土壤有机碳组分和微生物群落对有机管理的响应

土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）和微生物是土壤质量和健康变化的重要评价指标。为了探究热区不同的管理方式对茶园土壤有机碳组分和微生物群落组成的影响,本研究选取海南省白沙县有机茶园（organic tea plantations, OTP）和常规茶园（conventional tea plantations, CTP）作为研究对象,利用¹³C-核磁共振（¹³C-NMR）生物标记技术和磷脂脂肪酸（PLFA）来研究不同管理模式下茶园土壤中有机碳化学组分和土壤微生物的群落组成的变化,明确有机管理和无机管理对土壤有机碳组分（烷基C、O-烷基C、芳香C和羧基C）和微生物群落组成的影响。结果显示：（1）与无机管理相比,有机管理显著改变了茶园土壤中养分含量。有机质（SOM）含量增加了47.86%,总氮（TN）和总磷（TP）含量分别增加了37.40%和100%（P<0.05）。硝态氮（NO₃^--N）含量显著增加了78.80%（P<0.05）,总钾（TK）和速效钾（AK）含量显著降低（P<0.05）。（2）有机管理增加了茶园土壤中烷基C和O-烷基C的相对含量。同时,脂肪族C/芳香C的比值也高于无机管理茶园。（3）有机管理茶园土壤中的总磷脂脂肪酸含量（PLFAs）增加了29.70%（P<0.05）,且细菌、G^-和放线菌的磷脂脂肪酸的含量显著高于无机茶园（P<0.05）。（4）RDA分析表明,茶园土壤中的微生物群落结构主要受到土壤总氮（TN）、总钾（TK）、烷基C、O-烷基C和羧基C含量的影响（P<0.05）。（5）相关性分析结果显示,有机碳组分中烷基C与总微生物量、真菌、放线菌和菌根真菌含量均呈显著正相关关系。O-烷基C与微生物中真菌、细菌和真菌/细菌的比值也呈显著正相关关系。以上结果表明,对茶园有机管理能调节微生物群落结构,提高土壤有机碳的脂肪化程度,进而影响土壤有机碳的积累和周转机制。     

云南元阳梯形稻田土壤碳氮空间分布及其影响因素

 采用地统计、方差分析方法,研究了云南元阳土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）的空间分布及其影响因素。该区域内水田土壤表层（0~20 cm)有机碳、全氮含量分别为21.38 g/kg和1.65 g/kg,变异系数分别为36.90%和32.95%,属于中等程度变异。土壤有机碳、全氮的半方差模型均为球型,具有中等程度的空间自相关性（块金/基台值分别为0.67和0.71）。土壤有机碳、全氮含量均随海拔上升而增加。土壤有机碳和全氮含量均随着肥料投入水平上升而降低,过量施肥使土壤有机碳、全氮含量略有增加,但会影响肥料利用效率。因此,应根据土壤养分空间分布格局加强农业生产管理措施调控,以提高土地生产力。     

海南岛灌丛土壤有机碳分布特征

海南岛土壤有机碳研究工作多集中在森林土壤,而灌丛土壤尚未引起足够重视。本文以海南岛24个灌丛样地的72个土壤剖面为研究对象,分析其有机碳含量、有机碳密度及其碳储量,以期揭示海南岛灌丛土壤有机碳的分布特征,并初步估算海南岛灌丛土壤的有机碳储量,为评价海南岛灌丛的重要生态价值提供理论依据。结果表明:海南岛灌丛土壤平均有机碳含量为(6.20±0.61)g/kg,平均土壤有机碳密度为5.94 kg/m~2;土壤有机碳含量及各土层统一到10 cm厚度的平均有机碳密度随土壤深度的增加而减少;海南岛灌丛土壤(100 cm)的有机碳储量约为1.48×10~7t。其中,土壤表层(0~30 cm)与(0~50 cm)的贡献率分别为46.15%和65.28%,与其它类型土壤一致。     

