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

  目的  探讨黑土中添加秸秆对团聚体稳定性及有机碳贡献率的影响,为东北黑土地保护提供依据。  方法  基于43年的黑土长期定位试验,选取不施肥（CK）、单施有机肥（M）、单施氮磷钾化肥（NPK）、常量有机肥配施氮磷钾化肥（MNPK）和高量有机肥配施化肥（M₂N₂P₂）5种处理的土壤,添加等量秸秆（相当于实际生产的全量秸秆还田）后采用砂滤管法进行田间原位培养,在培养的第0、60和150 d取样分析土壤团聚体的稳定性、团聚体有机碳含量及添加秸秆对土壤有机碳的贡献率。  结果  添加秸秆促进了土壤大团聚体（> 250 μm）的形成,提高了大团聚体的比例,其中,常量有机肥配施氮、磷、钾化肥处理大团聚体含量增加效果显著,高于其它施肥处理;但随着培养时间的增加大团聚体含量减少,随之团聚体的稳定性呈现下降趋势。添加秸秆能够提高土壤大团聚体有机碳的含量,且高量有机肥配施化肥处理增加效果较好。单施有机肥、单施氮磷钾化肥、常量有机肥配施氮磷钾化肥处理中添加的秸秆对大团聚体有机碳的贡献率均达到80%以上（P < 0.05）;但随着培养时间的增加,秸秆对大团聚体有机碳贡献逐渐下降,而对53 ~ 250 μm和 < 53 μm团聚体有机碳贡献率呈上升趋势,有机碳在较小粒级的土壤团聚体中积累,进一步说明添加秸秆会影响团聚体分布的比例,进而影响团聚体有机碳的贡献率。  结论  添加秸秆提高了黑土团聚体稳定性和有机碳含量,高肥力（M₂N₂P₂）黑土配合秸秆还田可以提高土壤有机碳的固存能力。     

δ13C方法在土壤有机质研究中的应用

δ13C方法是近年来用于土壤有机质动力学研究的一种新方法,该方法除了具有14C标记法的优点外,还具有无放射性,可以提供长期的标记,并能使所有的土壤有机质组分都能被均匀标记,相对经济、在实验地采样后直接进行研究等特殊优点,从而在土壤有机质及其组分的来源、周转和C3/C4植被的历史变化研究中得到广泛应用。随着该方法的迅速发展以及各种分析δ13C值技术的不断改进,δ13C方法在研究土壤过程特别是土壤碳循环中显示出新的活力。为了推动δ13C方法在国内土壤有机质研究中的应用,本文对影响土壤有机质δ13C值的因素、国内外近年来该方法在土壤有机质研究中的应用和δ13C值的分析方法作了较全面的综述。     

常规与有机农田土壤团聚体组成及碳氮储量研究

长期施用化肥或连作农田管理模式导致土壤质量退化及碳氮损失加剧。以常规农作大豆和转换后的有机农作大豆田土壤为研究对象,利用土壤物理分组技术,分析了土壤团聚体组成及碳氮储量变化。结果表明,常规农作大豆田转换为有机农作大豆田后,<0.053mm粉粒加黏粒比重显著降低,0.053~0.25mm较小团聚体显著增加,土壤稳定性增大,土壤及团聚体中有机碳和全氮含量都显著增加。有机农作大豆田土壤包被于较小的大团聚体(0.25~2mm)中的<0.053mm细颗粒有机质百分比显著降低,0.053~2mm粗颗粒有机质显著增加。有机农作大豆田土壤及团聚体中碳氮储量都显著高于常规农作大豆田,土壤碳汇和氮汇效应增大。有机农作大豆田土壤稳定性增加,团聚体中碳氮含量显著增加,土壤碳汇效应增强,有机农作方式可能比常规农作方式更有利于土壤碳氮资源持续利用。     

