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-0．969Pg。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。     

退耕土壤的碳、氮固存及其对CO2、N2O通量的影响

采样分析陇中黄土高原地区农田退耕种植苜蓿3 a、5 a、8 a后0～5、5～10、10～20 cm土层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、活性有机碳(SAOC)及矿质氮(NO3-N、NH4-N)含/储量的变化,并用静态箱-气质联用法对样地的COO2、NO2O排放通量进行了测定,研究碳氮变化对土壤CO2、N2O排放通量的影响.结果表明:(1)SOC、TN基础含量很低的贫瘠土壤退耕后表现出明显的碳、氮固存效应,有很强碳、氮固存潜力.与未退耕休闲农田相比,退耕3 a、5 a、8 a后0～20 cm SOC储量分别提高了9.12%、20.18%、34.39%,SOC平均固存率分别为0.17、0.23、0.25mg/(hm2·a).TN储量在5～10、10～20 cm增加不明显,在0～5 cm退耕3 a、5 a、8 a后储量分别提高14.29%,35.71%和64.29%,各退耕年限0～20 cm TN平均固存率均为0.2 mg/(hm2.a);(2)退耕后各年限草地土壤活性有机碳(SAOC)含量有所增加,但各层含量变化不明显,其增加量远小于SOC的增加,说明退耕初期阶段积累了较多的土壤惰性碳;NO3-N含量增加明显,0～5、5～10 cm土壤各退耕年限含量达5%的显著性差异,但退耕前后NH4-N含量无明显变化.(3)土壤CO2通量与SOC含量、SAOC含量、TN含量及N2O通量显著正相关;N2O通量与SOC含量、矿质氮含量及CO2通量显著正相关.说明在环境因素稳定的条件下,退耕后土壤碳、氮含量的增加会导致CO2、N2O排放的加剧,表现出大气CO2、N2O的"源"效应.     

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。     

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。     

保护性耕作对农田土壤有机碳库的影响

农田土壤有机碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,对维持全球碳平衡具有重要意义。有机碳库的储量除了受气候和环境因素的影响外,还受农业耕作措施的影响。综述了保护性耕作对土壤有机碳库的影响,并从碳输入、碳分解和碳固持3个方面讨论了保护性耕作影响有机碳库的途径。大量实验结果表明,保护性耕作在表层土壤中能提高作物根系生物量1.0%~142.9%;增加土壤微生物的生物量2.2%~140%。免耕还显著降低土壤的呼吸强度,在0.9%~72.6%之间,从而减少碳的损失。免耕还提高了土壤团聚体数量,从而有利于有机碳在土壤中的固持。今后的研究应该在如下几方面加强：（1）加强区域性对比研究;（2）加强长期定位研究;（3）加强对固碳机理的研究;（4）建立模型加强对多种因子综合效应的研究。     

保护性耕作对土壤养分及有机碳库的影响

以稻草覆盖免耕方式稻田冬种马铃薯(Solanum tuberosum L.)为例,研究了保护性耕作对土壤养分以及有机碳库的影响.结果表明:保护性耕作能显著增加表层土层的养分含量,土壤氮素含量比传统耕作增加0.81%～7.24%,磷素含量增加14.95%～19.21%,钾素含量增加0.57%～15.40%,且全氮、全磷、全钾含量与传统耕作之间均达到了极显著差异水平,除碱解氮含量与传统耕作之间差异不显著外,速效磷与速效钾含量与传统耕作之间达到了显著差异水平与极显著差异水平;保护性耕作能增加土壤总有机碳与活性有机碳含量,提高土壤碳库管理指数,0～10 cm土层土壤的碳库管理指数分别比传统耕作高出9.10%、13.95%,10～20 cm土层则比传统耕作略低.因此保护性耕作能使土壤朝着有利于土壤质量提高的方向发展.两个保护性耕作处理:免耕稻草覆盖(8 cm)、免耕覆盖稻草(8 cm)后盖黑色地膜之间差异不大.     