海南吊罗山自然保护区土壤有机碳贮量研究

以海南吊罗山自然保护区15个样地土壤剖面为对象,分析其土壤有机碳含量、有机碳密度及其碳贮量,以期揭示吊罗山自然保护区土壤有机碳分布特征,初步估算吊罗山自然保护区土壤有机碳贮量。结果显示:(1)吊罗山各样地土壤有机碳含量及碳密度随土壤深度增加而减少,平均有机碳含量为16.86 g/kg,平均有机碳密度为15.31 kg/m2。(2)同一土层不同样地间的土壤有机碳含量存在着较大的差异,主要表现在土壤表层,并随土层深度的增加差异逐渐变小。(3)吊罗山土壤有机碳含量与土壤深度呈极显著负相关,最佳拟合曲线模型是幂函数,回归方程为y=113.796x-0.6,相关系数为0.836。(4)吊罗山自然保护区在0~100 cm土层的土壤总有机碳贮量约为281.64万t,土壤表层所贮存的有机碳量的比重与全球平均水平差异较小。     

海南植胶区砖红壤有机碳分布特征

为揭示海南植胶区土壤有机碳分布特征，对其4种母质发育的典型砖红壤的64个土壤剖面数据进行分析。结果表明：4种母质发育的砖红壤0~60 cm土壤有机碳平均含量为6.29~8.33 g/kg，以铁质砖红壤最高，硅质砖红壤最低；0~60 cm土壤有机碳平均密度为4.85~6.55 kg/m2，以铁铝质砖红壤最高，以铁质砖红壤最低；4种母质发育的砖红壤有机碳含量和有机碳密度在土壤剖面中具有明显的垂直分布性，随着土壤深度的增加呈降低趋势；土壤有机碳含量与pH呈极显著负相关（p＜0.01），与土壤全氮呈极显著正相关（p＜0.01）。综上所述，海南植胶区的砖红壤为低有机碳密度土壤，其植胶生产中应改进土壤管理措施增加土壤固碳。     

海南岛东北部5种森林土壤有机碳分布特征

为揭示海南岛东北部森林土壤有机碳分布特征,本文对该区湿加松林（Pinus elliottii×P. caribaea）、木麻黄林（Casuarina equisetifolia）、椰树林（Cocos nucifera）、次生林和混交林等5种典型森林土壤有机碳含量和储量进行了比较研究。结果表明,5种森林0~100 cm土壤有机碳平均含量差异显著（P<0.05）,其中次生林最高,为3.78 g/kg,木麻黄林最低,仅有0.90 g/kg;5种森林0~100 cm土壤有机碳储量分别为次生林46.06 t/hm ²、混交林40.52 t/hm ²、湿加松林39.08 t/hm ²、椰树林31.26 t/hm ²和木麻黄林15.22 t/hm ²。浅海沉积土上的次生林、滨海沙土上的混交林均具有相对较高的土壤有机碳储量,分别显著地高于同一母质上的椰树林和木麻黄林（P<0.05）。综上,该区不同类型森林的建立深刻地影响了土壤有机碳库储量,次生林和混交林的建立可能有助于该区增加土壤固碳。     

不同类型茶园土壤团聚体有机碳分布特征研究

采用野外调查和室内分析相结合的方法,研究福建省武夷山市5种不同类型茶园土壤（黄壤、红壤、潮砂土、高山草甸土、紫色土）团聚体有机碳分布特征。结果表明：5种类型茶园土壤各粒级团聚体有机碳含量均随土壤层次的加深呈现降低的趋势;2个土层中,5种类型茶园土壤团聚体有机碳含量均以＞5 mm粒径最高,随着土壤团聚体粒径的增加,团聚体有机碳增加;黄壤、高山草甸土和紫色土茶园均以＞5 mm粒径团聚体有机碳储量和贡献率最高,而潮砂土则以＜0.25 mm粒径最高;土壤有机碳含量与各粒径团聚体有机碳含量呈极显著正相关（相关系数为0.95～0.98）。     

