应用DNDC模型分析施肥与翻耕方式对土壤有机碳含量的长期影响

利用中国农业大学曲周实验站的氮磷化肥配施长期定位试验和翻免耕长期定位试验数据验证DNDC(脱氮—分解 )模型 ,说明其模型模拟值与实测值之间吻合程度较好 ,证明DNDC模型可以用来模拟当地土壤有机碳(SOC)含量的动态变化。对 2个试验长期 (10 0a)的模拟结果表明 :对于氮磷化肥配施试验 ,对照、单施氮肥和单施磷肥的处理SOC含量呈现下降趋势 ,氮肥与磷肥配合施用的处理土壤有机碳含量均呈上升的趋势 ,每年施用氮肥(纯N) 2 70kg·hm-2 配合施用磷肥 (P2 O5) 135kg·hm-2 的处理SOC含量与初始值相比增加了 31%。对于翻免耕试验 ,免耕并施用 112 5kg·hm-2 氮肥 (纯N)再配合每年秸秆还田 4 5 0 0kg·hm-2 的处理比初始值增加了 6 2 % ,翻耕并施用 187 5kg·hm-2 氮肥、15 0kg·hm-2 磷肥再配合每年秸秆还田 4 5 0 0kg·hm-2 的处理SOC含量比初始值增加了 5 6 %。从DNDC模型模拟得出 ,实行秸秆还田或增加作物生物产量还田及免耕等耕作措施将有效持续的增加SOC含量 ,提高土壤的可持续利用能力。     

农田土壤有机碳动态模拟模型的建立

 假定施入土壤的有机物料由易分解与难分解两组分组成 ,这部分外源有机碳与土壤原有有机碳的分解遵循一级动力学反应 ,相应的一级动力学速率常数受土壤环境影响函数的修正 ,导出各组分有机碳分解模型的微分形式 :d Ci/ dt=Ki × f T× f W× f S× Ci ( i =1,2 ,S)。式中 Ci 为第 i种有机碳组分 t时刻的数量 ,i =1,2 ,S分别表示外源有机碳中易分解与难分解组分以及土壤原有有机碳组分 ,Ki 为相应的一级动力学速率常数。f T、f W 及 f S分别为土壤温度、水分及质地对有机碳分解的影响函数 ,它们通过对不同有机物料在实验室控制条件下的培养测定结果得以确定。由有机碳分解模型的微分形式导出相应的积分形式 :Cit=Cio× EXP( Ki × f T × f W× f S× t)。运用非线性技术 ,求得一级动力学参数 K1 、K2 及 KS分别为 0 .0 2 5、0 .0 80× 10 - 2和 0 .0 65× 10 - 3( d- 1 ) ,小麦秸秆、小麦根系、水稻秸秆及水稻根系的易分解比例分别为 0 .5 0、0 .2 5、0 .4 0和 0 .2 0 ,该数值与物料的碳氮比及木质素含量有关     

农田土壤有机碳动态模拟模型的检验与应用

 利用大田填埋试验资料和连续７年的土壤改良定位试验资料对所建模型进行了检验。结果表明,模拟值与测定值之间具有良好的一致性,大田填埋试验的测定值与模拟值间的线性相关系数（ｒ２）为０．９２９１（ｎ＝４８）,土壤改良定位试验的测定值与模拟值间的线性相关系数为０．６４３１（ｎ＝６５）。模型预测结果指出,若仅靠作物自然还田,宜兴市万石镇农田土壤（白土）有机碳的变化将从 １９８４年的 ７．８５ｇ／ｋｇ下降到 ２０１４年的 ６．３０ｇ／ｋｇ;若每年收获的稻麦秸秆有５０％（约６．７５ ｔ／ｈａ）还田,则同期内农田有机碳含量将从７．８５ｇ／ｋｇ提高到１１．４２ｇ／ｋｇ;若要在２０１４年达到１３ｇ／ｋｇ,则每年需要有 ９ ｔ／ｈａ的秸秆还田。每年每增加 １ｔ／ｈａ稻麦秸秆还田,则可增加土壤有机碳 ０．０２５ｇ／ｋｇ。     

