干旱半干旱区农田土壤碳垂直剖面分布特征研究

以中国干旱半干旱区农田土壤为研究对象,通过收集自然农田和长期定位站点(178个剖面,0~100 cm土层)农田土壤碳的数据并对其进行整合,分析了农田土壤有机碳和无机碳含量的垂直剖面分布特征及其影响因素。结果表明,随土层深度增加,农田土壤有机碳呈下降趋势,表层含量高于底层;不同地区农田土壤无机碳含量变化趋势不一,随土壤深度增加整体呈现升高的趋势,但是也有一些地区呈现下降趋势。土壤剖面深度为100 cm的农田土壤有机碳和无机碳密度平均值分别为8.33和15.83 kg m-2,农田土壤无机碳储量大约是土壤有机碳的2倍。土壤深度为0~30 cm的有机碳占100 cm总有机碳含量的45%,无机碳仅占100 cm总无机碳含量的29%;土壤无机碳主要集中在30~100 cm土层,占100 cm总无机碳含量的71%,远高于有机碳在此土层占100 cm总有机碳含量的百分比(55%)。综合自然农田和长期定位站点农田土壤碳的数据,土壤容重与土壤p H是影响农田土壤有机碳和无机碳分布特征的重要因素:自然农田土壤有机碳与土壤p H(R2=0.61,p0.01)和土壤容重(R2=0.64,p0.01)呈显著负相关;长期定位站点土壤无机碳与土壤p H(R2=0.56,p0.01)和土壤容重(R2=0.63,p0.01)呈显著正相关。中国干旱半干旱区农田土壤有机碳和无机碳的分布特征与影响因素,将为陆地生态系统碳储量估算提供数据基础与理论支撑。     

开垦年限对干旱区土壤理化性质及剖面无机碳的影响

为阐明开垦年限对土壤理化性质及无机碳的影响,进一步了解干旱区土地开垦进程中的土壤质量变化规律和碳吸收与存储过程,以开垦年限分明的典型区—新疆三工河流域阜北农场为研究区,调查、分析了不同开垦年限(已开垦0,1,3,5,15,30,50a)剖面土壤的pH值、盐分、无机碳含量与储量的分布特征、变化规律及开垦年限对它们的影响。结果表明:(1)已开垦土地的土壤pH值随土层深度的增加而升高;随开垦年限的延长,0—60cm(耕作层)的土壤pH值显著降低(P0.05),60—140,140—200cm土壤pH值则升高。不同开垦年限的土壤盐分在剖面上呈S型分布,研究区土壤盐分为表聚型;随着开垦年限的延长,土壤盐分聚集层逐渐下移,各剖面平均含盐量减少。开垦历史的延长,有助于排盐排碱。(2)不同开垦年限的土壤无机碳含量与储量:0—60cm显著低于60—140cm,60—140cm显著低于140—200cm(P0.05)。随着土层深度的增加,土壤无机碳储量占全碳的比例增大。随着开垦年限的延长,0—60cm耕作层土壤无机碳含量、储量呈减少—增加—减少的变化趋势,无机碳储量占全碳的比例减少。与原始荒地相比,开垦50a时,0—60cm耕作层的土壤无机碳储量减少了55%;0—200cm土壤无机碳储量增加了11.74kg/m~2,无机碳储量所占全碳的比例降低了1.28%。(3)开垦年限的延长对土壤pH、盐分及无机碳的显著影响深度不同,分别集中于0—60cm耕作层,0—140cm及整个研究深度范围内。     

