中国农田生态系统土壤碳库的饱和水平及其固碳潜力

在利用反硝化-分解(DNDC)模型估算中国分县农田土壤碳库及其变化量的基础上,分析中国分省农田土壤碳库的饱和水平,估算各省市自治区农田土壤的固碳潜力,比较旱田与水田固碳能力的差异。结果表明:笔者所得到的中国农田土壤碳库的饱和水平可代表在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下农田土壤经过耕种后所能达到的碳含量的平衡值,为农田选择土地利用方式、耕作栽培措施和施肥方式以固定更多的碳素提供依据。在分布上,中国农田土壤碳库的饱和水平以华北地区较低,以华北地区为中心向外呈辐射状递增。在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下,中国农田土壤的固碳潜力为-0.969 Pg。从单位面积的固碳潜力看,以西藏自治区最高,黑龙江省最低;从分布看,从南向北有逐渐递减的趋势。中国水田比旱田有更大的固碳能力。     

耕地土壤碳固存的措施与潜力

土壤CO2排放与土壤退化、土壤有机质(SOC)含量减少和土壤质量下降密切相关。耕地具有较大的碳固存潜力。通过采用最佳管理措施(BMPs)和进行土壤修复来提高土壤质量，能增加SOC含量和提高土壤生产力，并能部分起到减缓温室效应的作用。文章从土壤固碳的机制入手，系统总结了在耕作土壤碳固存方面的研究。从土壤侵蚀控制、退化土壤修复、保护性耕作、残落物管理，改善农作物制度等方面，论述了耕地的固碳潜力，并提出了一系列实现碳固存的措施。最后估算出耕地土壤总的固碳潜力为0．73～0．87Pg/a。研究表明,在替代性能源开发之前，耕地碳固存是一项切实可行的措施。     

江西兴国县农田土壤固碳潜力20a变化研究

通过GIS技术,采集38个农田土壤样品,研究了江西兴国县农田土壤有机碳变化量的空间分布特征.结果表明,20a来,兴国县农田土壤中土壤有机碳增加的面积为621.3km2,减少的面积为38.4km2,增幅主要在0~5g/kg和5~10g/kg;千枚岩、花岗岩、红砂岩、第四纪红粘土和紫色砂页岩发育的土壤中有机碳变化量分布的面积分别为361.7km2、144.7km2、76.5km2、48.7km2和18.0km2,海拔在300m以下、300~500m、500~800m和800m以上的土壤中有机碳变化量分布的面积分别为358.9km2、200.2km2、62.9km2、28.0km2.多元回归分析显示,20a来土壤有机碳变化量和初始含量呈负相关关系,土壤有机碳变化量和海拔、粘粒含量呈正相关关系.图1表2参15     

生草栽培下果园土壤固碳潜力研究

果园是我国南方红壤丘陵区重要的土地利用类型之一,但目前丘陵区果园中存在一些不合理开发、传统粗放式的经营、水土保持技术缺乏等因素,导致水土流失严重,土壤退化严重。寻求合理的土壤管理措施,减少果园水土流失,增加红壤的碳汇功能一直是学术界和生产实践面临的重要问题。本研究以福建尤溪长期定位试验为研究平台,研究顺坡开垦＋清耕、梯台开垦＋清耕、梯台开垦＋套种平托花生Arachis pintoi这3种垦殖方式对红壤果园有机C含量的影响,并利用Jenny模型对不同处理的土壤有机碳动态进行模拟。结果表明,经过14年的垦殖,清耕模式导致土壤容重增大,而梯台生草处理土壤容重比开垦前降低了1.8%;生草栽培不但提高了果园土壤有机碳含量,且生草栽培处理的土壤有机碳储量比清耕处理提高了13.9%～34.7%,其与清耕处理间的差异达到显著性水平;本试验条件下果园土壤有机碳平衡值为16.607~25.608 g/kg,并以此估算得到生草栽培处理0~20 cm土层有机碳储量平衡值为54.801 t/hm2,其固碳潜力为24.6951 t/hm2,分别是顺坡清耕和梯台清耕处理的4.2倍和1.5倍。因此可以认为生草栽培有利于提高土壤的碳汇功能。     

