DNDC模型评估苜蓿绿肥对水稻产量和温室气体排放的影响

DNDC(denitrifiction-decompostion)模型是以生物地球化学进程为基础模拟碳氮循环的模型,被广泛用来预测稻田温室气体的排放,但利用DNDC模型研究苜蓿绿肥对稻田生态系统的相关研究尚未见报道。因此,本研究结合两种绿肥在上海地区的使用,模拟了4个不同处理:对照(未施氮肥和绿肥)、氮肥(200 kg/hm²)、紫花苜蓿绿肥(3000 kg DM/hm²)+氮肥和蚕豆绿肥(3000 kg DM/hm²)+氮肥,研究苜蓿绿肥对水稻产量和稻田温室气体排放的影响,同时,对DNDC模型进行本地化修正,建立适宜我国长江中下游地区绿肥-水稻轮作生态系统的DNDC模型,结果表明,与对照相比,苜蓿、蚕豆和氮肥处理下的水稻产量分别提高了41.85%,29.81%和25.36%;蚕豆绿肥处理下的CH₄排放量高于苜蓿绿肥处理,温室气体的排放强度在苜蓿绿肥处理下未显著提高。通过对DNDC模型多个参数的调整和模拟,DNDC模型对水稻产量和CH₄排放的模拟值与实测值十分接近,其中,水稻产量实测值和模拟值的决定系数R²为0.89,相对平均误差RMD为-0.8%。大气温度、大气CO₂浓度、土壤有机碳和土壤粘粒对稻田CH₄和N₂O排放十分敏感,其中,大气温度、CO₂浓度和土壤有机碳与CH₄和N₂O的排放强度呈显著的正相关关系,而土壤粘粒与CH₄排放呈显著的负相关关系,本研究结果说明本地化改进的DNDC模型能够准确模拟紫花苜蓿绿肥对水稻产量和稻田温室气体排放的作用效果。     

草地退化过程中典型草原氮储量的变化——以内蒙古锡林浩特市典型草原为例

以内蒙古自治区锡林浩特市为研究区,探讨了典型草原不同退化程度草地的植被-土壤系统氮储量的变化及差异,运用DNDC(Denitrification-Decomposition)模型对植被-土壤系统氮储量模拟并对结果进行了验证。结果表明,随着草地退化程度的加剧,土壤氮储量呈显著下降趋势(P0.05),中度退化(MD)和重度退化(HD)样地较轻度退化(LD)样地土壤氮储量分别减少了7.74%和44.40%。不同退化程度样地的地上植物氮储量总体上呈现HDMDLD,与土壤氮储量的变化趋势相反;在生长季中,植物根系氮储量是逐渐增加的,且在生长季末表现为HDMDLD。植物-土壤系统中,土壤氮储量占总氮储量的比例高于根系和地上植物,占系统氮储量的95.05%~97.62%。DNDC模型在草原点位模拟土壤氮储量的效果比较好。     

土壤微生物功能群对苜蓿根瘤菌的影响

正苜蓿以其发达的根系和较强的固氮能力,极大地影响着土壤碳氮循环过程,并以"苜蓿-根瘤菌共生体"的形式共同适应土壤中生物与非生物环境的变化。多年来,国内外在揭示苜蓿-根瘤菌共生固氮机制方面取得了很大进展,但关于苜蓿-根瘤菌共生体对土壤碳氮循环中关键微生物过程的响应机制还不明确。未来需要深入研究土壤碳氮循环过程中关键微生物功能群对苜蓿-根瘤菌共生体的影响。     

模拟增温对高寒草甸土壤性质的影响

全球变暖严重影响着草地生态系统碳氮循环,了解高寒草地生态系统碳氮循环对合理利用有限的草地资源有着极为重要的意义。为了探索全球气候变暖的背景下草地生态系统碳氮循环过程,本文采用开顶式增温小室（Open top champers,OTCs）连续四年模拟增温,对青藏高原高寒草地生态系统碳库（植物生物量碳库、土壤有机碳库和土壤微生物生物量碳库）动态变化及氮库（植物生物量氮库、土壤有机氮库和土壤微生物生物量氮库）动态变化进行研究。结果显示：模拟增温后,表层土壤年均温度增加了2.50℃,底层土壤年均温度增加了1.36℃。增温处理下植物-土壤-微生物生物量碳含量均高于对照,且土壤微生物生物量碳含量显著高于对照（P<0.05）。模拟增温处理下植物氮含量显著高于对照（P<0.05）。而土壤氮含量与微生物生物量氮含量均低于对照,差异不显著,说明高寒草甸碳氮对温度的响应较为明显。     