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。     

东北三省典型春玉米种植区土壤剖面碳库变化特征

【目的】 农田土壤碳储量及变化影响着农田肥力、生产力以及地力的可持续性。本文研究了东北三省典型春玉米种植区在0—90 cm土层土壤碳库的变化特征,分析了东北三省典型春玉米种植区农民习惯施肥措施下土壤的碳贮存情况。 【方法】 于2012年春玉米全生育期定点跟踪了黑龙江、吉林和辽宁省各17户,总计51户农民习惯施肥处理,测定了0—30、30—60、60—90 cm土层中全碳 (TC)、有机碳 (SOC)、无机碳 (IC)、颗粒有机碳 (POC)、微生物生物量碳 (SMBC) 以及可溶性有机碳 (DOC)含量。 【结果】 黑龙江、吉林、辽宁省典型春玉米种植区0—90 cm土层全碳储量分别为159.8、128.5、108.1 t/hm2,有机碳储量分别为141.7、120.5、90.2 t/hm2,无机碳储量分别为18.2、8.0、17.9 t/hm2。三个省份间0—90 cm土层SOC储量差异均达显著性水平 (P < 0.05),黑龙江的储量显著高于吉林的,吉林的储量又显著高于辽宁的。关于0—30 cm土壤TC、SOC储量,黑龙江、吉林、辽宁三省间差异均达显著水平 ( P < 0.05),在30—60 cm、60—90 cm土层,黑龙江的TC、SOC储量显著高于吉林和辽宁的 ( P < 0.05),吉林和辽宁间差异不显著;土壤剖面TC、SOC储量表现为 0—30 cm > 30—60 cm > 60—90 cm深。在土壤活性碳库方面,0—30 cm土层中,随着纬度的降低,黑龙江、吉林、辽宁省内POC、POC/SOC、SMBC/SOC、DOC/SOC呈增加趋势,而SMBC则呈降低趋势,三省间POC/SOC、SMBC、DOC/SOC平均含量差异均达显著性水平 ( P < 0.05),黑龙江POC平均含量显著低于吉林、辽宁的 ( P < 0.05),吉林的DOC平均含量显著高于黑龙江、辽宁的 ( P < 0.05);30—60 cm土层,黑龙江、吉林、辽宁省内POC、POC/SOC、DOC/SOC随着纬度的升高而降低,且三省间POC/SOC平均值差异达显著性水平,黑龙江POC、DOC/SOC显著低于吉林、辽宁的 ( P < 0.05),但SMBC含量黑龙江显著高于吉林、辽宁的 ( P < 0.05);在60—90 cm土层,黑龙江土壤的POC、POC/SOC、DOC/SOC、SMBC/SOC含量平均值显著低于吉林、辽宁的 ( P < 0.05),吉林的SMBC显著高于辽宁的 ( P < 0.05)。随着土壤剖面深度的增加,各省土壤TC、SOC、IC及活性碳库呈降低趋势,而土壤IC/TC呈增加趋势。 【结论】 在东北三省典型春玉米种植区,0—90 cm土层以黑龙江的有机碳贮存最大,三省由于气温、土壤母质和施肥的影响,土壤活性碳库变化规律并不完全一致,随着土层深度增加土壤无机碳对全碳贡献增加,因此,下一步研究需重视无机碳库和剖面碳库在碳贮存中的作用。      

城市土壤无机碳空间分布特征及其与城市化历史的关系

城市化过程深刻影响了土壤的碳循环过程。利用城市土壤空间精细化采样,结合1900年—2010年南京城市化历史重建,分析城市土壤无机碳空间分布与城市化过程的时空关系,评估城市土壤无机碳的固碳潜力。研究表明,城市土壤无机碳密度与城市化历史具有良好的对应关系,历史老城区的无机碳库储量远高于快速城市化的新城区,揭示城市土壤无机碳具有良好的固碳潜力。随着城市化历史的增加,无机碳密度平均值表现出线性增长,研究区的城市土壤表层无机碳库为2.94Tg,其未来仍拥有的固碳潜力为1.45Tg。本研究可为阐明城市系统碳循环的机制、开展城市土壤无机碳固碳技术研究提供理论依据。     

