全球变暖是当前全球气候变化的主要现象,影响着陆地生态系统的碳循环.森林土壤是陆地生态系统中最大的碳库,森林土壤有机碳及其不同组分的积累受到气候变暖的影响,许多研究普遍发现短期增温减少土壤有机碳及其活性碳组分,但尚不清楚这种负效应在长期增温下是否仍存在和有机碳组分是否变化.以鼎湖山季风常绿阔叶林为研究对象,采用红外辐射模拟增温,探究长期增温对南亚热带森林土壤有机碳及其组分的影响.2017-2021年的连续增温观测结果表明:与对照相比,在表层土壤中,增温处理下土壤有机碳含量显著增加4.5％,其中土壤重组有机碳库显著降低9.1％,轻组有机碳库显著增加9.8％,易氧化有机碳含量显著增加5.8％,但微生物生物量碳、可溶性有机碳、惰性有机碳和络合态碳含量不变.增温持续时间显著影响土壤有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳、轻组有机碳库、重组有机碳库、惰性有机碳和络合态碳.增温处理与增温持续时间的交互作用显著影响微生物生物量碳、易氧化有机碳和重组有机碳库,但对土壤有机碳、土壤可溶性有机碳、惰性有机碳、络合态碳和轻组有机碳库无显著影响.综上所述,长期增温背景下南亚热带季风林的土壤有机碳因土壤活性有机碳组分的增加而增加,使总有机碳增加的生物调控作用可能比矿物保护作用强,但减少的惰性碳组分和增加的活性碳组分可能会使土壤有机碳稳定性下降.本研究结果探讨了南亚热带森林表层土壤有机碳及其组分对长期增温的响应,与大多数研究所发现的短期增温使表层土壤有机碳含量减少形成对比,结果可为预测未来该地区土壤碳库的变化特征提供科学依据和理论支持.

本研究将垂柳(Salix babylonica L.)、元宝枫(Acer pictum subsp.mono(Maxim.)H.Ohashi)、银杏(Ginkgo biloba L.)、龙爪槐(Sophora japonica L.var.japonica f.pendula Hort.)、油松(Pinus tabuliformis Carrière)、刺柏(Juniperus formosana Hayata)、侧柏(Platycladus orientalis(L.)Franco)和云杉(Picea asperata Mast.)等8种北方城市常见绿化树种的凋落物与延安市城区受到频繁扰动的表层土壤以2%(凋落物/干土)的比例混合,在模拟自然条件下的土壤容重和含水量的基础上进行120 d的室内培养实验,检测处理后土壤有机碳及其各组分的含量以及相应碳库指数的变化,并分析凋落物化学特性与上述指标的关系.结果显示,8种供试凋落物中,除五角枫和刺柏外的所有凋落物处理均显著提高了土壤总有机碳含量,除五角枫、银杏和刺柏外的凋落物处理显著提高了其稳定组分的含量,而所有凋落物处理普遍显著提高了中等和高活性组分的含量.垂柳、侧柏、云杉和油松凋落物处理显著提高了土壤碳库指数,几乎所有处理均显著提高了土壤有机碳活度指数和碳库管理指数,仅侧柏凋落物处理显著提高了土壤固碳指数.凋落物氮和氨基酸含量与土壤有机碳各组分含量和相关碳库指数总体呈负相关;凋落物总酚和可溶性糖含量以及碳氮比、碳磷比和氮磷比与高活性、低活性和稳定有机碳组分含量呈正相关,其总有机酸、磷、总碳、萜类、酚类含量和碳氮比则与中等活性有机碳组分含量呈正相关.仅从提高土壤有机碳总量及其各组分含量,以及土壤有机碳活性和稳定的角度考虑,侧柏凋落物可作为处理城市土壤的优选材料,其次为垂柳、云杉和油松凋落物.

