南方水田土壤有机碳动态研究的重要意义及其前沿领域

研究农田土壤有机碳库动态特征及其过程机制,不仅可降低人类对未来气候预测的不确定性,而且可为农田土壤固碳和生产力保育的技术选择和政策制定提供理论依据。南方农区是我国粮食主产区,该区80%的耕地是水田,因此,研究南方水田土壤有机碳动态具有重要的科学价值和现实意义。通过大量文献的综述分析,对农田土壤有机碳库分组、稳定机制和试验方法的研究现状和发展趋势进行了系统总结,在此基础上,结合实践经验,提出了南方水田土壤有机碳研究的关键问题和重点领域。     

南方红壤稻田与旱地土壤有机碳及其组分的特征差异

大量研究证明稻田土壤比旱地土壤更具同碳潜力,但至今对稻田土壤同碳机制的认识尚不甚清楚.本研究于2007年利用两个开垦年代相似,近20多年分别一直种植双季稻和双季玉米的长期定位试验,来比较不同种植模式下土壤有机碳及其组分的差异.结果表明,水田土壤总有机碳和总氮的浓度分别是旱地的2.2倍和2.5倍.与试验前相比.水稻种植显著提高了土壤有机碳的含量,增幅达到30.8%,而旱地的前后差异不显著.在所有团聚体粒径水平上,水田有机碳的浓度均显著高于旱地.其中53-250 μm微团聚体相差最大,水田是早地的近3倍.水田微团聚体保护碳(iPOM-m)在土壤中的浓度是旱地的4.2倍,微团聚体保护碳在总有机碳中的比重也显著高于旱地,达到25.5%.是旱地的2倍.水田和旱地iPOM-m组分碳的差异能够解释其总有机碳差异的42.8%.上述结果可以增强我们对稻田土壤同碳机制的了解.为稻田土壤碳管理提供理论依据.     

秸秆还田下我国南方稻田表土固碳潜力研究——基于Meta分析

[目的]探究我国南方稻田不同秸秆还田方式下表土固碳潜力的大小.[方法]基于南方地区40个稻田长期试验点102组表土有机碳数据,利用Meta分析法研究了翻耕秸秆还田(CTS)、免耕秸秆还田(NTS)和旋耕秸秆还田(RTS)下稻田表土有机碳含量的相对年变化量、固碳持续时间及固碳周期内的固碳量.[结果] CTS、NTS和RTS均能显著提高南方稻田表土有机碳含量,其表土有机碳含量相对年变化量(RM)分别为0.42、0.37和0.64 g·kg-1 ·a-1,三者中,RTS为最大,约为NTS的1.7倍,CTS的1.5倍.秸秆还田下两熟制和三熟制稻田RM均值分别为0.40和0.61 g·kg-1 ·a-1,同一秸秆还田方式下,三熟制稻田RM显著高于两熟制,其中,NTS处理下两者差距最大,达2.0倍,CTS和RTS的差距稍小,但也分别达到了1.37和1.39倍.随着时间的延长,稻田表土有机碳积累速率逐渐降低,CTS、NTS和RTS的表土固碳持续时间分别为27、44和30年,以NTS最长;整个固碳周期内所能增加的有机碳量分别为15.8％、23.3％和27.3％,其中RTS增加最多.[结论]从农田土壤固碳角度考虑,在我国南方地区稻田旋耕秸秆还田较其他两种还田方式更为适宜.     

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.     

