松嫩平原农田土壤有机碳变化及固碳潜力估算

基于1979—1985年全国第二次土壤普查和2015年实地采样数据,利用土壤类型法计算了近35年来松嫩平原及其各县农田表层土壤有机碳密度和土壤碳库储量;并分析了松嫩平原农田土壤有机碳密度的空间分布及变化特征;利用饱和值法对松嫩平原及其各县市农田土壤有机碳量的变化趋势进行拟合,估算其农田土壤的固碳潜力。结果表明:(1)2015年松嫩平原农田表层土壤有机碳密度平均值为1.61 kg/m~2,近35年来约有81.59%的农田土壤有机碳密度呈下降趋势,集中分布在松嫩平原北部、东部和东南部地区,以富裕县东部、依安县中部、肇东县西部、扶余县西部等地区土壤有机碳密度下降幅度最大;(2)2015年松嫩平原农田表层土壤有机碳库总储量为233.63 Tg,比全国第二次土壤普查减少了32.62 Tg;(3)2015年松嫩平原农田表层土壤总固碳潜力为-32.7 TgC,呈现出"碳源"趋势,农田土壤单位面积固碳潜力平均值为-1.793×10~(-3)Tg/km~2。     

新疆焉耆盆地绿洲区农田土壤有机碳储量动态模拟

以焉耆盆地绿洲区丝路重镇——焉耆回族自治县长期定位监测的数据为基础,实地采集800个土样进行土壤有机碳(SOC)实验室测试,进行点位模拟校验模型,并拓展到区域模拟,采用BCCC-CSM1.1气候模式,研究农田土壤有机碳密度分布特征及有机碳储量空间分布格局,为气候变化条件下,绿洲区耕地SOC储量和SOC密度变化提供数据支持。结果表明:(1) DNDC模型能够较好地模拟研究区农田的SOC及其动态变化,相关系数大于0.96,模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)在0.48%—13.08%之间,模拟值与实测值显著相关。(2)点位模拟不同处理间SOC变化显示,不同土壤质地土壤有机碳含量差异明显,5年来SOC增长趋势表现为粉砂质壤土壤土砂质壤土。(3) 2017年焉耆县农田表层土壤有机碳总储量为0.44 Tg C,在未来30年里,在相应农业措施下,研究区农田0—20 cm土层SOC密度和储量呈显著增加趋势,单位面积碳增量增幅为-7%—29%;新增固碳量3.708×10~8—1.978×10~9 t,增幅为-5%—48%,呈现出"碳汇"趋势,这对恢复农田SOC的平衡和绿洲农业的可持续发展至关重要。     

新疆农田和荒漠生态系统土壤有机碳储量及其影响因素

基于中国生态系统研究网络 (CERN) 长期监测数据,选取新疆维吾尔自治区代表暖温带干旱区的绿洲农田生态系统 (阿克苏站)、代表暖温带荒漠区 (策勒站) 以及温带荒漠区 (阜康站) 的绿洲农田和荒漠生态系统综合观测场、辅助观测场和农户调查点2005-2020年0-100 cm土层的土壤有机碳 (SOC) 储量数据,分析新疆农田和荒漠生态系统SOC储量的影响因素。研究结果表明,2005-2020年0-100 cm土层SOC总储量平均值为阿克苏站 (5.17 kg/m²)>阜康站 (4.20 kg/m²)>策勒站 (2.96 kg/m²)。0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm土层的SOC分别约占0-100 cm土层储量的27.3%-35.3%、23.1%-24.6%和15.8%-17.5%。在阿克苏站,施肥量最高、灌溉量最低的农户调查点SOC储量最高;而在策勒站和阜康站,农户调查点和辅助观测场的施肥和灌溉措施分别最有利于提高SOC储量。总体来看,土壤含水量、地上生物量与SOC储量呈正相关关系;年平均气温与0-40 cm土层的SOC储量呈负相关关系。在单一生态站的生态系统尺度,年平均气温与SOC储量相关性不显著;地上生物量与策勒站和阜康站的SOC储量呈正相关关系,但是与阿克苏站0-40 cm土层的SOC储量呈负相关关系;施纯钾量与策勒站0-60 cm土层的SOC储量呈正相关关系,但与阜康站40-100 cm土层的SOC储量呈负相关关系。总之,与自然状态下的荒漠和农田不施肥相比,灌溉和施肥的农田管理措施有利于增加干旱区SOC储量。不同生态站要根据自身区域特点制定合理的农田管理模式,以维持较高的SOC储量。     

