土壤无机碳研究进展

在全球碳循环研究中,土壤有机碳(SOC)的作用倍受关注,而土壤无机碳(SIC)的研究相对较少。土壤无机碳是近地表环境中主要碳库之一,主要指土壤母岩风化过程中形成的土壤碳酸盐矿物态碳,是干旱、半干旱地区土壤碳库的主要形式。本文综述了土壤无机碳的组成、来源、成因模型及与全球碳循环特别是土壤有机碳的关系,并提出未来研究需要加强的几个方面。     

干旱区土壤剖面无机碳分布及其与盐碱性的关系

土壤无机碳作为干旱区土壤碳库的主要存在形式,其数量分布影响着区域内土壤剖面碳聚积和存储的格局。以往由于缺乏深层土壤剖面数据,无法准确量化土壤剖面碳分布与碳存储特征,使得土壤无机碳的数量存在很大的不确定性。以三工河流域典型的农田和相邻荒地土壤作为研究对象,共6个剖面190个采样点,挖掘取样深度至潜层地下水位,分析了剖面土壤无机碳(SIC)和可溶性盐离子的分布特征,并且通过冗余分析探究无机碳与土壤盐碱性之间的相互关系。结果表明:(1)农田的SIC含量显著大于荒地的SIC含量(p0.05),相比于荒地,农田的SIC含量增加了27.9%,变化范围增大了3.66倍;荒地和农田的SIC含量在剖面上分别表现为"S"形和"M"形分布。(2)在整个剖面上,同层次的农田土壤中的可溶性离子含量显著小于荒地中的含量(p0.05),并且在剖面上分布荒地表现为增加—减少趋势,而农田为逐渐减小趋势,表明农业活动显著改变了可溶性离子的数量和分布特征。(3)所有剖面土壤无机碳储量为0—100cm土层100—300cm土层300cm以下土层(p0.05),虽然层次间其数值差异较大,但在相同层次,农田和荒地的土壤无机碳储量所占比例却基本相同,为10%,35%,55%(p0.05)。(4)通过冗余分析得到土壤盐碱性因素对SIC的贡献作用排序,正相关性,pHESPSARCO_3~(2-)HCO_3~-;负相关性,K~+Ca~(2+)Mg~(2+)Cl~-盐分SO_4~(2-)Cl~-Na~+。     

不同土地利用方式对土壤有机无机碳比例的影响

【目的】 土壤有机碳 (SOC) 和无机碳 (SIC) 对全球碳循环和减缓气候变化具有重要作用,进一步明确二者之间相互转化关系,对准确估算土壤碳储量具有重要意义。现有研究对SOC和SIC相互关系缺乏系统量化,研究结果不一。因此,明确SOC和SIC之间相互关系,可为准确估算和模拟土壤碳的转化过程提供理论基础。 【方法】 本研究搜集了我国1990—2018年已发表的文献共41篇,从不同气候区、不同土地利用方式、不同土层深度探究了SOC和SIC比例的变化,进一步量化了二者之间的相互关系。 【结果】 不同气候区、不同土地利用方式下土壤SOC/SIC值在0—20 cm土层均大于20—100 cm土层。具体来说,在温带大陆性气候区,草地0—20 cm土壤SOC/SIC值最小 (0.53),林地 (0.90) 和农田 (0.80) 土壤较高,且三种土地利用方式下SOC和SIC呈极显著正相关关系;而在温带季风性气候区,0—20 cm土壤SOC/SIC值表现为草地 (0.82) ≈ 农田 (1.05) > 林地 (0.29),且SOC和SIC在林地、农田土壤中呈正相关关系,但在草地土壤中二者为负相关关系。另外,温带大陆性气候区20—100 cm以林地土壤SOC/SIC值最高,草地和农田次之,而在温带季风性气候区三种土地利用方式下无显著差异;SOC和SIC在林地和农田土壤中呈正相关关系,然而在草地土壤中为负相关关系。温带大陆性气候区SOC/SIC值总体以林地较大,农田、草地次之。温带季风性气候区,0—20 cm土层SOC/SIC值以草地较大,农田和林地分别次之。这可能是因为植被覆盖不同,导致了作物碳的归还量不一。同时,不同的植被覆盖还影响了土壤中的各种生物化学进程,改变了碳在土壤中的循环转化过程,进而影响了SOC和SIC含量,使得SOC/SIC值产生较大差异。 【结论】 SOC和SIC之间存在循环转化关系,且不同气候条件、不同土地利用方式、不同土壤类型对SOC和SIC循环转化存在显著影响。不同条件下SOC/SIC值存在显著差异,且二者呈现不同的相关性。本研究结果可为明确土壤碳的循环积累机制,准确估算土壤有机和无机碳库提供理论依据。      

