大气CO_2升高与农田土壤碳循环研究

大气CO2浓度的升高通过植物-土壤-微生物的相互作用对陆地生态系统中最大碳库土壤的稳定性产生重要影响。大气CO2浓度升高,影响许多植物生长发育过程,进而影响土壤有机碳输入量。与此同时,土壤微生物的群落与功能也会随之发生变化,参与土壤碳的转化,深刻影响陆地生态系统的碳循环。文章分析了大气CO2浓度升高影响农田土壤碳循的有关过程,包括高CO2浓度条件下,作物地下部分的生长响应,以及向土壤中输入作物光合有机物量和质的变化,探讨了土壤碳库对大气CO2浓度升高反馈的土壤微生物作用机制,进一步解析了土壤微生物群落结构在土壤碳与大气CO2浓度之间的相互作用,提出研究土壤有机碳转化的土壤微生物作用机制是预测全球气候变化条件下的农田土壤碳循环规律的关键。图1,参79。     

农田土壤有机碳固定机制及其影响因子研究进展

全球气候变暖引起的环境问题已经引起各国政府及科学家的密切关注。农田土壤作为大气CO2的源和库,在全球碳循环中的重要角色日渐被认识。本文围绕土壤固碳的基本问题,总结了农田土壤固碳潜力、土壤有机碳固定机制及其影响因素的国内外研究进展。国内研究表明,目前耕地的地力不稳,土壤有机碳密度较低,农田土壤固碳的潜力较大。因此,加强不同区域农田土壤固碳潜力、固碳过程、固碳机理等方面的研究,设计合理优化的农业管理措施,是今后研究的重点。     

冀西北栗钙土有机碳、酶活性及土壤呼吸强度特征研究

土壤有机碳(质)水平的高低是评价土壤肥力高低的重要指标之一,如何提高土壤有机碳(质)研究一直是国内外土壤科学工作者关注的课题。近年来,随着全球环境变化对陆地生态系统的影响,土壤有机碳逐渐成为公众和科学界关注的热点[1]。研究陆地碳循环机制及其对全球变化的响应,是预测大气CO2含量及气候变化的重要基础,这已引起科学界的高度重视[2]。目前,有关土壤碳循环研究主要集中在大气CO2浓度升高对土壤酶活性、有机物料分解、土壤微生物、土壤有机质、腐殖质组成、农作物养分利用、植物生长、光合作用、根系生长及其分泌物等生理生态方面的影响[3～12],以及施肥对农田土壤碳循环、微生物及酶活性的影响[13～16],     

渭北苹果园土壤有机碳库变异特征

土壤碳库是陆地生态系统中最大且最活跃的碳库之一,是全球碳循环的核心内容.土壤有机碳的固定和矿化不仅对全球大气CO2浓度起着重要的调节作用[1],而且影响着土壤肥力及作物产量[2-3],指示着植被演替的结果和演化的趋势,倍受学术界广泛关注.     

土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系

通过综述土壤侵蚀对碳循环的影响、全球气候变化对土壤侵蚀的影响以及水土保持植被恢复对碳循环与土壤碳素积累的影响,研究土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系。结果表明:因侵蚀造成的土壤碳素损失是巨大的,但土壤侵蚀是碳源还是碳汇过程依然存在争议,焦点集中于因侵蚀造成土壤团聚体解体,暴露在空气中的土壤有机碳的矿化速率的大小;随着全球气温升高以及降雨格局的变化,全球土壤侵蚀强度和范围都在不断增加,但土壤侵蚀对全球气候变化的响应程度依然值得深入研究;水土保持生态恢复主要通过改变下垫面性质来改变土壤有机碳含量、影响土壤CO2释放并促进土壤碳素积累,对抑制大气CO2浓度升高能产生积极影响。尽管土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系方面的研究已取得重大进展,但仍有待于在土壤侵蚀过程中碳素变化模型、土壤侵蚀过程中氮素迁移转化特征以及侵蚀劣地生态恢复过程中土壤碳素积累机制等方面加强研究。     

大气CO2浓度升高对土壤碳库的影响

土壤碳库是输入、输出土壤碳量的平衡:大气CO2浓度升高有可能通过生态系统中的各种生理过程来增加输入土壤的碳量,输入土壤碳量的增加使土壤成为一个潜在的碳汇,有可能缓解大气CO2浓度的升高;但另一方面输入土壤碳量的增加,为微生物的生长提供了能量,从而提高了微生物的活性,因此土壤呼吸增强,土壤碳输出增加.本文综述了大气CO2浓度升高对土壤碳输入、输出的影响以及目前研究中存在的争论,并提出有待进一步研究的领域和方向.     