DNDC模型模拟干旱区农田有机碳的变化趋势

[目的]利用生物地球化学模型,探讨长期不同施肥对干旱区绿洲农田土壤碳变化趋势以及农田的固碳效率.[方法]选择国家灰漠土长期肥力监测试验中的5种处理(hNPKM,NPKM,NPKS、NPK、CK),采用DNDC模型对土壤表层(0～20 cm)土壤有机碳150年(2010～2160年)的长期变化趋势进行预测.[结果]长期不同施肥处理下土壤有机碳固碳效果有明显的差异性,模拟结果表明:土壤有机碳含量与施肥时间之间符合抛物线方程,其中施用连续高量有机肥处理130 a后,土壤有机碳将达到极大值108.35 g/kg,固碳速率为52.95;;施用常量有机肥128 a,有机碳达到极大值63.86 g/kg,固碳速率为28.41;;秸秆还田处理121年后有机碳达到极大值19.14 g/kg,固碳速率为7.70;;施用化肥145 a,土壤有机碳达极大值17.54 g/kg,固碳效率为6.18;;而CK处理土壤有机碳逐年减少,仅为5.74 k/kg,比试验初始有机碳值降低3.08 g/kg.[结论]化肥与有机肥配施土壤有机碳的固碳速率最高,化肥平衡施肥、化肥与秸秆配施也具有固碳效果,但固碳速率小于化肥有机肥配施,而不施肥土壤有机碳逐渐减少,因此合理施用有机肥和化肥能够实现作物增产和土壤培肥的双赢.     

农田土壤有机碳含量对作物产量影响的模拟研究

 【目的】探求土壤有机碳含量对作物产量的影响,以期为保障国家粮食安全和耕地持续利用与管理提供决策依据。【方法】利用农田生态系统生物地球化学模型DNDC,针对中国东北、华北、西北、中南、华东和西南6个典型农业区域,每个区域选择各自典型的种植模式和现行的农田管理措施,在各自特定的土壤和气候条件下,输入并运行模型,模拟考察在其它投入条件不变的情况下,改变土壤有机碳本底值对作物产量的影响。【结果】当土壤有机碳含量（SOC）增加1 g C?kg-1,东北地区玉米产量可增加176 kg?hm-2;华北地区夏玉米与冬小麦轮作,产量可增加约454 kg?hm-2;西北地区春玉米产量约可增加328 kg?hm-2;中南地区单季水稻产量可增加约185 kg?hm-2;华东地区双季稻产量可增加约266 kg?hm-2;西南地区水稻与冬小麦轮作产量可增加约229 kg?hm-2。【结论】在其它投入既定的条件下,全国各地区均存在通过提高耕地土壤有机碳含量来增加作物产量的潜力。保持较高水平的土壤有机碳含量对节本增效具有十分明显的作用。     

基于DNDC模型的稻田生态系统碳动态模拟研究进展

DNDC （denitrification-decomposition,反硝化-分解）模型是一个含有时间因子的模拟生物地球化学过程较为成熟的动态模拟模型,可用于模拟和评估作物（如水稻）生产、碳氮动态演变以及温室气体排放等。为了能够更充分地认识DNDC模型,使之得到更广泛应用,本文基于DNDC模型的构成与功能、目前6个（DNDC、CENTURY、CASA、EPIC、Biome-BGC、Roth C）世界著名的生物地球化学模型的比较及其DNDC模型在稻田生态系统中的模块优化,从稻田土壤碳动态角度出发,分析和总结了DNDC模型在稻田土壤固碳潜力、温室气体CO₂和CH₄排放模拟、稻田管理模式评估以及模型参数敏感性分析方面的研究进展。本文也指出,受土壤属性空间异质性大、区域田间管理措施差异等因素影响,DNDC模型存在诸如点位尺度验证难以扩展到区位尺度模拟、模型矫正困难等限制模型准确性的问题。为使DNDC模型能够在中国复杂的农耕特征下开展模拟研究,今后的发展应重视DNDC模型模块功能优化、提高输入参数精确度等,进一步提高模型模拟精确度和预测评价系统的可信度,使模型更好地预测土壤碳动态变化,在稻田生态系统固碳减排和管理方案制定等方面发挥作用。     

