矿区复垦土壤碳组分对外源碳输入的响应特征

研究外源碳输入对复垦土壤有机碳及组分的影响,对于深入探究矿区复垦土壤有机碳提升及培肥管理具有重要意义。本文依托山西省襄垣县采煤沉陷复垦区的长期定位试验,研究了矿区复垦土壤碳组分对不同外源碳(生物炭、堆肥、沼渣、牛粪与秸秆)输入的响应特征。分别在2011年与2016年对矿区复垦土壤样品进行采集,测定0～20 cm土层土壤有机碳、易氧化有机碳、活性碳库Ⅰ、Ⅱ的含量。结果表明,生物炭处理的土壤有机碳增长率和年变化量较对照(CK,无外源碳添加)分别增加101.80%和0.56g·kg–1·a–1,且均显著高于其他有机物料处理;生物炭、牛粪处理土壤0～20 cm土层固碳量较CK分别提高100.52%和91.52%,二者间差异不显著,均显著高于其他有机物料处理,堆肥、沼渣和秸秆处理间对土壤固碳量的提升作用不显著。添加有机物料均能显著增加复垦土壤易氧化有机碳的增长率和年变化量,均表现为堆肥处理最高,较CK分别增加12.37%和0.16 g·kg–1·a–1。复垦土壤活性碳库Ⅰ、Ⅱ的增长率和年变化量均为牛粪处理显著高于其他有机物料处理。有机物料添加均能提高土壤稳定性有机碳含量,与CK相比,生物炭和牛粪处理的提高幅度最大,显著高于其他有机物料,而牛粪与生物碳之间差异不显著。生物炭处理碳库管理指数最高,分别较堆肥、沼渣、牛粪、秸秆处理提高36.30%、52.23%、41.50%、52.02%。施用生物炭、堆肥、沼渣、牛粪与秸秆都能显著提升复垦土壤各碳组分含量和碳库管理指数,施用生物炭的效果最优,因此施用生物炭可作为矿区复垦土壤有机碳提升的有效管理措施。     

城市化进程中的土壤有机碳库演变趋势分析

土地利用方式变更引起的土壤碳库变化对全球温室效应、全球碳循环有重大的影响。基于1∶250000多目标地球化学调查数据,利用RS遥感影像和GIS统计技术,分析上海市的城市扩张格局及城市扩张进程中的土壤有机碳库演变趋势。根据上海地区1980、2000、2005年3期遥感影像分析,从1980年代开始,研究区城区面积快速扩张,城市生长以原市区为中心向周边扩展,1980~2005年间城市建设用地面积增加1 377 km2。研究区城区表层土壤有机碳分布呈现较大的空间变异性,城区表层土壤有机碳密度为(3.926±1.381)kg m-2,其均值是郊区的1.049倍,是乡村地区的1.255倍,随城市-郊区-乡村空间梯度演替,表层土壤有机碳密度渐趋降低,城区表层土壤呈现轻度积累;相较于第二次土壤普查农林生态系统,当前研究区城区表层土壤有机碳密度均值升高0.239 kg m-2,升幅6.48%。比较1980年前建城区、1980~2000年建城区、2000~2005年建城区与城市郊区土壤有机碳密度分布,新建城区由于土地利用方式变更强烈,土壤结构破坏,土壤有机碳密度基本上处于低值;随着城市用地年限的延长,城市生态系统的演化发展,土壤有机碳密度渐趋增大。研究提供城市化进程中的土壤有机碳库演变趋势信息,可为城市土壤固碳潜力研究提供数据支持,也为推动中国城市生态系统碳循环研究提供参考。     

培肥措施对复垦土壤轻重组有机碳氮的影响

为揭示复垦土壤轻重组分有机碳氮随复垦年限和培肥措施变化的特征,采用密度分组方法研究了不施肥(CK)、单施化肥(CF)、单施有机肥(M)、有机无机配施(MCF)和生物有机肥与化肥配施(MCFB)5种培肥措施下复垦4,8年土壤轻重组分碳氮含量及碳氮比变化规律。结果表明:复垦土壤总有机碳氮与轻重组有机碳氮含量变化趋势总体均表现为随复垦年限的增加而显著提高。经过8年复垦,不同处理间,单施有机肥对总有机碳(TOC)、总有机氮(TON)、轻组有机碳(LFOC)、重组有机碳(HFOC)与轻组有机氮(LFON)、重组有机氮(HFON)的提高效果总体优于其他处理,与生土相比,增加幅度分别为148.10%,68.09%,163.68%,129.51%,35.00%,92.59%。土壤轻组组分C/N重组组分C/N,土壤轻组组分C/N总体表现为随复垦年限增加而提高,以单施化肥最高,达25.48;重组C/N表现为随复垦年限增加而降低,以单施化肥最低,为6.44。施肥对土壤碳氮库管理指数影响显著,各施肥处理均以生物有机肥与化肥配施处理效果最好。综合来看,在等量养分投入的情况下,单施有机肥更有利于采煤塌陷区复垦土壤总有机碳氮库及轻重组有机碳的积累,单施化肥更大程度促进了轻组组分有机碳和重组组分有机氮的提升幅度。     