土壤有机碳储量的估算研究进展

就土壤碳循环与全球变化,人类活动对土壤有机碳库的影响,土壤有机碳库的估算等主要研究进展进行了分析综述,并基于空间尺度对相关估算方法进行了分析和评价。     

水田和旱地土壤有机碳周转对水分的响应

【目的】研究土壤含水量对水田和旱地土壤中可溶性有机碳和微生物量碳含量以及有机碳矿化的影响,以探明水田和旱地有机碳周转差异的来源。【方法】在标准培养条件下（25℃,100%空气湿度）培养100 d,研究了5个水分梯度下（45%、60%、75%、90%、105%WHC,WHC为土壤饱和持水量）水田和旱地土壤有机碳的矿化特征,并测定了培养期内3个水分梯度下（45%、75%、105%WHC）土壤的可溶性有机碳（DOC）和微生物量碳（MBC）含量。【结果】土壤含水量、土地利用方式（水田和旱地）及两者的交互作用对土壤有机碳的矿化、DOC和MBC均有显著影响。水田（45%-90%WHC）和旱地（45%-75%WHC）土壤有机碳的累积矿化率（量）随含水量增高而增高,有机碳的周转半衰期随含水量的增高而缩短（水田为5.23-7.57 a,旱地为6.79-12.87 a）。100 d的培养期内,水田和旱地土壤分别有2.33%-3.94%和1.66%-3.33%的有机碳参与了矿化。淹水条件下,水田和旱地土壤的有机碳矿化速率均高于好气条件。同时,淹水条件还使水田土壤的DOC、MBC含量显著降低,对旱地则无影响。【结论】在一定水分范围内（水田：45%-90%WHC;旱地：45%-75%WHC）,提高含水量可以促进水田和旱地土壤有机碳的矿化,有利于养分的释放,但对土壤活性有机碳（DOC和MBC）无促进甚至有抑制作用。土壤有机碳的矿化速率和累积矿化率（量）,在淹水条件下和水田土壤中比在好气条件和旱地土壤中高,其原因之一可能是取样制样过程中土样经历的干湿交替过程促进了有机碳的降解。     

土地整治工程对土壤有机碳的影响

土壤有机碳库是全球陆地生态系统最重要的碳库,随着近年来土地整治规模的不断增加,土地整治工程对土壤有机碳也产生了较大的影响。本文探讨了2种主要土地整治工程对农田土壤有机碳的影响,以期引起土地科技工作者对于土地整治工程固碳意义的重视,为改善区域环境提供借鉴。     

土壤有机碳库与全球变化研究的若干前沿问题——兼开展中国水稻土有机碳固定研究的建议

缓解碳汇饱和的碳固定及其机制是寻找陆地生态系统碳管理可持续战略的主要科学问题。土壤有机碳是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一。近年来，国际学术界在探讨温带森林、湿地和极地生态系统与土壤碳汇效应的同时，越来越重视农业土壤有机碳库的变化及其对陆地生态系统和大气CO2的源汇效应，以及其在人类利用和管理与生态环境演变中的动态变化。西方国家已将固碳农业作为环境管理的导向。对土壤中有机碳固定作用的研究已应用颗粒分组^13C NMR或CPMAS－NMR技术，揭示土壤有机碳的微团聚体分布、腐殖质的转化和分子结构变化及其与土壤矿物质结合机制的微观水平。土壤有机碳在生态环境变化和全球变化下的稳定性是认识土壤碳库对于全球变化的长期效应的基本问题，成为土壤碳研究的热点。目前主要从土壤升温和空气CO2加倍两方面进行研究，但短期的实验结果用于讨论长期效应时仍存在不定性。中国大面积的水稻1980年以来显示出的有机碳库增加现象说明农业生产对大气CO2可能产生汇效应。但对于水稻土中有机碳的分布和结合状态与农业管理措施、水稻土质量变化、农业生态环境变化的关系仍不清楚。因而建议就这一问题从土壤物理学、化学和生物学的相互作用与土壤微团聚体中矿物质、有机质和生物质的相互结合关系的层面上进行多学科研究。     

稻田土壤有机碳平衡及其数学模拟研究

以浙江嘉兴和衢州两个为期10年的定位试验资料为基础,应用Jenny方程对土壤有机质平衡过程作数学模拟研究,得出在该条件下两地的土壤有机质矿化率和年矿化量,分别为4.04%和5.08%,1.347和 1.221 t/hm2,推算出在稻田每年投入45 t/hm2厩肥或不施肥条件下对土壤有机质平衡的长期影响:若稻田每年施入45 t/hm2厩肥,60年之后,土壤的有机质含量将趋至平衡,嘉兴和衢州稻田的土壤有机质含量将分别达到50.4 g/kg和49.2 g/kg;而不施肥区仅仅依靠稻田根茬残留作为有机物料的补充来源,两地的土壤有机质含量将最终分别下降至22.5 g/kg和16.0 g/kg.维持无肥区土壤有机质平衡的有机物年需要量为3～5 t/hm2.     