近20年海南岛土壤有机碳时空变异

为探明海南土壤有机碳变化规律,以海南岛表层土壤有机碳为研究对象,在收集调查相关历史资料的基础上,采集土壤样品并测定其土壤有机碳含量,利用ArcGIS空间分析模块,分析1980s～2000s海南土壤有机碳时空变异特征并探讨其主要影响因素。结果表明,1980s和2000s海南表层土壤有机碳含量变幅为2.90～93.74 g/kg和0.25～44.67 g/kg,表层土壤有机碳含量总体呈下降趋势,全岛平均下降了5.86 g/kg。按土壤有机碳等级划分标准,1980s时期海南土壤有机碳主要分布在3、4级,而在2000s期间主要分布在4、5级,表明海南土壤有机碳含量低的分布面积逐渐增大,而高含量的土壤分布面积在减小。在海南特殊的气候条件下,降水量和温度显著影响土壤有机碳含量;土壤有机碳的空间变异性主要受降水量和土壤初始有机碳含量及土地利用方式的影响;再加上人为活动频繁,加剧了土壤有机碳含量的下降。为了海南农业生产的可持续发展,遏止海南土壤有机碳含量进一步降低,大力提倡秸秆还田,增施有机肥,采用保护性耕作措施是海南省土地使用管理的当务之急。     

不同土地利用方式对土壤磷有效性和溶磷细菌群落结构的影响

为探究不同土地利用方式对土壤磷有效性和溶磷细菌群落的影响,以海南省白沙县龙眼园（LO）和由龙眼园转化的有机茶园（OTP）、传统无机茶园（CTP）土壤为研究对象,利用Illumina高通量测序技术分析土壤phoD功能微生物的群落结构,研究土壤速效磷与phoD功能微生物和酸性磷酸酶的相关性。结果表明：龙眼园转换成无机茶园后,在0~10 cm土层,pH、总氮（TN）、总磷（TP）、速效钾（AK）和有机碳（SOC）含量显著降低。同时,在10~20 cm土层,pH、总氮（TN）、总磷（TP）和有机碳（SOC）含量也显著降低。在0~10 cm土层,土壤速效磷（AP）含量在龙眼转化成有机茶园和无机茶园后分别降低了16%和71%。在10~20 cm土层,有机茶园土壤速效磷（AP）提高了56%,而无机茶园的速效磷（AP）含量降低了65%。相似性分析表明,土地利用方式明显改变了土壤phoD微生物群落结构。但是,土层深度并没有改变phoD微生物群落结构。RDA分析表明,土壤pH、总钾（TK）、速效钾（AK）和硝态氮（NO₃^--N）是驱动phoD功能微生物群落结构分异的主要环境因子。土壤速效磷（AP）含量与phoD功能微生物密切相关,其中Betaproteobacteria在调控土壤磷的有效性中发挥重要作用。研究结果表明,龙眼园转化成茶园改变了phoD微生物群落结构,同时降低了有机茶园土壤总磷（TP）和无机茶园土壤有效磷（AP）含量。与无机茶园相比,有机管理可以提高土壤速效磷（AP）含量。     

施氮水平对基础肥力不同的玉米田土壤有机碳组分数量的影响

以玉米长期定位施肥试验地为供试对象,采用化学分析法,比较不同施氮水平(不施氮、70%×优化施氮、优化施氮、130%×优化施氮和农民习惯性施氮)对不同肥力土壤0~20 cm耕层有机碳组分数量的差异影响。结果表明,施氮水平对高、中、低3种基础肥力土壤有机碳(SOC)含量的影响规律不同,在低肥力区域,较高施氮水平会加剧土壤退化;适宜氮素用量(0~240 kg/hm2)更有利于高肥力土壤易氧化有机碳(ROC)的积累。低肥力土壤难氧化有机碳(DOC)抵御外源氮素干扰的能力较差,施氮能加速该组分的矿化,大幅降低SOC的氧化稳定性,不利于肥力保蓄;施氮可同时减少高肥力地块轻组有机碳、重组有机碳的含量,优化施氮更有利于SOC的年轻化,使其活性增高。在中、低肥力区域,重组有机碳均呈先增后减的规律变化,低肥力更有利于其含量的提升。     

