Estimating soil organic carbon from soil reflectance: a review

Soil organic carbon (SOC) concentration is a useful soil property with which to guide agricultural applications of chemical inputs. To enable this, simple, accurate, rapid and inexpensive methods are needed to produce maps of surface SOC concentrations. Researchers have investigated estimates of soil surface properties from remotely sensed information as a means of rapidly quantifying and monitoring some surface soil properties, such as SOC. The objective of this paper is to review the potential and limitations of remotely sensed data for mapping and evaluating SOC. Several statistical methods including simple regression models, the ‘soil line’ approach, principal component analysis and geostatistics have been applied to data to investigate the accuracy of such estimates. A review of the literature shows that predictive equations are not universal and require new regression models for every scene. An important benefit of remotely sensed data is to suggest a sampling strategy that can lead to improved representation of spatial heterogeneity in SOC.     

土壤有机碳组分化学测定方法及碳指数研究进展

为探究土壤有机碳组分化学测定方法的优缺点和适宜使用范围,基于前人研究,对近年来使用较多的KMnO₄氧化法、改进的Walkley-Black氧化法、酸水解法测定土壤有机碳组分的原理、特点和适用范围进行了全面综述,重点阐述了3种方法测定有机碳组分的优缺点,探讨了有机碳组分测定方法发展对碳库管理指数（CMI）计算方法的完善,以及不同测定方法分类的有机碳活性组分和惰性组分在固碳指数（RI）计算上的差异。利用文献计量分析方法,比较了3种方法在近19年（2001—2019年）的引用量,以及近10年（2010—2019年）利用这3种方法进行CMI和固碳研究的引用趋势。在比较3种方法优缺点和引用趋势的基础上,得出如下结论：KMnO₄氧化法适合用于土壤活性有机碳测定和CMI的计算,且使用20 mmol·L^-1 KMnO₄能够有效规避该方法的多数缺点;改进的Walkley-Black氧化法适合用于土壤固碳研究和CMI的加权计算;酸水解法适合于以探究生化稳定性为目标的有机碳活性组分和稳定组分测定。最后,展望了未来在有机碳组分测定方法的发展方向、提高土壤固碳潜力和建立碳库评估新模型上需要深入研究的重点问题,旨在为揭示土壤质量动态变化提供科学参考。     

不同管理措施土娄土无机碳储量及其与有机碳含量的关系

【目的】研究长期不同管理措施和作物轮作体系下,不同施肥处理土壤剖面中无机碳含量分布和无机碳储量及其与耕层土壤有机碳含量的关系。【方法】采用长期定位试验(1990-2014年),以土娄土为供试土壤,设置裸地休闲、自然撂荒及冬小麦-夏玉米轮作体系(以下简称作物轮作体系)3种土壤管理措施,其中作物轮作体系设9个施肥处理,分别为不施肥(对照,CK)、氮肥(N)、氮钾(NK)、磷钾(PK)、氮磷(NP)、氮磷钾(NPK)、秸秆+氮磷钾(SNPK)、低量有机肥+氮磷钾(M1NPK)和高量有机肥+氮磷钾(M2NPK),共计11个处理,测定耕层(0~20cm)有机碳含量、不同土层(0~300cm)无机碳含量,并计算0~100cm、0~300cm土层无机碳储量,然后分析不同土层无机碳储量与耕层有机碳含量的关系。【结果】不同土壤管理措施显著影响了0~20cm土层有机碳含量,其中长期撂荒与作物轮作体系的土壤有机碳含量相近,且显著高于裸地休闲处理。在作物轮作体系下,不同施肥处理对0~20cm土层有机碳含量也有明显影响,其中有机物和N、P、K配施的SNPK、M1NPK、M2NPK处理的有机碳含量显著高于CK。不同土壤管理措施和作物轮作体系下各施肥处理0~300cm土层的无机碳含量分布均呈类似"S"形曲线,其中0~40cm土层较高,随着土层深度的增加无机碳含量下降较快,在80~140cm土层最低,然后逐步升高到160~180cm达到最高值,之后一直呈缓慢下降趋势。对于0~100cm土层无机碳储量,裸地休闲处理显著高于自然撂荒和作物轮作体系处理;作物轮作体系中M2NPK处理显著高于其他处理。对于0~300cm土层无机碳储量,裸地休闲处理显著高于自然撂荒处理;作物轮作体系中施用有机肥处理则显著低于其他施肥处理,其他施肥处理均提高了0~300cm土层无机碳储量,其中PK、NP、NPK、SNPK处理显著高于CK。0~100cm土层无机碳储量与耕层土壤有机碳含量之间呈显著正相关,但0~300cm土层无机碳储量与耕层土壤有机碳含量呈负相关。【结论】在干旱、半干旱地区,如果有灌溉条件,建议用0~300cm土层无机碳储量来研究无机碳与有机碳的关系较为准确。另外在研究区施用有机肥可显著提高土壤有机质含量,但不能同时提高土壤无机碳固存。     