土壤有机碳和无机碳耦合关系研究进展

干旱、半干旱地区土壤碳库由土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)组成。由于土壤有机碳和无机碳之间存在耦合关系,有机碳含量变化可能会导致无机碳含量变化,反之亦然。过去农田土地管理和退耕还林等措施增加碳库侧重土壤有机碳,但是由于土壤有机碳和无机碳耦合关系机理尚不清楚,土壤有机碳增加可能对土壤无机碳造成的影响了解不足,不利于精确估算土壤碳汇变化情况。总结土壤有机碳和无机碳耦合关系情况,并从土壤有机碳向无机碳转移、土壤无机碳对土壤有机碳的保护作用等方面探究土壤有机碳和无机碳耦合机理,并提出未来研究需要加强的几个方面。     

东北三省耕地土壤有机碳储量变化的模拟研究

 利用农业生态系统生物地球化学模型(DNDC)方法,在GIS区域数据库支持下运行模型,研究了东北三省地区土壤有机碳储量状况,及其在现行农田管理措施下的变化特征。结果表明,以1998年为例,东北三省耕地土壤有机碳(SOC)储量(0-30cm土层)约为124 348万t,黑龙江、吉林和辽宁省分别占58.4％、25.5％和16.1％;在目前的农作制度下土壤有机碳库处于严重的负平衡,每年净丢失有机碳3122万t,黑龙江、吉林和辽宁省分别占59.3％、25.9％和14.8％;单位面积耕地SOC年减少量高达2.05 t·     

基于DNDC模型的红枣生长模拟参数敏感性和产量不确定性分析

【目的】研究红枣生长模型模拟输入参数的敏感性和产量预测不确定性,为红枣生长模拟模型的本地化和区域化参数调整优化提供依据,以提高模型模拟预测精度和效率。【方法】以新疆昆玉市现代农业示范区为研究区,应用可扩展傅里叶振幅敏感分析法(EFAST)和蒙特卡罗法分析基于DNDC模型系统新构建的红枣生长模型的输入参数敏感特性和产量预测不确定性。【结果】作物参数中全株生物量中果实比例(Gfra)、最大作物产量(MaxY)、生长积温(TDD)和需水量(WaterR)等指标敏感度最高,土壤参数中田间持水率(FC)和孔隙度(Por)等指标敏感度最高,田间管理参数中灌溉量(IrrAm)、施肥量(FerAm)和有机肥施肥量(ManAm)等指标敏感度最高;随着参数的波动范围由±5%增大到±10%,红枣预测产量正态分布的相关一致性系数增大,模型的平稳性增加。【结论】调整参数优化模型,并对2015～2019年各年份进行产量模拟测试验证,预测产量结果相对误差控制在±8%以内(最小误差为-1.99%),调整红枣产量预测模型参数,提高了模型预测产量的精度,优化趋于合理。     

安徽省贵池区农田土壤有机碳分布变化及固碳意义

采用布点采样、室内分析测试方法,研究了安徽省贵池区农田土壤有机碳分布变化.结果表明,水稻土土壤有机碳含量及碳密度高于旱作土.贵池区(县域尺度)1984年水田耕层有机碳含量比旱地高出1/3,有机碳密度高出约5%.根据2005年贵池区土壤调查监测数据统计分析得出:水田耕层有机碳含量比旱地高出45.18%,有机碳密度高出23.73%.对比贵池区1984年和2005年两个时段的农田土壤有机碳的含量和碳密度:水稻土有机碳含量年均提高了2.01%,有机碳密度年均提高了3%;旱作土有机碳含量年均提高了1.11%,有机碳密度年均增加了1.3%.农田土壤有机碳含量与土壤性质相关.贵池区农田土壤有机碳与速效磷、碱解氮旱正相关,水稻土粘粒含量与有机碳含量呈正相关,而旱作土则无线性相关.     