农田生态系统土壤有机碳库及其影响因子

土壤有机碳(SOC)的数量和质量在很大程度上与维持和提高土壤肥力密切相关。农田生态系统土壤碳库研究一直是农业、生态和环境领域的一个主要方向。土地利用、耕作、作物类型、种植密度、灌溉、施肥以及其他人为活动等,对农田生态系统土壤有机碳库的变化均能产生影响。本文综合评述了农田生态系统土壤有机碳库及其影响因子,土壤碳截获潜力,维持和提高土壤有机碳库的措施,以及农田土壤碳截获在温室气体减排及气候变化中的潜在作用等,最后提出了农田生态系统土壤有机碳库研究的主要方向。     

气候变化对陆地生态系统土壤有机碳储量变化的影响

通过研究气候变化对土壤有机碳储藏的影响,对预测未来气候变化下土壤有机碳动态变化与深入理解陆地生态系统变化和气候变化之间的相互作用有着极其重要的意义。本文归纳了土壤类型法、模型模拟法等途径对土壤有机碳储量估算的结果并分析它们各自的不确定性,综述了气候变化对土壤碳贮藏影响机理的研究与相应过程模拟的模型研究进展,并综合分析了当前研究中还存在的问题与不足。     

胶州湾滨海湿地土壤有机碳时空分布及储量

在胶州湾选取芦苇、碱蓬、光滩及大米草4种典型滨海湿地类型,分季节和层次采集土壤样品,测定土壤有机碳含量,分析滨海湿地土壤有机碳的时空分布及储量.结果表明: 垂直方向上,除光滩湿地沿剖面呈先减小后稍有上升的趋势外,其他湿地均随土壤深度的增加而减小;水平方向上,湿地土壤有机碳含量表现为大米草湿地>光滩湿地>碱蓬湿地>芦苇湿地;季节上,湿地土壤有机碳含量表现为春季>夏季>秋季>冬季.土壤有机碳含量与土壤含盐量、含水率、TN及C/N呈正相关,与土壤容重、pH值呈负相关.不同类型湿地土壤剖面有机碳密度表现为光滩湿地>芦苇湿地>碱蓬湿地,湿地类型对土壤有机碳含量和有机碳密度分布的影响存在一定差异.因储碳层厚度及储碳层内有机碳密度的差异,光滩湿地单位面积有机碳储量明显高于碱蓬和芦苇湿地,具有较大的储碳潜能,对研究区滨海湿地起到一定的碳汇作用.     

Daycent模型模拟不同农作管理措施下华北地区土壤有机碳的变化

基于华北地区3个长期定位试验站点（河南郑州、山东禹城和河北曲周）的试验数据,用站点实测作物产量和土壤有机碳（SOC）双标准对Daycent模型进行校验和验证.结果表明： 模型参数组合对作物产量和SOC的长期变化动态拟合效果良好,表明Daycent模型可较好地模拟作物产量和SOC的动态变化.用校验和验证了的模型对3个站点在气候情景RCP 4.5下4种不同管理措施（单施化肥NPK、化肥+有机肥MNPK、秸秆还田SNPK、免耕+秸秆NT）下SOC的变化动态进行模拟.结果表明： 郑州站点NPK、MNPK、SNPK处理中,MNPK处理的SOC相对年平均增幅最高,2001—2050年间的SOC年增幅达1.7%,其次为SNPK处理（年均增幅为1.3%）和NPK处理（年均增幅为0.8%）,从长远角度看,增施有机肥对灌溉轻壤土有机碳的增加有明显效果.在禹城站点,研究期间,MNPK处理的SOC年均增幅（0.4%）高于NPK处理（0.3%）,由于该站点土壤有轻度盐化特征,因此各措施下SOC的增幅较低.在曲周站点,NT处理更有利于SOC的增加,研究期间的SOC年均增幅达1.3%,远高于SNPK处理（0.7%）和NPK处理（0.4%）.华北地区气温适宜、灌溉条件好、具备秸秆还田及免耕机械条件,免耕+秸秆还田是该地区增加SOC的较好农作管理措施.     

