地利用方式下无显著差异;SOC和SIC在林地和农田土壤中呈正相关关系,然而在草地土壤中为负相关关系。温带大陆性气候区SOC/SIC值总体以林地较大,农田、草地次之。温带季风性气候区,0—20 cm土层SOC/SIC值以草地较大,农田和林地分别次之。这可能是因为植被覆盖不同,导致了作物碳的归还量不一。同时,不同的植被覆盖还影响了土壤中的各种生物化学进程,改变了碳在土壤中的循环转化过程,进而影响了SOC和SIC含量,使得SOC/SIC值产生较大差异。【结论】SOC和SIC之间存在循环转化关系,且不同气候条件、不同土地利用方式、不同土壤类型对SOC和SIC循环转化存在显著影响。不同条件下SOC/SIC值存在显著差异,且二者呈现不同的相关性。本研究结果可为明确土壤碳的循环积累机制,准确估算土壤有机和无机碳库提供理论依据。

不同土地利用方式下我国北方土壤有机、无机碳库的变化趋势及原因分析

【目的】土壤碳酸盐含量的变化对干旱半干旱地区大气中CO2的吸附固定有重要影响。探究不同土地利用方式下土壤无机碳(SIC)含量沿土壤剖面的变化特征及其影响因素,理解其在土壤中的循环转化,有助于准确预测土壤碳储量对全球环境变化的响应和碳减排的效果。【方法】搜集、提取1990—2018年我国已发表的涉及撂荒地、灌木地、草地、林地和农田5种土地利用方式下0—100 cm不同土壤剖面深度土壤有机碳(SOC)和SIC含量的相关数据,分析不同利用方式下SOC和SIC的相互关系。【结果】SOC含量随土壤深度增加而降低,而SIC含量随土壤深度变化的特征在5种土地利用方式下有明显差别。在0—60 cm土层,农田和草地具有较高的SOC含量,灌木地具有较高的SIC含量,撂荒地中各土壤剖面层次的SOC和SIC含量均显著低于其他利用方式(P <0.05)。在60—100 cm土层,撂荒地和灌木地SOC和SIC含量均明显低于其他3种土地利用方式。在0—20 cm土层,SOC/SIC值在农田土壤中(0.80±0.05)最高,而在撂荒地(0.40±0.02)和灌木地(0.50±0.03)最低。在20—60 cm土层,草地和农田土壤的SOC/SIC值在剖面各层显著高于撂荒地和灌木地(P <0.05)。在60—100 cm土层,草地土壤中SOC/SIC值显著高于其他4种土地利用方式(P <0.05)。在撂荒地、灌木地、林地(除了60—80 cm土层)和农田土壤中,SOC和SIC含量在各个剖面层次上均呈现显著正相关关系,而草地土壤中SOC和SIC含量则在各个土壤剖面呈现出显著负相关关系。根据估算,0—100 cm土层SIC储量能够占到整个土壤碳库(SOC+SIC)的60%~80%。草地0—100 cm的SOC储量最高,为C (56.65±4.00)kg/m^2,是其他土地利用方式的1.6~3.7倍,撂荒地的SIC储量最低,为C (51.05±5.11) kg/m^2,是其他4种土地利用方式的51.1%~57.5%。【结论】在我国北方干旱半干旱地区,农田、草地、灌木和林地土壤中秸秆、根茬、植株残渣等有机碳源的输入刺激了微生物的分解作用,促进了土壤有机碳向无机碳的转移过程,有利于大气CO2的截存。而撂荒地地面植被较少、生物化学风化作用弱,且易受环境扰动,不利于对大气CO2的吸附固定。此外,灌溉、耕作、施肥等人为因素驱使土壤中碳酸盐向深层土壤运移,导致农田土壤无机碳库在土壤深层积累,对CO2截存作用更大。而灌木地则通过根系水分输送驱动土壤深层碳酸盐向表层运移,导致深层土壤无机碳库减少,降低CO2固定潜力。