基于分层多元复合模型的广东省农田土壤有机碳高精度制图

农田有机碳库是唯一可在较短时间尺度上通过合理利用而进行适度调节的碳库,农田土壤有机碳高精度制图对进一步明析地理环境背景,提升区域土壤固碳潜力,促进碳交易、碳中和等具有重要的意义。本研究以广东省为研究区,在中大空间尺度区域综合特征分区的基础上,基于地理探测器确定农田土壤有机碳空间分异的变量结构,分区构建分层多元复合模型,根据208 503个土壤采样点数据编制研究区高精度农田土壤有机碳密度空间分布图。结果表明：耦合自然地理特征和社会经济特征,引入多距离空间聚类进行中大空间尺度综合特征分区,能够显著收敛样本离散程度,土壤有机碳样本标准偏差均值、方差均值较未分区前分别下降0.55、3.53,Moran''s I指数上升0.08。受自然环境与人为扰动双重影响,农田土壤有机碳空间变异的变量众多,且不同综合特征分区内变量结构差异较大,年均降水量、海拔高度、地形坡度等变量在不同特征分区的影响力存在显著差异,土地利用方式及土壤理化性质等变量对不同特征分区均存在较大的影响力。基于地理探测器构建的分层多元复合模型,较好地解决了中大尺度和复杂情景下土壤有机碳空间分异规律与空间突变的同步表达矛盾,抑制了多变量插值噪声增加,其综合精度较地理加权回归模型（GWRK）、径向基函数神经网络（RBFNN）和普通克里格（OK）分别提升6.45%、10.45%和7.50%。在大密度样本集支持下,综合区域综合特征分区、地理探测器、分层多元复合模型等技术手段编制的广东省高精度农田土壤有机碳空间分布图,预测结果准确,空间细节表达清晰,为编制大空间尺度的土壤有机碳分布图探索了有效路径。     

基于土壤有机碳密度变化率的畜禽粪便农田承载力估算

为完善面向土壤固碳的畜禽粪便承载力估算方法研究,以北大荒集团和新疆生产建设兵团种养业生产系统为研究对象,根据种养业生产现状与农田土壤固碳机制,以静稳态模型为基础,构建基于土壤有机碳密度变化率的畜禽粪便农田承载力模型;设定土壤有机碳密度变化率目标值,估算每hm²农田适宜施用畜禽粪便有机肥量与畜禽承载量。结果表明：1）当农田土壤有机碳密度维持当前水平,北大荒集团和新疆生产建设兵团农田可承载的畜禽养殖量以猪当量计分别为180.5~832.1和14.7~327.6头/hm²。2）考虑土壤固碳需求,两地畜禽养殖业未来发展潜力大。本研究成果可为区域种养结合与绿色低碳发展提供参考资料。     

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。     

土地利用方式改变对湿地土壤总有机碳与可溶性有机碳的影响

为探明土地利用方式改变对湿地土壤总有机碳(TOC)和可溶性有机碳(DOC)含量的影响,采取空间替代时间的方法,测定了湿地、由湿地转变而成的林地、不同开垦年限的耕地和由耕地转变而成的果园土壤中TOC和DOC含量的变化。结果显示:湿地在开垦为耕地3 a后,土壤0～30 cm土层TOC含量显著(P<0.05)下降,开垦30 a后,只有0～10 cm的土壤表层TOC含量得到积累并恢复到与湿地相当的水平,表明湿地围垦后,土壤碳的丧失与积累在时间和空间上不对等,碳的损失发生期短,且集中在0～30 cm土层,碳的积累所需时间较长,且主要积累于0～10 cm土层。湿地、由湿地转变而成的新生耕地、林地DOC含量在土壤剖面上未表现出随土层增加而变化的趋势,DOC分配比例在除新生耕地外的4种土地利用类型中均表现为随土层增加而逐渐升高,说明DOC分配比例较DOC含量对土层深度变化更敏感,更适于表征DOC在土壤剖面方向上的变化。0～20 cm土层的DOC分配比例与土地利用方式无关。湿地在转变为耕地初期,20 cm以下土层的DOC分配比例下降,耕作30 a后显著(P<0.05)升高;耕地再转变为果园的...     