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。     

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。     

降水变化、氮添加对鼎湖山主要森林土壤有机碳矿化和土壤微生物碳的影响

全球变化对土壤有机碳(SOC)存贮与分解的影响在全球碳(C)循环中具有重要地位.分别通过室内土壤培养法和氯仿熏蒸法,研究了降水变化和氮(N)添加处理对鼎湖山3种不同演替阶段的季风常绿阔叶林、针阔混交林和马尾松针叶林SOC矿化和土壤微生物量碳(SMBC)的影响.结果表明:1)降水量增加能够提高森林演替晚期SOC累积矿化量和矿化速率,而对森林演替早期SOC累积矿化量和矿化速率没有显著影响(P>0.05).2)干旱条件(降水量减少)降低森林SMBC含量,且在鼎湖山季风林表层土壤(0～10 cm)中SMBC的减少达到显著水平(P<0.05).3)N添加处理对鼎湖山3种森林类型SOC累积矿化量、矿化速率以及SMBC都没有显著影响(P>0.05).未来关于SOC矿化对全球变化响应的研究,要综合考虑土壤有机质质量、C/N比例、外源性氮输入等因素的作用.图4表2参37     

鼎湖山自然保护区土壤有机碳、微生物生物量碳和土壤CO2浓度垂直分布

选取鼎湖山3种植被类型(季风常绿阔叶林,针阔叶混交林和马尾松林),按0～15,15～30,30～45cm土层取样,测量了各土层土壤有机碳(SOC)质量分数,熏蒸培养法测量了微生物生物量碳(Cmic),同时用气象色谱法测量了地表和土壤15、30、45、60cm处CO2体积分数,并用静态箱/碱石灰吸收法测量了土壤呼吸速率。结果如下:(1)随土层的加深,SOC质量分数降低,0～15cmSOC显著高于其他两层,季风常绿阔叶林SOC显著高于其他两种植被类型;(2)土壤碳密度和土壤有机碳含量垂直分布规律一致,0～15cm土壤碳密度显著高于其他两层;(3)0～30cm土层微生物生物量占总土壤微生物生物量的81%～92%,随土层加深微生物生物量迅速降低。微生物生物量和土壤有机碳的比值表明,三种植被类型土壤均处于土壤碳积累中,深层土壤碳积累程度高于表层;(4)土壤CO2浓度随土层的加深迅速升高,主要与土壤透气性有关。     

秸秆还田条件下农田系统碳循环研究进展

秸秆还田是农田生态系统的固碳减排的一种措施,现已成为国内外学者研究的热点。本文在分析农田系统碳循环流通的基础上,将系统划分为土壤、植物和大气3个子系统,对秸秆还田条件下各个子系统中碳的流动变化情况进行讨论。在土壤子系统中,秸秆还田对土壤有机碳（SOC）、土壤矿化碳、土壤微生物碳（MBC）的变化都有作用。秸秆还田的初期可能会降低微生物利用碳源的能力,影响群落物种分布的均匀度,致使作物对碳、氮利用率下降;然而,长期的效应仍会增加土壤微生物的多样性和活性。研究亦认为秸秆还田特别是与有机肥配合使用,能够提高土壤有机碳的含量;对土壤有机碳矿化具有明显促进作用,但是对土壤原有的有机碳矿化影响尚不清楚。秸秆还田在植物子系统中的影响主要集中在植物光合碳变化。已有的研究表明秸秆还田对作物光合作用的影响表现为正效应;然而根际碳流通的变化尚不清楚。在大气子系统中,秸秆还田能够增强旱地耕作土壤的呼吸作用,促进CO2的排放;而淹水条件下,秸秆还田使土壤有机碳矿化受到了明显抑制,对CO2没有明显影响。与此类似,淹水条件促进CH4排放,排水良好可以减少CH4的释放。事实上对CH4的排放而言,水份的影响可能比秸秆还田所产生的影响更大。笔者认为秸秆还田后土壤有机碳流通变化机理,及根际碳的流通变化影响仍有待进一步解析。其次,农业机械使用所产生的 CO2气体在研究秸秆还田模式时也应被考虑在内。除此之外,秸秆还田这种减排措施（CO2）的减排潜力、适宜应用的区域、可能的协同作用和一些限制及不利因素还没有得到确切的评估,实施过程中应考虑社会和经济层面上的因素。     