三江源区高寒草甸的退化正威胁着区域生态安全,如何恢复其土壤有机碳水平是治理该区域退化高寒草甸的关键.本研究以三江源区典型的退化高寒草甸及经其改建而来的人工草地(3年和7年)为对象,运用酸水解法将土壤有机碳库分为活性碳组分Ⅰ、活性碳组分Ⅱ和惰性碳组分,定量评估人工草地建植后土壤有机碳组分及其生物化学稳定性的变化特征.结果表明:各类样地土壤有机碳组分含量按照惰性碳组分、活性碳组分Ⅰ和活性碳组分Ⅱ的顺序依次递减,表明惰性碳组分是土壤有机碳库的主要构成部分;在建植人工草地3年后,0～30 cm 土层的总有机碳、活性碳组分Ⅰ和惰性碳组分含量均未发生显著变化,而活性碳组分Ⅱ含量出现显著下降(P＜0.05);相比之下,建植人工草地7年后,除土壤活性碳组分Ⅱ含量未发生显著变化外,总有机碳和其他碳组分含量均呈现出增加的变化趋势;退化高寒草甸、建植3年和建植7年人工草地的土壤有机碳惰性指数分别为43.7％～48.4％、42.3％～48.9％和42.3％～53.4％,尽管建植7年人工草地的土壤有机碳惰性指数要高于其他两类样地,但仅在10～20 cm 土层表现为显著差异(P＜0.05).综上表明,长时间的人工植被恢复有助于提升三江源区退化高寒草甸土壤有机碳含量及其生物化学稳定性,促进土壤碳汇功能的恢复.

林火通过改变土壤理化性质显著影响土壤固碳能力及土壤有机碳各组分含量.阐明不同火烈度对云南松林土壤有机碳的影响,对于云南松林火后生态系统恢复及土壤碳库管理具有重要意义.以火烧 2 年后四川泸山林场云南松林 0-5、5-10、10-15、15-20cm层土壤为研究对象,根据不同火烈度(未过火、低烈度、中烈度、高烈度)设置 3 块 20m×30m样地,共 12 块样地,野外采集土壤样品,室内测定土壤全氮、容重等理化性质和土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)、土壤活性有机碳(易氧化有机碳,Readily oxidizable carbon,ROC;颗粒有机碳,Particulate organic carbon,POC;微生物生物量碳,Microbial biomass carbon,MBC;水溶性有机碳,Water-soluble organic carbon,WSOC),采用方差分析研究不同火烈度下土壤有机碳各组分含量的差异性和变化趋势,并采用相关性分析和冗余分析从土壤理化性质角度探究林火对土壤有机碳的影响机制.研究结果表明:(1)不同火烈度显著影响土壤理化性质,其中土壤全氮、有效磷、阳离子交换量、毛管孔隙度、总孔隙度随火烈度增大而增加,而土壤pH、速效钾、碱解氮、容重随火烈度增大而减少.(2)SOC随火烈度增大而减少,其中 5-10cm土层降幅最大为 44.79%;4 种土壤活性有机碳随火烈度增大而减小,其中 0-5cm 土层下降幅度最明显,各组分降幅大小依次为 ROC(36.31%—61.31%)＞POC(30.05%—53.61%)＞MBC(20.60%—48.19%)＞WSOC(13.47%—29.29%),不同组分对林火的不同响应显著影响了土壤ROC、POC、WSOC的占比.(3)土壤有机碳及其活性组分与阳离子交换量、毛管孔隙度、总孔隙度、有效磷、碱解氮呈显著正相关(P＜0.05),与容重呈极显著负相关(P＜0.01).火烧后土壤有机碳的变化主要与阳离子交换量、容重、全氮、含水率有关,且阳离子交换量影响最大(解释率为 61.7%).

在高纬度高海拔区域气温增幅更大的背景下,高山亚高山森林土壤有机碳稳定性组分分配比关系以及由于此差异导致对增温的反馈效应均有待深入阐释.天山森林是以雪岭云杉(Picea Schrenkiana)为单优树种的温带针叶林,在天山北坡中山带(海拔约1760-2800 m)呈垂直落差超过1000 m的带状斑块分布,便于排除混交树种的影响,而量化土壤有机碳库稳定性组分分配比关系沿海拔的分异规律,及其对气候变化的响应情况.沿海拔梯度设置森林样地并分层采集土样,研究各土层土壤总有机碳库(Csoc)、活性碳库(Ca)、缓效性碳库(Cs)、惰性碳库(Cp)、微生物量碳(MBC)在海拔梯度上的变化特征,通过碳库活度(A)、碳库活度指数(AI)、碳库指数(CPI)、土壤碳密度(SOCD),探讨天山森林土壤有机碳稳定性组分沿海拔的分异特征.结果表明:(1)随着海拔的升高,天山中段北坡云杉森林土壤Ca占比逐步升高,Cs和Cp占比逐步降低,这意味着天山中段北坡云杉森林土壤碳的分解释放与区域气候变暖间将呈现出加速偏离平衡态的正反馈效应;(2)该区域森林土壤的MBC和微生物熵(qMB)虽均随海拔升高呈双峰曲线,但峰值有所差异,qMB在高海拔处(2600-2800 m)显著升高,这意味着在森林高海拔区域土壤微生物的活性更强;(3)Csoc、Ca、G、Cp表聚效应明显,且随海拔升高呈现出单峰曲线;(4)海拔2400-2600 m的AI、CPI最大,海拔2200-2400 m的A、CPI和SOCD处于较低水平.为深入了解天山森林土壤碳库对气候变暖的响应过程提供了科学参考,为天山森林土壤碳库管理提供了有益借鉴.