热带海岸典型森林类型土壤有机碳储量和碳氮垂直分布特征

热带海岸森林是重要的碳库,很容易受到人类活动的干扰,包括森林砍伐和气候变化。因此,迫切需要探明森林土壤有机碳储量,为热带海岸森林的保护和恢复提供理论依据。以热带海岸4种典型森林类型为研究对象,研究土壤中有机碳和全氮垂直分布特征及其与其他土壤理化性状关系。结果表明:不同林型土壤有机碳和全氮在土壤剖面中的垂直变化规律一致,表层含量较高,随着剖面深度增加含量逐渐降低,且不同土壤层次间呈现显著性差异。不同森林类型土壤有机碳和全氮含量平均值分别为1.35~7.06、0.08~0.61 g/kg,其中椰子人工林的土壤有机碳和全氮含量平均值最高,分别为7.06、0.61 g/kg,其次是香蒲桃天然次生林(6.07、0.44 g/kg)。各森林类型土壤碳氮比平均值依次为大叶相思人工林﹥木麻黄人工林﹥香蒲桃天然次生林﹥椰子人工林。各森林类型0~100 cm土层土壤有机碳储量从大到小依次为椰子人工林、香蒲桃天然次生林、大叶相思人工林和木麻黄人工林。相关分析结果表明,各个森林类型土壤有机碳与土壤容重呈显著负相关,与全氮呈显著正相关。说明椰子人工林和香蒲桃天然次生林森林生态系统达到平衡稳定状态,其碳汇效益较木麻黄人工林和大叶相思人工林显著,对热带海岸森林生态系统健康的经营与维护具有重要意义。     

海南文昌3种森林类型凋落物及土壤有机碳现状分析

针对海南文昌滨海台地3种森林类型(人促更新次生林、次生林、椰子林)林下枯落物现存量及土壤活性有机碳性状(有机碳、易氧化有机碳及轻组有机碳含量)进行了测定。结果如下:3种林型凋落物层现存量及总碳储量分别为:椰子林4.53、1.51 t/hm2;次生林1.76、0.65 t/hm2;人促更新次生林1.53、0.60 t/hm2;均为分解层(包括半分解层和全分解层)未分解层。1 m深土层深度内,3种林型土壤SOC、EOC及LFOC含量变化规律一致,均呈下降趋势,且不同林型不同土层间各组分含量差异显著(p0.05)。经相关性分析表明,土壤SOC、EOC及LFOC相互之间具有显著正相关。说明在土壤母质、土壤类型、气候条件基本一致条件下不同植被类型土壤碳库组分比例及变化规律相似,但土壤各组分含量大小各异,从土层分布情况来看,林下凋落物质量和人为因素是碳储量关键影响因子。     

热带滨海台地典型森林类型凋落物及土壤有机碳特征

以海南岛滨海台地5种典型森林植被为研究对象,利用标准地调查法对不同森林类型土壤有机碳含量、有机碳密度及单位面积有机碳储量的垂直分布特征进行比较分析,同时对不同森林类型凋落物及土壤表层细根的碳含量、碳密度和单位面积碳储量进行对比分析。结果表明:5种森林土壤有机碳含量介于1.79~10.60 g/kg之间,且随着土层深度的增加而降低;表层土壤(0~10 cm)有机碳密度和单位面积碳储量分别介于0.79~1.47 kg/m2和7.9~14.67 t/hm2之间;桉树林(2.11 t/hm2)和木麻黄林(1.73 t/hm2)凋落物单位面积碳储量高于其他3种林分;5种类型森林土壤表层细根单位面积碳储量介于0.29~0.47 t/hm2之间,木麻黄林最高(0.47 t/hm2),大叶相思林最低(0.29 t/hm2)。     

热带海岸防护林土壤活性有机碳分布特征:人工林与天然次生林的比较

本研究旨在比较热带海岸天然次生林与人工林土壤活性有机碳的差异,从而提高沿海防护林土壤有机碳库的存储能力和维持土壤碳平衡提供理论依据。选取海南岛沿海防护林中典型的2种人工林和2种天然次生林作为研究对象,通过测定土壤活性有机碳及养分含量,对热带海岸天然次生林与人工林土壤有机碳的积累能力及土壤养分与有机碳相关性的差异进行分析。结果表明:(1)该研究区4种林分土壤总有机碳、轻组有机碳和易氧化有机碳均表现为琼崖海棠天然次生林香蒲桃天然次生林大叶相思人工林木麻黄人工林;(2)4种林分土壤轻组有机碳占总有机碳比例以天然次生林最高,而人工林则具有更低的轻组有机碳分配比例;反之,人工林的土壤易氧化有机碳占总有机碳比例显著高于天然次生林;(3)4种林分的土壤活性有机碳与土壤全氮、土壤容重相关性显著,此外,2种人工林林地土壤活性有机碳与土壤含水量、pH、碳氮比同样具有相关性。相关性分析结果表明,人工林土壤活性有机碳与土壤各因子的相关性较天然次生林更为密切。这说明热带海岸林地土壤碳含量总体较低,与人工林相比,天然次生林土壤有机碳具有较大稳定性。     