无机氮对土壤中有机碳矿化影响的探讨

采用1 4 C同位素示踪恒温密闭培养法 ,研究了秸秆和化肥配合施用体系中 ,无机氮对1 4 C秸秆碳矿化的影响 ,培养期一年。结果表明 ,在非石灰性土壤中 ,无机氮的施用促进了1 4 C秸秆碳的矿化 ,相对增加了土壤固有碳 ( 1 2 C)的固持 ,两者间的互补显示无机氮对土壤总碳矿化的影响不大 ;淹水土壤中的1 4 C秸秆碳年矿化率比旱地高 ,发现无机氮对1 4 C秸秆碳年矿化率的增加不论在旱地或水田状况是近似的。在石灰性土壤中 ,无机氮对1 4 C秸秆碳、土壤固有碳的矿化均起到抑制作用 ,没有发现无机氮对有机碳矿化的促进。对有机肥和无机肥配合施用体系中 ,化学氮肥对土壤有机碳转化影响 ,以及化学氮肥在土壤有机碳内循环中的作用功能等 ,提出了一些新的见解     

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。     

大气CO_2升高与农田土壤碳循环研究

大气CO2浓度的升高通过植物-土壤-微生物的相互作用对陆地生态系统中最大碳库土壤的稳定性产生重要影响。大气CO2浓度升高,影响许多植物生长发育过程,进而影响土壤有机碳输入量。与此同时,土壤微生物的群落与功能也会随之发生变化,参与土壤碳的转化,深刻影响陆地生态系统的碳循环。文章分析了大气CO2浓度升高影响农田土壤碳循的有关过程,包括高CO2浓度条件下,作物地下部分的生长响应,以及向土壤中输入作物光合有机物量和质的变化,探讨了土壤碳库对大气CO2浓度升高反馈的土壤微生物作用机制,进一步解析了土壤微生物群落结构在土壤碳与大气CO2浓度之间的相互作用,提出研究土壤有机碳转化的土壤微生物作用机制是预测全球气候变化条件下的农田土壤碳循环规律的关键。图1,参79。     

黄土丘陵区不同恢复年限对天然草地土壤碳库动态的影响

[目的]揭示不同恢复年限的天然草地土壤碳库动态变化及其剖面分布特征,全面认识和理解天然草地恢复下土壤有机库、无机碳库的动态特征。[方法]采用野外调查与室内试验分析相结合的方法,以农田为对照,对黄土丘陵区不同恢复年限(11,16,22和35a)的天然草地土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、总碳(STC)的动态变化及其剖面分布特征进行了探讨。[结果](1)天然草地恢复过程中表层(0—10cm)SOC含量随植被恢复年限显著增加,下层(10—100cm)SOC含量随植被恢复年限变化不明显;0—100cm土层SOC储量呈先减少后增加趋势,但仍未达到农田SOC储量的水平。(2)天然草地0—20cm土层SIC含量呈相对脱钙现象,0—100cm土层SIC库储量约为SOC库储量的2.7~4.5倍。土壤无机碳库随植被恢复年限的增加无明显变化,但SIC的剖面分布深度发生改变。(3)土壤总碳库随恢复年限增加无明显变化,0—100cm土层SIC储量在STC库中所占比例约为75.6%~86.0%。[结论]短时间内天然草地的土壤碳汇效应并不明显,碳库增汇效应需要长期的过程。     

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。     

稳定13C同位素示踪技术在农田土壤碳循环和团聚体 固碳研究中的应用进展

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解直接影响陆地生态系统碳贮藏与全球碳平衡。土壤团聚体是土壤结构的物质基础和土壤肥力的重要载体,也是土壤有机碳的固定场所。稳定~(13)C同位素示踪技术是研究土壤碳动态变化的有效手段,能够揭示新输入碳在土壤及团聚体中赋存状态、周转过程以及微生物的调节机制。本文主要归纳与阐述了稳定~(13)C同位素示踪技术在农田土壤有机碳循环及土壤团聚体固碳机理方面的研究进展,提出~(13)C同位素示踪技术在未来土壤碳循环和固碳机制方面的主要研究方向。     

