小麦和玉米生长对土壤碳输入和输出的贡献

在农业生态系统中,区分土壤外源碳输入和内源碳输出是量化土壤碳平衡的前提。借助碳同位素方法,可以精确区分不同碳源对土壤有机碳(SOC)和二氧化碳(CO_2)的贡献,一方面定量根际沉积碳对土壤碳的输入,另一方面还可以量化根系生长对SOC分解的根际激发效应,进而提高土壤碳平衡评估的精确度。本文整合了关于小麦和玉米~(13)C/~(14)C示踪实验的文献,对作物-土壤系统光合碳分配、向地下部碳输入量、根际土壤CO_2区分以及根际激发效应进行分析,最终明确了小麦和玉米生长对土壤碳输入和输出的贡献。在作物-土壤系统中,小麦光合碳分配到地上部、根系、土壤和土壤释放CO_2的平均比例分别为73.1%、12.5%、4.6%、9.8%,玉米分别为68.4%、16.0%、4.6%和11.1%。小麦和玉米通过根系和根际沉积碳对土壤碳输入量均值分别为1 058 kg·hm~(-2)和1 025 kg·hm~(-2),其中根际沉积碳占地下输入的贡献均值分别为0.45和0.38。小麦和玉米根源呼吸占根际土壤CO_2释放的贡献值均达到50%以上,分别为51.3%和56.7%。小麦和玉米生长促进SOC的分解,根际激发效应平均值分别为172%和15%,若采用传统根去除法来区分土壤呼吸,根际激发效应则会被忽略,这可能导致根源呼吸的高估。小麦和玉米生长过程中释放的净根际沉积碳占地下部净碳输入(根系+根际沉积物)比例分别为27%和22%,如果利用传统洗根法,这部分光合碳量就无法量化,导致输入到地下部的光合碳量被低估。     

碳同位素技术在陆地土壤碳循环中的应用

碳同位素技术,着重论述了陆生系统中碳循环过程的~(13)C、~(14)C测定的基本原理及相关方法。聚焦同位素法在土壤有机碳、作物光合碳、土壤呼吸等方面的研究进展及应用实例,在此基础上,提出了全球碳循环研究的未来重点:全球背景下光合碳的循环特征;土壤有机碳的来源、分布和周转;土壤呼吸的区分及环境响应问题;大气二氧化碳增多背景下,土壤碳转化与土壤微生物群落结构的关系;~(13)C-PLFA技术的交叉取食风险评估。     

根际沉积碳研究进展

根际碳沉积在农田碳循环中起重要作用,不仅是维持根系呼吸消耗的重要组成成分,同时在植物根际碳消耗中占有相当大的比重。植物根际碳的沉积来源于植物残体的分解以及植物生育期内根际碳的释放,根际碳的沉积是土壤有机质的主要来源,根际碳沉积测定方法主要是同位素示踪技术。     

植物根际碳沉积计量研究的进展

植物-土壤之间的碳素流动是陆地生态系统碳循环的重要环节。总结了营养液培养法、同位素法和分子技术等现有根际碳沉积研究方法的优缺点,着重介绍了同位素计量法和C分配系数估算法两种植物根际碳沉积量的计量方法。但这些方法多数是在受控条件下对根际碳沉积量的计量,与原位条件下的根际碳沉积量有一定的差异,今后还需在研究方法的创新、根际碳沉积的变化动态评估以及植物根际碳沉积与环境因素的相关性等方面加大研究力度。     

植物根际碳沉积计量研究的进展

植物-土壤之间的碳素流动是陆地生态系统碳循环的重要环节。总结了营养液培养法、同位素法和分子技术等现有根际碳沉积研究方法的优缺点,着重介绍了同位素计量法和C分配系数估算法两种植物根际碳沉积量的计量方法。但这些方法多数是在受控条件下对根际碳沉积量的计量,与原位条件下的根际碳沉积量有一定的差异,今后还需在研究方法的创新、根际碳沉积的变化动态评估以及植物根际碳沉积与环境因素的相关性等方面加大研究力度。     

果树根际微生态研究现状及展望

果树根际微生态系统是以果树-土壤-微生物及其环境条件为主要内容的微生态系统。从系统角度概括了果树根际营养、土壤酶、土壤微生物、根际线虫及根系分泌物间的相互关系和相互作用,并指明果树根际微生态应在样品采集、土壤养分调控、根系分泌物作用机制和线虫病害等方面开展深入研究,通过合理栽培管理措施改善根际环境,为果树正常生长提供良好的土壤微生态环境。     