长期绿肥利用下红壤性水稻土有机碳和可溶性有机碳的垂直分布特征

为了探讨长期绿肥翻压对红壤性水稻土有机碳(SOC)和可溶性有机碳(DOC)垂直分布的影响,利用在江西丰城水稻田进行了8 a的长期定位试验,研究了不施肥不种植绿肥(CK)、不施肥种植绿肥(M)、施用化肥(F)和施用化肥并种植绿肥(F+M)4个处理下土壤SOC和DOC的垂直分布特征,以及SOC和DOC的计量关系。结果表明,早稻和晚稻季土壤SOC和DOC含量随深度变化可以用S函数描述,拟合曲线的决定系数分别为0.928~0.966和0.876~0.975,均达到极显著(P<0.01)水平。施用化肥或绿肥还田(F、M和F+M处理)主要影响了表层(0~20 cm)土壤的SOC和DOC,20 cm以下土层各处理的SOC和DOC差异不显著。绿肥还田(F+M和M处理)显著(P<0.05)提高了表层土壤的SOC和DOC,而化肥处理(F)仅显著(P<0.05)提高了表层土壤的SOC。与CK相比,M、F、F+M处理的早稻季表层土壤SOC含量分别显著(P<0.05)提高了51.1%、80.9%、92.8%,M、F+M处理的早稻季表层土壤DOC含量分别显著(P<0.05)提高了12.9%、46.2%,M、F、F+M处理的晚稻季表层土壤SOC和DOC含量分别显著(P<0.05)提高了66.6%、81.3%、81.2%和37.1%、10.8%、45.2%。表层土壤DOC含量随SOC呈线性增长,晚稻季DOC随SOC增长率要高于早稻季。施肥降低了土壤DOC/SOC,但施用绿肥减缓了DOC/SOC下降。可见,绿肥不仅有利于土壤有机碳提高,同时有利于土壤有机碳生态功能的稳定。     

土壤有机碳储量及影响其分解因素

土壤有机碳库的平衡状况与大气CO2含量密切相关。综述了土壤有机碳储量及影响土壤有机碳分解变化的因素,着重介绍土地利用方式、环境因子及添加有机物料等对土壤有机碳的影响,并提出今后农田土壤有机碳的研究方向。     