黄土高原地区退耕还林后土壤有机碳储量变化特征及影响因素

土壤有机碳（SOC）固存效应与影响因素识别是当前研究的焦点和前沿议题。然而,在退耕还林后,SOC的固存效应以及各影响因素之间的协同变化规律尚不明确。对于基于气候、植被、土壤等多重因素综合作用的定量归因,仍需加强研究。搜集了1999到2022年黄土高原地区有关退耕还林后植被恢复对SOC储量影响的117篇文献,共获得了1140组SOC数据。通过对不同条件下（气候因素、植被因素、土壤因素）植被恢复对SOC储量的影响程度的分析,揭示植被恢复类型对SOC储量的影响。同时,采用地理探测器模型探讨不同植被恢复类型SOC储量增加效应的主要驱动因素及其交互作用。研究结果表明,植被恢复显著提高了该地区的SOC储量。林地的固碳效应优于灌木地和草地,分别显著提高了36.21%,32.41%和15.57%。植被恢复对SOC储量的增加效应随着植被恢复年限和植被覆盖率的增加而增强,特别是在低土壤容重（<1 g/cm^-3）条件下,植被恢复对SOC储量的增加效应更为显著,但随着土壤深度增加植被恢复对SOC储量的增加效应减弱。在年平均气温（MAT）为7-10℃、年平均降雨量（MAP）为450-550 mm条件下,林地恢复有助于促进SOC储量的增加效应。在MAT<7℃、MAP为450-550 mm条件下,灌木地的SOC储量增加效应更明显,但受植被覆盖率的限制。在MAT<7℃、MAP>550 mm条件下,草地的SOC储量增加效应更为显著。地理探测器模型分析表明,植被恢复年限、植被覆盖率和MAP分别是影响林地、灌木地和草地SOC固存的主要驱动因素。因素间交互作用通常比单一因素对SOC储量的影响更为显著。具体而言,MAP与植被恢复年限的交互作用对林地SOC储量的增加效应最高,达到了33.46%;MAT与土壤容重的交互作用对灌木地SOC储量的增加效应最高,达到了86.77%;MAP与植被覆盖率的交互作用对草地SOC储量的增加效应最高,达到了60.59%。研究结果可为不同恢复条件下选择合理的植被配置方式提供参考。     

中国成熟天然林土壤有机碳垂直分异特征

以分布在中国不同气候区的131个成熟天然林土壤为研究对象,测定不同土层(0～10、10～20、20～30、30～50和50～100 cm)土壤有机碳(SOC)密度,分析其与气象因子、土壤性质的关系,研究天然林SOC垂直分布特征及其影响机理.结果表明:温带针叶林、温带落叶阔叶林、亚热带落叶阔叶林和亚热带常绿阔叶林0～30...     

甘南高寒草甸土壤有机碳储量时空分布特征的模拟分析

以甘南州高寒草甸为研究对象,利用CENTURY模型,根据甘南州及周边气象站点1971—2020年的月值气象数据和土壤类型数据,将CENTURY模型参数本地化,使其适用于甘南高寒草甸土壤有机碳储量模拟。对模拟结果进行时空统计,得到甘南州土壤有机碳储量(0～20 cm)的空间分布和时序变动情况。结果表明：甘南州土壤有机碳储量呈由西南向东北递减,由西向东递减的分布特征,且土壤总有机碳储量与慢性土壤有机碳储量的变动趋势较为一致;1971—2020年甘南州平均土壤有机碳储量为8444.40 g·m^-2,其中各组分库的土壤有机碳储量分别为270.12 g·m^-2(活性)、4516.70 g·m^-2(慢性)、3478.77 g·m^-2(惰性)。土壤有机碳储量高值地区主要是碌曲县和玛曲县,而合作市的有机碳较低。海拔、气温、降水均对土壤有机碳储量有影响,且土壤有机碳储量的变化在空间上与海拔和降水的变动具有一致性,随温度的升高土壤有机碳储量呈下降趋势。     