土壤团聚体与有机碳稳定机制的研究进展

土壤不同稳定机制(物理、化学、生物)的有机碳是土壤中主要的物质基础,在土壤的各方面特性中都发挥着巨大的作用。土壤固定外源碳的能力与土壤中团聚体的组成息息相关。团聚体的评价指标很多,但其中应用最广泛的是:水稳性团聚体的数量、平均重量直径(MWD)、平均重量直径变化值和分形维数(fractal dimension,D)。相比土壤总有机碳(SOC),土壤物理、化学、生化的不同稳定机制团聚体有机碳在外界条件变化时,能够更好更快的反映土壤质量的变化。本文重点阐述了目前土壤团聚体形成与稳定机制以及不同稳定机制下的有机碳分离技术研究进展,并提出未来土壤团聚体与有机碳方面的研究重点。     

外源新碳在不同类型土壤团聚体中的分配规律

通过室内模拟实验,利用δ13C方法研究外源新碳(13C标记的水稻秸秆)在不同类型土壤(红壤、黄红壤和草甸土)团聚体中的分配规律。培养温度为25°C,培养时间为360 d。结果表明:在三种类型土壤中,外源新碳进入到土壤团聚体中的数量由大到小顺序依次为250～2 000μm、50～250μm和<50μm。而进入到土壤中的外源新碳,56.8%～59.6%残留在250～2 000μm团聚体中,25.9%～28.7%残留在50～250μm团聚体中,11.7%～17.3%残留在<50μm团聚体中,表明新进入的外源碳主要分配在大团聚体中。     

稳定碳同位素在草地生态系统碳循环中的应用与展望

利用稳定碳同位素来追踪生态系统物质循环和能量流动,定量示踪生态系统中碳元素的转移,明确生态系统碳循环及其驱动机制,已经成为目前研究生态系统碳循环的一个重要手段.稳定碳同位素技术在草地生态系统碳循环中的应用主要包括判定生态系统中碳的来源和同化,植物—土壤系统中碳的转移和固定,草地深层土壤有机碳变迁过程,不同类型草地δ13...     

δ~(13)C标记林木残体碳在土壤团聚体中的分布

应用脉冲标记法标记富集13C的杉木幼苗残体;采集在桔园、杉木人工林、米槠次生林和细柄阿丁枫天然林等不同土地利用方式的土壤表层样品,通过室内短期培养实验(20℃,培养90d)研究残体在250μm、53~250μm和53μm等三个水稳性团聚体粒级组中的分配。结果表明:在添加13C标记杉木残体下,不同粒级团聚体的δ13C值均显著升高,但以桔园土壤幅度最大;不同土地利用的土壤中,δ13C丰度值在53μm团聚体中最小,53~250μm团聚体中最高。随着外源碳输入量的增加,进入土壤的新碳含量也随之升高;C/N较大的外源有机残体在短期内更有利于新碳的积累。外源新碳在土壤团聚体中的分配比例由小到大顺序依次为250μm、53~250μm、53μm,这表明短期培养有利于微团聚体新碳的积累。     

黄土丘陵区露天煤矿复垦土壤熟化过程中团聚体碳氮演变特征

矿区土地复垦中,由于机械碾压导致复垦土壤呈现高压实状态,复垦土壤的有机质则因机械扰动而矿化。探究复垦土壤团聚体与有机质恢复机理,可为深入理解露天煤矿高压实复垦土壤质量演替规律提供依据。以平朔露天煤矿典型植被恢复模式--刺槐纯林不同复垦年限（0、3、12、14、17、25、28、32 a）土壤及周边未扰动土壤（CK）为研究对象,采集0～20 cm表层土壤样品,分析土壤水稳性团聚体（>2 000 μm、>250～2 000 μm、53～250 μm、<53 μm）及团聚体碳（C）、氮（N）以及13C和15N同位素特征。结果表明：1）土地复垦中机械碾压破坏了土壤水稳性团聚体结构与稳定性,但随着复垦时间增加,32 a样地>250～2 000 μm团聚体的比例较0 a提高737.02%,而53～250 μm团聚体比例则降低19.25%;团聚体稳定性随着复垦时间而增加,表现为32 a样地土壤团聚体平均重量直径（Mean Weight Diameter,MWD）较0 a提高133%。2）各粒径团聚体C、N及C/N均随着复垦时间增加而增加,>2 000和>250～2 000 μm团聚体C和N在土壤总C和N中占主导地位。>2 000和>250～2 000 μm团聚体C/N整体上高于53～250 μm团聚体。3）各样地土壤δ13C变化范围为?15.14‰～?26.40‰;δ15N的变化范围为1.13‰～10.87‰。>2 000、>250～2 000和<53 μm团聚体的δ13C值及>2 000 μm团聚体的δ15N值随复垦年限增加呈现降低趋势。与>2000 μm和>250～2 000 μm团聚体相比,53～250和<53 μm团聚体中13C显著富集（P<0.05）,这表明复垦土壤熟化过程中,土壤C从大粒径团聚体向小粒径周转。4）>2 000与>250～2 000 μm团聚体中,新C占土壤总C的比例为>80%,且各样地间差异不显著（P>0.05）,而在<53 μm团聚体中,新C的比例在复垦14～17 a间显著增加,此后则变化不显著。上述结果表明,土地复垦中机械碾压增加了小粒径团聚体的比例,降低了团聚体稳定性,而随着复垦时间增加,植被恢复促进了土壤团聚体结构、稳定性及C、N的恢复。     