基于DNDC模型长期复种翻压绿肥对土壤有机碳和小麦产量的模拟

对青海高原农田特有春小麦(Triticum aestivum)+豆科绿肥栽培模式,为揭示绿肥还田对于春小麦产量和土壤有机碳(SOC)的长期效应,本研究采用小区试验与模型相结合的方法探索适宜青海高原的绿肥还田方式。本研究采用裂区试验设计,主区为秋闲期复种绿肥翻压还田(G)和不种绿肥不还田(CK),副区为后茬春小麦化肥用量,设置100%常规施肥(F₁₀₀,225 kg·hm^-2N、112.5 kg·hm^-2P₂O₅)、70%常规施肥(F₇₀,157.5 kg·hm^-2N、78.75 kg·hm^-2P₂O₅)和不施化肥(F₀),共6个处理,基于2019-2022年的田间试验数据对反硝化-分解(DNDC)模型进行率定与验证,用验证过的模型对不同处理下土壤有机碳和小麦产量的长期变化规律进行模拟研究。结果表明:DNDC模型可以较好地模拟土壤有机碳和小麦产量,率...     

呼伦贝尔地区苜蓿人工草地CO_2通量变化特征

试验采用密闭箱技术对呼伦贝尔地区种植的苜蓿人工草地进行碳通量研究,采用反硝化-分解作用模型(DNDC)进行模拟。试验结果表明:对苜蓿人工草地CO2通量24h连续观测发现,CO2通量全天变化的平均值(238.15mg/(m2·h)与11∶00(245.32mg/(m2·h)的通量变化值接近,试验从早上9∶00~11∶00进行温室气体的采集方法合理、可行;在整个生长季变化表明,7、8月CO2通量变化较显著(P0.05),且受到降水的影响较大,伴随降水的发生,CO2通量会发生不同幅度的变化,土壤温度和含水量对CO2通量有一定的影响(r0.45,P0.05);通过DNDC模型的模拟,能较好的反映苜蓿人工草地CO2通量的变化情况,但模拟结果数值普遍有些偏高。     

荒漠草原灌丛转变过程土壤呼吸动态变化及其影响因素研究

探析荒漠草原向灌丛转变过程土壤呼吸动态及其影响因素，对确定干旱半干旱生态系统碳“源”/“汇”状态具有重要意义。本研究以宁夏东部荒漠草原-灌丛镶嵌体为研究对象，选取荒漠草地、草地边缘、灌丛边缘、灌丛地为研究样地，开展各样地微生境(植丛与空斑)下土壤呼吸(Rs)及相关土壤性质研究，结果表明：随着荒漠草原向灌丛地转变，土壤呼吸日动态与季节动态呈上升趋势，季节动态在7月达到峰值(P<0.05)，灌丛地显著高出荒漠草地42.4%；土壤温度为转变过程土壤呼吸日动态的主要影响因子，温度和水分共同影响(R²介于0.44~0.80)土壤呼吸季节动态；回归分析和主成分分析表明，土壤呼吸与全碳、全氮、微生物生物量碳、生物量氮、土壤有机碳呈显著负相关(P<0.01)，与硝态氮呈显著正相关(P<0.05)。综上，近30年灌丛转变过程促使土壤二氧化碳通量增加，加速荒漠草原有机碳养分消耗。     