推荐管理措施情景下黄淮海地区旱地土壤固碳潜力模拟研究——以河南省获嘉县为例

农田土壤固碳不仅可以减缓气候变化,而且能够提高土壤质量。推荐管理措施,如少、免耕和秸秆还田等,具有促进农田土壤有机碳（SOC）增加的巨大潜力。旱地占中国农田面积的70%以上,在固定大气CO2方面可以发挥重要作用。本研究基于黄淮海地区的一个旱地土壤肥力长期监测点数据并运用Century模型模拟了监测期间（1998～2007）土壤有机碳动态变化。在此基础上,设计了1种基础管理措施情景和4种推荐管理措施情景并模拟了它们未来20年的固碳潜力。模拟结果表明,监测期间监测点土壤有机碳密度增加2.72 Mg.hm-2,年均增加0.27 Mg.hm-2。土壤有机碳的增加主要是因为氮肥施用量的增加。模型验证结果表明,Century模型很好地模拟了监测点土壤有机碳的动态变化。各推荐管理措施均具有较大的固碳潜力,其中50%秸秆还田是比少、免耕更有效的固碳措施,而少耕＋50%秸秆还田的固碳潜力最大。因此,在黄淮海地区旱地推广实施推荐管理措施是促进农田土壤固碳的有效策略,有助于减缓大气CO2浓度升高和保障国家粮食安全。     

秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的Meta分析

秸秆还田能改变农田土壤微生物生物量碳(Soil Microbial Biomass Carbon,SMBC)含量,分析秸秆还田条件下SMBC含量变化及其相关影响因素,对理解秸秆还田下土壤养分周转与碳循环机制具有重要意义。基于中国知网和Web of Science数据库2001-2022年公开发表的68篇文献,建立了839组包含秸秆还田和秸秆不还田下SMBC含量的数据库,按照气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量进行分组,采用Meta分析对秸秆还田条件下SMBC含量变化的特征进行综合分析。结果表明,与秸秆不还田相比,1)秸秆还田显著提升SMBC含量(51.4%,置信区间为0.373-0.654),且对不同土层SMBC含量的提升效果不同,浅层和深层SMBC含量分别提升47.9%和42.7%。2)秸秆还田下温带季风气候区和亚热带季风气候区SMBC含量分别增加71.0%和35.8%,但在温带大陆气候区对SMBC含量影响表现出显著负效应,降低幅度为35.6%。3)不同耕作方式下旋耕(99.2%)对SMBC含量的增幅影响最为明显,约为常规耕作和免耕下的2.4倍和4倍。4)旱地秸...     

长期施肥对华北平原农田土壤呼吸及碳平衡的影响

在具有21年历史的长期定位试验地,研究了土壤温度变化、不同施肥处理对土壤释放CO2及小麦(Triticum aestivumL.)、玉米(Zea mays L.)吸收CO2的影响,进而明确在华北平原小麦-玉米轮作制的农田生态系统中碳素平衡问题.研究表明:土壤释放CO2的量与土壤温度呈明显的正相关,相关系数分别达到r=0.717**(5 cm地温)和r=0.764**(10 cm地温).进一步研究表明:在小麦生育期,施氮、磷各处理土壤释放CO2的数量随气温而增加,氮、磷肥配合的各处理与对照和单施氮、磷肥处理之间有显著的差异(P<0.05);但是2个处理组合(氮、磷肥配合、单施氮、磷肥)之内各处理之间差异不显著.土壤温度在10～20℃之间单施氮、磷肥无助于改变土壤释放CO2的量,而氮、磷肥配合施用可以明显地增加土壤释放CO2的量.不施肥与单施氮、磷肥处理麦田土壤呼吸释放的CO2量大于小麦固定的CO2量,向大气净排放的CO2量达0.83～3.73 t hm-2,而氮、磷肥配合处理的麦田从大气中净吸收的CO2量达7.89～12.49 t hm-2.在玉米生育期,土壤释放CO2的量在7月中旬达到最高值(12.40～22.52 g·m-2·d-1),9月中旬降到最低(6.19～8.20 g·m-2·d-1).施用N 540 kg·hm-2·a-1,P2O5 135kg·hm-2·a-1的处理(N2P2)释放的CO2量与施用N 270 kg·hm-2·a-1的处理(N1)之间差异不显著.与其它各处理之间差异显著(P<0.05),表明在玉米生育期长期施用高量氮、磷肥明显地影响到土壤释放CO2的量.玉米不但可以吸收土壤释放的CO2,还要从大气中吸收大量CO2,即在玉米生育期的农田生态系统可以降低大气中CO2的含量.总之,在华北平原小麦一玉米轮作制的农田生态系统土壤呼吸不会增加大气中CO2的含量,相反则有可能减少其含量.     

