土壤活性有机质组分的分类方法及其研究进展

土壤活性有机质对农田管理措施和气候变化的响应敏感且快速,是表征土壤质量变化的重要指标,成为土壤生态学及环境土壤学交叉领域的研究热点。本文系统归纳了土壤活性有机质的物理组分(轻组有机质、颗粒有机质、大团聚体有机质、酸碱提取有机质和溶解有机质),化学组分(酸水解有机质和易氧化有机质),生物学组分(微生物生物量碳和氮、潜在可矿化碳和氮)和联合分组组分(游离态团聚体有机质、物理保护有机质和游离活性有机质)的分类方法,分析了不同组分的来源、典型数量(占土壤总有机质的比例)、性质和意义,评述了相关组分的研究进程、作用和影响因素,探讨了土壤活性有机质分组方法的整合应用及其研究进展,提出了补充和验证土壤活性有机质数量测定的不确定性和难比较性的可能技术途径,以期为科学解析土壤活性有机质在土壤质量变化研究中的作用提供理论依据和技术参考。     

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。     

褐潮土的光谱特性及用土壤反射率估算有机质含量的研究

本文通过ASDFR便携式光谱仪对132个风干土壤样品的光谱反射率进行了实验室测定。根据土样光谱反射率变化,获得了褐潮土土壤剖面的不同诊断层反射光谱特征。结果表明,在400～1200nm范围之间,土壤有机质含量与土壤光谱反射率有较好的相关性。利用导数光谱方法建立了预测土壤有机质含量的方程,提出了预测北京地区褐潮土有机质光谱的最佳波段。在波长447nm处采用反射率和A值(反射率倒数的对数)所建立的预测方程的预测精度较高。采用反射率的一阶微分建立的预测方程的最佳波段在516nm处。而A值一阶微分光谱在615nm处相关性最好。作为一项参考指标用光谱分析法评价土壤中有机质含量,以期对精准农业中土壤养分或肥力的预测具有一定的指导作用。     

引黄灌淤耕作对剖面土壤有机质组分构成的影响

土壤有机质组分构成是影响土壤有机碳库稳定性最直接的原因。为研究灌溉耕作对不同组分土壤有机质含量变化产生的影响,以宁夏引黄灌区为研究对象,通过密度分组方法,测定并分析土壤轻组和重组有机碳含量的变化。结果表明,经过不同时间的引黄灌溉耕作后,土壤轻组和重组有机质含量增加,但是不同组分,其变化量之间存在差异。在剖面深度上,土壤轻组和重组有机质含量及其增加量均随土层深度的增加而降低,表层土壤轻组和重组有机质增加最显著,土壤有机质组分含量的变化受土壤类型的影响明显。与未受灌溉耕作影响的自然土壤相比,灌溉土壤0~60 cm深度内轻组有机质与总有机质间的相关性增强,而且这种相关性随土层深度增加而减弱;自然土壤和灌溉土壤剖面各层次重组有机质与总有机质间均有极强的相关性,说明重组有机质是土壤有机质最为重要的组分,但轻组有机质对灌溉耕作的响应更加敏感,重组有机质较轻组有机质具有更好的固碳效果。     

近红外光谱法在土壤有机质研究中的应用

近红外光谱技术(Near Infrared Reflectance Spectroscopy,NIRS)具有快速、低成本、无损等优点。目前利用NIRS获取土壤信息已成为国内外学者研究的重点,但是在我国利用NIRS对土壤成分进行定量分析才刚刚起步。本文简要介绍了近红外光谱分析的基本原理、模型的建立及评价,详细论述了该技术在预测土壤有机质及其组分方面的应用,并对NIRS在我国土壤有机质定量研究方面的应用前景进行了展望。     