地形和土地利用对黄土丘陵沟壑区小流域土壤无机碳分布的影响

地形和土地利用方式对土壤无机碳(SIC)的空间分布和碳汇效应有重要影响。以黄土高原丘陵沟壑区纸坊沟小流域为对象,研究土地利用、地形对0-200cm土层内SIC空间分布的影响。结果表明,地形对纸坊沟流域SIC空间分布呈极显著影响(P<0.01),表现为峁顶(15.32g/kg)>坡地(14.45g/kg)>沟底(12.27g/kg)的变化趋势;土地利用方式影响该流域SIC分布,其含量表现为灌木地>草地>林地>农地,其中灌木地极显著高于林地、草地和农地,林地和草地极显著高于农地,而林地与草地无显著差异;地形与土地利用交互作用极显著影响SIC空间分布(P<0.01)。相关结果可为黄土高原土壤碳库提供基础数据,有助于明确黄土高原在中国陆地碳循环中的作用。     

长期施用有机肥对西北半干旱区小麦田土壤团聚体分布及其有机碳的影响

以国家土壤质量安定观测实验站黄绵土区长期定位试验为研究平台,研究长期施肥对半干旱区小麦田土壤团聚体分布及其有机碳含量的影响。结果表明:0～20 cm土层土壤团聚体含量随粒级减小总体呈先降低后增加的变化趋势,团聚体有机碳含量随粒级减小呈增加的变化趋势。长期化肥与有机肥配施(NPKM)和单施有机肥(OM)较单施化肥(NPK)处理显著增加了>0.25 mm团聚体含量和团聚体平均质量直径,提高了>1 mm粒级土壤团聚体对有机碳的贡献率。各粒级土壤团聚体有机碳含量及团聚体有机碳储量均随着土层的加深而降低,>1 mm粒级团聚体有机碳对长期施用有机肥的农田有机碳变化响应敏感。NPKM和OM较NPK处理显著增加了0～20 cm土层土壤团聚体有机碳含量及其储量,其中0～10 cm土层团聚体有机碳储量分别增加了34.1% 和25.2%,10～20 cm土层分别增加了26.89% 和17.95%,而长期NPK处理对团聚体有机碳含量及其储量影响不明显。综上所述,在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下,长期施用有机肥(NPKM和OM处理)可显著提高耕层>0.25 mm团聚体含量及其稳定性,增加团聚体有机碳储量,土壤增碳培肥效果显著,而单施化肥对改善农田土壤团聚体结构及其固碳培肥效果不明显,需加强与有机肥配施从而实现土壤培肥。     

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。     

腾格里沙漠东南缘固沙区深层土壤无机碳密度及其垂直分布特征

对腾格里沙漠东南缘天然植被区、流沙区以及1964,1981,1990年建立的人工固沙植被区0-3.0m剖面土壤和根鞘中无机碳含量及其分布特征进行调查。结果表明,天然植被区和固沙区总无机碳密度高于流沙区,分别为15.2,10.7,9.38kg/m2;根鞘中无机碳含量占土壤总无机碳含量的20%以上。不同年代固沙区和流沙区无机碳含量垂直分布特征均表现为表层显著高于中层和深层无机碳储量;根鞘中无机碳含量表现为逐渐递增的趋势,1.5-3.0m土层根鞘中无机碳含量最高,为0.3～1.4kg/m3。植物恢复有利于土壤无机碳的固存,能够显著提高土壤中总无机碳含量;根鞘中的无机碳是干旱半干旱区土壤无机碳的重要组成部分,在估算土壤总无机碳储量时应给予充分考虑。     

土地利用方式对高寒草甸生态系统土壤无机碳的影响

[目的]探明土地利用方式对高寒草甸生态系统土壤无机碳含量及储量的影响,为青藏高原区域碳增汇原理及草地管理实践提供科学支撑。[方法]选取围栏封育地、自由放牧地、多年生人工草地、补播地及黑土滩型退化草地5类不同土地利用类型,对无机碳的含量和储量、土壤主要理化性质的变化及其相关性进行比较分析。[结果]在高寒草甸生态系统中,无机碳含量较低且不同土地利用下土壤无机碳的储量(以C含量表示)有显著差异,表现为多年生人工草地(3 381.28kg/hm2)围栏封育地(739.27kg/hm2)自由放牧地(712.12kg/hm2)补播地(647.64kg/hm2)黑土滩型退化草地(361.26kg/hm2)。不同土地利用类型草地的土壤pH值、容重和含水量差异显著。土壤无机碳与土壤容重和含水量分别为线性正相关和负相关关系,与pH值为正相关关系,当pH值7时,无机碳含量很低,基本保持不变;当pH值7时,表现为指数函数关系。[结论]在高寒退化草地改良重建的技术与综合治理模式中,黑土滩型退化草地上建植多年生人工草地的管理策略在无机碳固定方面较其他措施更加有效,是维持草地碳汇功能的有效措施。     