氮肥用量对石灰性土壤二氧化碳释放的影响

采用室内培养方法研究了灭菌及未灭菌条件下施用氮肥对石灰性土壤p H值、矿质态氮含量和CO2释放量的影响。结果表明:土壤CO2释放量随施氮量增加而显著增加,培养结束时未灭菌土壤CO2累积释放量比对照增加了21.8%~103.5%,平均增加62.7%,这与施氮促进有机质矿化及降低土壤p H值促进无机碳分解有关。采用哌嗪-1,4-二乙磺酸(PIPES)缓冲的Hg Cl2溶液灭菌后,培养期间不同施氮量下土壤铵态氮与硝态氮含量稳定,说明灭菌处理抑制了硝化作用的进行,灭菌效果良好。灭菌处理显著降低了土壤CO2释放量,但相比对照,施用氮肥也使CO2释放量增加了5.3%~17.8%,说明施用氮肥也促进了培养过程中土壤无机碳的释放。因此,应重视大量施用氮肥对石灰性土壤无机碳释放的影响。     

内蒙农牧交错带地区土地利用方式和施肥对土壤碳库的影响

内蒙武川是我国典型的内蒙农牧交错带地区,土地利用方式转变和施肥是影响该地区农业生产和土壤碳储量的重要人类活动。选取内蒙武川地区,针对不同土地利用方式(耕地、退耕还林/还草)和施肥措施(化肥、有机肥)的长期定位试验土壤,分析土壤有机碳(SOC)、土壤无机碳(SIC)和全氮(TN)含量和储量,结合13C和15N稳定同位素方法,研究土地利用方式和施肥措施对于该地区土壤碳氮转化的影响规律。研究表明,退耕还灌/还草后,SOC储量较耕地均有显著提高(提高幅度0.60~0.98 Mg hm-2 a-1),SIC储量也增加或保持相同水平(柠条地除外)。相比不施肥处理,施用有机肥能显著增加SOC(1.08~1.19 Mg hm-2 a-1),施化肥处理则会降低SIC(0.06~0.16 Mg hm-2 a-1),且主要影响次生碳酸盐。施肥SIC中原生碳酸盐比例(0~23%)低于自然土壤(3%~29%)。施肥措施对于土壤碳氮的转化强度远大于土地利用方式的改变。对于内蒙等干旱半干旱地区土壤,土地利用和施肥措施对于土壤有机和无机碳的影响应该在区域固碳管理中给予全面考虑。     

长期不同施肥对新疆荒漠农田土壤碳含量及其剖面分布的影响

以建于1990年的新疆阜康荒漠生态系统观测研究站的长期施肥定位试验为平台，分析了不施肥（CK）、单施化肥（化肥常规NPK和化肥高量N2P2K）、化肥配施秸秆（化肥配施秸秆常规NPKS和化肥配施秸秆高量NPKS2）和化肥配施猪粪（NPKM）对农田土壤有机碳和无机碳含量与剖面分布及有机碳热稳定性的影响。结果表明：（1）长期施肥处理提高了土壤有机碳含量，其中耕层（0—20 cm）土壤有机碳响应最敏感，化肥配施秸秆还田处理下有机碳积累高于其他处理。（2）长期施肥处理均降低土壤有机碳稳定性，表明增加的土壤有机碳并不利于碳稳定。（3）长期施肥处理降低土壤无机碳含量，其降低程度随剖面呈下降趋势，可能由于灌溉淋洗导致深层土壤无机碳的净增加。（4）尽管长期施肥促进土壤有机碳累积，但由于降低无机碳含量及其储量，最终导致土壤全碳降低，表明土壤无机碳变化对干旱区土壤碳库变化具有决定性作用。结果表明，深入理解施肥措施对干旱区盐碱土的碳影响，需要同时考虑不同深度土壤有机碳和无机碳含量的变化。     