复垦年限及植被模式对煤矿复垦土壤微生物多样性的影响

了解露天煤矿区复垦状况及其对土壤微生物的影响机制,对于估算受损生态系统的恢复程度至关重要。该文以采用多种模式复垦的安太堡露天煤矿为研究区域,通过野外调查与采样分析,借助于Biolog EcoPlatesTM方法对复垦区和原地貌(对照)表层土壤中的微生物功能多样性状况进行了探索,评价了复垦年限和复垦植被模式对土壤微生物特征的恢复效应;并从土壤物理化学性质(土壤容重、pH值、土壤有机碳、总氮、速效氮、速效磷和速效钾)和生物性质(土壤微生物量碳和微生物量氮)中筛选可反映土壤微生物功能多样性变化的代表性指示物质。结果表明:1)露天煤矿复垦年限和复垦植被模式均对土壤微生物的功能多样性有明显影响。复垦年限越长的样地中土壤微生物有较高的活性和均匀度,但丰富度较低;若样地的复垦年限较长,复垦植物种植模式对土壤微生物多样性的作用强于复垦时长对其的影响。2)从土壤微生物多样性恢复层面分析,单一植物复垦配置的优化次序为杏树、榆树和柠条,混交林配置较优的选择为柠条×刺槐。3)土壤微生物生物量碳的含量与土壤微生物功能多样性指标Shannon-Wiener指数(ρ=–0.69,P0.01)和McIntosh指数(ρ=–0.69,P0.05)显著负相关,在一定程度上可作为复垦区生物多样性指示物质。研究成果将为露天煤矿及其所在区域的生态恢复、治理和监测提供参考。     

典型干旱荒漠绿洲区不同年限枣园土壤有机碳组成及特征

[目的]分析不同种植年限的新疆干旱区枣园土壤有机碳组成及特征,为该区域果业可持续发展提供理论依据。[方法]以新疆南疆麦盖提县4种不同种植年限的枣园为研究对象,分析测定不同园龄、不同层次土壤总有机碳、活性有机碳、有机碳密度及碳库活度。[结果]随着种植年限的增加,枣园土壤有机碳含量在时间尺度上表现为先增长后下降的趋势;在空间尺度上,有机碳含量表层最大,随着土层厚度的增加呈现出逐层降低的趋势;各个土层随种植年限的增加土壤有机碳密度变化趋势总体上为先减小后增大,在空间尺度上,土壤有机碳密度随土层深度的增加逐渐增大;不同年限枣园土壤有机碳储量多数集中在土壤表层,在10a时达到最大;在时间和空间尺度上,土壤碳库活度总体上表现为先增大后减小的趋势。[结论]该地区土壤有机碳含量随种植年限的增加逐渐增加,在一定程度上,土壤碳库含量随种植年限的增加积累程度不同;土壤碳库活度随种植年限的增加各个层次的土壤碳库活度总体上表现为先增大后减小的趋势。     

长期施肥对水稻土不同功能有机质库碳氮分布的影响

土壤有机质(SOM)对于维持农业生产力、提高土壤质量和增加土壤固碳均具有非常重要的意义。以红壤水稻土35年的长期定位试验为依托,借助近期发展的物理―化学联合分组方法,探讨了长期施肥对水稻土不同功能SOM库含量、SOM库碳氮含量变化和分配比例的影响。结果表明,长期施肥尤其是有机无机配施处理显著增加了未保护游离SOM库(c POM和f POM)和纯物理保护SOM库(i POM)在土壤中的含量以及它们的土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量。未保护游离SOM库的SOC和TN含量占总有机碳和全氮比例在有机无机配施处理下最高,分别达35.9%和33%。与CK相比,有机无机配施使生物化学保护库非水解游离粉粒组(NH-d Slit)和非水解游离黏粒组(NH-d Clay)含量分别降低了15%和9.5%(p0.05)。物理―化学保护SOM库、物理―生物化学保护SOM库以及化学保护SOM库含量受长期施肥影响不显著。综上,研究表明土壤不同功能SOM库对长期施肥的响应不同。有机无机配施是提升红壤水稻土SOM数量和质量的最佳培肥措施。     

