农田土壤黑碳应用研究进展

在应对全球气候变暖和保障粮食安全的双重背景下,如何增加土壤碳库容量、 提升土壤生产力以及减少环境危害已成为农学家、 土壤学家和环境学家在二十一世纪的研究重点和热点,黑碳（或生物碳）在农田土壤中的应用作为一种增加土壤碳库和提高土地生产力的新方法引起了极大关注。本文综述了黑碳在农业土壤中的含量,应用黑碳（生物碳）对作物产量、 土壤肥力和温室气体排放的影响; 探讨了应用黑碳影响作物生产力和土壤环境行为的机理以及农田土壤应用黑碳在不同区域、 作物类型、 用量和黑碳性质上的差异表现; 展望了农田应用黑碳未来研究的方向和热点。     

城市土壤有机碳和黑碳的含量特征与来源分析

由于城市化过程中人为活动的深刻影响，城市土壤的一些性质被强烈地改变。城市土壤有机质由于来源的多样性和受到不同程度人为活动的影响，其组成和分布特征表现出异质性和多样性。本研究以南京市为对象，研究了功能区之间土壤有机碳和黑碳含量的差异。与郊区土壤相比，城市土壤的有机碳含量普遍较高。通过对有机碳组成的分析发现其中稳定的黑碳含量较郊区土壤明显偏高，且在不同功能区之间呈现差异性，体现了人为影响过程和污染来源的差别。同时发现路边绿化带土壤正受到来自交通环境的强烈影响，其有机碳和黑碳含量与其他功能区存在显著差异。不同功能区之间因人为影响的差异，土壤中黑碳含量与有机碳含量的比值表现出明显的不同，可以指示黑碳的可能来源。城市土壤环境中黑碳可能构成了总有机碳中的很大部分，这与自然土壤有明显的差别。     

上海市城市绿地土壤中黑碳分布特征

以上海城市绿地土壤为研究对象,通过对不同土地利用方式下绿地土壤黑碳和有机碳的分布特征进行分析,结果表明:上海市绿地土壤黑碳含量范围为0.29~86.07 g kg-1,最大值出现在钢铁厂,平均值为11.13 g kg-1。土壤中黑碳与有机碳、BC/OC值的相关极显著。土地利用方式不同,绿地土壤的黑碳含量也不一样;研究区内绿地土壤BC/OC的平均值为0.42,其中公园学校土壤黑碳含量和BC/OC值最低。不同土地利用方式对绿地土壤黑碳来源影响不同,钢铁厂、造船厂、机械制造和试剂溶剂厂的土壤黑碳来源为工业排放和石油、煤炭等燃料燃烧;居民办公区和公园学校,土壤黑碳来源为木炭、煤渣的排放,绿化植物枯枝落叶的人为燃烧;交通区土壤黑碳来源比较单一,主要为汽车尾气排放所致。     

红壤坡耕地侵蚀过程中土壤有机碳的选择性迁移

土壤侵蚀对土壤有机碳的稳定性、碳素平衡及全球碳循环的影响已引起了人们的广泛关注,但对不同类型有机碳在侵蚀过程中的流失、迁移及消长行为与过程的差异还知之甚少.为此,本文在我国亚热带地区选择了一由泥页岩低丘形成的坡耕地,采用1.44 m2微径流小区与集水小区观察试验相结合的方法,采样分析了土壤、微径流小区土壤剥离物和集水小区排水口沉积物中有机总碳、黑碳、颗粒态有机碳和腐殖质碳,比较研究了各形态有机碳迁移行为的差异性.结果表明,微径流小区收集的土壤剥离物中有机总碳含量高于土壤,前者与后者有机总碳的比值(富集系数)在1.63～2.53之间.说明富含有机碳的土壤物质被优先剥离.集水小区收集的沉积物与土壤有机总碳的比值(富集系数)为1.30～2.33,低于土壤剥离物与土壤有机总碳的比值,说明在径流运移过程中侵蚀物质中的部分有机碳发生了损失,微径流小区试验收集的土壤剥离物中黑碳的富集系数为1.46～2.32.而集水区收集的沉积物中黑碳的富集系数为1.91～2.74.高于径流小区试验,说明黑碳在整个侵蚀迁移过程中发生了连续富集,这可能与黑碳比重较轻、对微生物降解抗性较强、容易发生悬迁有关.     

