Soil organic carbon depletion in global Mollisols regions and restoration by management practices: a review

Purpose

Mollisols are the most fertile, high-yielding soils in the world. During the past several decades, Mollisols have lost about 50% of their antecedent organic carbon (C) pool due to soil erosion, degradation, and other unsuitable human activities. Therefore, restoring soil organic C (SOC) to Mollisols via reasonable management is crucial to sustainable development and is important for environmental stability. However, the existing literature on SOC and soil quality has focused on one soil type or on a given region where Mollisols occur, and the degree of SOC depletion and stabilization in Mollisols have not been comprehensively evaluated. Overall, we propose to develop an optimum scheme for managing Mollisols, and we outline specific issues concerning SOC restoration and prevention of SOC depletion.

Materials and methods

In this review, we identify the uncertainties involved in analyses of SOC in Mollisols as related to management practices. According to the existing literature on SOC in Mollisols at the global scale, we analyzed the results of SOC depletion research to assess management practices and to estimate the C amount stabilized in Mollisols.

Results and discussion

The review shows that the SOC stocks in Mollisols in North America under cropped systems had 51?±?4 (equiv. mass) Mg ha^?1 in the top 30 cm soil layer. The SOC contents in Northeast China decreased from 52 to 24 g kg^?1 (46%) after 150 years of cultivation management. All of the Mollisols regions in the world are facing the challenge of SOC loss, and this trend could have a negative influence on global climate change. Hence, it is very important to take proper measures to maintain and enhance organic C contents in Mollisols.

Conclusions

We concluded that reasonable management practices, including no-tillage, manure and compost fertilization, crop straw returning, and mulching cultivation, are the recommended technologies. The C restoration in Mollisols is a truly win-win strategy for ensuring the security of food and soil resources while effectively mitigating global climate change. Thus, more attention should be given to protective management and land use for its impacts on SOC dynamics and soil properties in Mollisols regions.

     

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

农田土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分,其积累和分解直接影响陆地生态系统碳贮藏与全球碳平衡。土壤团聚体是土壤结构的物质基础和土壤肥力的重要载体,也是土壤有机碳的固定场所。稳定~(13)C同位素示踪技术是研究土壤碳动态变化的有效手段,能够揭示新输入碳在土壤及团聚体中赋存状态、周转过程以及微生物的调节机制。本文主要归纳与阐述了稳定~(13)C同位素示踪技术在农田土壤有机碳循环及土壤团聚体固碳机理方面的研究进展,提出~(13)C同位素示踪技术在未来土壤碳循环和固碳机制方面的主要研究方向。     

长期施肥对棕壤团聚体组成及其主要养分赋存的影响

采用干筛法对长期不同施肥处理棕壤进行团聚体分级,并对不同级别团聚体中有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)含量与分配进行分析,探讨了土壤团聚体与土壤肥力状况的关系。结果表明,棕壤团聚体以0.25~1mm为优势粒级。有机肥(猪粪)施用与有机无机(猪粪+氮肥)配施不仅增加了大团聚体含量,提高了团聚体稳定性,而且还增加了各粒级团聚体的SOC、TN、TP和TK含量,其中大团聚体中增加较多(0.25mm)。无机肥(氮肥)施用减少了大团聚体含量,降低了土壤团聚化程度,同时降低了各粒级团聚体的SOC、TP和TK含量。各施肥处理下大团聚体较微团聚体中含有更高的碳、氮、磷和钾储量。有机碳、全氮和全磷储量均与2mm团聚体含量呈显著正相关(P0.05)。2,1~2mm团聚体含量和平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈显著正相关(P0.05),其中2mm团聚体含量与MWD、GMD达到极显著正相关(P0.01)。因此,在农业生产过程中可以施用有机肥来改善土壤结构,提高土壤肥力。     

Dynamics of maize straw–derived nitrogen in soil aggregates as affected by fertilization

Journal of Soils and Sediments - The addition of maize residue nitrogen (N) to the soil strongly influences soil N accumulations, but the specific contributions of maize residue N to soil...     

13C富集玉米根、茎、叶添加对长期不施肥和施肥处理棕壤土壤呼吸的影响及其激发效应

玉米根、茎、叶残体因含碳化学组分差异,还田后对不同肥力土壤呼吸及激发效应的影响存在差异性,为探究这种影响的田间差异性,采用13C标记玉米秸秆示踪方法,在沈阳农业大学棕壤长期定位试验站进行540天田间培养试验,共设置8个处理：低肥土壤（LF+CK）、低肥土壤＋根（LF+R）、低肥土壤＋茎（LF+S）、低肥土壤＋叶（LF+L）、高肥土壤（HF+CK）、高肥土壤+根（HF+R）、高肥土壤+茎（HF+S）、高肥土壤+叶（HF+L）。结果显示：（1）培养期内,土壤呼吸通量、秸秆碳对土壤CO2-C排放的贡献率均呈下降趋势;（2）与不添加秸秆土壤相比,低肥土壤添加根、茎、叶处理的土壤CO2-C排放累积量分别增加134%、126%和95%,高肥土壤分别增加157%、189%和96%;（3）根、茎在高肥土壤中对土壤CO2-C排放的贡献显著大于叶,在低肥土壤中并无差异;（4）秸秆不同部位还田均会引起高低肥土壤的正激发效应,其中添加根、茎的激发效应显著强于叶,而秸秆不同部位对两种肥力水平土壤的激发效应均无显著影响。综上,秸秆不同部位还田对土壤呼吸的CO2累积排放量影响显著;玉米叶较玉米根、茎容易分解,但由于土壤自身养分差异,玉米叶还田初期在低肥土壤分解速率高于根、茎,而在高肥土壤小于根、茎。因此细化秸秆还田对农田土壤呼吸有重要意义,未来在秸秆还田研究中应考虑秸秆不同部位和土壤肥力间的交互影响。     