长期不同施肥黑土碳氮库的组分特征

土壤有机质因组成和稳定机制等差异,具有很大的分解异质性,研究其分组特征,对于了解土壤有机质的质量具有十分重要的意义。本文利用物理分组法,对于土壤有机质组分性质影响少的优点,比较了长期不同施肥黑土不同组分碳氮库的数量变化。结果发现,23年后化肥(NPK)处理和化肥配施秸秆(NPKS)处理土壤有机碳、全氮含量波动不大。化肥配施有机肥(NPKM)处理土壤有机碳、全氮含量显著增加(P0.01)。进一步碳氮分组发现,有机无机配施(NPKS和NPKM)显著降低了有机质与矿质结合组分(150μm MF)的含量;NPKM处理显著增加了黑土粗有机质组分(150μm MOM)的比例。将大于150μm组分中有机质与矿质结合部分去除作为易分解库,剩余组分作为耐分解库,比较3种处理发现,与NPK处理相比,NPKS和NPKM处理易分解有机碳比例增加0.9和5.9个百分点;耐分解有机碳比例分别为下降14.2和18.8个百分点。易分解有机氮比例增加1.8和9.9个百分点;耐分解有机氮下降2.7和5.3个百分点。上述研究表明,NPKS和NPKM可以改善黑土土壤有机氮和土壤有机碳的数量和品质,且NPKM的效果显著优于NPKS处理。     

川西亚高山云杉人工林恢复过程中土壤有机碳矿化研究

研究了川西亚高山云杉(Picea asperata Mast.)人工林不同阶段(22、47、65年)及原始林表层(0～30cm)土壤有机碳的矿化,并用两室模型对实验数据进行了回归。结果表明,不同恢复阶段云杉人工林各层土壤(0～10、10～20、20～30cm)有机碳64天累积释放的CO2-C显著大于原始林。两室模型模拟土壤有机碳矿化过程得出土壤活性有机碳(AC)含量及其占总有机碳含量的比例均大于原始林,表明原始林转化为云杉人工林后,土壤有机碳稳定性降低。此外,本文分析了凋落物、微生物、土壤理化性质等因素对云杉人工林土壤有机碳矿化的可能影响。     

成土母质和土地利用方式对土壤有机碳化学组成的影响

土壤有机碳库是陆地生态系统中最重要的碳库之一,土地利用方式和成土母质是影响土壤总有机碳及其组分的重要因素。以湖南省花岗岩和玄武岩分布区的林地、旱地和稻田土壤(0～70 cm)为研究对象,采用H_2SO_4逐级水解法将土壤有机碳分为活性、半活性和惰性三个组分,探究土地利用方式和成土母质对土壤总有机碳及其各组分的影响。结果表明:不同母质和土地利用方式下,土壤活性、半活性、惰性有机碳含量随着土层深度的增加而逐渐降低,且与总有机碳含量均呈极显著正相关关系;土壤活性、半活性和惰性有机碳占总有机碳库的比例分别为31.38%～45.41%、3.68%～12.25%和40.83%～59.29%,且随土层深度的增加占比不发生显著变化;玄武岩地区,表层(0～20 cm)土壤活性、半活性、惰性以及总有机碳的储量在不同土地利用方式间占比不发生显著变化,而底层(20～70 cm)土壤活性、半活性、惰性以及总有机碳在稻田中的储量均显著高于林地;花岗岩地区,除表层土壤半活性有机碳以外,表层和底层土壤中总有机碳及各组分有机碳储量在不同土地利用方式间均无显著性差异。双因素方差分析表明,成土母质显著影响表层土壤总有机碳和惰性有机碳的储量,而土地利用方式则显著影响底层土壤活性、惰性以及总有机碳的储量。综上可见,土壤有机碳主要以惰性有机碳的形式存在,土地利用方式和成土母质对土壤有机碳及其组分剖面分布有不同的影响。     

不同土层水稻土培养条件下有机碳矿化规律研究

以湖南省桃源县水稻土为研究对象,基于土壤有机碳三库一级动力学理论,从垂直变化角度研究水稻土总有机碳(Ct)、活性碳(Ca)、缓效性碳(Cs)、惰性碳(Cp)的含量及有机碳矿化特征的相关规律。研究结果表明:1总有机碳、活性碳、缓效性碳、惰性碳含量分别与土层深度成负相关,相关系数分别为0.8431、0.8516、0.8320、0.7734(P0.01),土层越深活性碳占总有机碳比例越小,惰性碳占总有机碳比例越大。2按照CO2-C释放速率变化程度,将矿化曲线划分为快速矿化(平均约7.94 d)、缓慢矿化(平均约28 d)和平衡矿化三个阶段,其中快速矿化阶段主要为活性碳矿化。3土壤有机碳矿化速率、累积矿化量、矿化比例等都随土层加深而减小,但30~60 cm土层有机碳总量大,其有机碳矿化总量的变化对1 m深有机碳矿化总量变化的影响大。4偏相关分析表明不同土层土壤有机碳各组分含量、有机碳矿化总量与土壤全氮含量和土壤p H相关,即土壤性质影响有机碳矿化特征。由此得出,深层土壤有机碳也参与全球碳循环,并且全氮含量和p H会影响深层碳库成为碳源或是碳汇,在研究全球碳循环时应给予充分重视。