土壤有机碳稳定性及其影响因素

土壤有机碳库在全球碳循环中起着重要作用。利用文献资料,阐明土壤有机碳稳定性理论及其影响因素。土壤有机碳稳定性指土壤有机碳在当前条件下抵抗干扰和恢复原有水平的能力。它是由土壤的理化性质所决定的,是自然因素和人为因素共同作用的结果。土壤有机碳的降解包括生物降解作用和物理化学降解作用等,生物降解作用是主要的过程。把土壤有机碳库分成活性碳库、慢性碳库、惰性碳库,能较好地与土壤微生物的生物降解过程相对应。构建土壤有机碳稳定性概念模型,能更系统地理解有机碳在土壤中的稳定机制。     

土壤孔隙结构与土壤微环境和有机碳周转关系的研究进展

土壤结构是土壤功能的基础,不仅影响土壤养分的供应、水分的保持及渗透、气体的交换等过程,还为土壤微生物提供了物理生境,并调控土壤有机碳的周转这一关键过程。土壤的孔隙特征能够直接、真实地反映土壤结构的好坏;用土壤的孔隙特征作为试验指标能更好地反映土壤结构对这些过程的调节作用。在此基础上,将高度异质性的土壤孔隙结构同土壤微环境的变化和土壤有机碳的周转过程进行定量分析,对深入了解土壤结构在土壤生态系统中的功能至关重要。因此,着重从土壤孔隙结构对土壤微环境的影响及其与有机碳的关系两方面展开,剖析土壤孔隙结构调控作用下的土壤微环境响应过程,阐述土壤孔隙结构对土壤有机碳周转产生的直接、间接影响,强调土壤孔隙结构在调节土壤有机碳周转进程中的重要作用,并对土壤孔隙结构在调节土壤有机碳周转、植物残体分解及其与微生物协调作用机制等方面研究提出展望。     

臭氧污染对麦田土壤不同活性有机碳库的影响

近年来大气臭氧危害加剧,臭氧浓度升高影响植物—土壤系统进而影响土壤有机碳库周转。本研究在开放条件下,采用Chan修订的Walkley-Black方法,研究了连续5年增加稻—麦轮作系统大气臭氧浓度(较周围大气高50%)对麦季农田土壤不同活性有机碳库的影响。结果表明,大气臭氧浓度升高致使0~3 cm、10~20 cm土层土壤有机碳含量显著降低,累积导致耕层(0~20 cm)土壤有机碳含量下降18.4%(p0.05)。臭氧浓度升高显著降低了0~3、3~10、10~20 cm 3个土层中的活性有机碳含量;臭氧升高使0~3 cm土层的受保护缓性有机碳含量增加了10.8%(p0.05),并使未受保护缓性有机碳含量降低了59.7%(p0.05);臭氧升高条件下10~20 cm土层的受保护缓性有机碳含量降低了59.6%(p0.05)。臭氧升高对不同活性碳占总有机碳比例的影响受活性碳类型和土壤层次的制约,显著降低了3~10 cm土层活性有机碳所占比例(p0.05),未对耕层各层次上的稳定有机碳含量及其分配产生显著影响。臭氧升高导致土壤中占土壤有机碳比重59.3%~69.8%的活性碳库的库容变小,应是土壤有机碳库下降的直接原因。本研究表明长期大气臭氧浓度增加具有降低土壤有机碳含量并改变不同活性有机碳库分配与周转的态势。     

渭北黄土丘陵区人工林类型对土壤属性的影响

为了研究渭北黄土丘陵区人工林类型对土壤属性的影响,选取位于同一坡面上的刺槐纯林、油松纯林和苹果园土壤为研究对象,分析了土壤结构稳定性,土壤有机碳、无机碳和土壤呼吸等土壤属性在3种人工林土壤剖面的变化特征,并探讨了土壤有机碳和无机碳在水稳性团聚体形成中的作用。结果表明:3种人工林土壤团聚体破碎率均较高,各团聚体水稳性指标值、土壤有机碳含量、土壤呼吸在3个样地的顺序均为油松林刺槐林苹果园,土壤无机碳含量的顺序为刺槐林苹果园油松林。土壤有机碳和无机碳含量之间呈负相关关系,且二者分别与团聚体水稳性呈正相关和负相关关系,但同时,无机碳含量存在一个阈值,当低于或高于这一阈值时,其含量与团聚体水稳性分别呈正相关或负相关关系,因此,当无机碳含量较高时,应降低其含量,并提高土壤有机碳含量,以改善土壤结构,降低土壤遭受侵蚀的风险;土壤结构稳定性各指标之间及其与土壤有机碳含量和土壤呼吸呈极显著正相关关系。可见,人工林类型显著影响各项土壤属性,油松林在提高土壤质量方面的作用大于刺槐林。     