蚯蚓粪对豇豆根际土壤生物学特征及微生物活性的影响

通过大田试验,研究CK（对照,不施肥）、CF（单施化肥）、VC（蚯蚓粪）和VC+CF（蚯蚓粪和化肥各提供50%的氮）处理对豇豆根际土壤微生物数量、微生物量碳、根系分级、根系分泌物、微生物呼吸及代谢熵的影响。结果表明：与CF处理相比,VC+CF处理显著增加了根际土壤微生物数量与微生物量碳,其中细菌数分别较CK,CF和VC处理增加124.13%,70.48%和17.83%。施用蚯蚓粪明显促进了豇豆根系的生长,尤其增加了毛细根的数量及在根体系中的比例。同时,VC+CF处理还显著提高了根际土壤中根系分泌物含量,并增强了土壤微生物呼吸作用,但降低了代谢熵,其中,土壤微生物呼吸分别比CK,CF和VC处理增加64.91%,36.23%和16.05%,而代谢熵分别下降10.85%,9.06%和5.32%。与VC+CF处理相比,VC处理对豇豆根际土壤微域的影响较小。综上,施用蚯蚓粪相比单施化肥能明显改善豇豆根际土壤的微生态环境,且能显著增强土壤微生物活性,尤以蚯蚓粪与化肥配施的效果更优。     

植物根际微生物的影响因素研究进展

根际土壤微生物是土壤生态系统中最活跃的组分,可作为土壤肥力的指标,因此它对于土壤生态系统具有重要意义。对国内关于植物根际微生物的影响因素研究进展进行了综述,主要包括植物自身因素(植物种类、生长状况、根系分泌物、转基因)和外界因素(CO2浓度、地理条件、重金属与化学物质、施肥),并对该领域未来的研究进行了展望。     

模拟根系分泌物输入对森林土壤氮转化的影响研究综述

在全球气候变化加速植物生长和生物量积累的背景下,氮素是森林生态系统初级生产力的主要限制因子之一。根系分泌物所介导的根际微生物过程在驱动森林生态系统土壤养分循环和增加氮素有效性方面具有重要意义。基于此,本研究综述了模拟根系分泌物输入对森林土壤氮素矿化、硝化与反硝化过程的影响及其机制。发现根系分泌物中的有机酸、糖类和氨基酸等物质均能促进有机质的分解和氮素矿化,在一定程度上能缓解植物对氮的需求。不同碳含量和碳氮比的根系分泌物输入驱动根际微生物行使不同养分利用策略,通过生物和非生物作用,根系分泌物矿化有机质中的氮素供给植物吸收利用;根系分泌物中的生物硝化抑制剂能抑制土壤硝化作用,减少氮素的淋溶;根系分泌物还通过控制根际与氮转化相关的反硝化细菌群落来促进土壤反硝化作用。综上,植物通过增加根系分泌物的输入能提高地下碳分配,影响根际土壤氮素转化,在维持森林土壤氮素循环和缓解养分限制等方面具有重要作用。表2参70     

土壤呼吸组分区分的研究进展

气候变暖影响着全球碳循环的整个过程,土壤呼吸是全球碳循环的一个重要环节,主要分为异养呼吸和自养呼吸2种。本文通过对国内外土壤呼吸各组分区分相关文献进行查阅、整理、归纳,总结了几种土壤组分区分的方法,主要包括组分法、根移走法、壕沟法、林隙法、凋落物移除法和同位素法等,也详细介绍了每种方法的原理以及优缺点,以期为以后的试验研究提供参考。     

草原土壤有机碳含量的控制因素

基于374个高寒草原和温带草原土壤样品的测试结果,运用多元逐步回归分析模型定量评估了土壤环境因子对土壤有机碳(SOC)含量的影响.结果表明:高寒草原土壤有机碳含量(20.18 kg C/m2)高于温带草原(9.23 kg C/m2).土壤理化生物学因子对高寒草原和温带草原SOC含量(10 cm)变化的贡献分别是87.84％和75.00％.其中,土壤总氮含量和根系对高寒草原SOC含量变化的贡献均大于对温带草原SOC含量变化的相应贡献.土壤水分是温带草原SOC含量变化的主要限制性因素,其对SOC含量变化的贡献达33.27％.高寒草原土壤C/N比显著高于温带草原土壤的相应值,揭示了青藏高原高寒草原较高的SOC含量是由于较低的土壤微生物活性所导致.     