基于土壤微生物生物量碳和酶活性指标的土壤肥力质量评价初探

土壤质量评价是分析土壤管理措施对土壤质量影响的最重要的手段。以松嫩平原草地为对象,分析玉米地、苜蓿地、自然恢复草地、羊草地和羊草割草地5种利用方式短期(4年)内土壤微生物生物量碳含量以及过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性的变化,采用土壤质量指数法对不同土地利用方式下的土壤肥力质量进行定量评价,探讨基于土壤微生物生物量碳和酶活性指标的土壤肥力质量变化的原因。结果表明,土地利用方式对土壤微生物生物量碳含量、脲酶活性和蔗糖酶活性具有极显著(P<0.01)的影响,而对过氧化氢酶活性和碱性磷酸酶活性没有显著影响。草地恢复明显提高了土壤微生物生物量碳的含量与土壤酶的活性,其中蔗糖酶活性增加幅度最大,4种草地利用方式的敏感性指数均大于1.94,响应最敏感,而过氧化氢酶活性的增加幅度最小,4种草地利用方式的敏感性指数均小于1.13,响应最差。苜蓿地、自然恢复草地、羊草地和羊草割草地中分别有4个、3个、2个和1个土壤微生物指标的敏感性指数大于1.5,研究区内种植苜蓿对土壤微生物指标的改善作用最大。线性与非线性土壤质量指数间具有极显著的正相关关系,表明它们均能准确的反映出土地利用变化对土壤肥力质量的影响。草地恢复显著提高了研究区内的土壤肥力质量,其中苜蓿地的土壤质量指数最高,其线性和非线性土壤质量指数分别为0.89和0.60,自然恢复草地、羊草割草地和羊草地次之,玉米地最低,其线性和非线性土壤质量指数仅为0.55和0.30。研究表明,在松嫩平原土壤条件较差的地区种植苜蓿可能是改善土壤肥力质量最佳的利用方式之一。     

猪粪水热炭对土壤有机碳矿化及土壤性质的影响

  目的  评价猪粪水热炭对土壤有机碳矿化、pH、电导率及营养成分的影响,为猪粪水热炭的实际应用提供理论依据。  方法  以猪粪为原料在180 ℃和1 h炭化条件下制备水热炭,将质量百分率为0(对照)、1%、2%和4%的水热炭与土壤混合进行培养试验。  结果  猪粪水热炭可提升土壤矿化速率、土壤矿化潜力及土壤有机碳周转速率。当添加量为4%时,土壤累积矿化量增加了1.52倍。培养过程中土壤的pH由7.17降至6.67~6.98,总体变化趋势为先降后升。碱解氮与速效磷含量分别在第10天和第15天降至最低后回升。土壤电导率及营养成分随水热炭添加量增加而增加,当添加量为4%时土壤电导率和总有机碳、水溶性有机碳、速效氮、有效磷、速效钾质量分数分别提升了58.9%、54.3%、146.4%、27.4%、591.2%和88.6%。  结论  猪粪水热炭在加速土壤有机碳矿化的同时能显著提升土壤养分含量,是一种较为合适的土壤改良剂。图6表3参40     

施肥方式对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响

基于长期田间定位试验,采用田间采样与数理统计法研究不同施肥方式对紫色土活性有机碳及碳库管理指数(CPMI)的影响。施肥方式包括不施肥(CK)、单施氮肥(N)、化学氮磷钾肥配施(NPK)、单施有机肥(OM)、有机肥配施化学氮磷钾肥(OMNPK)和秸秆还田配施化学氮磷钾肥(RSDNPK)。结果显示,施肥的各处理均能够提高土壤有机碳及其活性组分含量,以OM和RSDNPK处理的提升效果最佳。相比CK,OM处理的土壤总有机碳(TOC)、易氧化有机碳(PXOC)、微生物量碳(MBC)、溶解性有机碳(DOC)含量分别提高91.4%、109.2%、57.5%、35.1%,RSDNPK处理的TOC、PXOC、MBC、DOC含量分别提高142.8%、95.4%、70.8%、46.2%。土壤PXOC、MBC、DOC占TOC的比例(分配比例)分别为36.18%~49.13%、1.64%~2.58%、0.57%~0.94%,其中,PXOC和MBC的分配比例在RSDNPK处理中较CK显著(P<0.05)降低,而DOC的分配比例在各处理间无显著差异。OM和RSDNPK处理的CPMI显著(P<0.05)高于N和NPK处理。土壤PXOC、MBC含量与氮磷养分之间,以及CMPI与MBC、PXOC、TN、AN、AP均呈现显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关性。研究结果说明,有机肥或秸秆还田配施氮磷钾化肥能够提高耕层土壤有机碳储量,改善土壤质量,PXOC与CPMI可用作表征土壤质量变化的敏感指标。     