干湿交替对土壤碳库和有机碳矿化的影响

水分是影响土壤活性碳库和惰性碳库周转过程的主导因子,而土壤有机碳的周转速率会对气候变化造成潜在的重要影响。以农田水稻土为供试土壤,通过培育试验研究了干湿交替过程对土壤有机碳矿化的影响,并利用两库叠加模型对土壤不同碳库及其降解动力学进行初步评估。结果表明:干湿交替激发了土壤呼吸,增加了土壤微生物代谢活性。三次湿润过程对土壤呼吸的激发量分别为119.3%、159.5%和87.3%,激发效应随干湿交替频率的增加先升高后降低。多次干湿交替后,土壤累积CO2释放量低于恒湿土壤,湿润所引起的激发的矿化量不足以弥补干旱期降低的矿化量。在湿润的数小时内,土壤溶解性有机碳含量先升高后降低。干湿交替提升了土壤活性碳库的降解速率,降低了惰性碳库的降解速率,湿润后土壤活性碳库显著增加。多次干湿交替降低了土壤真菌/细菌比,使土壤微生物群落结构发生变化,细菌成为优势种群。     

长期定位试验下施肥对潮棕壤活性碳库及碳库管理指数的影响

分析了长期不同施肥制度对潮棕壤活性碳库及碳库管理指数的影响。结果表明:长期施肥不同施肥制度对土壤活性碳库、碳素有效率及碳库管理指数有很大影响,长期施用有机循环肥处理,尤其是循环肥配合均衡化肥(NPK+O)施用处理的土壤有机碳、易氧化碳(ROC)、溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳含量(MBC)、土壤碳素有效率及土壤碳库管理指数明显高于对照处理的土壤。潮棕壤活性碳库中不同形态的碳素含量大小顺序为:CROC>CMBC>CDOC,同一施肥处理水平下,不同形态碳素有效率以ACC>ABC>AAC。相关分析表明:土壤碳素有效率和碳库管理指数与土壤的化学性质尤其是土壤养分因子呈显著或极显著相关,反应了农业生产措施对土壤碳库的影响,运用土壤碳库管理指数可以很好地反映出土壤碳库的动态变化。     

施肥对红壤性水稻土颗粒有机物形成及团聚体稳定性的影响

土壤颗粒有机物 (POM)是土壤有机碳库中活动性较大的碳库。POM的形成对提高土壤碳库和缓解大气CO2 的升高具有重要意义。POM的形成与土壤团聚体的形成和性质密切相关 ,且深受土地利用和土壤管理的影响。实验土壤采自江西省红壤研究所无机肥长期定位试验地 ,各施肥处理为 :CK(不施肥 )、NPK(施氮磷钾肥 )、NPK(=) (施双倍氮磷钾肥 )和NPK OM(施氮磷钾肥和猪粪处理 )。研究发现 :施肥显著地增加了水稻土POM的含量 ;随着化肥施肥量和有机肥的增加 ,POM含量增加 ,NPK、NPK(=)和NPK OM处理的POM含量比CK分别增加了 1 1～ 1 3倍、1 2～ 1 4倍和 1 5～ 1 9倍 ;施肥也提高了土壤团聚体稳定性 ,表现为NPK OM >NPK(=) >NPK >CK ;各处理POM含量随土壤团聚体粒级的减小而增加 ,其C/N比为降低趋势 ;团聚体稳定性与POM含量呈极显著关系 (r=0 98,p <0 0 1)。研究结果说明施肥导致POM碳库的增加是因为有机物投入的增加以及水稻土大团聚体的形成     