青藏高原高寒草甸生态系统土壤有机碳动态模拟研究

利用高寒草甸区植被、土壤和气候等资料,借助Century模型研究了青藏高原高寒草甸生态系统土壤有机碳的动态。以2003年7月-2005年7月逐月气象观测资料为输入变量,模拟了自然条件下高寒矮嵩草草甸0～20cm土壤微生物呼吸CO₂-C通量季节变化。模拟值与观测值进行的回归分析显示,二者具有较好的一致性(R²=0.89,P＜0.05)。土壤有机碳动态模拟表明:1)自然条件下高寒草甸土壤有机碳在经历了一个快速积累过程后,积累速率逐渐趋于缓和,最终达到并接近稳定状态。稳定状态下0～20cm土壤总有机碳库约7597.50～7694.10gC/m²。其中活性、缓性和惰性土壤有机碳组分占土壤总有机碳储量的2.80%,58.50%和38.70%。2)过去45年(1960-2005)高寒草甸土壤有机碳呈振幅较为稳定的波动变化,但这种变化主要是土壤有机碳各组分波动变化的结果。气候波动对土壤有机碳影响主要与温度变化引起的惰性土壤有机碳库的变化有关,二者呈显著负相关(r=-0.548,P＜0.01)。降水量对土壤有机碳及有机碳各组分的影响不显著。     

CENTURY模型在不同生态系统的土壤有机碳动态预测研究进展

CENTURY模型是国际上著名的生物地球化学模型之一。本研究系统介绍了CENTURY模型的运行机理及过程,分析和总结该模型在草地、农田、森林生态系统中土壤有机碳(SOC)的研究成果,并归纳了影响其模拟精度的主要因素。结果表明,土壤质地和土壤养分是影响CENTURY模型在草地生态系统应用的关键因素,且该模型在荒漠草原生态系统的适应性较高;不同农业管理模式是影响SOC模拟精度的因素之一,间作农业模式下模拟SOC的精度较高;CENTURY模拟森林生态系统的枯枝落叶层的有机质时存在结构缺陷,这导致CENTURY模型在草地和农田系统的模拟效果优于森林生态系统。由于CENTURY模型最初是基于草地生态系统而开发,其模型参数在不同地域的草地生态系统的普适性较高;过多的人为干预增加了CENTURY模型在农田生态系统模拟的不确定性,从而会出现模拟结果不稳定的现象;通过调查掌握详细的农田历史管理制度和方式,准确控制模拟进程,可以有效提高模拟精度;森林生态系统的模拟结果可以服务于管理措施的制定,CENTURY模型结合GIS可以实现单点模拟向区域模拟的转变。     

氮素添加对土壤呼吸影响的研究进展

碳、氮循环是陆地生态系统化学循环和能量流动的两大重要过程,二者紧密相连;土壤呼吸是陆地碳循环的重要过程,也是陆地生态系统与大气之间进行交换的主要途径。由于施肥等人为因素导致了陆地生态系统氮素的增加。不同陆地生态系统对这一过程做出了不同的响应。综述了不同生态系统土壤呼吸对模拟氮沉降的响应方式和机理,分析了氮素添加对土壤呼吸影响的不确定性,并在此基础上对未来研究方向进行了探讨和展望。     

Pathways of Grazing Effects on Soil Organic Carbon and Nitrogen

Grazing modifies the structure and function of ecosystems, affecting soil organic carbon (SOC) storage. Although grazing effects on some ecosystem attributes have been thoroughly reviewed, current literature on grazing effects on SOC needs to be synthesized. Our objective was to synthesize the effects of grazing on SOC stocks in grasslands, establishing the major mechanistic pathways involved. Additionally, and because of its importance for carbon (C) biogeochemistry, we discuss the controls of soil organic nitrogen (N) stocks. We reviewed articles analyzing grazing effects on soil organic matter (SOM) stocks by comparing grazed vs. ungrazed sites, including 67 paired comparisons. SOC increased, decreased, or remained unchanged under contrasting grazing conditions across temperature and precipitation gradients, which suggests that grazing influences the factors that control SOC accumulation in a complex way. However, our review also revealed some general patterns such as 1) root contents (a primary control of SOC formation) were higher in grazed than in their ungrazed counterparts at the driest and wettest sites, but were lower at sites with intermediate precipitation (~400 mm to 850 mm); 2) SOM C:N ratios frequently increased under grazing conditions, which suggests potential N limitations for SOM formation under grazing; and 3) bulk density either increased or did not change in grazed sites. Nearly all sites located in the intermediate precipitation range showed decreases or no changes in SOC. We grouped previously proposed mechanisms of grazing control over SOC into three major pathways that can operate simultaneously: 1) changes in net primary production (NPP pathway), 2) changes in nitrogen stocks (nitrogen pathway), and 3) changes in organic matter decomposition (decomposition pathway). The relative importance of the three pathways may generate variable responses of SOC to grazing. Our conceptual model suggests that rangeland productivity and soil carbon sequestration can be simultaneously increased by management practices aimed at increasing N retention at the landscape level.     