沱江流域中游土壤有机质的空间变异特点及其影响因素

土壤有机质(SOM)是陆地生态系统中碳循环的重要源与汇[1-3]。其不仅能提高土壤肥力和生产力,且其对碳的固定也是人类应对大气CO2浓度升高的重要途径[4-5]。在区域尺度上,土壤有机质主要受气候、土地利用方式、地理因素如海拔高度、坡度和质地等差异的影响[6-9]。且不同自然地理条件和社会经济发展水平的区域,其土壤有机质的主要影响因素及其影响程度也会有所差异[10-12]。     

溶解性有机质在土壤固碳中的意义

随着全球变暖的加剧,土壤圈作为全球碳循环中的重要碳库受到日益关注。土壤有机碳固定对大气温室效应和气候变暖有重要影响。溶解性有机质(DOM)是土壤中最活跃的有机碳库,其含量与土壤CO2、CH4、N2O的排放显著正相关,DOM的矿化成为土壤有机碳损失的重要途径。DOM可通过与Fe、Al共沉淀、吸附于土壤矿物表面而改变其生物降解性,从而在土壤中稳定和保留下来,对土壤有机碳积累中具有重要贡献。DOM的化学组成和结构特征影响其生物降解性,同时也影响其沉淀吸附效应。其稳定机制不同,对土壤有机碳积累的贡献也存在差异。目前估算DOM对土壤有机碳的贡献尚无普遍认可的方法,具体数值因估算方法不同而存在较大差异,有效的估算方法仍有待于进一步研究。     

土壤腐殖质组成对大气二氧化碳浓度升高的响应

为了探求大气CO2浓度升高对土壤腐殖质及其组成的影响，为大气CO2浓度升高条件下土壤生物化学过程的变化提供依据，通过稻-麦轮作FACE（Free-air CO2 enrichment）平台研究了正常施氮水平下水稻土壤有机碳及其各组分对大气CO2浓度升高的响应。研究结果表明：不同土层的腐殖质组分含量有所差异，表层（0～15cm）土壤腐殖化程度较高，表层的土壤有机碳（SOC）、水溶性碳（WSOC）、胡敏酸（HA）、富里酸（FA）、胡敏素（HM）数量均高于下层（15～30cm）。大气CO2浓度升高，增加了表层和下层的SOC，促进了土壤有机质的积累；使表层WSOC有增加趋势，但对下层没有显著影响；降低了土壤中可提取腐殖物质中HA的比例（PQ），土壤的腐殖化度下降，有利于HA的分解与转化和FA的积累；对土壤HM没有显著影响。     

土壤酶活性对温度和CO2浓度升高的响应研究

作为土壤生态系统中的重要组成部分及生物元素循环的积极参与者,土壤酶在陆地生态系统地下生态过程中扮演着十分重要的角色。升高温度和(或)大气CO2浓度可能直接或者间接影响其活性。但目前对温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶的影响机理、过程及土壤酶对其的响应机制研究相对薄弱。本文初步总结了国内外关于温度和(或)大气CO2浓度升高对土壤酶活性影响研究的现状,并指出了目前研究中存在的不足。     

农田土壤固碳与增产协同效应研究进展

农田土壤固碳是提升土壤肥力、保障和实现农田持续稳定生产能力的关键所在。明确农田土壤固碳与作物增产的协同效应可为不同区域土壤培肥、维持和提升作物产量提供依据。农田土壤固碳明显受到气候、土壤属性、管理措施 (尤其是施肥和耕作)、轮作制度等因素的影响，且与农田作物产量密切相关，二者具有明显的协同效应。农田土壤有机碳与作物增产协同效应存在一定的阈值，且该阈值具有一定的区域差异。东北地区土壤有机碳阈值约为C 44～46 t/hm2，西北和华北地区约为C 22～28 t/hm2，南方地区约为C 33～37 t/hm2。经验方程和模型模拟结果表明，在不同区域，农田土壤每固定C 1.0 t/(hm2·a)有机碳，粮食作物产量可平均提升约0.7 t/hm2，但该响应值在各地区明显受到相应的环境及农田管理措施等因素的影响。深入理解农田固碳过程及其与作物生产力协同作用的机理，是指导不同区域合理培肥、提高土壤肥力、提高养分资源利用效率的关键举措。未来的研究方向和重点是明确不同区域农田土壤可实现的固碳潜力，进一步揭示集约化种植下农田土壤有机碳的固存机制，关注深层土壤有机碳固定对作物增产潜力的影响及贡献，并深入分析表征环境、人为因素等对农田土壤固碳增产协同效应的影响机制及调控原理。     