外源氮输入下土壤有机碳与土壤微生物生物量碳分形特征

研究江苏北部沿海地区杨树Populus deltoides ‘Ⅰ-35’人工林不同量氮输入下土壤总有机碳（TOC）质量分数、土壤微生物生物量碳（SMBC）质量分数的时间动态特征以及土壤TOC质量分数随SMBC质量分数变化的分形特征。试验设置5种施氮水平,分别为N₀（施氮0 g·m-2·a-1,对照）,N₁（施氮5 g·m-2·a-1）,N₂（施氮10 g·m-2·a-1）,N₃（施氮15 g·m-2·a-1）,N₄（施氮30 g·m-2·a-1）,于2015年4,6,8,10,12月各采集1次样品进行土壤性状理化分析,并引入分形理论对数据进行分析。结果表明:不同施氮水平处理下各个月份对土壤TOC质量分数影响极显著（P < 0.01）,土壤TOC质量分数随时间变化的分形维数（D）变化范围是1.805~1.949,D从大到小排序为N₃,N₂,N₄,N₁,N₀;在6月和10月,不同施氮水平处理对SMBC质量分数无显著影响（_P > 0.05）,在4月、8月、12月,施氮水平对SMBC质量分数影响极显著（P < 0.01）,SMBC质量分数随时间变化的D变化范围是1.728~1.963,D从大到小排序为N₂,N₃,N₁,N₄,N₀;不同施氮水平处理下土壤TOC质量分数随SMBC质量分数变化的D变化范围是2.207~2.342,D从大到小排序为N₃,N₂,N₄,N₁,N₀;不同月份土壤TOC质量分数随SMBC质量分数变化的D变化范围是1.650~6.149,D从大到小排序为6月、10月、4月、8月、12月。综上,N₂,N₃中等施氮水平处理下,土壤TOC和SMBC随时间变化以及土壤TOC随SMBC变化的复杂程度更高。研究区6月和10月土壤微生物的作用比较强烈,土壤TOC质量分数随SMBC质量分数变化更具随机性和复杂性。     

生物炭对棕壤团聚体空间分布及有机碳的影响

为研究一次性施入玉米秸秆生物炭对棕壤团聚体的空间分布和有机碳含量的影响,于2013年在辽宁沈阳棕壤区建立长期定位试验,试验共设置4个处理,分别为C0 （不施炭）,C1 （一次性施入玉米秸秆生物炭15.75 t·hm^-2）,C2 （一次性施入玉米秸秆生物炭31.50 t·hm^-2）,C3（一次性施入玉米秸秆生物炭47.25 t·hm^-2）,分析土壤团聚体的空间分布及有机碳含量变化情况。结果表明：与C0相比,生物炭显著提高了耕层（0~20 cm）土壤有机碳含量,随着生物炭施用量的增加,C1、C2和C3处理耕层有机碳含量分别提高了6.81%、11.06%和41.62%。耕层土壤团聚体稳定性随着生物炭施用量的增加,呈现出先增加后降低的趋势,但C3处理仍然显著高于C0处理。20~40 cm土层的土壤有机碳含量随生物炭施用的增加而显著提高,与C0相比较,C1、C2和C3处理分别提高了92.36%、111.63%和123.25%,该土层微团聚体含量随着生物炭施用量的增加而显著降低,C3处理的粉黏粒含量也显著降低,大团聚体含量随着生物炭施用量的增加而显著提高。C3处理平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）均显著高于其他处理。40~60 cm土层中仅C3处理显著提高了土壤有机碳含量,与C0相比较,其提高幅度为4.67%,C3处理也相应地提高了大团聚体含量和GMD。研究表明,一次性施用生物炭不仅提高了耕层土壤有机碳含量、大团聚体含量和团聚体稳定性,也会相应地提高耕层以下土层有机碳含量和团聚体稳定性。对土壤耕层而言,生物炭作为土壤改良剂有其最适宜施用量,在本研究中,最适宜的施用量为31.50 t·hm^-2（C2处理）。生物炭对耕层以下土壤有机碳含量和团聚体稳定性的提高受生物炭施用量的影响,生物炭施用量越高,其对耕层以下土层的影响越大。     