开垦对黑土有机质化学结构的影响

基于傅里叶红外光谱研究东北黑土开垦对土壤有机质化学结构特征的影响,探明各粒级团聚体及密度组分中有机质化学结构变化特征,为开垦黑土农田土壤有机质结构变化提供理论参考。依托中国科学院海伦农业生态试验站长期定位试验研究平台,以试验开垦前自然草地土壤为对照,选取开垦8年、没有有机物料投入的耕层(0～20 cm)土壤为研究对象,采用湿筛法、密度分组将土壤有机质分成不同组分,用傅里叶红外光谱仪测定原土及各组分有机质红外光谱,分析开垦对土壤有机质化学结构的影响。结果表明:开垦前后,有机质红外结构特征峰相似,均以多糖C—O和醇酚—OH为主。全土芳香族CC含量较开垦前显著减少4.77%,有机质稳定性下降6.32%。在>0.25 mm团聚体中芳香族CC和羰基CO相对强度较开垦前分别显著降低29.91%和27.16%,醇酚—OH相对强度显著增加15.60%;0.25～0.053 mm团聚体中,多糖C—O相对强度增加4.57%,脂肪族—CH相对强度显著减少23.85%。<0.053 mm团聚体中,脂肪族—CH相对强度显著减少16.33%。有机质游离态轻组(LF)、闭蓄态组分(OF)中多糖C—O特征峰相对强度分别显著增加15.82%和18.15%,在矿质态组分(MF)中变化不显著。主成分分析表明,开垦对>0.053 mm粒级团聚体和LF、OF组分有机质结构影响最大,各官能团中多糖C—O相对强度增加最明显。综上,开垦使黑土大团聚体和LF的有机质芳香族组分减少,有机质结构趋于简单化,有机质结构稳定性下降。     

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.     

中红外光谱土壤有机质含量估测研究进展

中红外光谱波段(2.5 ～ 25 μm)对土壤有机质内部分子振动高度敏感,基于中红外光谱技术的土壤有机质含量估测是土壤学科新兴的研究方向和热点。文章采用文献综述的方法,全面总结了土壤有机质含量中红外光谱估测方法的发展和应用,简述了中红外光谱响应与土壤有机质分子结构的相关性研究,对比分析了室内台式、手持式和机载中红外光谱设备估测土壤有机质含量的优势和局限性,比较分析了中红外、近红外、可见光 - 近红外光谱及其光谱组合估测土壤有机质含量的模型精度和稳定性,总结分析了基于中红外光谱技术的土壤有机质含量建模方法研究进展,以及土样制备、光谱数学变换、敏感波段选择等前处理对土壤有机质含量估测精度的影响研究,最后提出了土壤有机质含量中红外光谱估测存在的问题及发展趋势,为土壤有机质含量的测定工作提供参考。     

基于可见光光谱分析的土壤参数分析

利用光谱分析技术，进行了农田原始状态土壤样品的可见光光谱与土壤参数之间的相关、回归分析。土壤样品采集于一块水分较低的玉米地和一块水分较高的牧草地，所分析的土壤参数有土壤水分、土壤有机质含量、土壤硝态氮含量、土壤电导率以及土壤pH值，土样的可见光光谱由精密分光光度计测量。分析结果显示，有效的光谱特性值为反射光谱的一次微分，所有5个土壤参数都可以利用土样的可见光光谱特性进行分析和检测。对于土壤水分、土壤有机质含量、土壤电导率以及土壤pH值，线性模型是有效的；而对于土壤硝态氮含量，则需要利用多元指数模型进行分析或检测。     

设施蔬菜栽培土壤活性有机质及碳库管理指数的研究

研究连续20年18个不同施肥处理土壤的活性有机质及碳库管理指数,结果表明,设施土壤有机质、活性有机质含量和碳库管理指数均明显高于大田土壤,有机肥与化肥配施有助于活性有机质的提高.各处理中,棚(的LOM最高,BN2的LOM最低,3个组分的活性有机质含量为高活性有机质>中活性有机质>低活性有机质.此外,土壤活性有机质、总有机质及碳库管理指数之间均呈极显著相关.     