Large soil organic carbon increase due to improved agronomic management in the North China Plain from 1980s to 2010s

Agricultural soils are widely recognized to be capable of carbon sequestration that contributes to mitigating CO₂ emissions. To better understand soil organic carbon (SOC) stock dynamics and its driving and controlling factors corresponding with a period of rapid agronomic evolution from the 1980s to the 2010s in the North China Plain (NCP), we collected data from two region‐wide soil sampling campaigns (in the 1980s and 2010s) and conducted an analysis of the controlling factors using the random forest model. Between the 1980s and 2010s, environmental (i.e. soil salinity/fertility) and societal (i.e. policy/techniques) factors both contributed to adoption of new management practices (i.e. chemical fertilizer application/mechanization). Results of our work indicate that SOC stocks in the NCP croplands increased significantly, which also closely related to soil total nitrogen changes. Samples collected near the surface (0–20 cm) and deeper (20–40 cm) both increased by an average of 9.4 and 5.1 Mg C ha^?1, respectively, which are equivalent to increases of 73% and 56% compared with initial SOC stocks in the 1980s. The annual carbon sequestration amount in surface soils reached 10.9 Tg C year^?1, which contributed an estimated 43% of total carbon sequestration in all of China's cropland on just 27% of its area. Successful desalinization and the subsequent increases in carbon (C) inputs, induced by agricultural projects and policies intended to support crop production (i.e. reconstruction of low yield farmland, and agricultural subsidies), combined with improved cultivation practices (i.e. fertilization and straw return) since the early 1980s were the main drivers for the SOC stock increase. This study suggests that rehabilitation of NCP soils to reduce salinity and increase crop yields have also served as a pathway for substantial soil C sequestration.     

土壤水分和氮添加对华北平原高产农田有机碳矿化的影响

通过105 d的恒温(25℃)控湿室内培养方法,探讨了华北平原高产粮田土壤有机碳矿化特征以及水分和有机、无机氮输入对其影响。试验设4个肥料添加水平和4个水分梯度,分别为对照(S0)、仅添加无机氮(尿素)(S1)、无机氮和有机氮(鸡粪)配施(S2)以及仅添加有机氮(S3)和25%(田间持水量;M0)、50%(M1)、75%(M2)和100%(M3)共16个处理,每处理3次重复。结果表明,各处理有机碳矿化速率均在培养后1 d达第1高峰,之后直线下降,培养7 d时下降幅度达57.2%—75.0%,培养20—30 d时出现第2高峰。有机碳累积矿化量有208.8—1161 mg/kg,主要集中在前30 d,可占整个培养期的59.1%—69.9%,105 d的净矿化率为0.07%—2.01%。根据双指数方程模拟结果,研究了土壤潜在矿化碳库(C1+C2),其中活性碳库(C1)和惰性碳库(C2)分别为53.0—135.1 mg/kg和156.9—1069 mg/kg,潜在矿化率为1.75%—9.66%。土壤含水量显著影响有机碳矿化,且与潜在矿化碳库呈二次函数关系(P0.05)。田间持水量25%—100%范围内,随着土壤含水量的升高,有机碳矿化速率呈增加趋势,但增幅降低,其中M2(田间持水量75%)的有机碳净矿化率最高。有机碳矿化量与土壤微生物碳和矿质氮含量呈线性正相关(P0.05),保持氮水平(200 kg N/hm2)相同,有机氮(鸡粪)和无机氮(尿素)均显著促进土壤有机碳矿化,但两者间差异不显著(P0.05),且有机氮和无机氮对有机碳矿化的影响均与土壤含水量有显著交互作用(P0.05)。     