河套盐碱地不同利用方式土壤盐碱化特征差异分析

为研究河套平原盐碱地在不同利用方式对土壤盐碱化特征分布的影响,通过野外调查取样和室内分析相结合的方法,对5种土地利用方式下(林地、农用地、牧草地、改良地、盐荒地)不同深度土壤剖面形态特征、可溶盐含量、盐分离子组成、总碱度、pH、碱化度等指标的变化规律进行了系统研究。结果表明:不同利用方式土壤剖面土体结构、颜色、根系分布、石灰性反应及碱化层分布均有明显差异;土壤剖面的可溶性盐、阴阳离子分布因土地利用方式不同而存在差异,牧草地和林地土壤剖面可溶性盐呈橄榄型、盐荒地和改良地呈表聚型、农用地呈底聚型;土壤pH、碱化度和总碱度在剖面中的分布特征基本一致,呈S型;经不同利用方式土壤的盐化程度和碱化程度均有所下降,与盐荒地相比,农用地盐碱化指标下降的最为显著(P0.05),其中0—20 cm土壤全盐量降至0.88 g/kg,pH降至7.83,总碱度、ESP降至0.17 cmol/kg和12.54%,表明苏打盐碱地经农用后更有利于土壤脱盐化过程和脱碱化过程;土壤全盐量、Ca~(2+)、Mg~(2+)、SO_4~(2-)、总碱度、pH可作为控制区域盐碱化的主要因子。研究结果为阐明河套平原盐碱地的盐碱化过程及盐碱化土壤利用模式提供技术参考。     

不同利用方式黑钙土有机碳组分剖面分布特征

为研究土地利用方式对土壤碳库的影响,以东北黑钙土区的天然草地、人工林地和耕地为研究对象,采集0—100 cm土体中不同土层样品(A、AB、B_k、BC和C层),测定不同利用方式土壤有机碳(SOC)、水溶性有机碳(WSOC)、轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)含量。结果表明:3种利用方式SOC、LFOC和HFOC主要分布在A层,但草地WSOC含量在B_k层最多(0.27 g/kg)。由A~C层,3种土地利用方式土壤有机碳及组分有机碳含量总体均呈减少趋势,但减少程度明显不同,天然草地缓慢减少,人工林地急剧减少,耕地逐渐减少。草地转换为林地和开垦为耕地后,均造成土壤有机碳及组分有机碳含量减少,WSOC减少34%和48%,LFOC减少20%和37%,HFOC减少7%和5%,SOC减少10%和16%。草地转换为林地和开垦为耕地后,WSOC/SOC、LFOC/SOC显著降低,但HFOC/SOC却提高,说明草地被开垦后活性有机碳含量快速下降。土地利用方式和土层对SOC、WSOC和LFOC具有显著影响,且对SOC和HFOC叠加效应较强。同时,土壤理化性质也在一定程度上影响着SOC、WSOC、LFOC和HFOC。应制定合理土地利用管理政策,保护自然草地免遭破坏,减少土壤有机碳流失,发挥草地生态系统碳固存的重要作用。     