我国东北土壤有机碳、无机碳含量与土壤理化性质的相关性

根据黑龙江、吉林、辽宁省和内蒙古地区相关历史资料数据,分析了我国东北表层土壤(0—50 cm)土壤相关理化性质与有机碳、无机碳的相关性,得到如下结论:土壤全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾、K+离子交换量、Fe2O3、P2O5、总孔隙度均与土壤有机碳含量呈显著正相关(R2=0.10—0.94,n=38—345,P<0.0001),但与土壤无机碳含量则大多呈显著负相关(R2=0.11—0.30,n=37—122,P<0.01);与此相反,土壤pH值、容重与土壤有机碳呈负相关(R2=0.36—0.42,n=41—304,P<0.0001),而与无机碳呈显著正相关(R2=0.29—0.31,n=39—125,P<0.01)。表层土壤有机碳、无机碳与土壤理化性质呈相反变化趋势的结果说明,由于土壤利用方式变化所导致的土壤理化性质改变对土壤无机碳和有机碳可能具有相反影响。在研究土壤碳平衡过程中,应该充分考虑这种关系所导致的相互补偿作用,即有机碳的增加,可能意味着无机碳的减少,或者反之。目前研究中普遍忽略无机碳的变化,可能导致生态系统碳收支计算显著偏差,所获得的经验拟合方程有利于对我国东北地区土壤碳平衡研究产生的这种偏差进行粗略估计。

长期施肥对我国北方潮土碳储量的影响

利用20a长期肥料定位试验,研究了化肥单施与化肥、有机肥配施条件下土壤有机、无机碳在0～1m土层的分布特征,并在此基础上计算0～1m土层碳库的储量变化。结果表明,N、P肥的施用对土壤有机碳的累积表现为正效应,这一效应在耕层最为明显,耕层土壤无机碳含量随有机碳含量升高而降低。0～1m土层碳储量计算结果为:以常规水平单施氮、磷肥,有机碳储量较试验开始时增加14.4t·hm-2;有机肥与常规水平氮、磷肥配施,有机碳储量增加19.5t·hm-2;常规水平单施氮、磷肥处理与不施肥处理0～1m土层碳的总储量无差异,分别为146.8、146.9t·hm-2。

中国水稻土有机和无机碳的空间分布特征

农业土壤碳库对陆地生态系统碳循环的研究具有重要意义。水稻土是中国主要的耕作土壤，在土壤碳固定研究中具有现实意义。文章根据最近建成的中国1：100万数字化土壤图和全国1490个水稻土剖面数据，估算我国水稻土碳密度和储量，并进一步分亚类和区域研究了水稻土碳库的分布特征。结果表明，中国水稻土面积为45．69×10^4km^2，占我国土壤总面积的4．92％。中国水稻土无机碳的分布面积为5．93×10^4km^2，仅占水稻土总面积的13％。水稻土碳密度具有高度的空间变异性，水稻土剖面0～100cm有机碳密度介于0．53kg·m^-2-446．2kg·m^-2之间，无机碳密度介于0．05kg·m^-2～90．03kg·m^-2。水稻上表层0-20cm有机碳密度介于0.17kg·m^-2-55．38kg·m^-2之间，无机碳密度介于0．01kg·m^-2-21．85kg·m^22。中国水稻土刮面0～100cm和表层0-20cm碳总储量分别为5．39Pg和1．79Pg。水稻土碳储量以有机碳为主，约占水稻土碳总储量的95％，水稻土剖面0-100cm和表层0-20cm有机碳储量分别为5．09Pg和1．72Pg。水稻土无机碳储量较低，仅占水稻土碳总储量的5％左右，水稻土剖面0～100cm和表层0～20cm无机碳储量分别为0．30Pg和0．07Pg。

利用^(13)C标记和自然丰度三源区分玉米根际CO_(2)释放

石灰性土壤中,根际土壤释放的CO_(2)有三个来源,即根源呼吸、土壤有机碳(SOC)分解和土壤无机碳(SIC)溶解,三源区分土壤释放的CO_(2)是量化土壤碳平衡的前提。分别在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期进行7 h的^(13)O_(2)脉冲标记,经过27 d示踪期后破坏性取样,测定^(13)标记与自然丰度处理中,玉米地上部、根系、土壤和土壤CO_(2)的碳含量和δ^(13)值,利用^(13)示踪并结合自然丰度法区分玉米土壤CO_(2)的来源。研究结果显示,随着玉米生长,根源呼吸对土壤CO_(2)的贡献呈降低趋势,从拔节期的66.7%降低至灌浆期的25.8%。整个玉米旺盛生育期内(从拔节期到生育期末),根源呼吸和土壤总碳释放对土壤CO_(2)具有同等贡献,SOC和SIC释放对土壤总碳释放的贡献率分别为30%和20%。玉米生长对土壤的碳输入(根系+根际沉积物)超过土壤总碳(SIC+SOC)的释放,总体表现为土壤碳汇。研究表明,SIC溶解对全球碳库稳定性和调节CO_(2)浓度的影响非常重要,若忽视石灰性土壤中SIC溶解,则会高估SOC的分解,进而影响SOC激发效应以及土壤碳平衡的评估。