黄土高原不同植物群落土壤团聚体中有机碳和酶活性研究

以黄土高原延河流域森林区3种典型植物群落为研究对象,研究了3种植物群落土壤团聚体中有机碳的含量、组分及土壤酶活性,分析了有机碳与酶活性的关系。结果表明:(1)3种植物群落,土壤团聚体各种形态有机碳和酶活性均表现为0~10 cm土层含量高于10~20 cm土层,辽东栎群落0~10 cm土层土壤多酚氧化酶活性却低于10~20 cm土层。(2)土壤团聚体有机碳含量在植物群落间表现为:辽东栎群落人工刺槐群落狼牙刺群落,酶活性在植被群落间的高低表现则不一致。土壤有机碳含量和酶活性在团聚体间均表现为随团聚体粒级的增大而增大,或先增大再减小的趋势。(3)蔗糖酶、纤维素酶以及β-D葡糖苷酶活性与各种形态有机碳均呈显著的正相关关系,多酚氧化酶和过氧化物酶与有机碳含量相关性不显著。(4)辽东栎群落和狼牙刺群落土壤团聚体蔗糖酶、纤维素酶、以及β-D葡糖苷酶活性在团聚体中表现为:|0.25 mm团聚体||2~0.25 mm团聚体||5~2 mm团聚体||5 mm团聚体|,其多酚氧化酶和过氧化物酶以及人工刺槐群落各种土壤酶活性均表现为2~0.25 mm粒级团聚体中最大。(5)β-D葡糖苷酶活性增大,能促进土壤各种有机碳含量增加;土壤蔗糖酶活性和β-D葡糖苷酶活性的提高有助于土壤活性有机碳含量增加;土壤多酚氧化酶活性的增大,有利于土壤腐殖质碳的积累。     

施入生物炭对热带农田土壤团聚体组成及碳氮含量的影响

【目的】利用田间试验,从土壤团聚体角度入手,着力探究不同生物炭施入量对热带农田的改良效果,以提高土壤质量。【方法】试验采用花生壳生物炭,施入量分别为10 t hm^-2(P10)、20 t hm^-2(P20)、40 t hm^-2(P40)和60 t hm^-2(P60),以不施入生物炭(CK)为对照,共计5个处理。在施入生物炭一年后,取0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土壤测其团聚体组成和土壤有机碳、全氮含量。【结果】生物炭施入显著增加了10～20 cm土层2～1 mm和20～30 cm土层<0.25 mm粒径团聚体含量,同时,显著增加了10～20 cm土层团聚体稳定性;生物炭施入使原土和各粒径团聚体有机碳和全氮含量有不同程度提升,在P40和P60处理下提升效果最明显;生物炭施入增加了10～20 cm土层2～1 mm粒径团聚体有机碳和全氮贡献率;P60处理增加了0～10 cm和10～20 cm土层几乎所有粒径团聚体和原土C/N;生物炭施入量、土层深度及其交互作用对土壤团聚体稳定性、...     