重庆市土壤有机碳库的估算及其空间分布特征

基于重庆市第二次土壤普查的1411个土壤剖面数据，结合重庆市土壤图、土地利用现状图和行政区划图，在地理信息系统技术的支持下，对重庆市土壤有机碳密度及储量进行了估算、同时引入有机碳丰度指数这一指标，对有机碳在不同土壤、不同区域以及不同景观中的分布特征进行了分析。结果表明：重庆市20cm和100cm深度的土壤有机碳储量分别为0．27Tg和1．0Tg；20cm深度的土壤有机碳密度介于0．33～30．36kg／m^2之间．100cm深度的土壤有机碳密度介于1．27～72．69kg／m^2之间；重庆市土壤有机碳库在不同土壤、不同区域以及不同景观的分布具有高度的空间变异性，100cm深度的土壤、区域和景观有机碳丰度指数分别为0．58～1．95，0．55～1．39和0．46～1．58．与气候、植被、人类活动等因素密切相关。     

天津市滨海新区1979-2013年土地利用及土壤有机碳储量空间变化

[目的]分析土地利用变化对土壤有机碳分布的影响,为科学评估区域生态系统碳储量的变化提供依据。[方法]利用遥感影像获取滨海新区1979与2013年土地利用变化数据,针对不同土地利用类型均匀布设样点采集2013年表层土壤,试验监测土壤有机碳含量。结合第二次土壤调查数据,计算分析研究区1979—2013年土壤有机碳储量的变化及其空间分布变化。[结果]研究期内土地利用变化明显,耕地、滩涂、未利用地等土地利用类型大量转变为建设用地,同时土壤有机碳密度和储量均相应降低,其中土壤有机碳储量从1979年的1．23×107 t 减少到2013年的9．97×106 t 。[结论]随着人类对土地利用程度的加强,碳储量空间分布由高碳储量分布为主转变为低碳储量分布为主的碳储量分布格局。     

不同土地利用方式下土壤团聚体的分布及其有机碳含量的变化

通过野外调查与室内分析相结合的方法,对耕地、园地、林地和撂荒地土壤团聚体及其有机碳的分布特点进行了研究.结果表明,不同土地利用方式下土壤闭聚体的分布均以＞2.00 mm团聚体为主,其它依次为0.5～1,1～2,＜0.25和0.25～0.5 mm粒径的团聚体.林地和撂荒地土壤有机碳含量随粒径的减小呈递增的变化趋势;耕地在0.25～0.5 mm和＜0.25 mm团聚体中有机碳含量较高,园地则以0.25～0.5mm粒径团聚体中有机碳含量最高.4种土地利用方式下,以＞5 mm团聚体中土壤有机碳含量差异最大,随着团聚体粒径的增加,它们之间的差异逐渐减小;各土地利用方式下表层土壤中,分布在＜0.25 mm和0.25～0.5mm团聚体粒径中有机碳占有机碳总量比例低于2～5,＞5和0.5～1 mm的团聚体.     

喀斯特石漠化区不同土地利用方式下土壤有机碳分布特征

为探究喀斯特土壤有机碳分布特征及其对人为干扰的响应,挖掘了2 854个土壤剖面,采集了22 786个土壤样品,分析了贵州省不同土地利用方式下土壤有机碳分布规律;并结合贵州省石漠化防治规划,初步估算了石漠化防治工程的土壤碳增汇贡献。结果表明:贵州省土壤有机碳呈现含量高、密度小的特征。表层土壤(0-20cm)有机碳平均含量25.07g/kg,平均密度仅为4.27kg/m~2。不同用地类型土壤表层有机碳含量大小为灌木林地乔灌木林地灌草地乔木林地弃耕地与荒地草地水田园地旱地与坡耕地;表层碳密度大小为水田灌木林地乔木林地乔灌木林地弃耕地与荒地灌草地旱地与坡耕地草地园地。0-60cm土层土壤有机碳含量对人为干扰较为敏感,60-100cm土层土壤有机碳含量差异较小。实施退耕还林,人工种草及人工造林等石漠化防治工程会明显促进土壤有机碳的积累,到2050年,贵州省0-10,0-20,0-30,0-100cm土层土壤有机碳将增加1.99×10~(13),3.37×10~(13),4.45×10~(13),6.29×10~(13) g。可见,喀斯特地区土壤有机碳具有含量高、密度低的显著特征,石漠化治理能有效增加喀斯特地区土壤碳汇。