华北平原冬小麦-夏玉米农田生态系统土壤自养和异养呼吸模型构建

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要过程,准确估算土壤呼吸对估算陆地生态系统碳源汇具有重要意义。通过在华北平原典型农田内开展土壤呼吸及其组分的原位观测实验,构建了适用于华北平原冬小麦-夏玉米轮种制农田生态系统的半经验半机理土壤异养呼吸和土壤自养呼吸模型。结果表明,冬小麦-夏玉米农田土壤异养呼吸模型可表达为土壤温度和土壤水分的函数,其中,土壤温度对土壤异养呼吸的影响适合用Arrhenius方程描述,而土壤水分的影响适合用对称的倒抛物线描述。验证表明,该模型的R²和RMSE分别为0.68和0.52μmol m^-2 s^-1。土壤自养呼吸模型包括维持呼吸和生长呼吸两个模块,其中,维持呼吸表达为土壤温度和叶面积指数的函数,其形式分别为Van′t Hoff指数方程和米氏方程;生长呼吸表达为总初级生产力与维持呼吸之差的线性函数。冬小麦季和夏玉米季土壤自养呼吸模型的结构相同,但是两种作物的模型参数差异较大。验证表明,冬小麦季土壤自养呼吸模型的R²和RMSE分别为0.64和0.50μmol m^-2...     

高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化

高寒草原对高寒生态系统的稳定具有重大意义。为探明高寒草原土壤有机碳（SOC）、土壤活性有机碳（ASOC）变化,以及草地退化对土壤碳库稳定性的影响,对藏北高原正常、轻度和严重退化高寒草原表层（0-10 cm）、亚表层（10-20 cm）土壤进行了初步研究。结果表明：（1）轻度、严重退化草地各土层SOC、ASOC均呈不同程度的下降。其中,退化草地SOC的降幅均以表层最大,且各土层降幅均随草地退化加剧而下降;退化草地ASOC的降幅则均以亚表层最大,但各土层ASOC的降幅随草地退化加剧而提高。（2）正常草地、轻度和严重退化草地表层ASOC比率分别为16.8%、21.3%、16.6%,亚表层分别为21.8%、18.1%和16.0%;土壤碳库活度与ASOC比率的变化趋势完全一致。因此,轻度退化草地SOC的不稳定性主要体现在表层土壤。（3）退化草地表层、亚表层碳库管理指数（CMI）均呈显著下降,但表层降幅相对较低;与严重退化草地比,轻度退化草地不同土层CMI明显提高。（4）高寒草原环境中,正常草地、轻度和严重退化草地各土层SOC、ASOC间则均呈一定程度的负相关,表明土壤微生物对SOC、ASOC的影响和作用可能不同。     

退化高寒草原土壤有机碳时空变化及其与土壤物理性质的关系

利用网格采样法研究了藏北退化高寒草原土壤有机碳变化及与土壤物理性质的关系.结果表明：0～10和11～20 cm土层有机碳含量、有机碳密度及其土层差异均为：轻度退化草地＞正常草地＞中度退化草地＞严重退化草地;有机碳含量、有机碳密度年变化速率则呈相反趋势,且表层土壤有机碳变幅均明显高于其下层土壤.正常草地、轻度退化草地0～10 cm土层有机碳年累积量为0.018和0.003 g·kg.^-1,分别为11～20 cm土层年累积量的6.0和2.0倍;中度、严重退化草地0～10 cm土层年损失量达0.150和0.231 g·kg^-1,分别为11～20 cm土层年损失量的2.3和2.2倍.中度、严重退化草地有机碳年损失总量为正常草地和轻度退化草地年累积总量的38倍,有机碳年损失总量达7.87×10⁵ t C,且具有较大的潜在退化态势.土壤有机碳与5.0～1.0、1.0～0.5和0.5～0.25 mm团聚体含量,土壤有机碳与土壤容重、土壤含水量间均呈极显著或显著正相关.     