藏东南色季拉山不同海拔森林土壤基础呼吸特征

为阐明不同海拔高度森林土壤基础呼吸对温度变化的响应,为未来气候变化情景下不同海拔高度土壤碳动态预测提供科学依据,以藏东南色季拉山不同海拔高度森林表层土壤为研究对象,通过室内升温实验,研究不同海拔高度森林表层土壤基础呼吸对温度变化的响应。结果表明,土壤基础呼吸速率及土壤累积碳通量均随培养温度的升高呈增加趋势,土壤基础呼吸速率随着土壤层次加深而降低。随着培养时间延长,各土壤层次及海拔高度土壤基础呼吸速率总体呈先增加后降低的趋势,局部表现为振荡变化的特征,二者之间呈极显著(P<0.01)负相关指数函数关系。随着培养时间延长,土壤基础呼吸累积碳通量呈增加趋势,且培养的前14 d土壤累积碳通量增幅明显,之后逐渐趋于稳定。土壤基础呼吸累积碳通量与培养时间呈极显著(P<0.01)正相关对数函数关系。总体来看,温度升高将加速森林生态系统表层土壤呼吸碳排放。     

林木根系呼吸影响因素及根系呼吸对全球变化的响应

林木根系呼吸受多种环境和人为因素影响，对温度（包括大气、土壤温度）的响应呈正相关，温度通过影响根系活性从而促进或抑制根系呼吸二氧化碳释放量。土壤湿度对林木根系呼吸的影响效应与温度相似。适宜的温度能够促进根系呼吸的进行。不同的森林类型的根系组织中氮元素和还原性糖等化学成分含量不同，这从生理的角度解释了不同物种间根系呼吸的差异，包括施肥和采伐等在内的人为因素，通过改变土壤理化性质，也在一定程度上影响着根系呼吸二氧化碳释放量的大小。森林生态系统内根系呼吸对全球变化的响应积极。在大气温度和二氧化碳浓度增加的趋势下，植物光合能力增强，更多的光合产物分配到地下，根系呼吸也出现相应的增强。就林木根系呼吸的主要影响因素及其对全球变化的响应等方面做综合论述，以期为更深入探讨根系呼吸机理、调控因素及其对营林措施的响应等内容提供参考依据。参53     

土地利用变化影响土壤碳库特征与土壤呼吸研究综述

土地利用变化对生态系统碳循环和全球气候变化具有非常显著的影响。土壤碳库容量为大气碳库的2~3倍,土壤呼吸过程是土壤圈碳流入大气圈的主要途径。研究土地利用变化对土壤碳库与土壤呼吸速率的影响对于揭示生态系统对土地利用变化的响应机制及科学估算区域生态系统的碳汇功能具有十分重要的意义。综述了自然林地、人工林地、农业用地和草地等4种土地利用方式相互转化对土壤碳储量的影响,较详细地分析了土地利用变化对不同活性碳库（主要包括微生物量碳、水溶性碳、易氧化碳等）的影响,探讨了土壤呼吸速率对土地利用变化的响应及其机制,最后对该方向今后的研究重点做了展望。参69     

Advances on the Responses of Root Dynamics to Increased Atmospheric CO2 and Global Climate Change

Plant roots dynamics responses to elevated atmospheric CO2 concentration, increased temperature and changed precipitation can be a key link between plant growth and long-term changes in soil organic matter and ecosystem carbon balance. This paper reviews some experiments and hypotheses developed in this area, which mainly include plant fine roots growth, root turnover, root respiration and other root dynamics responses to elevated CO2 and global climate change. Some recent new methods of studying root systems were also discussed and summarized. It holds herein that the assemblage of information about root turnover patterns, root respiration and other dynamic responses to elevated atmospheric CO2 and global climatic change can help to better understand and explore some new research areas. In this paper, some research challenges in the plant root responses to the elevated CO2 and other environmental factors during global climate change were also demonstrated.     

高CO2浓度对稻田CO2排放影响的初步分析

大气CO2浓度升高显著增加作物生物量,从而使进入土壤的有机碳增加,这势必会影响土壤碳的稳定和积累。此项研究主要通过高CO2浓度对作物生物量的直接影响,利用δ13C技术间接地初步分析土壤呼吸CO2排放不同来源贡献的差异。研究表明,在水稻生长季,高CO2浓度降低田间CO2的排放,但不显著;种有水稻,根系对土壤总的呼吸影响主要体现在成熟期之前,且有相互消长的现象。在种有水稻的情况下抽穗期之前分解新有机质为主;高CO2浓度促进土壤原有有机质的分解,在水稻生长的中后期分解更为明显,且高N水平对老有机质的分解有促进作用。鉴于此项研究中的不足之处,将会不断得到完善。     