典型工业城市土壤黑碳含量、分布特征及来源分析——以黄石市为例

以黄石市3种不同类型土壤(红壤土、潮土、水稻土)为研究对象,采用热光反射法测定土壤中黑碳、焦炭和烟炱含量,研究有机碳、黑碳、焦炭和烟炱的空间分布特征,同时分析黑碳、焦炭、烟炱与有机碳之间的相互关系及黑碳的可能来源。结果表明:黄石市表层土壤中黑碳含量的变化范围为0.01~5.79 g/kg,平均值为1.06 g/kg。其中水稻土黑碳含量最高,潮土次之,红壤最低。黑碳在有机碳中所占比例的变化范围为0.53%~89.54%,平均值为25.29%,说明黑碳对土壤有机碳库有较大的贡献。不同土壤类型黑碳/总有机碳(BC/TOC)比值存在较大的差异,红壤BC/TOC平均值最大(36.70%),其次为水稻土(25.25%),潮土最低(18.25%),这可能与土壤质地有关。黑碳、焦炭与烟炱含量和BC/TOC比值的空间变异性与区域的产业结构及工业布局有关。黑碳、焦炭与烟炱含量之间呈显著正相关,说明它们可能有共同的来源。焦炭/烟炱比值(char/soot)分析结果表明土壤中的黑碳受人为源的影响很大,主要来源于化石燃料燃烧(工业燃煤及机动车尾气排放)。     

黑碳添加对土壤活性有机碳和原有机碳的影响

通过室内培养实验,向土壤(甘蔗土)中分别添加不同用量的黑碳(BC,350℃热解水稻秸秆),添加量分别为0(BC0)、1％(BC1)、2％(BC2)、3％(BC3)、4％(BC4)和5％(BC5),研究黑碳添加量对土壤活性有机碳和原有机碳的影响.结果表明,在25℃培养条件下,土壤易矿化碳(Cm)随黑碳添加量的增加而增加;土壤微生物生物量碳含量亦随添加量的增加呈增加趋势(BC3处理除外).土壤可溶性有机碳含量在BC1、BC2和BC3处理之间的差异不显著,并显著低于对照土壤(BC0);应用δ13C自然丰度方法研究发现,BC1处理抑制了土壤原有机碳分解,而BC2、BC3、BC4和BC5处理促进了土壤原有机碳的分解,但统计上未达显著水平.     

黑碳添加对土壤有机碳矿化的影响

通过室内培养试验,向土壤中分别添加不同温度制备的黑碳,热解温度分别为350℃(T350)、600℃(T600)和850℃(T850),研究了黑碳添加对土壤有机碳矿化的影响。结果表明,不同温度条件制备的黑碳在15℃和25℃培养条件下,土壤CO2释放速率总的趋势是前期分解速率快,后期缓慢。在整个培养过程中(112天),随着培养时间的延长,土壤CO2释放速率下降趋势逐渐降低,CO2释放速率相对值的大小随着培养温度的的升高而增大。在不同温度培养条件下,添加黑碳后土壤CO2-C累计量均是T350>T600>T850,T350土壤CO2-C累计量最高分别为415.26 mg/kg和733.82 mg/kg。添加不同黑碳后,土壤有机碳矿化增加率存在极显著差异(p<0.01),表明不同温度制备的黑碳对土壤有机碳矿化的影响显著。     

磷酸盐氧同位素技术在土壤磷循环中的应用

磷是土壤生态系统中的重要组成元素,开展土壤磷循环研究对提高磷肥利用效率和降低磷的生态环境风险具有重要意义。磷酸盐氧同位素技术已经被证明是一种示踪环境中磷生物地球化学行为的有效方法。本文系统综述了磷酸盐氧同位素技术的研究进展和未来发展方向。详细介绍了磷酸盐氧同位素的技术原理、样品处理和测定方法;阐述了无机磷和有机磷的氧同位素特征及时空分布特征;从评估土壤磷微生物利用状况和示踪土壤磷循环两个方面探讨了磷酸盐氧同位素技术在土壤磷循环研究中的应用前景,分析了磷来源、环境条件、生物活动和样品前处理过程对土壤磷酸盐氧同位素特征的影响,最后展望了该技术未来的研究方向。以期为磷酸盐氧同位素技术在土壤学和环境科学领域的发展和应用提供新的视角和科学指导。     

