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     

中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的影响

 人类活动影响气候变化的一个重要因素是土地利用的变化,尤其是农业土地利用与管理。在中国面对全球气候变化形势的巨大压力的背景下,研究农业土地利用管理与土壤碳汇的关系,探讨农业土地利用管理对土壤固碳减排的影响,对提高我国农业土壤固碳减排潜力具有一定作用。利用国内外文献资料,分析了中国农业土地利用管理对土壤碳汇功能及其土壤固碳减排潜力的影响。结果表明,国内外大量研究显示,农业不仅是温室气体的主要排放源之一,同时也可能是温室气体的吸收汇。改善和调整农业土地利用管理方式,可以进一步增加农业土壤碳汇,如近20年,由于中国农业土壤管理的改善,农地土壤呈现碳增汇趋势。基于中国农业土地利用管理下的土壤碳汇潜力估算,尤其是推行优化管理措施下（如增加秸秆还田、有机肥施用、少免耕技术等）,未来50年中国农业土壤固碳减排潜力约为87—393 TgC·a-1,相当抵消中国工业温室气体排放总量的11%—52%,其中实施农田管理措施（包括有机肥应用、秸秆还田、保护性耕作）对土壤固碳的贡献率约为30%—36%（相当抵消工业温室气体排放3.4%—19%）。研究表明,中国农业土地利用管理（如实施秸秆还田、有机肥施用、少免耕技术等农田管理措施）在固碳减排中的作用及其潜力不可忽视。     

开垦对三江平原别拉洪河流域土壤Fe活性的影响

为探讨农业开垦对土壤Fe活性的影响,采集土样对三江平原别拉洪河流域不同土地利用类型（岸边沼泽、农田附近沼泽、农田）泥炭层、表土层和潜育层中Fe2+、络合Fe及土壤相关理化指标进行分析。结果表明,土壤开垦后,与岸边天然沼泽相比,农田附近沼泽及农田土壤Fe2+、络合Fe含量整体上呈降低趋势,显示开垦促进了土壤有机碳损失,降低了土壤Fe活性。不同土地利用类型土壤各层中络合Fe与土壤TOC相关性显著,表明TOC是影响土壤Fe活化的重要因子。研究结果有助于深入了解土地利用状况变化对土壤Fe活性的影响,进而为耕地的合理开垦提供一定的理论依据。

     

气候变化对农田生态系统碳氮过程的影响及其对生产的启示

从农田生态系统过程角度综合分析了气候变化([CO_2]增加、温度升高)对土壤碳库、氮供给生物化学过程的综合影响和长期效应。总结指出,[CO_2]增加、温度升高对农田生态系统过程的影响具有明显的时间效应,短时间尺度上加快农田土壤养分周转,改变碳氮组分,长时间尺度上导致土壤养分有效性降低;[CO_2]增加、温度升高和养分管理对农田生态系统过程的影响具有显著的交互作用,土壤养分有效性制约着气候变化对农田生态系统生产力和碳汇功能的影响。因此,气候变化([CO_2]增加、温度升高)情景下对农业生产管理包括施肥运筹及秸秆还田策略等的启示在于:根据气候变化背景下土壤养分的周转规律有效管理农田土壤养分、保持农田土壤肥力,从而保障农业高产的可持续性以及农田碳汇的生态服务功能。     

克拉玛依人工杨树碳汇林对土壤有机碳储量的影响

[目的]造林作为一种土地利用变化,可以增加陆地碳汇,减缓大气中CO2的积累.以克拉玛依人工杨树碳汇林及原生荒漠灌木林为研究对象,分析人工造林对土壤碳储量的影响.[方法]通过合理的样方设置分别于林区和荒漠灌木林区进行土壤分层取样,并采用重铬酸钾容量法对碳汇林下及原生荒漠植被下土壤有机碳储量进行了估算和分析.[结果]原生荒漠植被条件下土壤平均碳密度仅为0.3 ～0.6 kg/m2,而建造碳汇林后,该区域土壤平均碳密度有大幅提高,为0.47 ～1.44 kg/m2;土壤有机碳含量随土体深度的加深而减少;碳汇林对土壤有机碳储量的提高在浅层土壤中表现得更为明显.[结论]克拉玛依人工杨树碳汇林有效地提升了土壤有机碳储量,对改善当地土壤环境质量有明显的作用.     