晋西黄土区土壤呼吸日变化特征及其与环境因子的关系

土壤呼吸是陆地生态系统的碳循环中土壤碳的主要输出途径,利用便携式土壤呼吸测定仪LCpro+对晋西黄土区6种典型植被类型进行土壤呼吸速率的测定,另外同时测量相关的温度、湿度等环境因子,进而对土壤呼吸的日变化特征及与土壤温度和土壤湿度进行简单相关性分析和回归分析。结果表明:试验区内不同植被类型土壤呼吸速率日变化呈单峰型,中午12:00~13:00最大,凌晨5:00~6:00最小,均值由大到小依次为耕地(5.846)、次生林(4.305)、油松林(3.858)、刺槐林(3.456)、灌草地(2.220)、荒草地(1.355),退耕还林有利于减少土壤CO2输出;土壤呼吸与土壤温度的回归分析符合指数正相关关系,Q10值由大到小依次为灌草地(2.03)、耕地(1.88)、荒草地(1.86)、次生林(1.82)、油松林(1.75)、刺槐林(1.73),土壤呼吸与土壤湿度关系为对数模型的负相关模型,由多元回归分析得出土壤呼吸最主要的决定力是土壤温度。     

西南高山地区土壤异养呼吸时空动态

土壤异养呼吸是陆地和大气之间的重要通量,是决定陆地生态系统碳源汇的关键因素之一,与气候变化紧密相关。西南高山地区是响应气候变化的重点区域,研究西南高山地区土壤异养呼吸动态及其对气候变化的响应,对于评估区域碳循环对全球气候变化的贡献具有重要意义。应用生态系统模型(CEVSA)模型估算了1954-2010年西南高山地区土壤异养呼吸(HR)的时空变化,分析了其对气候变化的响应。结果表明:(1)西南高山地区1954-2010年平均异养呼吸量为422 g C·m^-2·a^-1,在空间分布上,HR自东南向西北递减,与年平均温度(r=0.721,P<0.01)、年降水量(r=0.564,P<0.01)均显著正相关;(2)在时间尺度上,西南高山地区1954-2010年 HR总量增加趋势显著(P<0.05),变化范围为197-251 Tg C/a,平均每年增加0.710 Tg C,其中主要植被类型草地、常绿针叶林和常绿阔叶林均增加趋势显著(P<0.01),增加速度分别为1.621、1.496和1.055 g C·m^-2·a^-2。(3)土壤HR的年际变化主要受温度影响,且西北部高海拔地区较东南部低海拔对温度变化更为敏感,主要植被类型温度敏感系数Q₁₀从大到小依次为草地(2.35)、常绿针叶林(2.34)、常绿阔叶林(1.93)。     

碳氮同位素结合稳定同位素模型解析沉积土壤碳源

【目的】研究辽西褐土丘陵区典型小流域不同土地利用方式下经侵蚀沉积过程沉积土壤碳来源,为合理调控小流域土壤侵蚀造成的土壤碳流失提供科学参考。【方法】通过对辽西丘陵沟壑区小流域野外取样,研究小流域沉积土壤碳的来源并量化其贡献。通过GIS结合GPS技术对小流域4种不同土地利用类型（耕地、林地、草地、沟渠）表层土壤及小流域拦沙坝3个位点（S1坝前、S2坝中、S3坝后）0-100 cm土壤剖面进行取样,结合碳、氮同位素混合模型对沉积土壤碳源进行解析。【结果】利用¹³C和¹⁵N同位素特征及其元素组成（土壤有机碳和全氮）对辽西丘陵沟壑区侵蚀沉积物土壤有机碳进行了定性和定量鉴定。辽西丘陵沟壑区小流域沉积物中有机碳主要来源为耕地,其次是沟渠、草地和林地。耕地贡献平均为58.75%,沟渠25.49%,草地6.49%,林地9.2%。【结论】碳氮稳定性同位素模型作为一种重要的“指纹”工具可以成功应用于辽西丘陵沟壑区小流域沉积土壤碳来源定性及定量的分析。研究成果可以为受水力侵蚀的小流域的土壤保护和养分流失控制以及维持生态系统的可持续性提供理论参考。     

Stable Isotope Studies of Crop Carbon and Water Relations： A Review

Crop carbon and water relations research is important in the studies of water saving agriculture, breeding program, and energy and material cycles in soil plant atmosphere continuum （SPAC）. The purpose of this paper is to review the current state of knowledge on stable isotopes of carbon, oxygen, and hydrogen in the research of crop carbon and water relations, such as carbon isotope discrimination （△^13C） during carbon fixation process by photosynthesis, application of △^13C in crop water use efficiency （WUE） and breeding programs, oxygen isotope enrichment during leaf water transpiration, CO2 fixation by photosynthesis and release by respiration, application of hydrogen isotope composition （619） and oxygen isotope composition （6180） for determination of water source used by a crop, stable isotope coupling Keeling plot for investigating the carbon and water flux in ecosystem, energy and material cycle in SPAC and correlative integrative models on stable isotope. These aspects contain most of the stable isotope researches on crop carbon and water relations which have been widely explored internationally while less referred in China. Based on the reviewed literatures, some needs for future research are suggested.