长期不同施肥下红壤活性有机质与碳库管理指数变化

对长期不同施肥5a和10a后红壤活性有机质进行了测定，结果表明，耕作10a不施肥或仅施化肥（CK、N、NP、NK、PK、NPK）的土壤活性有机质（LOM）及碳库管理指数（CMI）都明显下降，最大下降（CK）分别为40．5％和48．1；而有机肥或有机肥化肥配合施用（M、MNPK、1．5MNPK），LOM和CMI则显著升高，最大升高（1．5MNPK）分别为183％和195；秸秆还田（SNPK）处理LOM和CMI先下降后增加，5a分别下降25．2％和31，10a又分别上升17．9％和13。说明化肥主要提高非活性有机质，有机肥则显著改善土壤有机质质量，秸秆还田对提高红壤有机质质量比有机肥慢。用33mmol L^-1、167mmol L^-1、333mmol L^-1KMnO4测定的三种活性有机质（本文分别称其为高活性有机质HLOM、中活性有机质MLOM和活性有机质LOM）的含量依次增加，分别占总有机质的5．6％、9．6％和14．5％。三种活性有机质之间呈显著或极显著相关，HLOM与MLOM相关系数为0．478^＊，HLOM与LOM为0．592^＊＊，MLOM与LOM为0．716^＊＊。作物产量只与MLOM和LOM极显著相关，相关系数分别为0．821^＊＊和0．602^＊＊，而和总有机质没有显著的相关性。同时，LOM及CMI与土壤阳离子交换量、交换性钾、交换性钙、盐基总量、微量元素等呈显著或极显著正相关，但总有机质与上述土壤化学指标相关性差。这些结果暗示LOM和CMI比总有机质更能客观反映土壤肥力和土壤质量的变化情况，应该成为描述土壤质量和评价土壤管理的良好指标。     

高光谱土壤多元信息提取模型综述

高光谱土壤多元信息提取模型的精度与光谱学在这一领域未来能够发挥的作用直接相关。在列举土壤样品制备、理化成分测定和土壤光谱数据获取标准技术的基础上,总结了目前适用于土壤光谱处理的异常筛选、平滑去噪、重采样、变换和定量化方法。对偏最小二乘法、主成分分析和多元逐步回归法等8种建模方法进行了对比,分析了各类方法的建模针对性。按照有机质、水分、盐渍化、重金属和其它成分分类归纳了目前取得良好应用效果的多种光谱信息提取模型,并对比了每个模型的信息提取精度。光谱所指示的信息,不仅能够为土壤成分提供快速指示信息,而且在实测数据基础上所建立的信息提取模型,是软件研发、仪器研发和土质评价等工作的理论基础。     

Long-term effects of NPK fertilizers and organic manures on soil organic carbon and carbon management index under a double-cropping rice system in Southern China

The effects of manure and chemical fertilizer on soil bulk density, soil organic carbon (SOC), and the role of carbon management index (CMI) in soil quality evaluation were studied under a double-cropping rice system in a long-term experiment. The experiment included five fertilizer treatments: without fertilizer input (CK), chemical fertilizer alone (MF), rice straw residue plus chemical fertilizer (RF), 30% organic matter plus 70% chemical fertilizer (LOM), and 60% organic matter plus 40% chemical fertilizer (HOM). RF, LOM, HOM treatments increased SOC content relative to MF treatment in the paddy fields at 0–20 cm. RF, LOM, HOM treatments were more effective for increasing CMI, lability index, lability of C, and SOC stocks, as compared with MF treatment. Based on rice grain yield and carbon storage, integrated fertilization of chemical fertilizer and organic manure proved to be the most effective practices for improving crop productivity and SOC sequestration.     

