土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展

土壤有机碳是地球表层储量最高且储存周期最长的生态系统碳库之一。如何提高土壤有机碳稳定性和增强土壤固碳减排能力,是陆地生态系统碳管理可持续战略的关键科学问题。国际学术界一致认为农田生态系统在固碳方面的作用越来越明显,在实现碳中和的进程中发挥重要的作用。农田管理实践方式会扰动土壤碳循环过程,采取有效的管理方式会使其成为碳汇。目前,国内研究主要集中在耕作方式、施肥和灌溉水平、秸秆还田对农田生产力、碳固持速率、温室气体排放方面的影响,但就农田生态系统有机碳稳定性对不同农田管理方式的响应机制以及与土壤碳排放之间的关系认识尚未明确。^(13)C同位素技术是研究农田土壤碳循环过程的有力工具,通过测定土壤碳排放过程中不同有机碳组分的同位素丰度,能够精准区别土壤呼吸组分和来源,从而更好地揭示土壤有机碳稳定性对农田管理措施的响应机制,为增强土壤碳汇效应和农业可持续发展提供科学依据。以往的研究大多集中在模拟试验以及小范围、短时间监测,与实际差距较大,测量结果会高估或低估实际值。因此,在未来的农田土壤碳循环研究过程中要采取多点、长时间实时原位监测,并结合^(13)C同位素技术,实现土壤CO_(2)排放实时分解,达到揭示土壤有机碳稳定性机制的目的。

华北平原禹城地区地下水埋深对地下水及土壤水分和盐分分布的试验研究

【目的】研究不同浅层地下水埋深下的土壤水盐分布规律及其对作物产量的影响。【方法】在体积蒸渗仪样地中设置4个地下水埋深处理,分别为G0(无地下水埋深)、G1(地下水埋深40 cm)、G2(地下水埋深70 cm)、G3(地下水埋深110 cm)和G4(地下水埋深150 cm),监测夏玉米在自然蒸发条件下的浅层地下水盐分离子量变化和夏玉米收获后土壤水分和盐分的垂直变化。【结果】(1)地下水埋深越深,表层(0~20 cm)土壤含水率与含盐量越低。与G0处理相比,G1处理和G2处理表层土壤含水率分别显著增加27.54%和26.97%,G3处理增加8.25%,而G4处理仅增加2.18%;G1、G2、G3处理表层土壤含盐量分别增加0.79、0.47、0.43 g/kg,而G4处理则减少了0.01g/kg。G1、G2、G3处理下的盐分主要积累在表层土壤,G4处理主要积累在40~70 cm土层;(2)地下水埋深与表层(0~20 cm)土壤含水率与含盐量呈线性关系,地下水埋深每增加0.1 m,表层土壤含水率降低0.53%,含盐量降低0.065 g/kg。(3)浅层地下水中的主要阳离子为Na^(+)、Mg^(2+),主要阴离子为SO_(4)^(2-)和HCO_(3)^(-),集中降水使浅层地下水中离子由Na-Cl·SO_(4)向Na-HCO_(3)转化;(4)在强烈的地表蒸发下,地下水埋深越浅,地下水中离子浓度上升越快。其中HCO_(3)^(-)浓度在各处理中波动较大,总体呈上升趋势;而NO_(3)^(-)由于施肥的影响,地下水埋深越浅,NO_(3)^(-)在浅层地下水中达到峰值的速度越快,且浓度越高。【结论】增加浅层地下水埋深可有效降低表层土壤水盐量,减小浅层地下水受蒸发、降水的影响。浅层地下水埋深为1.2 m最适宜夏玉米生长,产量最优。研究不同浅层地下水埋深对农田土壤水分和盐分的影响有助于掌握农业生态系统中水盐迁移以及地下水与土壤的相互作用机制,对于防止土壤盐渍化、保障作物产量具有重要意义。

地下水-农田生态系统关键过程综合试验模拟装置(禹城地下水农田模拟装置)

黄河下游引黄灌区是我国重要的粮食保障基地。该地区当前面临严重的缺水和水资源分配不足问题,从而导致地下水位快速下降。由此对未来农业及生态环境的影响存在诸多未知和不确定性,已成为当前农田生态系统研究的热点。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院禹城综合试验站(以下简称“禹城站”)/山东禹城农田生态系统国家野外科学观测研究站2016—2020年建成了16个地下水位可调控的封底样地群构成的地下水-农田生态系统关键过程综合试验模拟装置(以下简称“禹城GAS”)。禹城GAS集成了大型封底样地子系统、地下水位自动调控子系统、土壤温度-湿度-盐分监测子系统、土壤水采集子系统、根系生长监测子系统、地下水水量-水质动态监测子系统、关键带动态监测子系统、农田生态系统水碳氮交互作用研究子系统、近地面无人机作物长势-多光谱监测子系统等9个子系统;通过多方法定位监测、多要素分层解析、多尺度立体监测组成的综合监测体系,禹城GAS可支撑开展地下水动态变化情景下农田生态系统碳氮水养分循环、粮食安全、生态安全和环境安全相关的基础试验研究和国际前沿探索。