不同地力玉米田土壤有机碳矿化特征

为探讨不同地力玉米田土壤有机碳矿化特征,通过为期196 d的土壤有机碳矿化培养试验,对高、中、低3种不同地力玉米田0～20 cm和20～40 cm土层土壤进行了研究。结果表明:不同地力玉米田土壤有机碳矿化速率随时间的变化呈现相同的变化趋势,即随培养时间延长,呈现先高后低的变化趋势,最后趋于平稳;但随地力等级的降低,土壤有机碳矿化速率逐渐减小。培养结束时,不同地力玉米田0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机碳累积矿化量之间均存在显著性差异(P0.05);低地力土壤有机碳稳定性最差,固存量最小。同一地力,20～40 cm土层土壤有机碳矿化速率和累积矿化量较0～20 cm显著降低(P0.05),表层土壤稳定性较差,不利于土壤有机碳固定。伴随土壤有机碳矿化过程,土壤微生物生物量碳(MBC)和土壤可溶性有机碳(DOC)含量均较初始含量显著降低(P0.05);土壤有机碳潜在矿化势(Cp)与土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、MBC和DOC均呈极显著正相关。土壤有机碳矿化是陆地生态系统碳循环的重要过程,且当地力等级变化时,各土层土壤有机碳的稳定性均受到不同程度的影响。     

基于文献计量分析近11年土壤有机碳的研究进展

为了解土壤有机碳的研究现状和热点动态,基于文献计量分析,在Web of Science核心数据库中以土壤有机碳为主题词进行检索,通过筛选将得到的891篇相关高被引论文作为研究数据,利用VOSviewer和Citespace软件对以土壤有机碳为主题词的文献进行定量分析。结果表明：1)高被引文献在2012—2022年间总体呈上下波动状态。2)环境科学、生态学和多学科科学等学科是土壤有机碳研究涉及的主要学科领域,多学科科学逐渐成为研究的主要趋势,在该领域占有重要地位。3)Yakov Kuzyakov和中国科学院是土壤有机碳研究相关领域的主要贡献作者和机构;中国科学院和Yong Sik Ok分别为该研究领域内与其他科研机构和作者之间合作最为密切的机构和作者。4)通过对关键词和突现词的分析得出,该领域的主要研究热点和发展趋势主要集中在土壤中CO₂含量的变化对大气中温室气体含量与气候变化之间的关系、农业土地利用中土壤有机碳封存与固定和热解温度对生物炭影响的相关研究。总体而言,在全球气候变暖的背景下,土壤有机碳的研究仍然是目前研究的热点主题,今后应更加注重不同环境、不同区域间的...     

玉米秸秆添加畜禽粪便田间条带堆腐对黑土活性有机碳的影响

为明确秸秆田间条带堆腐在农业生产中推广应用的可能性,以吉林省范家屯农业科技示范园黑土为研究对象,探讨秸秆添加不同畜禽粪便田间条带堆腐还田对土壤活性有机碳的影响。以玉米秸秆为供试材料,进行田间堆腐试验,设置本地秸秆覆盖还田(即对照,CK)、秸秆条带堆腐无畜禽粪便(ST)、秸秆条带堆腐+腐熟猪粪(STP)、秸秆条带堆腐+腐熟鸡粪(STC)4个处理。通过测定土壤有机碳(SOC)、土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤溶解性有机碳(DOC)、土壤易氧化有机碳(EOC),综合分析土壤活性有机碳的含量和碳库管理指数(CPMI)。结果表明:秸秆条带堆腐还田各处理土壤SOC、MBC、EOC、DOC含量均高于CK处理,其中秸秆条带还田添加畜禽粪便处理更为显著,各活性碳组分含量较CK处理呈升高趋势。相关性分析表明田间条带堆腐土壤SOC、DOC、EOC、CPMI间呈现显著或极显著正相关,与氧化稳定系数(Kos)显著或极显著负相关。玉米秸秆条带堆腐还田有效增加土壤SOC、MBC、DOC、EOC含量,秸秆添加不同畜禽粪便处理中鸡粪更显著增加土壤有机碳和土壤活性有机碳含量,增加CPMI,降低Kos,对改善黑土碳库质量有着积极的作用。