黑土区水稻土水稳性团聚体有机碳及其颗粒有机碳的分布特征

为研究黑土区水稻土水稳性团聚体有机碳及其颗粒有机碳含量和δ~(13) C值的分布特征,探讨黑土区水稻土水稳性团聚体有机碳及其颗粒有机碳的分布和稳定性,为该地区黑土的合理利用及土壤的合理培肥提供理论依据,以黑土区不同有机碳含量的水稻土为研究对象,利用湿筛法和物理分组技术分离提取各级团聚体及其颗粒有机物,采用~(13) C稳定同位素质谱技术分析有机碳含量及其δ~(13) C值。结果表明,黑土区水稻土以2~0.25mm团聚体为主,土壤有机碳主要富集在0.25mm团聚体中,尤其是2~0.25mm团聚体中;团聚体有机碳的δ~(13) C值随团聚体粒级的减小而增大,2mm和2~0.25mm团聚体中有机碳的δ~(13) C值均小于土壤有机碳的δ~(13) C值,具有碳截获或碳固定能力,而0.25~0.053mm和0.053mm团聚体中有机碳的δ~(13) C值均大于土壤有机碳的δ~(13) C值,具有碳固持或稳定的能力;除B-2土样外,各土样均以2~0.25mm团聚体中的颗粒有机碳含量为最大,以0.25~0.053mm团聚体中的颗粒有机碳含量为最小,且该团聚体中颗粒有机碳含量与土壤有机碳含量呈显著正相关关系(r=0.917,P0.01),表明微团聚体闭蓄态的颗粒有机碳对土壤有机碳的固持和稳定发挥重要作用。土壤颗粒有机碳及各级团聚体中颗粒有机碳的δ~(13) C值均小于土壤有机碳及各粒级团聚体中有机碳的δ~(13) C值,团聚体颗粒有机碳的δ~(13) C值也随团聚体粒级的减小而增大。因此,黑土区水稻土中0.25mm的水稳性团聚体是有机碳的主要载体,团聚体颗粒有机碳作为活性碳库,较总有机碳更易反映黑土区水稻土有机碳的周转变化,其敏感性随团聚体粒级的增大而增强。     

农田土壤有机碳固存的主要影响因子及其稳定机制

农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,在陆地生态系统碳循环过程中发挥重要作用。明确影响农田土壤有机截获的主要因素及土壤固碳的稳定机制,有助于控制和加强农田土壤碳库的固碳潜力,以及正确评价农业生产对全球气候变化的影响。因此,本文综合论述了影响农田土壤碳含量的自然和人为因素,详细阐述了土壤碳固定的物理、化学和生物稳定机制。并总结了已有研究的不足,对今后土壤固碳研究中的热点问题进行了展望。认为从土壤微生物学角度出发,深入研究微生物在土壤有机碳循环中的作用机制,并将地上部和地下部生态系统联系起来探讨土壤碳素稳定性机制更具有重要的意义。     

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],     

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。     

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。     

农田土壤碳饱和机制研究进展

农田土壤有机碳是土壤肥力的核心,与全球碳循环和气候变化密切相关。然而,土壤有机碳水平并非无限度增加而是存在一个最大容量,或称之为碳饱和水平。本文综述了土壤有机碳的稳定机制、碳饱和理论及其关联性,总结了土壤碳饱和概念模型和饱和亏缺预测等方面的研究进展,分析了我国农田土壤碳饱和效应研究现状,并对未来研究方向进行了展望。     