有机物料施用对旱地红壤作物产量和有机质活性组分的影响

为了探讨不同有机物料施用对作物产量和土壤有机质活性组分的影响,以达到农田增产和土壤培肥的目的,本研究依托2015年在江西省红壤研究所布置的田间施肥试验,设置不施肥(CK)、常量化肥(CF)、减量化肥(RF)、减量化肥配施秸秆(RFR)、减量化肥配施生物黑炭(RFB)、减量化肥配施猪粪(RFP)、减量化肥配施蚓粪(RFV)7种不同施肥处理,研究减量化肥40%条件下配施不同有机物料对作物产量及耕层土壤有机质活性组分的影响。结果表明:在红薯-油菜轮作制度下,减肥配施有机物料处理的作物产量较常量化肥处理都有不同程度的增加,其中RFP、RFV处理油菜籽产量显著高于CF处理(P0.05);减肥配施有机物料处理的土壤微生物生物量有机质(MBOM)、水溶性有机质(DOM)、颗粒性有机质(POM)、易氧化有机质(LOM)含量均高于CF处理,其中油菜季POM含量较红薯季有明显的提升;相关性分析表明,经过两季的施肥处理,SOM和有机质活性组分与作物产量均呈显著正相关关系(P0.05),MBOM、POM、LOM与SOM呈极显著正相关性(P0.01)。可见,不同有机物料替代部分化肥,可以一定程度提高作物产量,更重要的是可以促进土壤有机质活性组分的提高,对于土壤培肥至关重要。     

基于灰度关联-岭回归的荒漠土壤有机质含量高光谱估算

为改善高光谱技术对荒漠土壤有机质的估测效果,该文采集了以色列Seder Boker地区的荒漠土壤,经预处理、理化分析后将土样分为砂质土和黏壤土2类,再通过光谱采集、处理得到6种光谱指标:反射率(reflectivity,REF)、倒数之对数变换(inverse-log reflectance,LR)、去包络线处理(continuum removal,CR)、标准正态变量变换(standard normal variable reflectance,SNV)、一阶微分变换(first order differential reflectance,FDR)和二阶微分变换(second order differential reflectance,SDR)。通过灰度关联(gray correlation,GC)法确定SNV、FDR、SDR为敏感光谱指标,采用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)法和岭回归(ridge regression,RR)法,构建基于敏感光谱指标的土壤有机质高光谱反演模型,并对模型精度进行比较。结果表明:砂质土有机质含量的反演效果要优于黏壤土;基于SNV指标建立的模型决定系数R~2和相对分析误差RPD均为最高、均方根误差RMSE最低,所以SNV是土壤有机质的最佳光谱反演指标;对SNV-PLSR模型和SNV-RR模型综合比较得出,SNV-RR模型仅用全谱4%左右的波段建模,实现了更为理想的反演效果:其中,对砂质土有机质的预测能力极强(R_p~2为0.866,RMSE为0.610 g/kg、RPD为2.72),对黏壤土有机质的预测能力很好(Rp2为0.863,RMSE为0.898 g/kg、RPD为2.37)。荒漠土壤有机质GC-SNV-RR反演模型的建立为高光谱模型的优化、土壤有机质的快速测定提供了一种新的途径。     

Effects of long-term fertiliser regime on soil organic carbon and its labile fractions under double cropping rice system of southern China

ABSTRACT

This study was designed to explore changes in soil bulk density, soil organic carbon content, soil organic carbon stock and soil labile organic carbon fractions under 34 years fertilizer regime in the double-cropping rice system of southern China. The experiment including five fertilizer treatments: chemical fertilizer alone (MF), rice straw residue and chemical fertilizer (RF), 30% organic manure and 70% chemical fertilizer (LOM), 60% organic manure and 40% chemical fertilizer (HOM), and without fertilizer input as control (CK). The results showed that soil bulk density in the 0-20 cm soil layer with long-term fertilizer treatments were significantly decreased compared to CK treatment. The soil organic carbon content and stock with RF, LOM and HOM treatments were significantly higher than that of MF and CK treatments. These results confirmed by the soil carbon management index which were significantly increased with RF, LOM and HOM treatments. As a result, combined application of organic manure with chemical fertilizer is a benefit nutrient management for improving soil organic carbon content and stock, soil carbon management index in paddy field of southern China.     