土壤呼吸及其13C同位素测定方法的对比研究

为比较不同方法在土壤呼吸及其_¹³C同位素测定中的差异，我们应用几种常见的方法测定了不同有机质含量的水稻土壤在一定时间内的CO₂排放量及_¹³C-CO₂丰度，以期准确评估土壤呼吸及碳排放，并为相关研究提供参考。本实验采用了气相色谱仪法(GC-TCD)、稳定同位素比值质谱仪气体进样法(Gasbench-IRMS)、甲酚红显色法(MicroResp)、碱液吸收法四种方法测定土壤呼吸速率；Gasbench-IRMS法和碱液吸收法两种方式检测土壤呼吸的_¹³CO₂含量。结果表明,(1)两种仪器法(GC、IRMS)测定土壤呼吸速率的数值结果相近(基础呼吸)或趋势一致(诱导呼吸),且重复性好（标准差分别为0.011、0.010 mg C /kg/h）,准确度高；MicroResp法的测定结果与仪器测量值较为相近,但分辨率较低；碱液吸收法的测定结果较真实值偏高(当土壤有机质含量低时)或偏低(当土壤有机质含量高时)。(2)在测定CO₂中的_¹³C含量上,Gasbench-IRMS直接测定的结果误差小(δ_¹³C值的标准偏差为0.137‰),接近实际值,可以准确地反应出土壤微生物呼吸时对底物的利用状况。综上,仪器法较化学分析法(MicroResp、碱液吸收)更能准确测定土壤呼吸及其_¹³C同位素。     

喀斯特地区坡地土壤有机碳的分布特征和δ^13C值组成差异

以喀斯特地区不同退化程度的两个典型坡地为研究对象,通过测定土壤部分属性与土壤有机碳含量的空间分布特征和δ13值,探讨土壤侵蚀和沉积过程中土壤有机碳(SOC)动态变化及影响因素。结果显示:自然坡地的表层土壤有机碳含量较高(6.3%~16.2%),δ13C值随着坡面向下逐渐降低,范围在-21.7‰~-14.3‰之间,变幅较大;撂荒坡地表层土壤有机碳含量为4.4%~7.4%,δ13C值在-21.4‰~-20.3‰之间,变幅相对较小。表明自然坡地沉积的新有机质要高于撂荒坡地,且两者δ13C值均与地表植被种类显著相关。另外,两个坡地各个地形部位的剖面土壤有机碳含量和δ13C值随深度变化,反映了植物残体的输入及在土壤中分解累积特征,有助于了解坡地土壤成土过程和受到的侵蚀程度。     

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。     

基于大比例尺数据库的福建省耕地土壤固碳速率和潜力研究

明确土壤固碳速率和潜力是制定耕地固碳减排措施的基础。以我国典型亚热带地区—福建省不同地理位置的闽侯、浦城、同安、武平和永定5个县为研究区,运用生物地球化学过程模型DNDC（DeNitrification and Decomposition）,模拟这5个县在目前区域尺度最详细的1:5万土壤数据库下1980─2009年和2010─2039年有机碳动态变化,并运用尺度上推的方法估算出全省耕地土壤固碳速率和潜力。结果表明,福建省耕地土壤1980─2009年的固碳总量为7.37 Tg,而2010─2039年的固碳潜力为7.04 Tg,两个时段的年均固碳速率分别为：190 kg·hm-2和176 kg·hm-2,说明目前的农田管理措施有利于研究区长期固碳。其中,水稻土和盐渍水稻土分别在土类和亚类级别中固碳速率最大,不同时段均大于175 kg·hm-2·a-1;而红壤在土类和亚类级别中固碳速率皆最小,不同时段均小于3 kg·hm-2·a-1。总体来看,1980─2009年和2010─2039年水稻土的固碳总量均占全省耕地固碳总量的92%以上,是今后制定固碳减排措施的重点。     

EA-IRMS法测定不同类型土壤有机碳稳定性同位素组成

利用元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪（EA-IRMS）分析系统,以国际标准物质Urea为基准,标定了高纯钢瓶CO2参考气,其δ13CvsPDB值为（-29.523±0.181）‰。通过试验对比检验了EA-IRMS分析系统的稳定性、线性和测定δ13C值的样品分析精度,建立了测定土壤中有机碳稳定性同位素的分析方法。其离子强度在1.0～7.0V之间具有良好的线性,在1.5～5.0V内的线性优于总体线性;样品分析精度优于0.15‰;样品含碳量大于5μg即可满足测定δ13C的分析要求。应用此方法实测了18份不同类型土壤的有机碳稳定同位素组成,获得其13C天然丰度平均值为1.082%;不同类型的土壤有机碳稳定同位素组成存在较大的差异。     