不同土壤改良剂对盐碱土壤化学性质和有机碳库的影响

为研究施用不同土壤改良剂对盐碱土壤化学性质和有机碳库的影响,2016—2017年在内蒙古河套灌区盐碱土壤进行田间定位试验,设置4个实验处理:习惯处理(CK)、CK+有机土壤改良剂(M)、CK+复合土壤改良剂(G)、CK+有机土壤改良剂+复合土壤改良剂(M+G)。收集2017年收获季耕层0～20 cm土壤,测定各小区土壤中的水溶性离子含量、全盐量(TS)、钠吸附比(SAR)、pH、土壤有机碳(SOC)、活性有机碳(LOC)、微生物量碳(MBC)以及土壤碳库管理指数(CPMI),并分析各指标间的关系。结果表明:与CK相比,施用土壤改良剂各处理土壤Ca2+含量提高了13.07%～33.33%,土壤Na+、Cl-和SO24-含量分别降低了29.83%～46.19%、12.06%～33.19%和19.90%～34.59%,土壤全盐量、钠吸附比和pH分别降低了12.67%～26.91%、33.02%～47.06%和2.21%～4.56%。其中M+G处理改良效果最好,土壤全盐量、钠吸附比和pH分别显著降低了26.91%、47.06%和4.56%(P0.05);施用土壤改良剂各处理SOC、LOC和MBC含量分别较CK提高了18.90%～43.87%、54.55%～82.33%和64.04%～86.85%。其中M+G处理提升效果最明显,且均达到显著水平(P0.05)。同时,施用改良剂各处理CPMI提升了95.44%～135.83%,其中M+G处理提升效果最明显,且达到显著水平(P0.05);相关性分析表明,试验土壤LOC、MBC和CPMI均与TS和SAR呈极显著负相关关系(P0.01),说明土壤LOC、MBC以及CPMI对盐碱土壤化学性质的变化较敏感。研究表明,施用有机土壤改良剂和复合土壤改良剂均降低了土壤含盐量、钠吸附比和pH,提升了土壤有机碳及其组分含量和土壤碳库管理指数,其中有机土壤改良剂和复合土壤改良剂配施对盐碱土壤质量的提升效果最明显。     

不同有机物料还田对农田土壤有机碳以及微生物量碳的影响

为促进农业有机废弃物料的循环利用,选用来自5个涉农系统的有机物料(酒渣、沼渣、菌渣、猪粪和农田秸秆)进行还田,以单施化肥为对照研究其对土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)、微生物量碳(Microbial carbon,MBC)以及微生物商(Microbial quotient,Qmb)的影响。2011—2013年的数据结果表明:1)与无机肥对照相比,有机物料还田显著促进土壤SOC的积累,3年平均提高43%;其中沼渣和菌渣的效果好于猪粪、酒渣与秸秆,农田系统外的有机物料优于秸秆,更有利于SOC的积累。2)有机物料促进MBC的增加,较对照平均增加34%,其中酒渣、秸秆和猪粪对MBC的影响大于沼渣与菌渣。3)5种物料中,酒渣和秸秆还田提高土壤Qmb值;沼渣和菌渣还田降低土壤Qmb值,提高SOC的稳定性。     

人工柳杉林生物量及其土壤碳动态分析

以四川彭州为典型案例,采用材积源生物量法和土壤剖面分析方法,对栽植5、10、17、22和26年的人工柳杉林生物量及其土壤碳动态进行了初步研究.结果表明,柳杉林的生物量随着生长年限的增长而增加,但与林龄并不呈线性相关.柳杉林的碳储量变化与林木生物量的增长趋势完全一致,5、10、17、22和26年柳杉林的碳储量分别为19.8、67.5、85.8、162和275 t/hm2.林下土壤剖面有机碳含量的平均值随年份的延长而逐渐上升,土壤不同层次有机碳含量的变化表现为:0～10 cm10～30 cm30～50 cm50～70 cm,但集中分布于50 cm以内.土壤有机碳表聚系数随林龄增长而减小,从5年期到26年期依次分别为14.8、9.68、8.85、5.27和3.86,表明了林木根系对土壤深层有机碳积累的有力贡献.5、10、17、22和26年的柳杉林土壤碳储量分别为80.4、106、126、164和210 t/hm2.人工柳杉林具有庞大的地上生物量和土壤碳库.      