植被恢复的土壤固碳效应：动态与驱动机制

植被恢复是影响土壤有机碳库动态变化的关键过程之一,阐明植被恢复过程中土壤有机碳的固持动态及其驱动机制,是全球变化下碳循环研究的热点和前沿问题。本文综述了近年来国内外关于植被恢复过程中土壤有机碳固定动态及其驱动机制方面的研究,剖析植被恢复中土壤有机碳固持动态及其影响因素,探讨植物碳输入对土壤有机碳动态变化的影响机制,揭示植被恢复中土壤有机碳固定的物理、化学和微生物驱动机制,并对目前研究中存在的问题进行总结,进而提出关于植被恢复的土壤固碳效应研究,亟需在土壤有机碳组分的动态、微生物结构和功能,以及植物—土壤—微生物对土壤有机碳固持的协同作用机制等方面进一步加强。本综述可为植被恢复与土壤固碳稳定机制研究指明未来的方向,进而为促进我国植被恢复的土壤碳循环研究,科学评价生态系统土壤固碳潜力和有效实施生态系统碳汇管理提供科学参考。     

全球黑土区有机物料还田对土壤有机碳固存影响的Meta分析

黑土有机质含量丰富,但随着农业活动加剧,以及黑土区低温特性的限制,土壤有机质大量流失。不同有机物料还田是提升土壤有机质的重要方式,然而目前仍缺少对不同有机物料还田具体恢复效果及过程的评价。该研究使用Meta分析的方法,对2000年1月—2022年9月经同行评议的文章进行整合分析,综合了41篇文献中2 012个观测值,设定低、中、高年限及碳投入量,评估秸秆还田和有机肥还田对黑土土壤有机碳固存的影响。结果表明,有机肥还田处理的土壤有机碳、土壤总氮、土壤总磷含量均高于秸秆还田。随着处理年限的增加,有机肥还田对于土壤有机碳含量的增加效果优于秸秆还田。此外,不同碳投入的条件下,有机物料还田对于土壤碳固存影响不同,其中在中碳投入的条件下,有机肥还田有机碳含量(65.62%)显著高于秸秆还田(20.07%)。21 a以上的长期中碳投入下有机肥还田更有利于黑土土壤有机碳固存的增加。该研究为黑土区有机物料还田的选择提供科学依据。     

不同类型土壤引黄灌溉固碳效应的对比研究

通过在宁夏引黄灌区实地调查、采样与分析,研究5种类型土壤在不同灌溉耕作时间序列下土壤有机碳含量及碳密度的变化特征,对比分析不同类型土壤对引黄灌溉耕作固碳效应的差异。结果表明:灌溉耕作引起的土壤有机碳含量的变化因土壤类型的不同而存在差异;在相同的灌溉耕作时间下,5种类型土壤的有机碳密度大小顺序为:灌淤土>潮土>新积土>风沙土>淡灰钙土;与同类型未灌溉耕作的土壤比较,灌溉耕作使各类型土壤有机碳密度均有不同程度的增加,相同的灌溉耕作时间下土壤有机碳密度增幅排列次序为:风沙土>潮土>灌淤土>淡灰钙土>新积土。宁夏引黄灌区的土壤固碳效应因土壤类型的不同存在明显差异。     

不同施肥模式对南方黄泥田耕层有机碳固存及生产力的影响

【目的】探讨南方丘陵黄泥田不同施肥对耕层土壤有机碳固存及生产力的影响,促进区域农田固碳减排和作物高产。【方法】基于32年的长期定位试验,研究不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、化肥+牛粪(NPKM)、化肥+全部稻草还田(NPKS)处理下,历年水稻产量、代表性年份耕层土壤有机碳含量及固碳速率的变化。【结果】NPK、NPKM、NPKS处理下水稻历年平均产量分别较CK高67.1%、88.1%和84.2%,差异显著,且NPKM、NPKS处理与NPK处理间亦具有显著差异。NPK、NPKM与NPKS处理耕层土壤有机碳历年平均含量比CK高8.9%~36.8%其中NPKM最高且亦显著高于NPKS与NPK处理。与初始土壤相比各处理有机碳含量增加1.84~5.26g/kg。以每10年为评价周期,NPKM、NPKS处理的固碳速率与CK及NPK差异均显著,其中双季稻年份NPKM与NPKS处理固碳速率分别是CK的2.38倍和1.98倍,是NPK处理的1.59倍与1.32倍但NPK处理与CK间差异不显著。稻田系统年均有机碳输入与有机碳固存间存在极显著幂函数关系,施肥土壤有机碳含量变化与籽粒产量变化间亦呈极显著正相关。【结论】南方黄泥田化肥配施有机肥或配合秸秆还田较单施化肥稳步提升水稻产量。长期不施肥土壤有机碳仍可维持低幅度增长,随着土壤有机碳含量升高,固碳效率逐步降低。化肥配施有机肥或配合秸秆还田较单施化肥明显提高了土壤的固碳速率二者均是提高黄泥田生产力与固碳能力的双赢措施。     