外源新碳在不同肥力土壤中的分配与固定

外源新碳加入土壤后,传统技术尚无法区分其与原土壤有机碳的不同。利用13C稳定同位素方法,通过室内培养实验,探讨玉米秸秆和根茬添加到不同肥力水平土壤后外源新碳在土壤中分配与固定的差异。结果表明:(1)低肥土壤添加叶28 d后土壤有机碳(SOC)含量高于添加根和茎的;高肥土壤添加叶在整个培养期间(1~180 d)SOC含量都高于添加根和茎;两种肥力水平土壤在添加玉米根、茎、叶180 d后SOC含量均接近相等。(2)玉米根、茎、叶的添加对SOC中外源新碳含量以及残体残留率的影响不同,28 d前低肥土壤外源新碳含量高于高肥土壤,28 d后结果与之相反;低肥土壤在培养28 d后添加根的残留率比添加茎和叶的低,高肥土壤在培养7 d后添加叶的残留率比添加根和茎的低。以上结果表明,外源新碳在土壤中的固定受其来源和土壤肥力水平的影响与制约。     

不同杀虫剂对稻纵卷叶螟防治效果的研究

文章分析了200g/L氯虫苯甲酰胺SC(康宽)、15%茚虫威SC(安打)、5%氟虫腈SC(锐劲特)、有机磷类杀虫剂、阿维菌素类杀虫剂、沙蚕毒素类杀虫剂以及混合类杀虫剂等7种不同杀虫剂对稻纵卷叶螟的防治效果.结果表明,康宽10mL/667m2、安打16mL/667m2、75%乙酰甲胺磷SP 150g/667m2、40%毒死蜱EC 100 mL/667m2、蓝锐100 mL/667m2、20.5%阿维*乙酰甲胺磷EC 200 mL/667m2、75%乙酰甲胺磷SP 90g+40%毒死蜱EC 50mL/667m2,在稻纵卷叶螟1～2龄期施药,效果达98%,持效期长达14d.沙蚕毒素类杀虫剂对稻纵卷叶螟的防效较差.     

基于生态位理论的东北黑土区耕地整治适宜性评价——以公主岭市为例

耕地整治是保护耕地的重要举措,耕地整治适宜性评价则是开展耕地整治的重要前提和基础。本研究以生态位理论为基础,以吉林省公主岭市为例,从自然条件、基础设施条件、生态可持续性和空间稳定性4个维度选取14个指标,采用Delphi与AHP相结合的方法确定指标权重,在评判影响耕地整治的各项指标实际值(现实生态位)与耕地整治在理想条件下各项指标能够达到的最佳状态(最适生态位)的贴近程度的基础上,确定了3种类型指标的评价模型,并通过加权求和模型计算各评价单元耕地整治生态位适宜度,最终通过Ward聚类法将公主岭市耕地整治适宜性划分为4个等级,同时引入障碍性因素模型,定量确定不同等级区域耕地整治的障碍性因素,并提出整治的方向和对策。研究结果表明,研究区可分为4个整治区,Ⅰ级高度适宜区生态位适宜度大于0.75,耕地面积13 799.89 hm2,占总耕地面积的4.16%,主要障碍性因素为农田防护林覆盖率、道路通达度和田块规整度;Ⅱ级中度适宜区生态位适宜度在0.70到0.75之间,耕地面积77 754.36 hm2,占总耕地面积的23.41%,主要障碍性因素为灌溉条件、道路通达度和农田防护林覆盖率;Ⅲ级轻度适宜区生态位适宜度在0.61到0.70之间,耕地面积177 192.38 hm2,占总耕地面积的53.36%,主要障碍性因素为土壤有机质含量、距主交通干线距离和土壤pH;Ⅳ级不适宜区生态位适宜度小于0.61,耕地面积63 325.61 hm2,占总耕地面积的19.07%,主要障碍性因素为土壤质地、灌溉条件和耕层厚度。研究基于生态位适宜度模型对耕地整治适宜性进行评价,丰富了耕地整治适宜性评价方法,同时评价结果为耕地整治分区建设以及整治方向提供了科学依据。     

东北典型黑土区耕地质量时空变化研究

为揭示东北典型黑土区耕地质量时空变化特征,本研究遵循《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)国家标准,在利用特尔菲法选取16个评价指标、层次分析法确定评价指标权重的基础上,建立了东北典型黑土区耕地质量评价指标体系,借助ArcGIS软件对研究区2008年和2018年耕地质量进行同一指标体系和同一分级标准的耕地质量评价,旨在掌握研究区10年间的耕地质量时空变化特征,探究耕地质量变化原因。结果表明:东北典型黑土区耕地质量2008年以中低等地为主,平均耕地质量等级为5.14, 2018年以中高等地为主,平均耕地质量等级为3.92, 10年间东北典型黑土区耕地质量等级提升了1.22个等级;其中, 1～4等地面积均有增加,5～10等地面积均减少,10年间研究区评价单元耕地质量等级提升最多为8个等级,下降最多为7个等级,耕地质量等级提升的评价单元总面积是等级下降评价单元总面积的3.5倍。10年间东北典型黑土区的中西部和西北部耕地质量上升较为明显,而其南部和东北部质量下降的耕地分布较多。本研究规范了研究区耕地质量时空对比分析的依据,合理揭示了其时空变化特征,为该区域今后耕地质量提升工作指明了方向,对今后进一步可持续利用和管理黑土地具有积极意义。