土壤有机碳(SOC)对维持土壤肥力和农业可持续发展具有重要作用.为探究长期耕作对黑土区旱作农田土壤有机碳储量(SOCS)及其组分的影响,本研究基于39年的耕作试验,比较了不同耕作方式(旋耕起垄、免耕、深松、翻耕)对0～40 cm 土层SOCS、活性有机碳组分和微生物残体碳(MNC)含量的影响.结果表明:与旋耕起垄相比,免耕处理显著增加了 0～20cm 土层SOCS、SOC、可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)和MNC含量;深松和翻耕处理在0～20和20～40 cm 土层中显著增加了SOCS、SOC和EOC含量,并在20～40 cm 土层增加了 MBC含量.此外,翻耕处理20～40 cm 土层中DOC、颗粒有机碳和MNC含量显著高于其他处理.深松和翻耕处理相较于旋耕起垄和免耕处理,显著降低了 0～20和20～40 cm 土层中MNC对SOC的贡献率.结构方程模型表明,通过提升土壤团聚体平均重量直径、田间持水量和全磷含量,增强β-葡萄糖苷酶、淀粉酶和木质素过氧化物酶活性,能促进MNC的积累.深翻促进了 0～40 cm 土层SOC、活性有机碳和MNC的均匀分布,更有利于黑土区农田SOC的固定.

钝化剂可以使土壤重金属由活性态向稳定态转化,降低重金属的迁移和生物可利用性,实现重金属污染土壤的修复.有机碳是反映土壤质量和健康的重要指标,其转化过程对大气化学、全球碳循环起到决定性作用,受到利用方式、农艺措施和治理修复活动的影响.钝化剂的施用一方面会改变土壤结构、团聚体组成和pH、阳离子交换率(CEC)等理化性质,影响土壤有机碳的动态变化;另一方面可以调控土壤微生物群落结构、多样性,改变有机碳转化酶的活性,从而影响土壤有机碳的转化.上述影响受到钝化剂种类、施用量及施用时间等多方面因素的调控.本文论述了不同钝化剂施用条件下,土壤有机碳组分及其变化情况,并探讨了钝化剂对土壤有机碳转化影响的作用机制.未来应基于作用机制,开发兼具固碳增汇与重金属钝化功能的新型钝化剂,并揭示钝化剂施用后土壤有机碳周转及稳定性有机碳的时空分布规律.

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.

磷是限制植物生产力的重要养分之一,但土壤磷组分随林木生长发育阶段的变化特征仍不清楚.本研究以四川盆地华西雨屏区洪雅林场7个林龄(6、12、23、27、32、46、52a)柳杉人工林为对象,采集0～20 cm 土壤样品,运用Hedley磷分级法测定土壤磷组分含量,探究不同林龄柳杉人工林土壤磷组分的差异.结果表明:柳杉人工林土壤全磷含量为231.93～370.27 mg·kg-1,在幼龄林(6 a)最低,中龄林(12 a)最高;土壤总无机磷和总有机磷含量随林龄增加呈先增后降和增加的趋势.总无机磷占全磷的比例随林龄增加呈下降趋势,而总有机磷则相反.活性无机磷组分、活性有机磷组分和中等活性有机磷组分含量随林龄增加而增加,可能与pH降低和有机碳增加有显著关联.中龄林(12a)和成熟林(32a)的中等活性无机磷组分含量显著高于其他林龄.稳定态磷组分含量随林龄增加呈先增加后降低趋势,土壤容重增加和土壤含水率降低是重要影响因素.多元线性回归模型与Pearson相关性分析表明,活性无机磷与林龄无显著相关,中等活性有机磷随林龄增加而升高能正向影响活性无机磷生成.本研究发现表层土壤磷组分会随着林龄增加发生变化,这有助于对相应林龄土壤磷素出现的问题提出解决措施,为柳杉人工林提质增效与土壤肥力维持提供理论依据.