气候变化对土壤有机碳库分子结构特征与稳定性影响研究进展

气候变化与土壤碳库之间的相互作用及耦合机制一直是学术界研究的热点与难点。虽然目前在群落—生态系统、区域—全球等不同尺度上开展了大量研究,然而在分子尺度上探究气候因子波动对土壤有机碳库化学结构特征影响机制方面却鲜有研究。本文综述了近年来气候因子变化及其导致的环境、生态因子变化与土壤有机碳库分子结构特征的关系。气温升高不仅将改变土壤中源自植物部分的有机碳来源特征,同时也会将加速土壤木质素等碳组分分解,排水或者旱化引起有机质分解加速,土壤中C=O键增加。植被演替、土壤动物及微生物等与气候变化密的切相关的生态因子则会影响输入土壤植被残体性质,加速糖类、脂类及木质素分解、并改变有机碳结构的生物分子标志物;土壤中有机碳稳定性与分子结构特征密切相关,土壤中具有高的苯环结构(芳香族化合物)及O-烷基碳通常表明土壤碳库具有更高的稳定性,而之前认为较为稳定的木质素等结构在气候变暖背景下可能并不稳定。未来研究中应着重关注与土壤有机碳分子标志物的识别与生态意义判读、生物对土壤有机碳分子结构转换过程的调控作用及机制、大尺度环境/生态过程与碳库分子结构转变的耦合机制及新的土壤有机碳分子结构辨识技术及判读等方面的研究。     

植被恢复下土壤结构与功能的关系

通过查阅有关土壤结构和土壤功能的国内外文献,对土壤结构和土壤功能的研究进展、土壤结构稳定性指标以及土壤结构的研究方法进行了阐述;讨论了土壤结构与土壤的作物生产功能、土壤水库功能、土壤碳库功能、土壤基因库功能等的关系;并对激光共聚焦扫描技术在土壤结构与孔隙特征分析中的应用及数字图像处理技术的应用如何反映土壤孔隙的真实状况,加强对土壤结构及其功能的定量关系研究等方面提出了展望。     

不同秸秆还田模式对黑钙土团聚体特征的影响

通过5年田间定位试验,研究了不同玉米秸秆还田方式对黑钙土土壤团聚体含量、稳定性和团聚体有机碳贡献率的影响。结果表明:与秸秆不还田(CK)比较,秸秆还田处理能显著提高土壤大团聚体(>250μm)含量、团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)(P<0.05)。秸秆轮耕还田(SRT)比秸秆覆盖还田(SCR)能更有利于土壤大团聚体形成,但2个处理的土壤团聚体稳定性之间差异不显著。秸秆轮耕还田与秸秆不还田相比较能显著增加土壤各粒级团聚体有机碳含量和大团聚体有机碳贡献率,同时,秸秆轮耕还田比秸秆覆盖还田更有利于提高>2 000μm粒径和<53μm粒径团聚体有机碳含量,以及250～2 000μm粒径团聚体有机碳贡献率。相关性分析表明,土壤有机碳含量与土壤团聚体稳定性及其碳库之间存在极显著的正相关关系。旋耕/深翻的轮耕还田模式促进了耕层土壤大团聚体形成和土壤结构稳定,显著提高土壤团聚体碳库和对土壤有机碳的贡献,为东北黑钙土区较适宜的玉米秸秆还田模式之一。     

植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展

土壤有机质的数量和质量不仅是衡量土壤肥力状况的核心要素,其形成、转化及稳定过程还与全球气候变化密切相关。植物残体是土壤有机质的初始来源,但由于其腐解过程的复杂、多变性以及土壤有机质、微生物的高度异质性,植物残体向土壤有机质的转化和稳定机理尚不十分明确。本文介绍并讨论了近年来关于植物残体向土壤有机质转化相关研究的新发现,探讨了微生物源和植物源有机质对土壤有机质的贡献,概述了土壤有机质形成的微生物驱动机制,并综述了植物残体输入后土壤有机质稳定性的相关研究,最后对该研究领域未来的发展进行展望,以期能够为科学地提高土壤的固碳能力提供参考。     