旋耕转深松和秸秆还田增加农田土壤团聚体碳库

土壤耕作和秸秆还田能够显著影响土壤结构和养分周转,也是土壤团聚体分布及更新周转的主要驱动因素。该研究基于连续9 a的旋耕-深松定位试验,对比了长期旋耕农田转变为深松以及秸秆还田对农田土壤0~50 cm土壤团聚体分布、稳定性及团聚体碳含量的影响,分析了团聚体碳对土壤有机碳的贡献率及相互关系。研究结果表明,将长期旋耕农田转变为旋耕-深松农田显著影响了0~50 cm土层的团聚体分布及其碳含量。旋耕-深松配合秸秆还田(RTS-STS)模式能够显著提高表层土壤较大粒级团聚体的比例,且显著提高了土壤团聚体稳定性,分别比旋耕-深松无秸秆还田(RTA-STA)、旋耕秸秆还田(RTS)和旋耕无秸秆还田(RTA)处理高6.1%、65.4%和87.8%;同时,RTS-STS处理显著提高了0~20 cm土层团聚体碳含量和对有机碳的贡献率,虽然在20~30和30~50 cm土层之间,2个处理的团聚体碳含量差异并不明显,但RTS-STS处理的团聚体碳含量对有机碳的贡献率较0~20 cm土层和RTS处理显著降低。通过耕作方式转变、秸秆还田和两者的交互作用对土壤团聚体分布及其碳含量影响的作用力分析可看出,耕作、秸秆及其交互作用是影响不同土层中各处理在不同粒级团聚体分布比例及碳含量差异的主要因素。通过相关分析表明,土壤有机碳含量与团聚体稳定性及其自身碳含量之间存在显著或极显著的正相关关系。旋耕-深松配合秸秆还田(RTS-STS)模式促进了0~20 cm土壤团聚体的形成和稳定,提高了土壤团聚体碳库和对有机碳的贡献,对提升土壤有机碳水平具有积极意义。     

外源碳输入对华北平原农田和湿地土壤有机碳矿化及其温度敏感性的影响

研究外源碳输入和气候变暖对土壤有机碳矿化的影响,对于深入理解土壤有机碳的稳定和积累机制以及其对全球变化的响应具有重要意义。通过为期35 d的室内培养试验,利用~(13)C稳定同位素标记技术,研究了华北平原典型农田和湿地土壤在15℃和25℃下的土壤有机碳矿化及激发效应。结果表明,土地利用类型(农田/湿地)、温度(15℃/25℃)和葡萄糖添加[0.4mg(C)·g~(-1)]对土壤有机碳矿化均具有显著影响。在相同培养温度下,未添加葡萄糖的农田和湿地土壤有机碳矿化无显著差异,而添加葡萄糖处理下农田土壤有机碳矿化显著高于湿地土壤。除湿地土壤在15℃下培养外,添加葡萄糖显著促进了农田和湿地土壤有机碳矿化,农田土壤有机碳矿化的激发效应显著高于湿地土壤。温度升高显著促进了农田和湿地土壤有机碳矿化,培养过程中土壤有机碳矿化温度敏感性Q10为1.2～1.6,土地利用类型和葡萄糖添加对土壤有机碳矿化温度敏感性的影响都不显著。在温度升高和外源碳输入的共同作用下,农田土壤有机碳矿化显著高于湿地土壤。     

福鼎茶园土壤团聚体有机碳分布与分子结构特征

以福建省福鼎市白琳镇(BL)、点头镇(DT)、磻溪镇(PX)、管阳镇(GY)和太姥山镇(TMS)的茶园土壤为研究对象,研究其团聚体组成及稳定性,各粒级团聚体有机碳含量、固碳贡献率及有机碳红外光谱,旨在从团聚体尺度揭示茶园土壤有机碳分布及其分子结构特征。结果表明:(1)不同采样地土壤团聚体组成存在差别,但随土层加深,大团聚体(0.25~2 mm)和微团聚体(0.053~0.25 mm)含量均减少,而粉-黏粒团聚体(＜0.053 mm)含量增大;(2)随土层加深,所有采样地平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)减小,分形维数(D)增大,团聚体结构稳定性降低;(3)各粒级团聚体有机碳含量随土层加深而减小,固碳贡献率主要受团聚体含量的影响,大团聚体固碳贡献率相对更大;(4)各粒级团聚体有机碳均主要来源于多糖碳或脂肪碳,0-15 cm土层土壤粉-黏粒团聚体比大团聚体和微团聚体有机碳更稳定,15-30 cm土层各级团聚体均比0-15 cm土层对应粒级团聚体有机碳更稳定。研究成果可为茶园土壤有机碳的科学管理提供理论参考。     