栽培管理对农田土壤呼吸的影响及减排途径

在全球变化加剧背景下,农田碳排放问题越来越引起人们的关注.结合国内外已有的相关报道,系统综述了栽培管理措施对农田土壤呼吸影响的差异,探讨栽培管理措施影响土壤呼吸速率的可能机制,并提出了农田土壤碳减排可行的管理措施,展望了未来该领域应加强的研究方面,旨在为农田生态系统在全球变化背景下碳汇功能的发挥提高理论依据和技术指导.     

土地利用方式的改变对土壤呼吸及土壤微生物生物量的影响

土壤呼吸释放的CO2与土壤微生物生物量碳是全球碳循环中最为活跃的部分.作者对南京林业大学下蜀实习林场内天然次生栎林、马尾松人工林、毛竹林、板栗经济林和农田5种土地利用类型的土壤呼吸速率及土壤微生物生物量进行了测定,并分析了土地利用方式和各种土壤理化性质对土壤呼吸速率及土壤微生物生物量的影响.研究结果表明:①在5种不同土地利用类型中,农田的土壤呼吸速率显著大于马尾松林、栎林和毛竹林;板栗经济林的土壤呼吸速率显著大于毛竹林和马尾松林;其他各土地利用类型之间的土壤呼吸速率均无显著性差异.②在5种不同土地利用类型中,马尾松林的土壤微生物生物量显著小于农田、板栗经济林和毛竹林;农田的土壤微生物生物量显著大于栎林;其他各土地利用类型之间的土壤微生物生物量均无显著差异.③土壤呼吸速率与土壤微生物生物量、土壤温度(尤其是5cm深土壤温度)、土壤全钙含量、土壤全磷含量以及土壤碳氮比有显著相关关系;而与土壤全碳、全氮、土壤pH值等因子相关性不大.④土壤微生物生物量与土壤全钙含量、土壤全磷含量有显著相关关系;而与土壤pH值、土壤湿度等因子无显著相关关系.研究结果还表明:森林变为农田可能潜在地增加土壤CO2的释放;该地区土壤中磷的含量和有效性可能是限制土壤微生物生物量的重要因子.     

开垦对三江平原别拉洪河流域土壤Fe活性的影响

为探讨农业开垦对土壤Fe活性的影响,采集土样对三江平原别拉洪河流域不同土地利用类型(岸边沼泽、农田附近沼泽、农田)泥炭层、表土层和潜育层中Fe2+、络合Fe及土壤相关理化指标进行分析。结果表明,土壤开垦后,与岸边天然沼泽相比,农田附近沼泽及农田土壤Fe2+、络合Fe含量整体上呈降低趋势,显示开垦促进了土壤有机碳损失,降低了土壤Fe活性。不同土地利用类型土壤各层中络合Fe与土壤TOC相关性显著,表明TOC是影响土壤Fe活化的重要因子。研究结果有助于深入了解土地利用状况变化对土壤Fe活性的影响,进而为耕地的合理开垦提供一定的理论依据。     