Humification-mineralization pyrolytic indices and carbon fractions of soil under organic and conventional management in central Italy

The aim of this study was to evaluate chemical changes in soil organic matter (SOM) in organically and conventionally managed fields, using pyrolytic indices and the extraction of different carbon fractions. Pyrolysis-gas chromatography (Py-GC) was used to study structural changes in SOM, whereas the different soil extractions gave a fractionation of C forms. Organic management increased both humic and labile C forms (microbial biomass C and water soluble organic C). A significant positive relationship was found between the living SOM fraction, expressed as microbial biomass/total organic C ratio (MBC/TOC) and humification rate. A negative relationship was found between the pyrrole to phenol ratio (O/Y) and total extractable C (TEC).An opposite trend has been observed for the second pyrolytic index (N/O), which represents the mineralization of fresh organic matter. Mineralization was higher in organically managed soil, probably because of consistent input of fresh material to the organic field. Carbon fraction pools and pyrolytic indices provided complementary indications of SOM quality under organic and conventional management.     

黑土农田土壤有机碳演变研究进展

在我国, 由于国家粮食安全的需要, 关注黑土、研究黑土的人越来越多, 尤其是黑土可持续利用及其与环境的关系已成为当今研究的热点问题。黑土研究领域中最活跃的部分是黑土农田土壤有机质(碳)的研究。基于此, 本文依据有关文献资料, 简述了我国黑土的分布、黑土开垦历史、农田土壤有机碳的演变及其在农业上的贡献, 系统分析了国内外农田土壤碳研究的方法及其进展, 指出了开展我国黑土农田土壤碳演变及其预测研究的现实意义及其潜在价值, 建议未来应侧重黑土农田土壤有机碳的变化与调控方面的研究, 即在黑土农田土壤有机碳的定向培育技术、指标体系和量化表征评估方法、预测模型等方面有所突破, 最终形成黑土农田土壤有机碳保护和利用的理论和方法。     

土壤团聚体中有机质研究进展

团聚体和有机质是保持土壤结构和肥力的基础,二者相互作用,不可分割,前者是后者存在的场所,后者是前者存在的胶结物质。在现有资料中,分别以团聚体和有机质为主要研究对象的报道较多,而团聚体中有机质性质的研究较少。本文从土壤有机质物理分组与化学分组相结合的角度,介绍国内外有关土壤团聚体中有机质的数量和特性及其对农业措施的响应方面的研究进展,内容包括团聚体分组、数量和稳定性,团聚体中的有机质的数量、未分组有机质的性质和腐殖物质组分的性质,颗粒分组中的有机质数量和性质,团聚体-密度联合分组中的有机质的数量和性质,不同土地利用方式和长期耕作施肥对团聚体中的有机质的影响等。以期推动不同粒级团聚体和不同HS组分相互作用及其对土壤固碳和肥力贡献研究工作的开展,为探索土壤有机质物理保护与化学保护之间的关系,揭示土壤固碳和培肥机理提供依据。     

沙地土壤有机质与土壤水动力学参数的关系

试验测定了不同有机质含量的沙地土壤饱和导水率、水分特征曲线及一些水分常数,研究分析了沙地土壤有机质含量与水动力学参数的关系以及有机质影响沙地土壤水分运动的机理。结果表明沙地土壤有机质含量与几个水分常数均呈极显著线性相关,土壤水吸力相同时有机质含量越高,土壤含水量也越大;土壤有机质含量和<0.01mm物理性粘粒与土壤饱和导水率呈极显著线性负相关,沙地土壤有机质是影响水分动力学参数最重要的因子之一。     

土壤有机质含量对土壤水动力学参数的影响

通过测定并分析不同有机质含量的壤质土样的饱和导水率,水分特征曲线,水分扩散率及几个水分常数,阐明了土壤有机质含量与水动力学参数的关系,从动力学角度探讨了有机质影响水分运动的机理。     