Effects of different mowing frequencies on soil carbon and nitrogen changes in leymus chinensis steppe of Hulun Buir北大核心CSCD

Mowing is the main management of Hulun Buir grasslands in Inner Mongolia; therefore, understanding the changes of soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), and carbon sequestration under different mowing frequencies will provide an important scientific basis for grassland carbon sink management in Inner Mongolia. Three treatment plots were devised in the study area, including enclosed sample (Y), mowing every other year (2G), and mowing once a year (1G), where SOC, TN content and storage were investigated. The results showed that with increased mowing frequency, the SOC and TN content showed a decreasing trend in the 0-30 cm depth soil layer. The SOC and TN content were different in each soil layer, which decreased gradually with increasing soil depth in Y and 2G plots, whereas increased gradually in 1G plots. The soil carbon storage was significantly correlated with the soil nitrogen storage, and both showed a significant linear decrease with increased mowing frequency, which showed as carbon and nitrogen loss. In 2G plots, the soil carbon storage decreased by 17.1% and soil nitrogen storage decreased by 20.8%. In 1G plots, the soil carbon storage decreased by 21.6% and soil nitrogen storage decreased by 29.3%. The results showed that the change of soil carbon and nitrogen was sensitive to mowing frequency for the Hulun Buir grassland. It is possible to reduce the loss of carbon and nitrogen by reasonably controlling mowing frequency, and the sustainable use of grassland could be achieved with appropriate fertilization. Keywords. © 2018 Science Press. All rights reserved.     

岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响

对贵州茂兰自然保护区内三种典型土地利用方式(林地、草地和耕地)下土壤活性有机碳组分(土壤溶解有机碳和土壤微生物量碳)的月变化及其对环境因子的响应进行了研究,结果表明在不同的土地利用方式下上覆植被类型不同,其凋落物数量、质量及分解行为不同,有机质的输入量及质量也不相同,从而形成不同的土壤溶解有机碳含量差异,土壤有机碳的大小也存在较大差别。研究结果显示:从全年平均值来看,林地土壤溶解有机碳分别比草地和耕地高25%、48%;从3月到8月,三者均随气温的上升呈增加的趋势,林地和耕地在8月均达到最大值,而草地则在10月达到最大值;林地和草地土壤微生物量碳分别高于耕地81%和45%,林地和草地在10月达到最大值。不同的土地利用方式导致土壤活性有机碳的差异较大,这说明岩溶生态系统中土地利用方式对土壤碳库的大小有较大影响。不同土地利用方式下土壤活性有机碳对环境因子的响应也各不相同,这表明土壤活性碳受众多因素的制约而呈现出一种动态平衡关系,进一步的机理仍需要进行深入研究。     

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.     

不同发育阶段杉木人工林土壤碳库稳定性研究

森林土壤有机碳在全球碳循环中的重要作用主要取决于有机碳的稳定性。为科学评价杉木人工林土壤的碳汇功能及固碳潜力,对湖南省会同县不同发育阶段的杉木人工林土壤有机碳的生化特征和物理保护程度进行了研究。结果表明,在杉木人工林发育过程中,土壤总有机碳(SOC)、微生物生物量碳(MBC)、活性碳库Ⅰ(LPⅠ)、活性碳库Ⅱ(LPⅡ)和重组有机碳(HOC)含量以及微生物熵(MQ)均在中龄林阶段出现最低值,而轻组有机碳(LOC)和顽固性组分(RF)随林龄增加呈现持续上升趋势。土壤RF占SOC的比例(顽固性碳指数,Ir,C)则表现为先增加后减少,即在中龄林阶段比例最高,在成熟林阶段为41.9%~57.6%,高于幼龄林阶段的38.7%~43.0%;HOC占SOC的比例从幼龄林阶段的86.4%~87.5%下降到成熟林阶段的82.5%~83.9%。总体而言,杉木人工林的发育过程是土壤有机碳积累的过程,在这个过程中,土壤有机碳自身的顽固性增强,但受到的物理保护程度减弱。此外,各组分中以LP I对土壤微生物的有效性最高。     