洞庭湖区滩地不同土地利用类型土壤呼吸动态

土壤呼吸受到多种生物和非生物因素的影响,基于洞庭湖区滩地3种不同土地利用方式和不同时间尺度,分析土壤呼吸动态变化及与环境影响因子的关系,有助于深入了解滩地土壤呼吸变化的机理及精确推算碳的排放。采用LI-8100气体分析仪对洞庭湖区滩地芦苇地、农田、杨树林地土壤呼吸动态进行野外测定,分析不同土地利用类型土壤呼吸速率的日变化和季节变化,并对土壤呼吸速率与近地表温度、0～5 cm土壤含水量、0～5 cm土壤温度、空气湿度等环境因子之间的关系进行相关性分析。结果表明：3种土地利用类型土壤呼吸速率的季节和日变化比较明显,其动态均表现为单峰型,高峰值出现时间存在差异,而最低值大致出现在凌晨5：00;不同土地利用类型土壤呼吸作用强弱表现为芦苇地〉杨树林地〉农田;3种土地利用类型土壤呼吸速率均与近地表温度、0～5 cm土壤含水量、0～5 cm土壤温度极显著相关（P〈0.01）;杨树林地土壤呼吸速率与空气湿度呈极显著相关。总之,土壤呼吸主要受到温度和0～5 cm土壤含水量的协同作用。图2表3参11     

土壤碳库及其变化研究进展

土壤碳库变化对于全球温室效应、全球碳循环有重大的影响,土地利用方式变化而致的土壤碳库亏缺是大气CO2浓度升高的主要原因之一,发挥土壤碳汇效应已成为降低大气温室气体浓度、减缓全球温室效应的简便有效方法.综述了土壤碳库变化与全球温室效应的关系,详细介绍了当前国内外土壤碳库储量与分布以及土壤有机碳库变化动态与潜力研究的现状,并重点分析国内已有研究中存在的问题,最后提出开展土壤碳库及其变化研究的必要性与可能性,指出未来研究方向.     

新疆莎车县土地整治项目碳效益研究

本文将新疆莎车县土地整治项目作为研究对象,以土地整治过程中工程措施、土地利用结构和农田管护系统三个方面的碳效应为基础测算碳效益。结果表明:(1)土地整治后,项目区碳输入89 444.80 t,碳输出72 085.35 t,净碳汇为17 359.45 t。(2)工程措施中灌溉排水工程碳效益最低;土地利用结构中居民点及工矿用地和耕地面积矢量变化的差异分别形成最小贡献率-581.41%,最大贡献率448.59%;农田管护系统中生态效率、经济效率、生产效率分别是4.75 t/tC、1.29t/tC、5.55 t/tC。     

全球气候变化下中国农田土壤碳库未来变化

农田土壤碳库对缓解气候变化、保证粮食安全具有重要作用。日益加剧的气候变化对农田土壤有机碳库演变的潜在影响受到广泛关注。全球气候变化所带来的温度、降雨和大气二氧化碳（CO₂）浓度的改变,会通过影响净初级生产力（NPP）、外源碳投入和有机碳分解速率等因素改变生态系统碳循环过程。另外,气候变化也会通过改变土地利用方式和种植制度等农业措施改变生态系统碳循环。综述国内外农田土壤碳库演变对气候变化影响的研究成果表明,到21世纪末,中国气温将会升高3.9-6.0℃,降水有望增加9%-11%。至2050年,气温和降水的变化会造成中国农田系统碳投入相比1980年降低2.3%-10%（小麦、玉米和水稻平均值）。相反,在综合考虑CO₂浓度升高的协同作用后,2050年中国农田系统碳投入相比1990年前将会增加13%-22%（平均年增长率0.2%-0.4%）。模型预测显示,至2020、2050和2080年,中国旱地0-30 cm土层有机碳在CO₂低排放情景下分别会损失2.7、6.0和 7.8 tC·hm^-2,在CO₂高排放情景下分别会损失2.9、6.8和8.2 tC·hm^-2,大概占1980年农田土壤碳的4.5%、10.5%和12.7%。综合碳投入和排放对农田土壤碳库的整体影响来看,21世纪末期中国农田土壤有机碳库含量较1980年会下降10%左右,但如果采取相应的管理措施,可有效抑制农田土壤碳库的降低甚至提高,如农田系统碳投入以每年1%的速度增加时,土壤碳库会在21世纪末增加两倍。目前的研究结果显示,气候变化是否会强烈影响农田土壤碳库依然有很大的不确定因素,其对固碳效应正面和负面影响相互抵消后成为碳源还是碳汇说法不一。因此,在采取缓解气候变化、增加农田土壤固碳的措施的同时,还需加强农田土壤碳库未来变化趋势的研究和探索,为中国政策框架的决定以及未来气候变化谈判提供可靠的科学依据。     