有机质对土壤光谱特性的影响研究

为了探明土壤有机质的光谱特征及其影响作用,从而为有机质土壤铁氧化物的定量反演提供理论依据。利用去有机质前后土壤的光谱数据,研究了有机质对土壤反射率、土壤线参数、土壤铁氧化物定量反演的影响。研究结果表明,去除有机质后,能明显提高土壤反射率,变化最明显的为可见光橙黄光波段,即570～630 nm。相关性分析也显示橙黄光波段反射率的相对变化量或差值与有机质去除量之间的相关系数要比其他波段高,相关系数最大值在600 nm。因此,建议采用570～630 nm的光谱数据进行有机质的反演;土壤线斜率在去有机质后明显降低,截距显著增大,二者变化量与有机质去除量呈极显著相关关系,可用土壤线参数预测有机质含量。有机质对铁氧化物的反演具有明显影响,特别是有机质大于20 g kg-1的土壤,在进行反演时应考虑有机质对反演精度的影响,需采取有效地技术手段消减其影响作用,才能达到较好的效果。     

长期施用有机肥对草甸碱土碳库管理指数的影响

基于1995年在黑龙江省大庆市肇州县进行的长期定位试验,研究了长期施用有机肥对草甸碱土活性有机质和碳库管理指数的影响。采用3种浓度的KMnO₄(33,167,333mmol/L)氧化法测定了土壤高活性有机质、中活性有机质和活性有机质3部分含量。结果表明,长期施用有机肥能增加草甸碱土活性有机质各组分含量和碳库管理指数。活性有机质各组分含量和碳库管理指数在施用有机肥1~5a的处理间均呈上升的变化趋势,并与玉米产量趋势相一致,在施用有机肥第5a时,均达到最高值,施用有机肥5~16a的处理间,均呈现逐渐下降趋势,最终趋于稳定。中活性有机质和活性有机质与总有机质均达到极显著性正相关,而高活性有机质与总有机质无显著性相关,活性有机质各组分与碳库管理指数也均达到极显著性正相关。研究表明,总有机质不能很好地评价草甸碱土的土壤肥力,而中活性有机质、活性有机质和碳库管理指数能更为客观地反映草甸碱土的土壤肥力,可作为草甸碱土改良的良好评价指标。     

土壤有机质测定方法述评与展望

有机质是土壤的重要组成部分,是判定土壤质量动态变化的重要标准。为了便于了解当前土壤有机质测定方法的优点和局限性,利于今后有机质研究和测定工具的开发,本文对当前测定有机质的方法,包括干烧法、湿烧法、化学氧化法、灼烧法和土壤有机质光谱测定法进行了阐述,分析了各方法的优缺点以及研究中适宜选择的方法,并对当今农业的需求和测定方法的不足,提出了研究无损、原位测量有机质工具的构想,展望了土壤有机质快速测定方法的发展趋势,以此为精准农业的实施和农业的可持续发展,提供基本的信息及建议。     

毛乌素沙地东南缘沙漠化过程中土壤理化性质分析

采用空间代替时间的方法,对毛乌素沙地东南缘沙漠化过程中土壤理化性质变化进行了分析.结果表明,沙漠化过程中土壤理化性质呈规律性变化,随沙漠化程度的加剧,土壤黏粒含量、含水量、有机质、有机碳和全氮含量减少,土壤砂粒含量、容重和C/N增加,土壤质量下降;相关性分析结果表明,容重和C/N比与各指标呈负相关关系,其余各指标间呈正相关关系,其中容重与有机质、全氮含量之间以及有机质与全氮含量之间存在极显著相关性,黏粒含量与含水量、容重、有机质和全氮含量之间存在显著相关性,含水量与容重、有机质和全氮含量之间也存在显著相关性,说明沙漠化过程中土壤各组分之间存在着密切的内在联系.