通过对土壤总有机碳(SOc)、易氧化有机碳(ROC333、ROC167、ROC33)、颗粒有机碳(POC)、微生物量碳(SMBC)、溶解性有机碳(DOC)的测定,探讨模拟酸雨(pH 3.0、pH 3.5、pH 4.0、对照CK)对鼎湖山三个不同演替阶段森林(季风常绿阔叶林、针阔混交林、马尾松针叶林)土壤碳库稳定性及碳库管理指数的影响.结果表明:模拟酸雨增加了总有机碳的含量和各组分活性有机碳的含量(P＜0.05),但酸雨在一定程度上抑制了土壤中微生物量与活性.土壤中各组分活性有机碳与总有机碳呈显著相关,其中ROC333和POC的含量与SOC关系最为密切,相关系数分别为0.853、0.846;碳库管理指数(CMI)结果表明,碳库活度(L)及碳库活度指数(LI)随森林的正向演替有下降的趋势,CPI与CMI呈现相反的趋势.在土壤有机碳及部分活性碳组分增加,碳库活性降低的前提下,土壤碳库稳定性增加.从各项指标的变化幅度可以得出:南亚热带森林土壤随森林群落正向演替而对模拟酸雨响应有更加敏感的趋势,各指标间的敏感性表现为CMI＞R333 ＞POC＞SMBC＞R167 ＞R33 ＞LI＞DOC＞CPI＞SOC.

黑土作为承担我国粮食安全与生态安全的重要土壤资源,其碳排放特征与碳库组分变化一直是生态学领域研究的热点.施肥是影响黑土有机碳输入、输出的重要因素,而这需要长时间尺度的探究.为明确长期不同施肥下的土壤碳排放特征及其影响机制,以始于1990年的国家土壤肥力与肥料效益监测网站黑土监测基地-公主岭为研究平台,选取不施肥(CK)、单施氮磷钾肥(NPK)、无机肥配施低量有机肥(NPKM1)、1.5倍的无机肥配施低量有机肥(1.5 (NPKM1))、无机肥配施高量有机肥(NPKM2)和无机肥配施秸秆(NPKS)6个处理,探讨了长期不同施肥下土壤碳排放量(CO2-C)与土壤碳库组分包括水溶性有机碳(DOG)、微生物量碳(MBC)、颗粒有机碳(POC)、易氧化有机碳(ROC)及其p-葡萄糖苷酶(BG)、木聚糖酶(BXYL)、纤维素酶(CBH)和乙酰基β-葡萄糖胺酶(NAG)等酶活性变化.结果表明:与CK相比,各施肥处理均可以显著增加黑土土壤碳排放量(P＜0.05),其中,NPK处理土壤碳排放量约为2633.33 kg/hm2,显著高出CK处理37.36％;长期有机无机配施(NPKM1、1.5(NPKM1)、NPKM2)显著增加土壤碳排放量71.81％-88.51％,效果最为明显;NPKS显著增加土壤碳排放量56.32％,并且三种长期有机无机配施措施碳排放差异不显著.相对CK处理,有机无机配施的DOC、MBC、POC、ROC均有显著增加(P＜0.05),各指标分别高出CK处理16.07％-56.34％、128.84％-185.77％、284.15％-497.45％和841.03％-1145.94％,其中1.5(NPKM1)处理效果最好.同时,有机无机配施相对CK处理的NAG、BG、BXYL和CBH活性分别提高了313.22％-452.65％、129.45％-250.74％、159.08％-273.32％和72.21％-193.53％,且以1.5(NPKM1)处理的效果最好.土壤碳排放量与土壤酶活性、土壤活性碳库组分之间的相关性分析结果表明,长期不同施肥措施的土壤碳排放量不但与土壤ROC、DOC、POC、MBC含量呈极显著相关(P＜0.001),也与土壤BG、NAG、CBH、BXYL酶活性呈极显著相关(P＜0.001),说明施肥可以通过改变土壤各活性碳库组分含量与土壤微生物活性影响土壤碳排放量.