Importance of periphytic biofilms for carbon cycling in paddy fields: A review

Paddy fields play an important role in global carbon (C) cycling and are an important source of methane (CH₄) emissions. Insights into the processes influencing the dynamics of soil organic C (SOC) in paddy fields are essential for maintaining global soil C stocks and mitigating climate change. Periphytic biofilms composed of microalgae, bacteria, and other microorganisms are ubiquitous in paddy fields, where they directly mediate the transfer of elements at the soil-water interface. However, their contributions to C turnover and exchange have been largely neglected. Periphytic biofilms affect and participate in soil C dynamics by altering both abiotic (e.g., pH and redox potential) and biotic conditions (e.g., microbial community composition and metabolism). This review summarizes the contributions of periphytic biofilms to soil C cycling processes, including carbon dioxide fixation, SOC mineralization, and CH₄ emissions. Future research should be focused on: i) the mechanisms underlying periphytic biofilm-induced C fixation and turnover and ii) quantifying the contributions of periphytic biofilms to soil C uptake, stabilization, and sequestration in paddy fields.     

稻田土壤微生物残体积累对外源秸秆输入的响应研究进展

稻田土壤碳循环是我国陆地生态系统碳循环的重要组成部分。促进稻田生态系统碳的固定及稳定对减缓全球气候变化起着不容忽视的作用。微生物主导的有机碳转化过程是土壤碳循环研究的核心,微生物同化代谢介导的细胞残体迭代积累在土壤有机碳长期截获和稳定过程中发挥重要作用。与旱地土壤相比,关于稻田土壤中微生物残体积累动态对外源有机物质如作物秸秆输入的响应及主要影响因子的认识还相对有限,对微生物通过同化作用参与土壤固碳的过程和机制尚缺乏系统认识。基于此,本文介绍了微生物残体对土壤有机碳库形成和积累的重要性及评价指标,重点探讨了秸秆还田对稻田土壤微生物残体积累动态以及外源秸秆碳形成细胞残体转化过程的影响,分析了影响微生物残体积累转化的主要气候因素和土壤因素,最后提出了未来应借助先进的光谱和高分辨率成像技术并结合同位素示踪对微生物残体的稳定性与机理开展更为深入的研究。     

外源氮输入对土壤有机碳矿化和凋落物分解的影响

目前,由人类活动造成的陆地生态系统氮输入量已经远远超过了其自身的生物固氮,外源氮输入的增多已经并将继续对土壤有机碳矿化和凋落物分解产生影响。本文分析了国内外有关氮输入增多对土壤有机碳矿化和凋落物分解的影响及其机理:由于研究点环境状况不同,凋落物性质的差异和分解阶段的不同等原因,氮输入对土壤有机碳矿化的结果主要表现为抑制或促进作用;对凋落物分解的影响表现为促进、无影响和抑制三种效果,有关其作用机理还有待进一步深入研究。着重指出对于作为大气CO2"汇"的沼泽湿地,氮输入的增多能够对其碳"汇"功能产生影响,因此进行氮输入对湿地土壤有机碳矿化和凋落物分解方面的研究,对于探讨湿地碳循环对外源氮输入的响应及其机理非常重要。     

大气CO_2浓度升高对陆地生态系统土壤固碳的可能影响

陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。大气CO2浓度升高直接或间接地影响土壤碳的固定,碳在土壤的不同固定机理反映了碳的稳定性和周转过程,本文综述了影响碳固定的物理、化学和生物学机理,土壤碳固定的不同状态发生的主要机理不同;受大气CO2浓度升高影响时间长短不一,主要过程有所侧重,但三种机理相互影响。     

红壤恢复林地微团聚体形成与稳定的影响机制研究进展

微团聚体是土壤团粒结构的基本组成单元,较大团聚体具有更强的稳定性,其形成与稳定对于土壤有机碳的长期吸存起着决定性作用。目前关于微团聚体形成与稳定性的研究多专注于农业土壤,红壤侵蚀地植被恢复后土壤团聚体稳定性、有机碳分布及微生物群落特征研究也主要集中在大团聚体上,而土壤微团聚体的动态变化及其主要影响因素尚不明确,对于其内在机制更缺乏了解。通过总结土壤微团聚体的形成过程及稳定性,综述了凋落物、根系和菌根对土壤微团聚体形成与稳定的影响,阐述了土壤微团聚体内微生物群落、化学结合态有机碳及有机碳结构是土壤有机碳稳定的重要机制,并提出了未来微团聚体研究方向,以期揭示红壤侵蚀退化地森林恢复过程中微团聚体形成和稳定的生物化学机制,从而为深入阐明有机质—土壤团聚结构—微生物—化学耦合作用和森林土壤碳吸存机制提供参考。     