有机肥替代不同比例化肥对土壤有机碳组分的影响

东北黑土是我国宝贵的耕地资源,是重要的商品粮基地。为了明确东北春麦区有机肥替代化肥的最佳用量,提升土壤质量,在田间开展了有机肥替代部分化学氮肥研究,试验共设不施肥（CK）、有机肥替代100%化学氮肥(M)、有机肥替代50%化学氮肥(M₁N₁)、有机肥替代25%化学氮肥(M₂N₂ )和全化学氮肥处理(N)5个处理,分析了不同化肥处理对小麦收获期耕层土壤（0～20 cm）有机碳组分的影响。结果表明,土壤总有机碳含量以M处理最高,为24.30 g·kg^-1;N处理下土壤全氮含量显著高于其他处理,为2.70  g·kg^-1;施用有机肥能够增加土壤C/N比例。有机无机配施能显著增加土壤活性有机碳组分含量,土壤ROC和MBC含量均以M₂N₂处理含量最高,分别为4.69 g·kg^-1及317.40 mg·kg^-1;土壤DOC含量以M处理最高,为325.97 mg·kg^-1,M₂N₂处理次之,为307.83 mg·kg^-1;土壤POC含量以M₁N₁处理最高,为1.38 g·kg^-1。分析土壤有机碳组分对施肥的敏感性指数得出,各活性碳SI值均高于SOC,以M₂N₂处理下MBC的敏感性最高。经相关性分析,ROC、MBC、POC之间存在极显著相关关系（P<0.01）。在东北春小麦种植区域,采用有机肥替代25%～50%化肥能够增加土壤有机碳组分含量,提高C/N。MBC对施肥反应最为敏感,可作为指示该地区土壤有机物早期变化的指示物。     

Enhancing soil organic carbon,particulate organic carbon and microbial biomass in semi-arid rangeland using pasture enclosures

Background

Rehabilitation of degraded rangelands through the establishment of enclosures (fencing grazing lands) is believed to improve soil quality and livelihoods, and enhance the sustainability of rangelands. Grazing dominated enclosure (GDE) and contractual grazing enclosure (CGE) are the common enclosure management systems in West Pokot County, Kenya. Under CGE, a farmer owning few animals leases the enclosure to households with relatively more livestock, while GDE is where the livestock utilizing the enclosure are purely owned by the farmer. Livestock management in both systems is via the free-range system. This study evaluated the effect of enclosure management on total soil organic carbon (SOC), particulate organic carbon (POC) and microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN) as key indicators of soil degradation at 0–40 cm depth. The two enclosure systems were selected based on three age classes (3–10, 11–20 and >?20 years since establishment) (n?=?3). The adjacent open grazing area (OGR) was used as a reference (n?=?9).

Results

Relative to OGR, the pasture enclosures significantly decreased soil bulk density and increased the concentrations of total organic C, POC, MBC and MBN compared to the degraded OGR (P?<?0.001). Significantly higher concentrations of POC and MBC was recorded in GDE than CGE (P?=?0.01). The POC accounted for 24.5–29.5% of the total SOC. MBC concentrations ranged from 32.05?±?7.25 to 96.63?±?5.31 µg C g^?1 of soil in all grazing systems, and was positively correlated with total SOC and POC (P?<?0.001). The proportional increase in POC and MBC was higher in GDE (56.6 and 30.5% respectively) compared to CGE (39.2 and 13.9% for POC and MBC respectively).

Conclusions

This study demonstrated that controlling livestock grazing through the establishment of pasture enclosures is the key strategy to enhance total SOC, POC, MBC, and MBN in degraded rangelands; a precondition for improving soil quality. Therefore, the establishment of enclosures is an effective restoration approach to restore degraded soils in semi-arid rangelands.