土壤酶参与土壤有机质矿化过程,林火能通过改变土壤中微生物的群落结构等来改变土壤酶的活性,进而影响土壤有机碳的动态过程.土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分,火烧会使土壤有机碳组分发生变化,研究火烧后土壤有机碳组分的变化对于土壤有机碳库的管理具有重要意义.以我国中亚热带典型马尾松人工林火烧迹地为研究对象,通过对比研究,探讨了火烧对土壤酶活性和土壤有机碳组分的影响以及两者之间的关系.结果表明:(1)与对照相比,火烧后一年0-10 cm土层土壤pH值明显升高(P＜0.05),土壤总碳含量显著降低(P＜0.05),土壤全氮含量平均降低17.5％(P＞ 0.05).0-10 cm土层和1020 cm土层土壤含水量均显著低于对照(P＜0.05).(2)相比对照,土壤β-葡萄糖苷酶活性在0-10 cm土层显著降低(P＜0.05),土壤酚氧化物酶活性和过氧化物酶活性显著升高(P＜0.05).(3)火烧后一年0-10 cm土层土壤微生物量碳、土壤颗粒性有机碳、土壤易氧化碳含量比对照分别降低26.4％、30.9％和2.69％,但无显著差异,土壤溶解性有机碳含量则显著降低(P＜0.05);两个土层土壤不稳定有机碳含量和粘粒有机碳含量变化不显著.

研究了戴云山常绿阔叶林、针阔混交林和针叶林3种植被类型土壤磷组分、微生物生物量磷以及酸性磷酸单酯酶(ACP)和磷酸双酯酶(PD)的活性.结果表明:3种植被类型土壤易分解态磷仅占总磷(TP)的1.0％ ～4.5％,且碳(C)与有机磷(Po)的比例＞200,表明本研究区受到磷限制.Po是土壤磷库的主要组分,在淋溶层(A层)和淀积层(B层)土壤中分别占TP的44.8％ ～47.1％和28.6％ ～ 30.6％.冗余分析表明,A层土壤磷组分主要受PD影响,而B层主要受ACP调控,且PD和ACP均与Po呈显著负相关.亚热带地区3种植被类型土壤均缺磷,PD和ACP对有机磷的分解可能是该地区森林生态系统对磷限制的适应机制.

基于团聚体分组和闭蓄态微团聚体分离技术,利用典型黑土区27年长期定位试验,研究草地生态系统、农田生态系统和裸地生态系统下土壤团聚体及团聚体内部组分中有机碳的分布,以解析不同生态系统下土壤团聚体和有机碳固持间的关系,揭示黑土有机碳的物理稳定性机制.结果显示:与农田相比,草地土壤有机碳含量显著提高7.6％;裸地土壤有机碳含量显著下降14.1％.草地促进了大团聚体(＞ 250 μm),尤其＞2000μm团聚体的形成,提高了土壤团聚体的稳定性;裸地则降低了土壤的团聚化程度及稳定性,大团聚体和微团聚体含量下降,粉粘粒含量相应增加.草地大团聚体中有机碳含量显著高于农田,且内部各组分有机碳含量均有显著提高,其中粗颗粒有机质、闭蓄态微团聚体和粉黏粒有机碳含量增幅分别为600％、54％和65％;裸地增加了粉粘粒结合有机碳含量,降低了大团聚体和微团聚体中有机碳含量,且大团聚体和微团聚体内部各组分有机碳含量均有所下降.3种生态系统类型土壤均以总粉粘粒结合有机碳为主,占土壤总有机碳52％-79％,其作为惰性碳库是黑土有机碳的重要组成部分.黑土有机碳的累积或损失主要表现为活性较强的有机碳库-团聚体中颗粒有机质的增加或减少,与农田相比,草地土壤有机碳的累积主要归因于大团聚体中粗颗粒有机质的增加,为总有机碳增量的3倍;裸地土壤有机碳的损失主要归因于微团聚体中总细颗粒有机质的减少,对总有机碳损失的贡献率为60％.