中国农田管理土壤碳汇估算

 【目的】长期大规模翻耕和秸秆燃烧造成土壤有机质（SOM）大量损失,使农田成为温室气体的一个排放源。然而,近年来,随着免耕技术的逐步推广、秸秆还田面积的增加,加上施肥、灌溉等农田管理措施的应用,农田土壤有机碳（SOC）储量有所回升,预计其将成为温室气体的吸收汇。本文通过分析各种农田管理措施下土壤有机碳（SOC）的变化量,估算中国农田管理土壤碳汇量,为制定中国农田温室气体清单提供科学参考。【方法】通过查阅相关文献著作等,构建农田管理情景,分析各管理措施长期定位试验土壤有机碳变化量的数据。根据中国农作制的分区,估算各区域及水田、旱地农田管理下的碳汇量,并与政府间气候变化专门委员会（IPCC）制定的2006IPCC国家温室气体排放清单指南中农田仍为农田的层次（Tier）2方法的估算结果进行比较。最后用Meta分析法估算中国农田管理土壤碳汇量。【结果】不同农田管理措施对土壤碳的影响不同。各种措施表现为化肥与有机肥配施的增碳作用最大,达到0.889 tC•ha-1•a-1;其次为秸秆还田、施有机肥和免耕,分别为0.597、0.545、0.514 tC•ha-1•a-1;施化肥的作用最不明显,仅为0.129 tC•ha-1•a-1。这一结果明显高于IPCC Tier2方法估算的结果。研究还揭示,不同管理措施在不同区域对土壤有机碳变化的影响存在一定的差异,黄淮海区、长江上中游区和西南区增加量较大,东北区增加量较小,在施化肥条件下东北黑土SOC甚至有降低的趋势。土壤有机碳的年增长率和初始值之间呈很好的负相关,由此可得出不同管理措施下农田土壤有机碳的平衡值及固碳潜力。【结论】农田管理措施中,配施、秸秆还田、施有机肥和免耕可以在很大程度上提高土壤SOC含量。其中,配施和秸秆还田的固碳潜力较大。     

造林对土壤有机碳储量的影响(综述)

造林作为一种重要的增加碳汇方式已经或正在被很多国家应用,但是造林后土壤有机碳库储量的变化和影响因素尚不明确。在总结了近年来的相关文献后认为:造林前土地利用类型、纬度变化、土壤类型和树种选择都能对造林后土壤有机碳储量的变化产生重要影响;农田和裸地造林后土壤有机碳汇显著增加,草地造林后土壤有机碳变化的不确定性是由林龄的不同导致的;温带地区造林后土壤有机碳汇快速增加,随着纬度的上升,造林后土壤有机碳储量先下降后达到或高于造林前的水平所需要的时间越来越长;土壤黏粒与粉粒的含量与造林后土壤有机碳库储量呈正相关关系;农田造乔木林和灌木林土壤有机碳储量都会显著增加,而草地最好选择阔叶乔木,灌木可以广泛应用于造林前的各种土地利用类型。     