不同退化高寒沼泽湿地土壤碳氮和贮量分布特征

为研究高寒沼泽湿地土壤碳氮贮量分布特征,探讨退化高寒沼泽湿地的恢复对策,本试验选择三江源区玛沁县大武滩不同退化高寒沼泽湿地为研究对象,分层采集湿地冻融丘和丘间土壤样品,分析土壤有机碳、总氮含量和贮量变化。结果表明：研究区0~30 cm是高寒湿地有机碳和总氮主要分布区,有机碳和总氮呈正相关关系。冻融丘和丘间的土壤含水量与土壤有机碳、总氮均呈极显著相关关系（P<0.01）。冻融丘和丘间的土壤含水量、有机碳、总氮、碳氮贮量均随着退化程度的加剧呈下降趋势,且冻融丘的下降速度较丘间快。有机碳、总氮、有机碳贮量和氮贮量与冻融丘的数量呈极显著负相关关系,与冻融丘的大小呈极显著正相关关系（P<0.01）。这些结果表明：高寒沼泽湿地土壤含水量、冻融丘的数量和大小对高寒湿地退化中土壤碳氮及贮量具有指示性,建议在高寒湿地修复中加强水分补充和冻融丘的保护。     

不同放牧方式对祁连山高寒草甸有机碳、氮库的影响

为明晰不同放牧方式对祁连山高寒草甸有机碳、氮库的影响,本试验以祁连山东缘全年连续放牧（Continuous grazing,CG）、冷季重度放牧（Heavily grazing in cold season,HG）、冷季轻度放牧（Lightly grazing in cold season,LG）、划区轮牧（Rotational grazing,RG）和全年禁牧（Non-grazing,NG）的高寒草甸为研究对象,系统研究地上植物层、凋落物层、土壤层和根系层有机碳、氮库的变化。试验结果表明：HG,LG,RG和NG较CG均能显著（P<0.05）提高地上植物层、凋落物层、根系层和土壤层有机碳、氮储量,但土-草系统总有机碳、氮储量均在RG样地最高,其次是NG样地,再次是LG样地,在CG样地最低。RG较CG样地土-草系统有机碳储量提高了8 748 g C·m^-2,氮储量提高了785 g N·m^-2。可见,通过改变放牧方式能够有效提高高寒草甸土-草系统有机碳、氮储量,实现碳、氮增汇的目的。综合考虑草地土-草系统有机碳、氮储量及草地资源的有效利用,高寒草甸的最佳放牧方式为划区轮牧。     

不同放牧强度下人工草地土壤微生物量碳、氮的含量

试验测定了华北农牧交错带地区不同放牧强度下(轻牧,6只羊/hm²;中牧,10只/hm²;重牧,13只/hm²)人工草地土壤微生物量碳、氮含量的变化。结果表明:在不同放牧强度下,微生物量碳氮有相似的变化趋势,放牧期间均以中牧区较高,在停牧年,以轻牧区和对照区较高;随着放牧时间延长及环境条件恶化,土壤微生物量碳氮含量随放牧强度增加而迅速降低;从微生物量碳氮随放牧强度变化的角度,在干旱地区放牧强度不宜高于轻牧。     

不同草地利用方式对土壤有机碳、全氮和全磷的影响

以青海省共和县塔拉滩封育芨芨草(Achnatherum splendens)草原、过牧芨芨草草原、取土坑、人工草地和农田为研究对象,对不同利用方式及不同深度下土壤有机碳、全氮、全磷含量进行了分析研究。结果表明:0～10cm和10～20cm土层土壤有机碳含量顺序均为封育芨芨草草原>退化过牧芨芨草草原>取土坑>农田>人工草地,说明退化和开垦均导致表层土壤有机碳含量的下降。在同一土层内,农田和人工草地(退耕地)的有机碳含量差异不显著(P>0.05)。在0～10,10～20和20～40cm的3个土层,农田的全氮含量最高,人工草地次之,主要是由于人为施加氮肥和翻压枯草等因素造成,取土坑的全氮含量最低;同时,0～40cm的土层,封育芨芨草草原的土壤全氮含量高于退化过牧芨芨草草原,40～80cm的土层,封育芨芨草草原的土壤全氮含量低于退化过牧芨芨草草原,说明封育使土壤上层的全氮含量增加,而草原退化导致氮向下层转移。全磷含量的变化规律与全氮相似。各草地的有机碳、全氮和全磷含量随土壤深度增加而下降。     