1940—2002年长江中下游平原乡村景观区域中土地利用覆被及其土壤有机碳储量变化

过去60a来,长江中下游平原的乡村地区发展迅速,引起土地利用覆被及其土壤有机碳储量明显地变化。通过选取区域代表性样方、基于1942年航片和2002年IKONOS影像研究小尺度土地利用覆被变化、土壤取样和收集1965年前土壤有机碳历史数据,用尺度推绎和蒙特卡洛不确定性分析方法,评价了19402002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中土地利用覆被的面积及其030cm土壤(或底泥)有机碳储量的变化。结果表明:近60a来,在86×103km2的区域中有47%的面积发生土地利用覆被转化,其中耕地转化为非耕地的面积为21%(18×103km2)。土地利用覆被类型转化及其有机碳密度的变化导致该区域土壤有机碳储量的净增加。该区域稻田和闲置水域面积分别减少了21.5%(18.5×103km2)和6.7%(5.7×103km2),导致其土壤(或底泥)有机碳储量分别减少41.8TgC和12.9TgC;而水产养殖、非渗漏表面为主的建筑用地、种植木本作物和种植1年生作物的水浇地面积分别增加了14.2%(12.2×103km2)、7.7%(6.7×103km2)、3.5%(3.0×103km2)和2.0%(1.7×103km2),使其土壤(或底泥)有机碳储量分别增加32.2TgC、22.2TgC、12.2TgC和6.5TgC。近60a来,整个区域030cm土壤有机碳的储量增加了18.2TgC,其净增加的可能性为75%,形成了弱碳汇。这主要是由于区域稻田土壤有机碳密度增加了17%,使区域土壤有机碳储量增加了22.2TgC(其净增加的可能性为92%);而且,稻田转化为种植木本作物和种植1年生作物的水浇地也使区域土壤有机碳储量分别增加了1.3TgC(净增加的可能性为86%)和0.3TgC(净增加的可能性为70%);此外,闲置水域转化为水产养殖也使区域土壤有机碳储量增加1.3TgC(净增加的可能性为77%)。但是,稻田转化为水产养殖和非渗漏表面为主的建筑用地导致区域土壤有机碳储量损失6.3TgC和0.6TgC。因稻田土壤有机碳密度增加及稻田转化类型的土壤有机碳储量变化的影响,使整个区域形成弱碳汇,但如果稻田继续减少的话,很可能变成碳源。通过选取区域代表性样方、研究小尺度土地利用覆被变化、土壤取样和收集土壤历史数据,采用尺度推绎方法,研究揭示了19402002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中土地利用覆被的面积及其土壤有机碳储量的变化。     

Management-induced changes in soil organic carbon and related crop yield dynamics in China's cropland

Enhancing soil organic carbon (SOC) sequestration and food supply are vital for human survival when facing climate change. Site-specific best management practices (BMPs) are being promoted for adoption globally as solutions. However, how SOC and crop yield are related to each other in responding to BMPs remains unknown. Here, path analysis based on meta-analysis and machine learning was conducted to identify the effects and potential mechanisms of how the relationship between SOC and crop yield responds to site-specific BMPs in China. The results showed that BMPs could significantly enhance SOC and maintain or increase crop yield. The maximum benefits in SOC (30.6%) and crop yield (79.8%) occurred in mineral fertilizer combined with organic inputs (MOF). Specifically, the optimal SOC and crop yield would be achieved when the areas were arid, soil pH was ≥7.3, initial SOC content was ≤10 g kg⁻¹, duration was >10 years, and the nitrogen (N) input level was 100–200 kg ha⁻¹. Further analysis revealed that the original SOC level and crop yield change showed an inverted V-shaped structure. The association between the changes in SOC and crop yield might be linked to the positive role of the nutrient-mediated effect. The results generally suggested that improving the SOC can strongly support better crop performance. Limitations in increasing crop yield still exist due to low original SOC level, and in regions where the excessive N inputs, inappropriate tillage or organic input is inadequate and could be diminished by optimizing BMPs in harmony with site-specific conditions.     

基于1∶100万土壤数据库的中国土壤有机碳密度及储量研究

基于中国1∶100万土壤数据库,利用土壤有机碳储量和碳密度的空间化表达和计算方法研究中国土壤有机碳密度及储量.土壤空间数据库包含926个土壤类型单元,690个土属类型,94 000多个图斑;土壤属性数据库收录了7 292个全国各类型土壤的剖面数据,包括81个土壤属性字段.研究采用“土壤类型GIS连接法”实现土壤剖面有机碳密度与图形图斑连接,通过制图单元碳储量求和得出全国或者区域碳储量,并利用面积平均法计算全国及各类型土壤的有机碳平均密度.结果表明,中国的土壤面积共有928.10×10⁴ km²,有机碳储量为89.14 Pg (1 Pg=10¹⁵ g),土壤平均碳密度9.60 kg·m^-2,是目前与真值最为接近的研究结果.