水库消落带碳氮输移转化研究进展

水库消落带处于水域生态系统与陆地生态系统的交错区域。受水库水位周期性涨落影响，消落带土壤、植物与水库水体间频繁发生碳氮物质交换转化。河流-水库碳埋藏及其温室气体排放是当前全球碳循环研究的热点问题，而当前消落区相关研究仅对植物、土壤或水体等单个对象开展碳氮输移循环研究，而并未将水库消落带作为整体考虑其对河流-水库碳氮输移转化的贡献。本文综合消落带土壤淹水后碳氮含量变化、植被碳氮输入、土壤侵蚀研究，阐明消落带营养物质向筑坝河流的输入作用；并进一步分析与此相关的消落带碳氮循环及温室气体排放研究，明确消落带对筑坝河流碳氮元素转化的作用。提出当前亟待开展消落带碳氮输入源追溯、土壤侵蚀和温室气体通量长期监测，并基于同位素等技术手段明确消落带在水库碳氮输移转化中的贡献等若干问题，旨在系统明确碳氮元素在消落带和水体间的输移、水土界面的多途径生物地球化学循环转化过程，评估水库消落带在河流上、下游及河口碳氮输送转化中的作用。     

改性纳米黑碳应用于钝化修复重金属污染土壤中的问题探讨

通过有关文献资料调研,综述纳米黑碳在钝化修复污染土壤中的应用,分析其应用于钝化修复重金属污染土壤时尚待弄清的几个问题。结果表明：（1）由于纳米黑碳是疏水的非极性吸附剂,选择纳米黑碳作为土壤重金属钝化修复剂时,需对其进行氧化改性,以进一步提高其钝化能力。目前常用的氧化剂为氧化性无机酸、酸性高锰酸钾、双氧水、臭氧等,强烈的氧化过程,会破坏纳米黑碳微孔结构,一定程度上降低其吸附量。（2）为了明确其应用的可能性和适用范围,需揭示改性纳米黑碳对土壤中重金属的钝化机理及其影响因素。土壤CEC、pH、重金属离子的性质等可能是影响改性纳米黑碳对土壤中重金属吸附性能的主要因素。（3）充分利用改性纳米黑碳在土壤修复中的有益作用的同时,还需考虑其可能存在的生态环境负面效应,研究其在土壤中的径流迁移、渗漏等,明确其污染地表水和地下水的可能性,研究其生物效应和将吸附钝化后的纳米黑碳从土壤中移除的可能性,明确其潜在的生态环境风险。     

土地利用方式对红壤和黄壤颗粒有机碳和碳黑积累的影响

颗粒有机碳和碳黑是土壤中两类性质不同的碳库,它们的数量可反映土壤有机质的稳定性。结果表明,浙江省红壤和黄壤中这两类碳库有很大的变化,并与土地利用方式存在联系。颗粒有机碳的数量及其占总有机碳的比例:林地>茶园>旱地;而碳黑占总有机碳的比例一般是:旱地、茶园>次生林地>原生林地。颗粒有机碳是土壤碳库的易变组分,易受利用方式改变而变化,颗粒有机碳占总有机碳的比例随土壤有机质的积累而增加。相同土地利用方式土壤中碳黑数量与粘粒呈正比。土壤中>1 mm水稳定性团聚体与颗粒有机碳含量相关,而土壤<0.25 mm团聚体与碳黑含量相关。     

马尾松采伐迹地火烧黑炭对土壤营养元素含量的短期影响

以中亚热带33年生马尾松人工林采伐迹地为研究对象,分析了炼山1年后移除黑炭(B0)、单倍黑炭(B1)、双倍黑炭(B2)处理和未炼山对照(UB)土壤可提取态常量(P、K、Ca、Na、Mg)和微量(Al、Fe、Mn、Cu、Zn)元素含量及其比值的变化特征。结果表明:(1)黑炭输入量对土壤常量元素的影响因土层而异,在0—10 cm土层,B2土壤K、Ca和Mg含量显著高于B0土壤(P0.05),黑炭输入量对10—20 cm土壤常量元素含量没有影响(P0.05)。在0—10,10—20 cm土层,B2土壤速效P含量均显著高于UB土壤(P0.05)。不同黑炭输入量处理土壤速效P含量无显著差异(P0.05);(2)不同黑炭输入量处理土壤微量元素含量无显著差异(P0.05),但在10—20 cm土层,B2土壤Mn含量显著高于UB土壤(P0.05);(3)炼山没有显著影响土壤钠钾吸附比(SPAR)、Ca/Mg和Ca/Al。黑炭输入量对土壤Ca/Mg的影响因土层而异,在10—20 cm土层,B2处理土壤Ca/Mg显著高于B0和B1处理土壤Ca/Mg(P0.05),而在0—10 cm土层不同黑炭处理土壤Ca/Mg没有显著差异(P0.05)。因此,炼山产生的黑炭在短期内有助于提高土壤常量养分元素含量,并对于维持土壤结构稳定性具有积极意义,今后应持续监测黑炭对土壤养分的长期影响,从而完善炼山黑炭在人工林经营管理中的应用。     