CERN分布式土壤样品长期保存系统的构建

长期保存的土壤样品是国家科技基础支撑条件的重要组成部分,对于土壤及环境长期变化研究和科学数据开放共享等具有重要价值。近年来,随着我国对农业和生态环境科技投入的不断增长,土壤调查强度逐步增大,土壤样品积累速度明显加快,因此,亟需相关的标准规范来指导土壤样品的长期保存。在国家标准《土壤质量土壤样品长期和短期保存指南》(GB/T 32722—2016)的基础上,结合“十三五”期间CERN分布式土壤样品长期保存系统建设经验,本文对土壤样品保存管理策略、土壤样品保存条件要求和土壤样品信息管理系统进行了介绍,以期为我国土壤样品长期标准化保存,以及第三次全国土壤普查样品库建设提供参考。

模拟增温对华北农田土壤碳排放的影响

为研究增温效应下农田温室气体排放的变化和机制,选择华北平原的山东禹城农田生态系统国家野外科学观测研究站当地典型的冬小麦-夏玉米农田为研究对象,设计翻耕增温(CTW)处理和翻耕不增温(CTN)对照开展多年增温试验。2014年10月出苗期至2015年12月冬小麦越冬期持续增温,2016年初至2016年9月增温设备因故障关闭。结果显示,2014—2015年,冬小麦期土壤温度显著增加1.31℃(P<0.05),夏玉米期土壤温度升高0.71℃(P>0.05),而全年土壤体积含水量均值对增温无显著响应,仅越冬期土壤含水量增加明显。两年期内,增温抑制冬小麦季CO2累积排放达20.35%,以3月和5月差异表现最为明显。2014—2016年冬小麦季,CTW、CTN处理的年均CH4累积吸收量分别为1641.2、2185.7 g·hm^-2,增温抑制冬小麦季CH4吸收,但对夏玉米季CH4通量无显著作用。冬小麦季增温降低CTW处理土壤微生物生物量碳值达26.55%,而微生物生物量氮仅个别施肥和灌溉月份对增温响应显著。两年期冬小麦和夏玉米季CTW、CTN地上生物量均值分别为12.19、16.33 mg·hm^-2和16.41、21.18 mg·hm^-2,表明增温降低了地上作物生物量。研究表明,长期增温显著抑制小麦季土壤CO2释放和CH4吸收,但玉米期碳排放和吸收的响应相对较弱。增温条件下,土壤水热条件和生物量依然是限制土壤碳通量的重要因素。

玛纳斯河流域土壤水稳定同位素特征及运移机制

干旱区土壤水分垂直方向运移与分配,特别是膜下滴灌绿洲地区土壤水分垂直方向分布现状与运移机制尚不清楚。为探究干旱区农田生态系统水分层贡献问题,阐明农田土壤中水分运移过程,于2019年沿新疆玛纳斯河流域农田土壤进行分层采样,依次为0~5、5~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm。测定了稳定同位素δD和δ^(18)O值,对同位素δD和δ^(18)O值进行数据分析。结果表明:δD和δ^(18)O最大值位于0~5 cm土层,分别为-25.64‰和-0.19‰;δD和δ^(18)O最小值位于20~40 cm土层,分别为-108.32‰和-8.19‰。0~5 cm土层δD和δ^(18)O值较高,表明上层比下层更易受水分蒸发作用影响,存在强蒸发效应。随土层深度增加,δD和δ^(18)O值呈减小趋势,其中80~100 cm土层变化趋势缓慢。氘盈余值表现为山地>平原>荒漠>山前。研究表明,受长期膜下滴灌影响,加之蒸发作用强烈,玛纳斯河流域土壤水分迁移过程发生改变。

黄河三角洲降水同位素变化特征及水汽来源

为揭示黄河三角洲盐碱地地区的降水来源、形成及影响机制,利用降水稳定同位素,特别是δ^(17)O、17O-excess,以及气团轨迹模型HYSPLIT,研究黄河三角洲东营地区5—10月不同时间尺度及降水强度[(<5、5~10、10~25、25~50、>50 mm·d^(-1))]的降水同位素变化特征及水汽来源。结果表明:5—10月降水同位素的变化范围较大,旱季降水的同位素变化范围小于雨季,且比雨季富集。降水强度<5 mm·d^(-1)的降水,δ′18O[δ′18O=ln(δ^(18)O+1)]与δ′17O[δ′17O=ln(δ^(17)O+1)]的降水线斜率最小,为0.5211,降水易受水汽源地蒸发作用的影响;10 mm·d^(-1)≤降水强度<25 mm·d^(-1)时,斜率最大,为0.5268。对于0~50 mm·d^(-1)4种不同强度的降水,随降水量增多δ^(2)H;δ^(18)O和δ^(17)O值均降低。旱季降水17O-excess与温度呈正相关,可能受到大陆循环水汽的影响;雨季降水17O-excess与相对湿度呈负相关,受蒸发作用较小。HYSPLIT气团轨迹模型表明,旱季降水主要受大陆性季风影响,而雨季降水受海洋性和大陆性季风的共同影响。综上,降水受不同水汽来源地蒸发、局地气象因素和大气水汽来源的共同影响,使得不同尺度同位素存在差异。本研究可为黄河三角洲地区紧缺的水资源分配提供科学依据。