武夷山常绿阔叶林土壤有机碳和微生物量碳的动态特征

为了探讨常绿阔叶林关键区域土壤碳循环规律,在2010—2011年间,以武夷山常绿阔叶林不同土层土壤为对象,研究土壤微生物量碳(MBC)和土壤有机碳(SOC)的季节变化特征及剖面分布;分析森林土壤微生物量碳与土壤有机碳、土壤微生物熵(qMB)的关系及其影响因素。结果表明,常绿阔叶林土壤微生物量碳含量的变化表现为:夏季、秋季较高,春季、冬季较低;而土壤有机碳含量的季节变化不明显。土壤微生物量碳和土壤有机碳在G1(0～10cm)表层土壤含量明显高于G2(10～20cm)和G3(20～30cm),差异显著;而G2、G3土层之间差异不显著,但表现为自上向下显著递减的趋势;土壤微生物量碳与土壤有机碳、土壤微生物熵含量均表现出显著相关性(P<0.01)。研究表明,表层土壤有机碳的累积量较高,土壤有机碳的积累对土壤微生物量碳具有重要的影响。     

长期施肥下水稻土有机碳固持形态与特征

基于为期30年的红壤性水稻土长期定位试验,选用不施肥(CK)、化肥氮磷钾配施(NPK)、NPK配施低量有机肥(NPKM7/3)、NPK配施中量有机肥(NPKM5/5)、NPK配施高量有机肥(NPKM3/7)五个处理,通过物理-化学联合分组方法,分析土壤有机碳在不同施肥处理下的非保护、物理、化学、生化、物理-化学及物理-生化保护组分的碳含量特征及其与土壤总有机碳之间的关系,并探讨稻田土壤有机碳的固持机制。结果表明,除了非保护的轻组和微团聚体内闭蓄态的粘粉粒组分外,其他组分的质量比例在各施肥处理间均有显著性差异。有机无机配施(NPKM7/3、NPKM5/5、NPKM3/7)下,总有机碳含量(19.1~25.0 g·kg-1)、非保护的粗颗粒有机碳(cPOM)含量(8.41~12.7 g·kg-1)及物理保护的微团聚体有机碳(6.41~6.62 g·kg-1)含量均显著高于CK处理(P<0.05)。对化学、生化、物理-化学及物理-生化保护态的有机碳含量无显著性影响,表明非保护的cPOM及物理保护的微团聚体(μagg)对施肥的响应最敏感。相关分析表明,cPOM、物理保护的μagg及其闭蓄的细颗粒有机碳(iPOM)与土壤总有机碳含量之间呈显著正相关关系(P<0.05),相关方程的斜率表明有机碳变化引起了组分变化,其中:土壤总有机碳变化引起的cPOM变化率最高(50%);土壤总有机碳积累引起物理保护的μagg及其闭蓄的iPOM碳组分变化率为12%;生化保护的非酸解粘粒和物理-化学保护的酸解的粉粒虽与土壤总有机碳显著相关,其变化率仅为2%~3%;其他各保护机制下的组分与土壤总有机碳含量均无显著相关关系。这表明在现行种植和管理制度下,供试红壤性水稻土有机碳主要以cPOM及μagg有机碳的形式积累,土壤化学、生化、物理-化学及物理-生化保护碳组分可能已经达到平衡。     

耕作措施对双季稻田土壤碳及有机碳储量的影响

针对不同耕作措施对双季稻田的固碳效应和固碳潜力问题,选择湖南省宁乡县的双季稻区试验点进行了有机碳、活性有机碳以及耕层有机碳储量的研究,以期为制定适合于稻田条件下的合理耕作方式提供理论依据。结果表明,耕作措施和秸秆还田对有机碳(SOC)和活性有机碳(AOC)含量均产生不同程度的影响。免耕处理下,有机碳和活性有机碳含量皆随土壤深度的增加而减少,土壤0～5cm的SOC和AOC的含量最高,且与其他层次达到显著性差异水平(P<0.05),具有明显的表层富集现象。与免耕相比,旋耕和翻耕则更利于5～10cm和10～20cm土层的有机碳和活性有机碳的积累。比较秸秆还田对SOC和AOC的影响表明,秸秆还田有效地提高了0～10cm有机碳含量,但对10～20cm并未产生显著影响,秸秆的输入并未增加土壤活性有机碳的含量。采用等质量方法计算了耕层土壤有机碳储量,结果显示旋耕秸秆还田使有机碳储量明显增加,而免耕只增加了土壤0～5cm和5～10cm土层有机碳储量,10～20cm有机碳储量有所降低,但耕作措施对有机碳储量的长效作用还有待于进一步研究。     