黑龙江地区不同类型水稻土有机碳、氮含量及其密度研究

结合第二次全国土壤普查(1979年)-黑龙江省水稻土分布及其相关数据,2011年采取调查取样与室内分析的方法,研究了黑龙江地区4种类型(黑土型、白浆土型、草甸土型和沼泽土型)水稻土表层有机碳、氮含量及其密度的状况。结果表明:目前(2011年)4种类型水稻土表层平均有机碳、氮含量范围分别为21.18±7.27~30.91±9.99 g kg-1、1.83±0.44~2.49±0.74 g kg-1,表层平均有机碳、氮密度范围分别为5.32±1.42~6.95±0.98 kg m-2、0.46±0.07~0.56±0.08 kg m-2,其中沼泽土型水稻土表层有机碳、氮含量及其密度最大,黑土型则最小;沼泽土型与黑土型水稻土之间表层有机碳、氮含量及其密度差异均达1%显著水平,与草甸土型水稻土之间表层有机碳、氮含量差异均达1%显著水平,其有机碳、氮密度差异均达5%显著水平,与白浆土型水稻土之间表层有机碳及其密度差异达1%显著水平。与第二次全国土壤普查的相关数据相比较,黑龙江地区4种类型水稻土表层有机质(碳)、氮含量呈现明显下降趋势,但其表层有机碳、氮含量及其密度仍处于较高水平。     

纳帕海高原湿地土壤有机碳密度及碳储量特征

选取纳帕海典型沼泽、沼泽化草甸和草甸为研究对象,研究纳帕海湿地土壤有机碳密度及碳储量特征。结果表明:沼泽和沼泽化草甸土壤剖面有机碳含量明显高于草甸土壤;沼泽、沼泽化草甸和草甸土壤剖面有机碳密度与有机碳含量变化趋势基本一致,沼泽和沼泽化草甸土壤剖面有机碳密度均在30kg/m3以上,草甸土壤0-40cm有机碳密度高于30kg/m3,40cm以下有机碳密度均低于30kg/m3;沼泽、沼泽化草甸和草甸土壤储碳层厚度分别为60,80,20cm,1m深度以内有机碳储量分别为393.53,458.81,305.78t/hm2。     

Carbon Determination System for Whole Soil Cores

A new dry-combustion system, the soil carbon bench (SCB), has been developed to enable carbon determination for whole soil cores and larger quantities (300–600 g) of composited soil material. A principle driving aim of the work was to lower the analytical errors that arise due to carbon heterogeneity in large soil aliquots, an important consideration during measurement of soil carbon (C) stocks. The method employs pure oxygen to oxidize and transfer combustion products to the detection system but also incorporates oxidized copper (CuO) catalyst to complete the conversion. The system configuration and gas used have facilitated collection of C responses in near real time without interference from excess oxygen or water. Soil processing requirements are minimal and involve breaking up and drying the soil core to remove free water prior to analysis. It has been tested on soil carbon matrix of known composition and on field soils. The results have been very encouraging by providing reliable and reproducible calibration and test soil data. The next phase of work is planned to evaluate the SCB in conjunction with various soil sampling designs.     