燕山典型流域两种造林树种生态系统碳储量及固碳潜力研究

选择燕山典型流域6个林龄序列的小叶杨（Populus simonii）和5个林龄序列的山杏（Prunus sibirica）主要造林树种为研究对象,利用时间替代空间样地测量法量化退牧还林后生物量碳储量、凋落物碳储量和土壤碳储量及生态系统碳储量的变化规律,同时以各组成碳库-林龄序列中的最大碳储量之和作为生态系统饱和碳储量,以未退牧的天然草地生态系统碳储量作为初始植被类型的碳储量,分析总结了退牧还林对生态系统碳储量和碳循环的影响。结果表明,退牧还林后生态系统的生物量碳储量、凋落物碳储量基本随退牧年限的增加而增加,土壤碳储量随退牧年限的增加呈现先减小后增加的趋势。在没有人为干扰的情况下,9、15、18、22及29 a生小叶杨林的生态系统碳储量分别为7147.45、7461.67、7509.895、8468.375及8247.85 g·m^-2,9、15、18、22及26 a生山杏林的生态系统碳储量分别为6695.44、6700.82、8011.86、8001.92及7981.92 g·m^-2;9、15、18、22、29及36 a生小叶杨林的生态系统固碳潜力分别为757.08、1071.3、1119.53、2078.01、1857.48及1312.21 g·m^-2,9、15、18、22及26 a生山杏林的生态系统固碳潜力分别为310.45、1621.49、1611.55、1591.55及757.08 g·m^-2。长期来看,研究区退牧还林对提高生态系统碳汇能力是可观的、积极的。研究结果对提高造林对碳汇影响的估测能力提供数据支持,也为政府参与国际全球气候变化的谈判提供一个很好的案例研究和科学根据。     

Estimation of soil carbon saturation and carbon sequestration potential of an agro-ecosystem in China

Soil is believed to be the most important sink for sequestering atmospheric carbon. Hence, estimating soil carbon sequestration potential has been carried out for different regions and agricultural practices. However, soil carbon saturation (SCS), a fundamental concept for estimating soil carbon sequestration potential, has not been estimated for countries or regions. In this study, we estimated SCS of agricultural land for most provinces in China for 1990 by the DNDC model, a carbon and nitrogen biogeochemical cycle model, in order to provide a basis for farmers to select the land use, tillage and fertilization regimes to sequester more carbon. The result showed that SCS was as low as 0.48% in Tianjin and up to 5.14% in Tibet. There was a positive correlation between SCS and the proportion of paddy field in a province. In 1990, cropland soil carbon sequestration potential (SCSP) in China was -0.969 Gt C (-2.706 to 0.767 Gt C). This suggests that agricultural soil will be a carbon source to the atmosphere if agricultural practices are not altered. However, SCSP differed between provinces in China. SCSP was highest in Tibet (7.9 t C ha-1) and lowest in Heilongjiang Province (-60.8 t C ha-1), with a gradual decrease from south to north in China.     

森林土壤固碳机理研究进展

全球碳平衡中,土壤有机碳储量为2000 Pg,植被碳储量500 Pg,大气碳储量785 Pg,土壤中有机碳变化是影响大气温室气体含量的重要因素。中国人工林总量世界第一,可以通过造林树种的选择,增加森林土壤的碳汇功能,它主要通过4种机理来实现,包括稳定性有机-矿物复合体的形成、持久性封存的深层碳的增加、耐分解有机物成份的积累、以及土壤团聚体结构中碳的物理性保护。中国近年来对木材的需求上升,导致大量短轮伐期人工林的种植,采伐、火烧炼山、施肥与整地等营林措施对土壤碳汇功能形成重大影响。因而,通过加强对中国人工林土壤固碳机理的研究,通过人为措施实现具有较强固碳能力的森林类型,从而提高人工森林生态系统的固碳能力,它对中国减排增汇战略具有重要意义,而加强对不同营林措施对碳汇功能影响的研究是中国当前面临的重大课题。     