淤地坝保碳、减排、增汇作用与其能力评估

淤地坝是黄土高原地区重要的沟道治理措施,也是陆地生态系统中重要的储碳场所。评估淤地坝的碳汇作用与能力,可为研究其他水土保持措施碳汇提供重要借鉴,也为我国碳达峰、碳中和目标提供科学依据。以黄土高原淤地坝为研究对象,系统探讨淤地坝的碳汇效应与机理,提出淤地坝碳汇能力估算方法。结果表明:淤地坝具有保土保碳、减蚀减排和增绿增汇作用。在过去50年中黄土高原淤地坝保碳能力为2.16×10⁷ t C,减排能力为4.33×10⁶~8.66×10⁶ t C,增汇能力为6.84×10⁵ t C。淤地坝产生积极的碳汇效益,对提升生态系统碳中和能力、降低碳达峰的峰值发挥重要作用。淤地坝与其他主要水土保持措施都具有保土、减蚀等多种水土保持效益,可充分发挥保碳、减排、增汇等多种碳汇作用。推行碳汇水土保持工作、实施水土保持增汇行动,既可全面巩固陆地生态系统碳汇作用,又能持续提升生态系统增汇能力,对碳达峰与碳中和作出水土保持贡献。     

土壤中木质素的研究进展

木质素是地球上最丰富的芳香族化合物,是土壤中非常稳定的有机组分,也是影响土壤有机碳循环的重要物质,因此,研究木质素在农田土壤中的积累对于土壤碳素的循环过程以及土壤有机碳的截获具有十分重要的意义。本文对土壤中木质素的分类和来源、测定及表征方法进行了综合介绍,并着重评述了木质素对于土壤有机碳循环的贡献、在土壤中的保持机制及影响木质素在土壤中降解和积累特性的因素,以期为我国开展土壤木质素的相关研究提供理论参考。     

氮肥高效施用在低碳农业中的关键作用

低碳农业是我国集约化农业发展的必然趋势。深入理解氮肥高效施用是实现低碳农业的关键,可以更加明确如何集成优化农业管理措施增加产量、减少农田生态系统碳排放、提高土壤固碳效应,综合实现固碳、减排、增产的低碳农业发展目标。本文概述了低碳农业评价指标的三个阶段性研究特点,从田间温室气体排放的综合温室效应拓展为涵盖固碳效应的净温室效应,再拓展为涵盖生命周期评价碳排放的综合净温室效应以及兼顾作物产量的温室气体强度。提出了如何利用当季作物试验来估算农田生态系统净碳收支、结合生命周期评价当季作物综合净温室效应和单位产品温室气体强度的方法。按照现阶段低碳农业的评价指标,以我国稻–麦轮作生态系统集约化生产的低碳农业模式为案例,解析氮肥施用在低碳农业各组成包括作物产量、固碳效应、CH₄和N₂O排放、农业措施碳排放中的重要作用,明确氮肥高效施用在农田生态系统综合净温室效应和温室气体强度中的关键作用,从而实现低碳农业可持续发展。     

生态修复的固碳机制、实现途径及碳中和对策

[目的] 明确生态修复固碳核算指标,为进一步制定固碳的政策措施和开展相关研究,如期实现碳中和目标提供科学依据。[方法] 综述了生态修复固碳的内涵与作用,介绍了生态修复固碳的机制及途径,并分析了不同生态修复固碳措施的效果,提出了生态修复固碳实现途径和对策。[结果] 生态修复主要的3种途径包括林草、土壤、湿地,其固碳效果显著,固碳潜力巨大,具有长期性和持续性。[结论] 为了实现更大程度的固碳,需要在生态修复领域寻求新的突破,推动生态系统提质增效,全面加强资源保护,持续挖掘生态固碳增长的潜力,进一步推进生态修复治理工程和建设。