稻田土壤有机碳固定研究及其展望

土壤有机碳是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一。我国农业土壤尤其是稻田土壤有机碳库的变化及其对陆地生态系统和大气CO2的源汇效应,对水环境质量和土壤肥力的影响,以及其在人类利用和管理与生态环境演变中的动态变化越来越受到重视。讨论了稻田土壤与旱地土壤有机碳固定的差异、有机碳在稻田土壤中分布、碳固定的可能机制及其施肥影响,并为进一步研究提出了展望。     

Effects of Long-Term Organic Amendments on Soil Organic Carbon in a Paddy Field A Case Study on Red Soil

Soil organic carbon （SOC） is one of the main carbon reservoirs in the terrestrial ecosystem. It is important to study SOC dynamics and effects of organic carbon amendments in paddy fields because of their vest expansion in south China. A study was carried out to evaluate the relationship between the SOC content and organic carbon input under various organic amendments at a long-term fertilization experiment that was established on a red soil under a double rice cropping system in 1981. The treatments included non-fertilization （CK）, nitrogen-phosphorus-potassium fertilization in early rice only （NPK）, green manure （Astragalus sinicus L.） in early rice only （OM1）, high rate of green manure in early rice only （OM2）, combined green manure in early rice and farmyard manure in late rice （OM3）, combined green manure in early rice, farmyard manure in late rice and rice straw mulching in winter （OM4）, combined green manure in early rice and rice straw mulching in winter （OMS）. Our data showed that the SOC content was the highest under OM3 and OM4, followed by OM1, OM2 and OM5, then NPK fertilization, and the lowest under non-fertilization. However, our analyses in SOC stock indicated a significant difference between OM3 （33.9 t ha^-1） and OM4 （31.8 t ha^-1）, but no difference between NPK fertilization （27 t ha^-1） and nonfertilization （28.1 t ha^-1）. There was a significant linear increase in SOC over time for all treatments, and the slop of linear equation was greater in organic manure treatments （0.276-0.344 g kg-1 yr^-1） than in chemical fertilizer （0.216 g kg^-1 yr^-1） and no fertilizer （0.127 g kg^-1 yr^-1）.     

Regional Differences and Characteristics of Soil Organic Carbon Density Between Dry Land and Paddy Field in China

Study on the regional characteristics of soil organic carbon （SOC） density in farmland will not only contribute greatly to the technique of soil productivity enhancement, but also give evidences of technique selection and policy making for carbon sequestration in soils. Based on the second national soil survey of China, the situation of SOC density in the plow layer of farmland was analyzed under different land use patterns. Results showed that SOC density in the plow layer was about 3.15 kg m^-2 in average ranging from 0.81 to 12.68 kg m^-2. The highest density was found in the southeastern region with an average of 3.63 kg ma, while the lowest occurring in the northwestern region with an average of 3.00 kg m^-2. The variation coefficient of SOC density in the plow layer of farmland was 57%, which was 35% lower than that of non-farmland soils. Compared to SOC density in the dry land, SOC density in paddy soils was 13% higher with a lower variation coefficient between different regions. In addition, the relationships between the climatic factors （annual average temperature and precipitation） and SOC density were lower in farmland than those in non-farmland soils, as well as lower in paddy soils than those in dry land of farmland. These results suggest that anthropogenic disturbances have great impacts on SOC density in farmland soils, especially in paddy soils, indicating that Chinese rice cropping may contribute greatly to the SOC stability and sequestration in paddy field.     

Effects of Long-Term Organic Amendments on Soil Organic Carbon in a Paddy Field: A Case Study on Red Soil