鼎湖山森林演替序列水文过程中总有机碳(TOC)变化规律及其对土壤碳平衡的贡献

森林水文过程中的总有机碳转运对土壤有机碳平衡起着重要的作用,但我们对于水文过程对碳平衡的贡献机理所知甚少.本研究针对鼎湖山季风常绿阔叶林演替序列不同森林生态系统(马尾松林、针阔混交林和季风常绿阔叶林(简称季风林))的大气降水、穿透水、树干流、凋落物淋洗水以及地表径流中的总有机碳(TOC)进行了三年(2002年4月-2005年5月)观测,以此来分析水文学过程中TOC的变化规律和水文学过程对不同成熟度森林生态系统土壤有机碳积累的贡献.每场雨后进行水样的采集,采集的水样装入棕色玻璃瓶中,加硫酸至pH值小于2,放置于实验室冰箱冷藏待测.TOC用日本岛津公司生产的5000A型TOC-V分析仪测定.研究结果及推论如下:鼎湖山森林水文学过程中TOC浓度和总量变化呈现规律性的变化.大气降水中的TOC浓度和总量分别为(3.65±0.59)mg·L~(-1)和51.8104 kg·hm~(-2)·a~(-1),大气降水是鼎湖山森林生态系统水文循环过程中TOC的主要来源.穿透水(DTF)中TOC浓度和总量均为:松林>混交林>季风林,其中季风林TOC浓度显著低于其他两种林型.松林树干流的TOC浓度显著高于混交林和季风林.凋落物淋洗水TOC浓度和总量大小依次均为:松林>混交林>季风林,且三林型间存在显著差异(p<0.05).径流中TOC浓度和总量均较小,且无明显差异.在湿季5月份,穿透水、树干流、凋落物淋洗水的TOC浓度呈现下降趋势.干季(10月)开始以后,穿透水、树干流、凋落物淋洗水中的TOC浓度又逐步回升.地表径流中TOC浓度干湿季变化趋势不明显.干季中各水文学分量TOC浓度大于湿季,但TOC总量呈现相反趋势.在森林水文学过程中,凋落物淋洗水所携带的有机碳量是土壤有机碳输入的最大项,季风林、混交林、松林中TOC总量分别为246.983 kg·hm~(-2)·a~(-1),255.187kg·hm~(-2)·a~(-1)和261.876kg·hm~(-2)·a~(-1);其次是直接到达土壤表面的穿透水,季风林、混交林、松林中TOC总量分别为28.152kg·hm~(-2)·a~(-1),37.410kg·hm~(-2)·a~(-1)和43.176kg·hm~(-2)·a~(-1);树干流中有机碳浓度虽高,但总量很微小,季风林、混交林、松林中TOC总量分别为4.663kg·hm~(-2)·a~(-1),5.910kg·hm~(-2)·a~(-1)和4.566kg·hm~(-2)·a~(-1),所以对土壤有机碳收入贡献不大.径流所携带的TOC总量很小,季风林、混交林、松林中分别为8.707kg·hm~(-2)·a~(-1),9.318kg·hm~(-2)·a~(-1),7.220kg·hm~(-2)·a~(-1).由此可知,水文过程输入土壤的TOC总量远大于径流所带走的TOC总量,导致了水文过程中的TOC存留在土壤中,对土壤有机碳(SOC)的积累起着重要作用.季风林、混交林和马尾松林土壤每年通过水文学过程净输入的有机碳量分别为(27.1+1.65)g·m~(-2),(28.9±2.79)g·m~(-2)和(30.2±2.65)g·m~(-2).水文学过程中的这部分有机碳由于占总有机碳比例较小往往被忽视,但是正是由于水分在土壤中的下渗使得有机碳的分布趋于均匀,这将更加利于SOC的积累和保存.     