为揭示化肥有机替代措施下连作花生田土壤有机碳(SOC)积累的微生物机制,在连作5年的花生田设置了蚯蚓粪配施化肥(VM)、生物有机肥配施化肥(BF)、全量化肥(CF)和无施入对照(CK)4个处理,采用磷脂脂肪酸法(PLFA)分析了土壤微生物群落组成及多样性,测定了 SOC及其组分含量以及花生产量,分析了化肥有机替代、SOC和土壤微生物群落三者间的关系.结果表明:花生连作土壤环境严重恶化并显著影响了花生产量,而有机肥部分替代化肥明显提高了 SOC和各组分含量以及土壤微生物生物量,改变了土壤微生物群落组成及其多样性,提高了花生产量,其中VM处理效果最显著(P＜0.05).与CK相比,VM处理的花生产量增加了 56％,SOC含量增加了 11.4％,土壤总PLFA含量增加了 149.4％.冗余分析和逐步回归分析表明,VM和BF处理与SOC及其各组分含量、土壤微生物各类群PLFA含量均呈正相关,尤其VM处理相关性最强(P＜0.05);CK和CF处理与除了 G+/G-比值以外的其他所有变量均呈负相关;SOC各组分含量与土壤微生物各类群PLFA含量显著相关.综上,化肥有机替代导致的外源有机碳增加以及随后引起的土壤微生物群落的变化是连作花生田SOC积累的驱动因素,土壤微生物活性是影响SOC累积的关键因素.有机肥特别是蚯蚓粪部分替代化肥是改善连作花生田土壤质量、缓解连作障碍的有效措施.

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.

水体溶解性有机物(Dissolved Organic Matter,DOM)是河流生态系统的重要组成部分,其含量及组分的变化与生态系统功能密切相关.以青藏高原东缘龙苍沟流域 27 条Strahler 1 级源头河流为研究对象,采用DOM荧光特性表示组分特征,同时调查各河流地理特征、气候特征和水化学特征,探究源头河流DOM含量和组分的关键调控因素.研究结果表明:溶解性有机碳(DOC)浓度在 0.35-1.50 mg/L之间,平均值为 0.85 mg/L.荧光指数(Fluorescence index,FI)的均值分别为 0.91 和 1.11,类色氨酸与类酪氨酸比值(Trypto/Tyro)的均值为 0.76,新鲜度指数β/α均值为 0.61,表明蛋白质的生物可利用性较差、微生物活性较低.随着海拔的降低,龙苍沟流域河流DOC浓度降低,DOM组分外源性降低,而微生物生物活性升高(P＜0.05).DOM组分受地形、流域面积和气候因素影响不显著(P＞0.05).荧光指数 FI、新鲜度指数 β/α与Ca2+/Mg2+和NO-3 浓度显著正相关(P＜0.05).逐步回归结果显示,海拔、坡降、温度、pH、氧化还原电位、DOC浓度、Ca2+/Mg2+和NO-3 浓度都对DOM组分起到了一定作用(P＜0.05).结构方程模型结果显示,在Strahler 1 级源头河流中Ca2+/Mg2+和 NO-3 浓度是驱动DOM组分海拔变异的主要环境因素.综合以上分析,随着海拔降低,岩石风化加剧,同时人类活动的增加引起NO-3 浓度的增加改变了水化学环境,导致DOM组分品质改善.对源头河流DOM组分空间变异和调控因素进行了研究,加深对源头河流有机物代谢过程的认识.

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%).

岭南垛基果林湿地是珠三角地区典型的湿地类型之一,其对土壤碳汇的贡献值得关注.为探讨果林种植类型对土壤有机碳的影响,对广州垛基果林湿地内种植黄皮(Clausena lansium)(HP),龙眼(Dimocarpus longan)(LY)、杨桃(Averrhoa carambola)(YT),龙眼和黄皮间种(LH),杨桃、龙眼和黄皮间种(YLH)共5种种植类型下的表层(0～20 cm)土壤碳组分进行研究.结果表明,不同的植被类型对土壤的总有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROC)、惰性碳(NLC)含量都有影响,LY的SOC含量最高(22.6 g/kg),显著高于YLH(P<0.05),且NLC含量显著高于LH和YLH(P<0.05).NLC含量与土壤养分呈正相关,与土壤容重呈负相关.YT的MBC含量显著高于LY、HP、LH(P<0.05),且MBC/SOC显著高于HP、LY(P<0.05).YLH模式下,土壤DOC含量和DOC/SOC显著高于其他植被类型(P<0.05).LH的ROC/SOC显著高于HP和LY,而NLC/SOC显著低于HP和LY.岭南垛基果林湿地中单独种植龙眼和黄皮有助于提高土壤有机碳稳定性,而混合种植模式下土壤有机碳活性最高.