长期施肥对农田土壤氮素关键转化过程的影响

当前,如何合理施肥、提高作物产量、维持土壤肥力、并兼顾生态环境效应是农业研究的主要挑战之一。本文综述了长期施肥对农田土壤氮素关键转化过程的影响,主要从土壤氮转化过程的初级转化速率角度综述肥料(有机肥和化学氮肥)对土壤氮素关键转化过程的影响。土壤氮素矿化-同化循环是自然界氮循环过程中两个至关重要的环节,是决定土壤供氮能力的重要因素。总体而言,长期施用氮肥,尤其是有机肥能显著提高初级矿化-同化周转速率;长期施肥可以刺激自养硝化作用,且有机肥的刺激作用更明显;施用化学氮肥和有机肥均能提高反硝化速率,且有机肥的刺激作用高于化学氮肥。有机肥一直被提倡和实践用来改善土壤肥力和提高土壤固碳能力,无论是单施有机肥还是有机-无机配施,均能有效地减轻硝酸盐污染,改善土壤肥力并提高作物产量。但是有机肥的施用并不是多多益善,有机肥过多施用也会增加氮损失的风险。因此,本文综述了长期施肥对农田土壤氮素关键转化过程初级转化速率的影响,讨论了各个氮转化过程之间的联系,以期增强人们对长期施肥措施影响农田土壤氮素循环的理解,并为合理施用氮肥、提高氮肥利用率、减少与氮相关的环境污染提供理论依据。     

添加葡萄糖对红壤农田肥料氮转化及其酸化的影响

采用室内培养实验,初步研究了外加葡萄糖对红壤肥料氮素转化及其酸化作用的影响,其中葡萄糖添加量充足,为8 g·kg–1干土,氮肥以(NH4)2SO4和KNO3为例.结果表明,在对照、单施(NH4)2SO4或KNO3处理中,土壤中氮转化过程主要以有机氮净矿化和铵态氮净硝化为主,这主要是由于红壤可利用碳源较少.而外加足够葡萄...     

Contrast effect of long-term fertilization on SOC and SIC stocks and distribution in different soil particle-size fractions

Purpose

The objectives of the study were (1) to quantify the long-term effects of nitrogen-phosphorus fertilizer (NP) and a combination of nitrogen-phosphorus with organic manure (NPM) on total soil organic carbon (SOC) and total soil inorganic carbon (SIC), (2) to identify the changes of SOC and SIC in soil particle-size fractions, and (3) to investigate the relationship between SOC and SIC.

Materials and methods

Two long-term field experiments (sites A and B) were performed in 1984 (site A) and 1979 (site B) in the North China Plain. The soil samples were collected in 2006 and separated for clay, silt and sand size particle fractions and then determined for SOC and SIC.

Results and discussion

The long-term fertilization significantly increased SOC in 0–20 cm soil layer by 9–68% but significantly decreased or had no effect on SIC. In total, soil carbon storage was little affected by NP, but significantly increased by NPM application (p < 0.05). Fertilization affected both SOC and SIC in sand- and silt-sized particles but not in clay-size fraction. Both NP and NPM increased SOC in sand- and silt-sized particles by 8.7–123.9% in the 0–20 cm layer but decreased SIC up to 80.4% in the 40–60 cm layer. The SOC concentration in the particle-size fractions was negatively correlated with SIC concentration, which may imply an antagonistic interaction between organic and inorganic carbon levels.

Conclusions

These results illustrate the importance of soil inorganic carbon pool in evaluating soil total carbon pool in semi-arid farmlands. Previous assessments of the effects of fertilizers on the soil carbon pool, using only SOC determinations, require re-evaluation with the inclusion of SIC determinations.

     

中国酸性土壤利用的科学问题与策略

中国土壤酸化呈现出全国普遍发生的趋势,对作物产量、农产品品质和生物多样性造成不利影响。自20世纪50年代以来,我国在酸性土壤方面开展了大量工作,取得显著成效,但因我国酸性土壤分布详情不明、土壤酸化机制存在争议、耐逆作物品种缺乏、作物酸害阈值不清、改良产品及技术落地性差等问题,酸性土壤利用仍受到极大限制。针对上述问题,绘制了新的中国土壤酸碱度图,明确了我国酸性土壤的分布详情,讨论了土壤酸化机制特别是氮肥与土壤酸化之间的关系,论述了土壤酸化的危害,解析了植物和微生物对酸性土壤的响应和适应机制,提出了分区分级分类改良、酸度改良和肥力提高并重、有机无机肥配施、发展特色农业等酸性土壤改良和利用策略,建议进一步加强酸性土壤新型改良剂、作物酸害阈值、氮肥高效利用、中微量元素、耐逆作物育种和土壤酸化模型等方面研究,以期为酸性土壤可持续利用提供支撑。     