农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响

温室气体排放引起的全球气候变暖和平流层臭氧空洞已成为当前人们关注的环境问题之一。土壤碳库作为地表生态系统中最活跃的碳库之一,是甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等温室气体的重要释放源,也是重要的吸收汇。因此,寻找农田土壤系统碳管理的有效方法已经成为缓解温室效应的重要科学问题。西方发达国家已将固碳农业作为环境管理的重要导向,应用颗粒分组13CNMR或CPMAS-NMR技术对土壤碳固定的机制研究指出微团聚体与矿物-粘粒复合体的相互作用是土壤有机碳稳定存在的主要方式,揭示了土壤有机碳的腐殖质转化及其与土壤矿物、金属氧化物结合的微观水平,且从土壤物理结构、化学组成和生物学特性等多学科交叉研究土壤有机碳的固定机理及其稳定机制。长期传统的土地利用方式和管理措施所导致的土壤有机碳含量、密度及垂直分布的变化是造成土壤碳库损失的主要原因,为了增加农业生态系统土壤有机碳的含量,土地利用方式和农业管理措施应该从增加有机碳输入量和减少有机碳矿化两方面着手,加强对农业土壤固碳潜力和土壤碳库稳定性影响因素的多角度研究。     

丛枝菌根在草原生态系统碳固持中的重要作用

草地生态系统在全球碳循环中作用重大,而丛枝菌根广泛存在于草原生态系统中,对碳固持有着重要作用.目前菌根碳固持研究的特点表现为研究对象进一步扩大、丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,简称AMF)的功能逐渐定性量化、研究转变为植物-微生物-土壤三维立体等,向大背景、多理论和模型化方向发展.总结丛枝菌根在草原碳固持中的作用机制,主要包括以下五个方面:1)丛枝菌根是生态系统的一个重要组成部分;2)AMF淀积了植物光合产物一定数量的碳,是土壤中一个不容忽视的碳库;3)AMF能促进土壤团聚体的形成,改善土壤结构,增加土壤碳固持;4)AMF产生的球囊霉素相关土壤蛋白是土壤中一个重要碳库;5)AMF提高了草原生态系统的初级生产力和物种多样性,间接增加了生物碳固持,巩固了土壤碳库的碳储存.由于AMF对于调控碳循环具有不可替代的作用,因此全球气候变化下AMF的碳固持潜力研究、草地生态系统中不同AMF的量和菌丝在土壤结构中的功能及菌丝网在生态系统碳固持中的作用必将成为重点热点研究.     

Aspects and prospects of algal carbon capture and sequestration in ecosystems: a review

Long-term storage of carbon dioxide (CO₂) and other forms of carbon in non-atmospheric reservoirs is called carbon sequestration. Selective anthropogenic enrichment of the atmospheric carbon pool is causing dire environmental problems, thereby necessitating remediation by mitigation. Algae possess efficient carbon concentrating mechanisms and consequently high photosynthetic rates which make them suitable candidates for biosequestration of CO₂. Globally, nearly half of the atmospheric oxygen is generated by algal photosynthesis despite the fact that algae account for less than 1% of photosynthetic biomass. In water bodies, algae are responsible for creating the ‘biological pump’ that transports carbon from the upper sunlit waters to the depth below. A diverse array of photoautotrophs ranging from prokaryotic cyanobacteria to eukaryotic algae such as Chlorophytes, and even protists like euglenoids, contribute to this ‘biological pump’. It operates in a variety of aquatic ecosystems ranging from small freshwater ponds to the oceans where it has been most extensively studied. Two separate but intricately linked processes constitute this ‘biological pump’, viz. the ‘organic carbon pump’ and the ‘calcium carbonate pump’. The present review discusses the natural CO₂ sequestration processes carried out by algae and cyanobacteria in their native ecosystems.     

农业生产措施对土壤碳库的影响

在陆地碳平衡日益成为全球变化科学和生态科学中最为前沿与热点问题的前提下,农业碳平衡问题也受到了强烈的关注,从而促进了农业生产措施对土壤碳库影响的研究。文章综述了农业生产措施对土壤碳库的影响及其效率。从全球不同地区的研究得出,农业措施决定了现阶段农业生态系统是C源还是C汇。目前,影响农田土壤碳库的措施主要有:农业用地面积的扩张;耕地的休耕与利用;农业施肥;耕作方式;作物类型与轮作;秸秆还田。平均不同地区的研究结果,各种措施提高土壤碳积累的效率(CMg·hm-2·a-1)分别为:施用动物肥料0.6(肥料用量10Mg·hm-2·a-1)、施化肥-0.71、耕地转换为草场0.825、改善轮作0.21、实施免耕0.315、秸秆还田0.3。目前研究存在的问题及将来的研究重点应主要集中在:通过改善农业措施提高土壤碳库的可行性;土壤有机碳积累与农业措施间的关系的地区差异性;农业措施提高土壤碳库所产生的环境效益与经济效益。