Soil organic carbon (SOC) is one of the main carbon reservoirs in the terrestrial ecosystem. It is important to study SOC dynamics and effects of organic carbon amendments in paddy fields because of their vest expansion in south China. A study was carried out to evaluate the relationship between the SOC content and organic carbon input under various organic amendments at a long-term fertilization experiment that was established on a red soil under a double rice cropping system in 1981. The treatments included non-fertilization (CK), nitrogen-phosphorus-potassium fertilization in early rice only (NPK), green manure (Astragalus sinicus L.) in early rice only (OM1), high rate of green manure in early rice only (OM2), combined green manure in early rice and farmyard manure in late rice (OM3), combined green manure in early rice, farmyard manure in late rice and rice straw mulching in winter (OM4), combined green manure in early rice and rice straw mulching in winter (OM5). Our data showed that the SOC content was the highest under OM3 and OM4, followed by OM1, OM2 and OM5, then NPK fertilization, and the lowest under non-fertilization. However, our analyses in SOC stock indicated a significant difference between OM3 (33.9 t ha-1) and OM4 (31.8 t ha-1), but no difference between NPK fertilization (27 t ha-1) and nonfertilization (28.1 t ha-1). There was a significant linear increase in SOC over time for all treatments, and the slop of linear equation was greater in organic manure treatments (0.276-0.344 g kg-1 yr-1) than in chemical fertilizer (0.216 g kg-1 yr-1) and no fertilizer (0.127 g kg-1 yr-1).     

土壤团聚体与有机碳固定关系研究进展

土壤固碳是目前认可的固碳措施之一,对稳定土壤生产力和应对全球气候变化具有积极效应。土壤团聚体是土壤的重要组成部分,也是一种特殊的有机-无机复合体,影响着土壤的各种物理和化学性质,因此土壤团聚体和有机碳是不可分割的,目前土壤团聚体中有机碳方面已经积累了大量的研究,随着现代研究方法的发展,已经深入到不同方式下的固碳机理研究。本研究通过大量阅读文献和查阅资料,在综合各方面研究的基础上,探讨了团聚体中有机碳的分离方法、团聚体与有机碳的关系、团聚体有机碳固定的途径和方法,并进行了相关展望,以期为团聚体中有机碳的研究提供理论和方法上的支持,促进农业和固碳减排技术可持续发展。     

长期施肥下黄壤性水稻土有机碳组分变化特征

【目的】土壤有机碳具有高度异质性,不同组分的有机碳由于化学性质和存在方式等不同,其生物有效性和肥力功能不同,并反映出不同的稳定机制,所以深入研究土壤有机碳的组分特征,对于更好地了解土壤有机碳的稳定性和肥力机制具有重要意义。本研究以黄壤性水稻土为对象,旨在研究揭示长期施肥对土壤有机碳组分特征的影响并探讨合理培肥模式。【方法】以中国黄壤性水稻土18年长期施肥定位试验为依托,通过田间取样和室内分析,采用土壤有机碳物理-化学联合分组方法,重点研究不同施肥条件下土壤有机碳组分含量及分配比例的变化,并通过定量分析组分碳含量与年均碳投入量的关系,探讨土壤有机碳饱和现象。试验处理包括不施肥对照（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）、无机肥配施低量有机肥（0.5MNPK）和无机肥配施高量有机肥（MNPK）,碳投入梯度为0.87-6.02 t·hm^-2·a^-1。【结果】与不施肥（CK）相比,单施化肥（NPK）处理显著增加了土壤游离态粗颗粒有机碳、化学保护粉粒组有机碳和生物化学保护粉粒组有机碳含量,总有机碳提升10%;有机肥处理（0.5MNPK、M、MNPK）显著增加了土壤游离态粗颗粒有机碳、物理保护有机碳、化学保护粉粒组、黏粒组有机碳和生物化学保护粉粒组、黏粒组有机碳,增加幅度高于化肥处理,总有机碳提升24%-46%,其中以有机无机肥配施（MNPK）的提升幅度最大;与不施肥（CK）及单施化肥（NPK）处理相比,有机肥处理（0.5MNPK、M、MNPK）土壤物理保护有机碳的分配比例显著升高;模型分析发现,长期施肥条件下土壤游离态粗颗粒有机碳浓度与年均碳投入量呈显著的线性关系,而化学保护态有机碳浓度与生物化学保护态有机碳浓度以及土壤总有机碳含量,均与年均碳投入量呈显著的“饱和曲线效应”的对数函数关系。【结论】有机无机肥配施是提升黄壤性水稻土有机碳水平的最佳培肥措施,并以物理保护有机碳的提升幅度最大,强化了有机碳的物理稳定机制;黄壤性水稻土较稳定的有机碳组分（化学保护态、生物化学保护态）以及总有机碳存在饱和现象,在当前条件下出现饱和限制。