密云水库上游流域不同林分土壤有机碳分布特征

在全球气候变化背景下,森林土壤有机碳库作为全球土壤碳库的重要组成部分,已成为全球碳循环研究的重点之一。以密云水库上游流域天然次生山杨（Populus davidiana Dode）、白桦（Betula platyphylla Suk.）混交林、天然次生辽东栎（Quercus wutaishanica Blume）林、人工华北落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）林、人工油松（Pinus tabulaeformis Carr.）林和灌丛等5种典型林分为研究对象,选取典型样区,进行密集采样和试验分析,探讨了不同林分土壤有机碳质量分数和密度的分布特征。结果表明：在整个土壤剖面上（0~40 cm）,不同林分土壤有机碳质量分数和密度大小顺序均为：杨桦林〉辽东栎林〉灌丛〉落叶松林〉油松林,总体上呈现出随土地利用强度和人为干扰程度增加而降低的变化趋势,即天然次生林比人工林更有利于土壤有机碳的储存和积累;不同林分类型土壤有机碳质量分数和密度均在表层（0~10 cm）最大,并随着土层深度的增加呈下降趋势,剖面分布差异明显;此外,不同林分在0~20 cm土层中的单位面积土壤有机碳储量均占其剖面总储量的57%以上,即土壤有机碳富集在0~20 cm深的表层土体中。因此,为增加森林土壤固碳,应加强对天然次生林的保护,减少人类活动对森林及其表土层的干扰。     

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     

中国主要人工林土壤有机碳的比较

区域和全球碳循环是全球变化研究中的核心内容之一,其中估算并量化区域乃至全球土壤碳储量已经成为碳循环研究中的重大科学问题。森林生态系统在全球碳循环中发挥着重要作用,而人工林是重要的人工森林生态系统。中国对小尺度区域内一个或数个人工林土壤有机碳含量、密度和储量等已进行了大量研究,但缺乏对全国尺度下主要人工林土壤有机碳的比较研究。本文通过对近10 a内的橡胶（Hevea brasiliensis）、桉树（Eucalyptus spp.）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、毛竹（Phyllostachys edulis）、马尾松（Pinus massoniana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、杨树（Populus spp.）、油松（Pinus tabulaeformis）和落叶松（Larix spp.）等9种人工林土壤有机碳53篇文献资料的统计分析,估算了中国主要人工林的土壤有机碳含量、密度及储量等。结果表明,9种人工林0-60 cm土壤有机碳含量介于4.0-31.1 g·kg^-1,平均14.8 g·kg^-1;0-60 cm土壤有机碳密度为2.8-15.1 kg·m^-2,平均8.7 kg·m^-2;0-60 cm的土壤有机碳储量介于28.2-158.1 Mg·hm^-2,平均84.5 Mg·hm^-2。以落叶松最高,毛竹、马尾松、桉树、杉木和油松等人工林居中,杨树和橡胶仅高于刺槐,刺槐最低。中国人工林土壤有机碳储量具有较为明显的经度分布性,从西向东逐渐升高;同时也具有一定的纬度分布性,大致表现为南低北高;9种人工林土壤有机碳储量虽明显低于同气候带的天然林,但仍具有很高的固碳潜力。人工林生产管理中,亟待寻找能有效增加土壤碳固定及减少碳损失的途径和措施。