应用~(13)C核磁共振技术研究土壤有机质化学结构进展

土壤有机质化学结构对准确评价土壤有机质的稳定性及其在土壤中的功能具有重要意义。土壤有机质化学结构的研究方法中,固态~(13)C核磁共振波谱技术(Solid-state ~(13)C-NMR spectroscopy)具有独特优势,对土壤有机质化学结构的解析更贴近真实状态,近年来已取得诸多新进展和新突破。综述了近年来应用~(13)C-NMR测定土壤全土、团聚体和密度组分、腐殖质组分的有机碳化学结构特征,分析了影响化学结构变化的因素。不同气候条件、植被类型、土地利用管理方式、土壤类型、土壤有机碳含量的全土中有机碳化学结构比较相似,均表现为烷氧碳比例最高,其次为烷基碳和芳香碳,羧基羰基碳比例最低。土壤有机碳主要来源于外源植物残体,植物残体化学结构的相似性可能是导致土壤有机碳化学结构相似的主要原因,环境条件、土壤自身属性和微生物活性的差异使土壤有机碳化学结构产生微小差异。土壤颗粒及化学组分间的有机碳分子结构差异较大,大颗粒有机碳中烷氧碳比例最高,小粒径及与矿物颗粒结合的有机碳中烷基碳和羧基羰基碳比例更高,粉黏粒和腐殖酸组分的有机碳化学结构在土壤类型间差异较大。今后的研究重点应更多地关注土壤有机质来源的定量化分析、土壤微生物对土壤有机碳组分和结构稳定性的贡献及调控机制、土壤有机碳稳定性的生物物理化学保护机制、空间大尺度环境因子/土壤生态过程与微观尺度的有机碳化学分子结构的耦合作用机制、跨学科的多种土壤有机碳化学分子结构测定辨识技术等方面的研究。     

Predicting soil organic matter stability in agricultural fields through carbon and nitrogen stable isotopes

In order to evaluate the sustainability and efficiency of soil carbon sequestration measures and the impact of different management and environmental factors, information on soil organic matter (SOM) stability and mean residence time (MRT) is required. However, this information on SOM stability and MRT is expensive to determine via radiocarbon dating, precluding a wide spread use of stability measurements in soil science. In this paper, we test an alternative method, first developed by Conen et al. (2008) for undisturbed Alpine grassland systems, using C and N stable isotope ratios in more frequently disturbed agricultural soils. Since only information on carbon and nitrogen concentrations and their stable isotope ratios is required, it is possible to estimate the SOM stability at greatly reduced costs compared to radiocarbon dating. Using four different experimental sites located in various climates and soil types, this research proved the effectiveness of using the C/N ratio and δ¹⁵N signature to determine the stability of mOM (mineral associated organic matter) relative to POM (particulate organic matter) in an intensively managed agro-ecological setting. Combining this approach with δ¹³C measurements allowed discriminating between different management (grassland vs cropland) and land use (till vs no till) systems. With increasing depth the stability of mOM relative to POM increases, but less so under tillage compared to no-till practises. Applying this approach to investigate SOM stability in different soil aggregate fractions, it corroborates the aggregate hierarchy theory as proposed by Six et al. (2004) and Segoli et al. (2013). The organic matter in the occluded micro-aggregate and silt & clay fractions is less degraded than the SOM in the free micro-aggregate and silt & clay fractions. The stable isotope approach can be particularly useful for soils with a history of burning and thus containing old charcoal particles, preventing the use of ¹⁴C to determine the SOM stability.     

东北黑土有机质组分与结构的研究进展

在全球气候变化背景下研究土壤有机质的转化过程对于评价陆地生态系统碳截获潜力具有重要意义,而土壤有机质的循环特征及其稳定性与土壤有机质的组成和结构密切相关.东北黑土区是我国重要的商品粮基地,近年来,黑土有机质含量呈显著下降趋势,造成黑土肥力和质量的严重退化.本文通过文献资料的整理,总结了不同农田管理措施下黑土土壤有机质的消长动态、组分变化以及结构特征的研究现状,并探讨了研究中存在的问题.开垦和耕作导致土壤有机质总量、活性组分以及腐殖物质含量的显著降低,而平衡施用化肥和有机肥是维持和提升土壤有机质数量和质量的有效途径,长期有机无机配施使土壤有机质结构趋于简单化,有利于土壤肥力的保持.黑土有机质组分化学结构变化的驱动机制是值得人们长期探索的问题.