三元复合肥料的酸度特征及其对土壤酸化的影响

针对目前农田土壤酸化严重,而酸性复合肥在农业生产中广泛施用,其本身的酸度特征及其对土壤酸化的促进作用程度不清的问题,本研究对目前市面上12种国内外生产的氮磷钾三元复合肥料进行了调查,发现11种复合肥料呈酸性,其中pH为4.0～5.0的肥料达58％以上,含酸量可高达1.95 mol/kg,这些酸性肥料施入土壤中1 d内可...     

亚热带耕地土壤酸化程度差异及影响因素

准确揭示区域耕地土壤酸化程度及其原因对于耕地质量提升和农业可持续发展具有重要意义。本研究利用地处亚热带的福建省1982年36 777个和2008年236 445个耕地表层土壤调查样点属性建立的1∶25万耕地土壤数据库,借助GIS技术与灰色斜率关联分析模型探讨了26年间全省耕地土壤酸化程度及其原因,为省域耕地土壤酸性调控提供科学依据。结果表明:1982—2008年间福建省67.60%的耕地土壤发生不同程度酸化,其中强度、中度和弱度酸化面积分别占全省耕地总面积的0.83%、18.26%和48.52%。就行政区域差异而言,强度酸化耕地主要分布在龙岩市,占全省强度酸化耕地总面积的86.88%,其次为泉州市,占比为8.39%;中度酸化耕地主要分布在南平市、龙岩市和泉州市,分别占全省中度酸化耕地总面积的29.88%、18.10%和16.94%,弱度酸化耕地则遍布全省各县市区。从土壤类型差异来看,潜育水稻土、渗育水稻土和酸性紫色土亚类的酸化面积比例较大,分别占相应亚类总面积的82.87%、72.37%和69.20%;但渗育和潴育水稻土亚类的酸化程度较为严重,强度、中度和弱度酸化的渗育和潴育水稻土面积分别占全省耕地相应酸化程度总面积的98.94%、84.51%和87.36%。从土地利用类型差异分析,水田和水浇地的酸化面积比例较高,分别占相应利用类型总面积的70.35%和60.78%。灰色斜率关联分析模型分析表明,1982—2008年间酸雨、高温多雨气候及化肥大量施用是引起福建省耕地土壤酸化的主要外因,故严控工业含硫等酸性废气排放进而控制酸雨和合理调整施肥结构是减缓全省耕地土壤酸化的必要途径。     

Effect of land management and soil texture on seasonal variations in soil microbial biomass in dry tropical agroecosystems in Tanzania

Soil microbes are an essential component of most terrestrial ecosystems; as decomposers they are responsible for regulating nutrient dynamics, and they also serve as a highly labile nutrient pool. Here, we evaluated seasonal variations in microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN) as well as microbial activity (as qCO₂) for 16 months with respect to several factors relating to soil moisture and nutrients under different land management practices (plant residue application, fertilizer application) in both clayey (38% clay) and sandy (4% clay) croplands in Tanzania. We observed that MBC and MBN tended to decrease during the rainy season whereas they tended to increase and remain at high levels during the dry season in all treatment plots at both of our test sites, although soil moisture did not correlate with MBC or MBN. qCO₂ correlated with soil moisture in all treatment plots at both sites, and hence soil microbes act as decomposers mainly during the rainy season. Although the effect of seasonal variation of soil moisture on the dynamics of MBC, MBN, and qCO₂ was certainly greater than that attributable to plant residue application, fertilizer application, or soil texture, plant residue application early in the rainy season clearly increased MBC and MBN in both clayey and sandy soils. This suggests that plant residue application can help to not only counter the N loss caused by leaching but also synchronize crop N uptake and N release from soil microbes by utilizing these microbes as an ephemeral nutrient pool during the early crop growth period. We also found substantially large seasonal variations in MBC and MBN, continuously high qCO₂, and rapid turnover of soil microbes in sandy soil compared to clayey soil. Taken together, our results indicate that soil microbes, acting as both a nutrient pool and decomposers, have a more substantial impact on tropical sandy soil than on clayey soil.