塔克拉玛干沙漠公路防护林不同咸水滴灌下土壤有机碳与无机碳垂直分布特征

干旱半干旱荒漠区是一个潜力巨大的碳汇,荒漠植被建设则进一步加速了其固碳过程。探究咸水滴灌条件下塔克拉玛干沙漠公路防护林土壤碳垂直分布特征及其影响因素,可为干旱荒漠区人工林碳储量的估算和可持续管理提供科学依据。选择沙漠公路沿线4.82~28.40g/L的4个高矿化度地下水滴灌的人工防护林,采集并分析了0~5m各层土壤有机碳(SOC)与无机碳(SIC)含量及碳密度的垂直分布特征及其与含水量、pH和土壤电导率(EC)间的相关关系。结果表明,SOC与SIC随土层深度的增加分别呈现“减-增-减”与“增-减-增”趋势,并最终分别在2m和3m以下土层趋于稳定;浅层(0~40cm)土壤有机碳密度(SOCD)和无机碳密度(SICD)分别比流沙地增加了73%~346%和1.5%~14.0%,5m深土层SOCD、SICD和总碳密度分别增加了8.3%~28%、5.4%~58%和8.3%~29.9%,其中SICD为SOCD的13.3倍;人工林SOC分布与含水量和EC呈正相关,SIC与含水量同样呈正相关,同时SOC与SIC间相关关系为正相关。总之,荒漠人工防护林建设显著提高了SOC与SIC储量,且灌溉水矿化度、土壤含水量和EC均对SOC和SIC储量及垂直分布产生不同程度的影响。

土壤盐分对干旱区盐渍土壤碳垂直分布的影响

以新疆玛纳斯县盐渍土壤盐分和碳为研究对象,通过野外实地采样调查,分析干旱区盐渍土条件下的土壤盐分、有机碳、无机碳的垂直分布(0~300 cm)特征,探究土壤盐分对土壤碳垂直分布的影响。结果表明:土壤盐分含量随剖面深度增加呈"先增后降"的趋势,有机碳(SOC)含量随剖面深度增加呈下降趋势,无机碳(SIC)含量随剖面深度增加无明显变化规律。土壤剖面中,盐分与有机碳(SOC)含量及密度呈显著正相关(P<0.05),在0~100cm土体中相关性最高(r=0.53);盐分与无机碳(SIC)含量及密度在整个土体中呈负相关关系,相关性不显著。

关中平原麦玉轮作体系作物秸秆不同还田模式下土壤有机碳和无机碳库变化特征

为探究不同秸秆还田模式对土壤碳库的影响,以陕西关中平原连续11年麦玉秸秆还田定位试验为基础,选择5种还田模式,即秸秆均不还田(CK)、小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田(WH-MC)、小麦玉米秸秆均粉碎还田(WC-MC)、小麦高留茬-玉米秸秆不还田(WH-MN)和小麦秸秆粉碎还田-玉米秸秆不还田(WC-MN),测定不同模式土壤有机碳(SOC)、活性碳组分和无机碳(SIC)在0~40 cm土层的分布。结果表明:与CK相比,WH-MC和WC-MC的SOC储量分别增加28.1%和22.2%,SIC储量分别增加20.4%和17.3%;与试验初始土壤碳储量相比,各还田模式SOC固持量变化为-0.84~6.55 t·hm^(-2),SIC固持量为-0.26~8.61 t·hm^(-2);土壤总固碳效率为7.5%,维持土壤初始碳储量水平的最小碳投入量为4.65 t·hm^(-2)·a^(-1);与CK相比,WH-MC和WC-MC显著提升0~20 cm土层活性碳组分含量。主成分分析表明,不同还田模式下土壤碳库变化主要受秸秆投入量的影响。来源于灌溉水和植物残体的Ca^(2+)、Mg^(2+)与SOC矿化产生的CO2可共沉淀形成CaCO3,可能是本研究SIC增加的主要机制。从提高土壤碳固持角度来看,小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田模式为最佳还田模式。