岩溶峡谷区石漠化对土壤碳排放的影响

土壤在全球碳平衡中具有举足轻重的作用,而土地利用变化对土壤碳排放的影响也是极其敏感的。针对贵 州岩溶峡谷地区石漠化导致的土地退化对土壤碳排放的影响进行研究。试验定位监测样地选取在石漠化典型地 区贵州省关岭布依族苗族自治县花江峡谷区,于2012 年7 月至2013 年4 月采用动态气室法(Li鄄8100,USA) 监测了未石漠化土地和不同程度石漠化土地的土壤呼吸速率日动态和季节动态变化,通过关岭布依族苗族自治县 治理前后石漠化程度监测数据分析,定量评价了石漠化对区域土壤碳排放量的影响,可为定量评价石漠化对土壤 碳汇功能的影响提供科学依据。研究结果表明:1)岩溶区土壤呼吸速率与土地的石漠化程度具有很高的关联性, 石漠化程度越高,土壤碳排放量越低,极重度石漠化土地样地土壤碳排放量约为非石漠化的1/2;2)非石漠化土地 土壤呼吸具有明显的季节变化,而石漠化土地土壤呼吸则不再遵循植物生长的季节顺序发生变化,土壤呼吸随季 节的这种变化规律被打破;3)区域碳排放变化量与石漠化治理效果有关,20052010 年关岭布依族苗族自治县实 施石漠化治理后,区域土壤呼吸产生的碳排放量增加了41 800 t,相当于关岭布依族苗族自治县岩溶区增加了 31郾92 t/ km2 。      

干旱区不同灌溉方式及施肥措施对棉田土壤呼吸及各组分贡献的影响

【目的】探讨干旱区灌溉方式及施肥措施对棉花生长季农田土壤呼吸速率及碳平衡的影响,比较不同管理措施对棉田土壤碳汇强度的影响。【方法】设置滴灌和漫灌两种灌溉方式,在棉花生育期每种灌溉方式设有机肥（OM）、氮磷钾化肥（NPK）、氮磷钾化肥与有机肥配施（NPK+OM）3种施肥处理,以不施肥处理为对照（CK）,采用LI-8100土壤碳通量测定仪测定农田土壤呼吸速率,利用根去除法区分根系对土壤呼吸的贡献率,通过计算净生态系统生产力（NEP）,分析不同灌溉方式及施肥措施下农田土壤碳汇强度。【结果】不同灌溉方式及施肥措施下农田土壤呼吸速率的季节变化随气温变化均呈先升高后降低的趋势,在7月中旬达到峰值,10月中旬棉花收获后降至最低。不同灌溉方式下农田土壤碳排放量为滴灌＞漫灌;相同灌溉方式下不同施肥处理为NPK+OM＞OM＞CK＞NPK。滴灌条件下根系呼吸对土壤呼吸的贡献率为36.38%-58.74%,漫灌条件下为33.73%-52.03%;铃期根系呼吸贡献率最高,生育期平均为48.05%和44.31%。整个棉花生长季节,两种灌溉方式下农田净初级生产力（NPP）均为NPK+OM＞NPK＞OM＞CK。不同管理措施下整个生育期农田土壤均表现为碳“汇”,其中,不同灌溉方式下农田碳汇强度为滴灌＞漫灌,不同施肥措施为NPK+OM＞NPK＞OM＞CK,灌溉与施肥互作条件下,滴灌方式下NPK+OM处理碳汇强度最强。【结论】在干旱区棉花生产中,采用膜下滴灌节水技术,氮磷钾化肥与有机肥配施并实施秸秆还田等农田管理措施,不仅能增加土壤有机碳含量,培肥地力,提高棉花产量,而且能促进土壤固碳减排。     

鄱阳湖地区长期施肥双季稻稻田生态系统净碳汇效应变化特征

以江西省红壤所长期施肥红壤水稻土双季稻农田生态系统为研究对象,利用不同施肥年限作物的产量及土壤有机质含量等测定数据,结合调查获得的生态系统物质和管理投入资料,估算了不同施肥处理双季稻生态系统的碳汇效应和经济效益,并比较了不同施肥年限农田生态系统碳汇效应的变化特征.结果表明:有机肥与无机肥配施处理的净碳汇效应最强为-8.78tC·hm-2·a-1,不施肥处理的净碳汇效应最弱为-4.86tC·hm-2·a-1,加倍施加化肥虽提高了系统的净碳汇效应,但是作用不显著;不同施肥年限,相同施肥条件农田的作物固碳量和净碳汇效应没有显著性差异,但是土壤固碳量变化显著,施加有机肥可以维持和提高土壤的同碳能力平均达到0.41 tC·hm-2·a-1,在追求更高作物固碳量同时,提高和维持土壤的固碳能力也是提高农田碳汇效应的有效途径.有机肥与无机肥配施处理的平均经济效益为17 568 CNY·hm-2·a-1,也高于其他施肥处理.因此,适当施加有机肥不仅可以大幅提高农田生态系统的碳汇效应,还可以显著提高农业生产的经济效益,是实现低碳、高值农业的最有效措施之一.     