稻虾共作对土壤有机碳的影响及其与土壤性状的关系

通过田间定位试验,以水稻单作为对照,研究稻虾共作模式对土壤有机碳的影响,采用Pearson(皮尔逊)相关性分析法,探讨稻虾田中土壤有机碳与土壤肥力、土壤酶活力的关系。结果表明:稻虾共作显著(P<0.05)增加了土壤有机质含量,但低C/N饲料投喂组的土壤有机碳含量显著(P<0.05)下降。稻虾共作条件下,土壤全磷、脲酶与有机碳呈显著(P<0.05)正相关,土壤有机质、纤维素酶与有机碳分别呈极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)负相关。土壤铵氮与有机质呈显著(P<0.05)负相关,土壤纤维素酶与有机质呈显著(P<0.05)正相关。     

土地利用和覆被变化对土壤碳库和碳循环的影响

土壤是陆地生态系统的重要组成成分,其较小幅度的变化即影响到陆地植被的养分供应,同时可能影响到碳向大气的排放而加剧全球气候变化。本文概述了国内外土壤碳库和碳吸存的研究概况,并对土地利用和覆被变化对土壤碳库和碳循环影响的最新研究进展进行了详尽的阐述,旨在对科学地利用和保护有限的土壤资源,减缓土壤中温室气体排放、增加土壤碳截存,提高土壤质量,对退化土地的生态恢复及环境治理和保护提供理论参考。     

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.     

中国森林碳汇的区域差异及动态演进分析

基于1988—2013年全国森林资源清查数据,采用改进的森林蓄积量法估算了中国大陆31个省(市、区)的森林碳汇量,并以单位面积森林碳汇量为指标,借助Dagum基尼系数和Markov链方法系统分析了中国森林碳汇的区域差异及其动态演进趋势。结果表明:1)中国森林碳汇在省域间存在较大差距,由南方林区向西南、东北林区递增变化;2)Dagum基尼系数及其分解结果显示,中国森林碳汇的地区差异呈波动下降趋势。从四大林区来看,南方、北方和东北地区内差距与全国一致,基本呈下降趋势。而西南地区内差距呈现先上升后下降趋势。地区间差距是造成中国森林碳汇区域差异的首要原因,并且地区间净差距和超变密度差距对全国总体差异的贡献率呈此消彼长的"∞"型变化。3)Markov链分析发现,不同水平的森林碳汇地区间跨区流动的可能性较低。但从动态演进来看,中国森林碳汇呈上升态势,预期较低水平的省份将逐步减少,整体会向着高水平趋势发展。     

我国沿海渔业碳生产率的区域差异及影响因素

针对提高渔业碳生产率的问题,测算1978—2011年我国沿海11个省市的渔业碳生产率,利用省际面板数据对其影响因素进行实证分析。结果表明:我国渔业碳生产率整体在逐年提高,但各省市间的渔业碳生产率水平差异较大。天津、江苏和山东的渔业碳生产率排名前3位,广西、海南和浙江排在最后;从海域视角看,呈现出由渤海、黄海和东海到南海渔业碳生产率逐渐降低的趋势。对我国沿海渔业碳生产率水平有显著正向影响效应的因素主要有渔业发展水平(0.023)、产业结构(0.438)、对外开放度(0.044)和技术进步(0.760)。从低碳渔业经济模范市、渔业科技进步和渔业外贸3个方面提出了提高我国沿海渔业碳生产率的政策建议。