Glucose additions to aggregates subjected to drying/wetting cycles promote carbon sequestration and aggregate stability

Biogeochemical mechanisms at microscale regions within soil macroaggregates strengthen aggregates during repeated DW cycles. Knowledge of additional biogeochemical processes that promote the movement of dissolved organic carbon (DOC) into and throughout soil aggregates and soil aggregate stabilization are essential before we can more accurately predict maximum carbon (C) sequestration by soils subjected to best management practices. We investigated the spatial distribution of ¹³C-glucose supplied to individual soil macroaggregate surfaces and subjected to multiple drying and wetting (DW) cycles. Subsequent distribution of added glucose-C, CO₂ respiration, increased microbial community activity and concomitant changes in soil aggregate stabilization were monitored. Moist macroaggregates were treated with no DW cycles and zero glucose C (Control), 5 DW cycles and zero glucose (DW0G), and 5 DW cycles with additions of 250 μg glucose-¹³C/g soil during each cycle (DW+G). Repeated additions of glucose-C to aggregate surfaces reduced the mineralization of pre-existing soil C by an average of 45% and established concentric gradients of glucose-derived C. It is concluded these increasing gradients promoted the diffusion of soluble C into interior regions and became less available to microbial respiration. Spatial gradients of glucose-derived C within aggregates influenced a shift in the abundance of unique ribotypes spatially distributed within aggregates. Rapid decreases in the mineralization rates of glucose-C during repeated DW cycles suggested greater C sequestration by either physical restriction of microbes or chemical sorption of new C that diffused into aggregates. Aggregate stability decreased significantly following 2-3 DW cycles, when glucose-C was not added. Additions of glucose-C with each DW cycle maintained soil aggregate stability equal to the moist but not cycled control throughout the 5 DW cycles of this study. These data simulate the strengthening of soil aggregates in no tillage agroecosystems which provides continuous additions of DOC compounds generated by decomposing plant residues on the soil surface, and root exudates and decomposition, as well as the mineralization of POM materials within nondisturbed soil profiles.     

Potential for soil carbon sequestration of eroded areas in subtropical China

Soil plays an important role in the global carbon cycle, and carbon sequestration in soil is important for mitigating global climate change. Historically, soil erosion led to great reductions of soil organic carbon (SOC) storage in China. Fortunately, with the economic development and remarkably effective soil erosion control measures in subtropical China over the past 20 years, soil erosion has been greatly decreased. As a result, soil organic carbon sequestration has gradually increased due to the rapid recovery of vegetation in the area. However, little information exists concerning the potential of soil carbon sequestration in the area. This paper introduces a case study in Xingguo County, Jiangxi Province, China, which used to be a typical area with significant soil loss in subtropical China. This work represents a systematic investigation of the interrelations of carbon sequestration potential with soil erosion types, altitudes, soil types and soil parent materials. In this study, 284 soil samples were collected from 151 sampling sites (51 are soil profile sites) to determine soil physicochemical properties including organic carbon content. Soil organic carbon distribution maps of the surface layer (0–20 cm) and whole profile (0–100 cm) were compiled by linking soil types to the polygons of digital soil maps using GIS. Assuming that SOC was lost following the destruction of native vegetation, these lands hold great promise for potentially sequestering carbon again. The potential of soil carbon sequestration in the study area was estimated by subtracting the organic carbon status in eroded soils from that in non-eroded soils under undisturbed forest. Results show that the potential of SOC in the surface layer is 4.47 Tg C while that in the whole profile is 12.3 Tg C for the entire county. The greatest potential for carbon sequestration (3.72 Tg C) is found in severely eroded soil, while non-eroded soil has the smallest potential. Also, soil carbon sequestration potential decreases with increasing altitude. Soils at altitudes of <300 m show the greatest potential (5.01 Tg C), while those of >800 m have the smallest potential (0.25 Tg C). Among various soil types, red earths (Humic Acrisols) have the greatest potential of carbon sequestration (5.32 Tg C), and yellow earths (Ferralic Cambisols) have the smallest (0.15 Tg C). As for soils derived from various parent materials, soils derived from phyllite possess the greatest carbon sequestration potential, and soils from Quaternary red clays have the smallest.     

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。