松花坝水源区不同土地利用方式对土壤理化性质的影响

了解不同土地利用方式及其改变对土壤理化性质的影响对流域面源污染防控具有重要意义.选择松花坝水源区内广泛分布的蔬菜传统种植地、玉米种植地和人工林地(农改林),采集7、9、11月份0～20 cm、20～40 cm土层的土壤,分析其土壤物理化学性质.结果表明:(1)土地利用方式、土壤深度及采样时间显著影响土壤理化性质;(2)林地土壤容重、含水量及有机质含量高于农田土壤(菜地与玉米地),而农田土壤氮、磷(全氮、硝态氮、铵态氮、全磷和有效磷)含量则高于林地;(3)土地利用类型对土壤理化性质的综合影响系数从高到低依次为菜地、玉米地、林地,其中农田土壤有效态氮、磷及林地土壤有机质含量在综合影响中的贡献比例是所有理化参数中最高的.由此可知,人为管理措施是导致农田理化性质较好的主要原因,但从面源污染防控角度看,农改林可有效降低土壤养分"源强",降低向外输移的风险.     

不同围填海土地利用类型对土壤氮元素的影响

土壤氮元素是植物生长的重要营养元素,不同土地利用类型对土壤氮元素的影响不同。近年来,滨海湿地的围垦作为应对土地资源短缺的一个重要对策被广泛地使用,而由围垦所导致的不同土地类型对土壤氮元素影响方面的研究较少。通过比较盐城围填海区域芦苇沼泽、农田、盐田、鱼塘、城镇建设和光滩6种土地类型对植物地上生物量、土壤总氮含量、铵态氮变化量和硝态氮变化量、土壤氮矿化速率的影响,试图探讨不同土地利用类型对土壤氮元素的影响。研究结果表明,芦苇沼泽的植物总生物量远高于其他围填海类型;与芦苇沼泽相比,农田和鱼塘土壤总氮含量水平偏高,对土壤总氮影响较大;农田和鱼塘以外的其他土地利用类型土壤的铵态氮含量均呈上升趋势;鱼塘中土壤硝态氮含量的增加量显著高于芦苇沼泽土地利用类型;不同围填海利用类型的氮矿化速率随着土壤深度的增加而减小,其中鱼塘氮矿化速率显著高于其他土地利用类型。以上研究结果表明,与其他几种土地利用类型相比,农田和鱼塘土地类型的总氮含量与硝态氮含量较高,对滨海湿地氮元素的平衡有较大影响,应适度开发。     

松花坝水源区不同土地利用方式对土壤理化性质的影响

了解不同土地利用方式及其改变对土壤理化性质的影响对流域面源污染防控具有重要意义。选择松花坝水源区内广泛分布的蔬菜传统种植地、玉米种植地和人工林地(农改林),采集7、9、11月份0～20 cm、20～40 cm土层的土壤,分析其土壤物理化学性质。结果表明:(1)土地利用方式、土壤深度及采样时间显著影响土壤理化性质;(2)林地土壤容重、含水量及有机质含量高于农田土壤(菜地与玉米地),而农田土壤氮、磷(全氮、硝态氮、铵态氮、全磷和有效磷)含量则高于林地;(3)土地利用类型对土壤理化性质的综合影响系数从高到低依次为菜地、玉米地、林地,其中农田土壤有效态氮、磷及林地土壤有机质含量在综合影响中的贡献比例是所有理化参数中最高的。由此可知,人为管理措施是导致农田理化性质较好的主要原因,但从面源污染防控角度看,农改林可有效降低土壤养分"源强",降低向外输移的风险。