黄土高原云雾山草地土壤有机碳、全氮分布特征

2007年11月28日-12月1日对云雾山4类天然草地,以及不同生长年限的人工紫花苜蓿(Medicago stativa L.)草地、沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)灌木、农田进行土壤有机碳、全氮分布分析,以期为该地区的草地生态系统的合理利用和减排温室气体提供科学依据。结果表明:土壤有机碳、全氮含量的排序为:天然草地(人工草地(灌木(农田。对0~40 cm土壤每10 cm土层土壤有机碳、全氮含量测定发现:除9年生人工苜蓿草地在20~30 cm土层的有机碳含量相对10~20 cm无降低外,其他均表现为随土层深度的增加而依次降低。有机碳、全氮含量天然草地10~20,20~30,30~40 cm,以及5年、7年、9年人工草地土层之间差异水平基本达到显著水平。天然草地和人工草地土壤有机质含量与其全氮含量呈极显著线性相关(P<0.01)。人工草地土壤有机碳,全氮含量随种植年限增长而增加,全氮含量增加程度大于有机碳。因此,云雾山天然草地有机碳、全氮含量最高,人工草地随着生长年限的延长也是碳氮积累的过程,农田含量最低,天然草地在碳氮储存方面发挥着更积极的作用。土壤有机碳、全氮在土壤表层(0~10 cm)含量最高,在云雾山地区通过退耕还草,加强植被恢复管理,有利草地生态系统的健康发展。     

枯落物添加对三江源区退化高寒草甸土壤碳矿化的影响

为明确高寒草甸退化后植被群落结构改变对土壤碳矿化特征的影响，以不同退化梯度高寒草甸表层土壤为研究对象，通过室内恒温培养203 d研究了不同功能群枯落物添加对土壤有机碳矿化的影响。结果表明：随退化程度加剧，土壤有机碳累积矿化量呈先增加后降低的非线性响应趋势；枯落物添加分别显著增加了未退化、轻度退化、中度退化以及重度退化草甸土壤有机碳的累积矿化量约102.04%，58.71%，70.68%和181.32%，但同一退化梯度不同枯落物添加对土壤有机碳累积矿化量的影响不存在显著差异。进一步分析发现，随着培养前土壤有机碳、总氮含量以及pH值的增加，土壤有机碳矿化累积量呈先增加后降低的趋势，而枯落物添加可以改变土壤有机碳矿化累积量对土壤本底碳氮含量以及pH值的响应程度。总之，三江源区退化高寒草甸植被群落结构的改变显著影响了土壤有机碳矿化特征。     

Effects of Litter Addition on Soil Organic Carbon Mineralization in the Degraded Alpine Meadow in the Three-River Headwaters Region北大核心CSCD

To explore the effects of plant community structure changes on soil organic carbon mineralization in the different degraded alpine meadows in the Three-River Headwaters Region, we collected topsoil from different degraded alpine meadows, and then added three kinds of litters from different functional groups (grasses, sedges, and forbs) incubated in the laboratory for 203 days. The results showed that the cumulative mineralization of soil organic carbon first increased and then decreased as the degree of soil degradation increased. Litter addition significantly increased the cumulative mineralization of soil organic carbon of non-degraded, slightly degraded, moderately degraded, and severely degraded meadow by 102.04%, 58.71%, 70.68%, and 181.32%, respectively. However, there was no significant difference among the positive effects of different functional groups. Regression analysis showed that soil organic carbon, total nitrogen, and pH of different degraded alpine meadows could better explain the changes in the cumulative mineralization of soil organic carbon. The cumulative mineralization of soil organic carbon first increased and then decreased with soil organic carbon, total nitrogen and pH increased, while the influence degree and direction were altered by litter addition. In general, the plant community structure changes in the different degraded alpine meadows in the Three-River Headwaters Region significantly influenced soil organic carbon mineralization. © 2019 Authors. All rights reserved.