长期施肥对土黑碳积累的影响

通过长期定位试验,探讨了20年不施肥（CK）、 单施化肥（NPK）、 秸秆和化肥配施（SNPK）、 常量有机肥和化肥配施（M1NPK）以及高量有机肥和化肥配施（M2NPK）5个施肥处理对土中黑碳含量及积累的影响。结果表明: 与CK处理相比,NKP处理对黑碳含量和积累没有明显影响; 有机肥和化肥配施（M1NPK、 M2NPK）对耕层（020 cm）土壤黑碳含量的影响较大,与CK处理相比,在土壤表层（05 cm）,M1NPK、 M2NPK分别提高了黑碳含量的108%和134%, 510 cm土层中黑碳含量增幅最高,分别提高164%和176%,在整个土层,M1NPK、 M2NPK处理分别增加了1.51和1.55倍; 秸秆和化肥配施（SNPK）下表层黑碳含量也有所增加,但增加幅度相对施用有机肥来说明明显较小。施肥对黑碳含量的影响主要发生在土壤表层,深层土壤黑碳受施肥影响较小。     

外加可溶性碳氮对不同热量带土壤N2O排放的影响

在室内条件下研究了外加可溶性碳、氮对不同热量带经长期施肥的3种农田土壤：黑土、潮褐土和红壤N2O排放的影响。结果表明,在单施氮肥和可溶性碳配施氮条件下,不同热量带土壤N2O排放量从高到低分别为潮褐土（0．868、3．07μg·g^-1）,红壤（0．511、0．731μg·g^-1）,黑土（0．221、0．294μg·g^-1）,且添加可溶性碳显著促进了土壤N2O排放量。在黑土、潮褐土和红壤长期不同施肥土壤中,单施氮肥和可溶性碳配施氮后N2O排放量均表现为化肥＋有机肥土壤〉化肥土壤〉无肥土壤,且与无肥土壤相比,红壤的化肥土壤N2O排放量增加254％,潮褐土化肥土壤增加49．5％,黑土化肥土壤增加1．74％,说明在有效积温越高的土壤上长期施肥对土壤N2O损失的贡献越大。研究结果还表明,外加可溶性碳、氮后,潮褐土铵态氮含量的减少幅度和硝态氮含量的增加幅度均显著高于黑土和红壤,说明潮褐土中氮素损失潜能大。     

抚顺矿区不同复垦年限土壤的养分及有机碳特性研究

以素有煤都之称抚顺矿区复垦土壤为例,对不同年限不同深度的土壤进行分析,揭示了抚顺煤矿区土壤养分的时空演变规律。结果表明,随着复垦年限的增加,与未曾复垦的矸石相比,矿山复垦土壤pH值逐年降低,pH值的变化范围在9.95~6.58之间,其最大值出现在未曾复垦的矸石,最小值出现在复垦60年的土壤中,其pH值已经达到适合植物生长的范围;全氮、有效磷、碱解氮等呈现逐年增加的趋势,土壤中钾含量较高,可以满足植被生长所需,矿山复垦土壤中由于排弃的矸石中含有一些含碳矿物和少量煤块的原因导致总有机碳含量较高;随着土层深度增加,pH值逐渐升高,全氮、有效磷、碱解氮等逐渐降低。短时间的矿区复垦土壤需要使用相应的肥料保证植物的正常生长。矿山复垦土壤中有机碳随着复垦年限的增加及自然、人为活动影响,碳黑、颗粒状碳趋向于减少,而易氧化碳的数量增加。     

外源有机碳对黑土有机碳及颗粒有机碳的影响

为了阐释外源有机碳在土壤有机碳运转中的作用机制,以黑土为供试材料,进行了5年的室外培养试验,并结合室内全土及颗粒组分单独矿化培养试验,研究了不同外源有机碳对黑土有机碳(SOC)、颗粒有机碳(POC)含量及其矿化特征的影响。试验包括单施化肥、牛粪配施化肥、鸡粪配施化肥、秸秆配施化肥和树叶配施化肥5个处理。结果表明:(1)单施化肥黑土SOC的损失主要来源于POC的损失,外源有机碳有利于SOC和POC的累积,与对照相比,禽畜粪便处理的SOC和POC平均增加幅度分别为16.6%和27.8%,植物残体处理的SOC和POC平均增加幅度分别为27.0%和46.4%;(2)一级动力学方程能较好地描述SOC和POC的矿化动态(R~20.9),且POC比SOC易矿化,POC的60d累积矿化量是SOC的3倍以上;(3)禽畜粪便处理和植物残体处理的POC平均矿化率分别为31.5%和29.8%,禽畜粪便处理的POC更易矿化;(4)外源有机碳有效降低了黑土有机碳的矿化,尤其是牛粪,其SOC矿化率为1.9%,比对照低了3.4%,其POC矿化率为24.8%,比对照低17.4%;(5)外源有机碳在黑土中的碳累积能力表现为树叶秸秆牛粪鸡粪。