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。     

脱硫石膏在碱土改良中的无机固碳作用

脱硫石膏溶解产生的Ca2+会和土壤中含碳的阴离子（CO32-、HCO3-）反应，最终将CO2吸收并固定为土壤无机碳。脱硫石膏在碱土改良中的无机固碳作用对实现“碳中和”具有重要意义。以新疆阜康三工河流域的荒漠碱土为研究对象，以脱硫石膏为钙源物对0~20 cm土层进行改良。探究不同时间0~40 t?hm-2脱硫石膏施用量下土壤无机碳（SIC）和土壤无机碳密度（SICD）的变化，从而研究碱土改良中的无机固碳作用。结果表明：施用脱硫石膏能显著减轻土壤碱害（pH下降），增加土壤盐分同时具有无机固碳效果（SIC和SICD上升）（P < 0.05）。脱硫石膏最佳施用量为30 t?hm-2，此时改良土层pH降至最低（8.24）。改良后0~46d SIC含量相较对照组增加0.93 g?kg-1，SICD增加0.29 kg?m-2（即CO2固定量为1.06 kg?m-2）。改良过程中，脱硫石膏施用量与SIC、SO42-和Ca2+呈显著正相关（P < 0.05），与pH、CO32-、HCO3-和Na+呈显著负相关（P < 0.05）。气候因子对土壤无机固碳存在影响，增大相对湿度和降水量会抑制SIC含量和SICD增加，而增大风速、温度和太阳总辐射则有促进作用。研究结果为施用脱硫石膏改良碱土能增加土壤固碳潜力提供了直接证据。     

Carbon Sequestration in Restored Soils by Applying Organic Amendments

The study of different natural carbon sinks has become especially important because of climate change effects. The restoration of contaminated areas can be an ideal strategy for carbon sequestration. The studied area was affected by toxic Aznalcóllar mine spill in 1998. Restoration process of the contaminated area was based, mainly, on the use of two organic amendments: leonardite (LE) and biosolid compost (BC). The objective of this study was to verify whether the application of these amendments promotes the long‐term carbon sequestration in this soil. Five treatments were established: untreated control, biosolid compost (doses 4 and 2) and leonardite (doses 4 and 2). The addition of amendments implied an improvement in soil quality that was directly related to the amendment dose: decrease in bulk density, increase in pH, higher respiration rates and an improvement in the stratification ratio. Dose‐dependent changes in the molecular composition of soil organic matter were shown by nuclear magnetic resonance analysis. Both amendments promoted carbon retention, although because of the low mineralization rates of soil organic matter in LE treatments, the carbon storage was higher. The dosage effect on the carbon balance was more important in LE treatments, whereas in the BC treatments, the balance was similar for both doses. Our findings suggest that LE4 significantly increased the total organic carbon and it was the most suitable treatment for long‐term carbon storage, because of its molecular composition rich in relatively stable aromatic and lignin‐derived compounds. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

典型农耕区褐土水稳性团聚体有机碳的分布及组成

对河北省典型农耕区褐土水稳性团聚体有机碳的组成特征进行了解析。结果表明,研究区水稳性土壤团聚体随粒径的减小而呈现"两头低中间高"的不规则W形分布趋势。藁城市和行唐县两地全土有机碳含量基本相当,分别为12.49和11.20g/kg。土壤有机碳主要受团聚体粒径分布的制约,藁城市和行唐县农耕区褐土优势团聚体(1000~250μm和250~53μm)中有机碳的比例分别为69.53%和82.71%。藁城市和行唐县20μm的团聚体有机碳含量分别为12.78和20.02g/kg,可作为研究区褐土固碳的稳定性指标。红外光谱解析表明,研究区土壤团聚体有机碳以芳香碳(大团聚体57.35%;微团聚体67.69%)和多糖碳(大团聚体29.43%;微团聚体:25.2%)为主。气候条件的差异可能是导致藁城市和行唐县土壤有机碳官能团组成差异的主要原因。大团聚体有机碳中主要是脂肪碳、多糖碳等活性较高的碳,而稳定的芳香碳则趋向于被保护在微团聚体中。