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水位影响泥炭沼泽土壤有机碳分解的生物化学机制研究进展

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生态学报 2022年第19期42卷 7729-7739页

作者：徐志伟辛沐蓉王钰婷刘莎莎王升忠东北师范大学地理科学学院长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室长春130024 东北师范大学泥炭沼泽研究所长白山湿地与生态吉林省联合重点实验室长春130024 东北师范大学国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室长春130024

在人类活动和气候变化影响下,泥炭沼泽生态系统急剧退化,其独特的氧化还原过程使得退化泥炭沼泽及其恢复过程中土壤有机碳(SOC)分解与存储机制成为研究的热点问题。泥炭沼泽排水/再湿过程会显著改变土壤的氧化还原条件,进而改变土壤微... 详细信息

在人类活动和气候变化影响下,泥炭沼泽生态系统急剧退化,其独特的氧化还原过程使得退化泥炭沼泽及其恢复过程中土壤有机碳(SOC)分解与存储机制成为研究的热点问题。泥炭沼泽排水/再湿过程会显著改变土壤的氧化还原条件,进而改变土壤微生物群落和酶活性,驱动铁氧化还原过程,影响SOC分解。已有研究对“缺氧是维持泥炭地碳存储的关键”的传统理论提出了质疑,而土壤酶及铁(Fe)在土壤SOC分解与存储过程中分别扮演着“酶锁”和“铁门”的作用,二者同时受到氧化还原条件的影响。然而,有关退化泥炭沼泽及其恢复过程中酶-土壤SOC-Fe相互作用及微生物驱动机制还有待深入。总结了干旱/排水/再湿对泥炭沼泽土壤SOC组分、分子结构、碳排放的影响,并从微生物、酶、Fe化学的角度归纳总结了泥炭沼泽土壤SOC分解的生物化学机制。未来研究中应将土壤水分与土壤SOC分解的生物地球化学机制联系起来,探寻水位变化过程中生物及非生物要素对土壤SOC分子结构变化的调控机制及土壤氧化酶-酚类物质/SOC分子结构-水解酶之间的作用机制。同时,关注Fe的氧化和还原过程,评估Fe-SOC在泥炭沼泽土壤有机碳中的地位,利用分子生物学手段探究水位变化过程中酶-SOC分解/碳排放-铁之间的权衡机制。

关键词：泥炭沼泽水位变化有机碳分解微生物酶锁铁门

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植物篱枝叶有机碳分解研究

土壤学报 2002年第3期39卷 361-367页

作者：孙辉唐亚赵其国张炎周中国科学院南京土壤研究所中国科学院成都生物研究所成都610041

研究植物篱枝叶的分解和养分矿化过程对该模式下养分的有效利用具有重要意义。在金沙江干热河谷坡耕地上利用分解袋法对新银合欢、山蚂蝗等 6个植物篱树种枝叶的分解进行了研究 ,结果显示山蚂蝗和新银合欢分解最快 ,前 2个星期有机碳分... 详细信息

研究植物篱枝叶的分解和养分矿化过程对该模式下养分的有效利用具有重要意义。在金沙江干热河谷坡耕地上利用分解袋法对新银合欢、山蚂蝗等 6个植物篱树种枝叶的分解进行了研究 ,结果显示山蚂蝗和新银合欢分解最快 ,前 2个星期有机碳分解了48 6 %和 5 0 0 % ;山毛豆和云南合欢次之 ,前 4星期有机碳累积分解量为 5 1 5 %和 45 6 % ;圣诞树和黑荆树分解最慢 ;将枝叶埋入土壤中比覆盖地表分解快。有机碳的分解规律可以用单指数模型Ct=C0 (1 e kt)和双指数模型Ct=C0 1 (1 e k1t) +C0 2 (1 e k2 t)拟合 (式中 ,Ct 为有机碳累积分解量占全碳百分数 ,C0 、C0 1 和C0 2 分别为易分解有机碳和难分解有机碳百分数 ,k和k1分别为易分解有机碳分解常数 ,k2 为难分解有机碳分解常数 ) ,双指数模型更具合理性。研究表明有机碳的累积分解量与枝叶初始C/N比呈负相关 ,枝叶分解速度可用有机碳 (或易分解有机碳 )半减期来衡量。

关键词：植物篱枝叶有机碳分解土壤

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黑碳添加对土壤有机碳分解的影响

黑碳添加对土壤有机碳分解的影响

作者：刘燕萍福建师范大学

学位级别：硕士

本文通过室内培养实验,向土壤中分别添加不同温度制备的黑碳(热解温度分别为250℃和350℃),研究不同温度制备黑碳的化学结构特征、黑碳添加对土壤有机碳碳矿化的影响及黑碳在土壤中的稳定性,为深入认识土壤中黑碳的稳定性机制及其在土... 详细信息

本文通过室内培养实验,向土壤中分别添加不同温度制备的黑碳(热解温度分别为250℃和350℃),研究不同温度制备黑碳的化学结构特征、黑碳添加对土壤有机碳碳矿化的影响及黑碳在土壤中的稳定性,为深入认识土壤中黑碳的稳定性机制及其在土壤碳循环中的作用提供理论依据。主要结果如下：不同热解温度制备的黑碳,其剩余产物质量和碳含量随着热解温度的升高而降低,剩余质量和有机碳含量与热解温度具有显著的负相关关系,表明黑碳的形成与热解温度有密切的关系。黑碳官能团主要包括芳香碳、烷基碳、烷氧基碳、羧基碳、羰基碳,并随着热解温度的升高,芳香化程度提高。向土壤中添加不同温度制备的黑碳,利用稳定同位素13C方法研究黑碳对土壤有机碳分解的影响。结果发现,土壤C02释放速率,总的趋势是前期较快,后期趋于缓慢。在培养前期(0-3 d),黑碳促进了土壤原有有机碳的分解,但培养后期(7-112d),黑碳则抑制了土壤原有有机碳的分解。培养112 d后,黑碳添加对土壤有机碳分解的影响表现为负激发效应。在培养过程中,黑碳的分解的动态也是先快而后变慢的过程,L250(250℃热解标记秸秆处理)和L350(350℃热解标记秸秆处理)的分解率分别为2.3%和2.0%,表明黑碳是可以分解的,但分解的速度是非常缓慢的。

关键词：黑碳热解温度有机碳分解黑碳分解同位素标记

有机物料、温度和土壤水分对黑土有机碳分解的影响

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有机物料、温度和土壤水分对黑土有机碳分解的影响

作者：张雷东北农业大学

学位级别：硕士

试验选用有机碳含量不同的黑土，研究了有机物料施用量对土壤有机碳分解的影响，还研究了不同温度和土壤水分条件下，CO2排放速率、土壤有机碳含量变化及温度、土壤水分与土壤有机碳分解的关系。结果如下：施用有机物料以后CO2排放速率... 详细信息

试验选用有机碳含量不同的黑土，研究了有机物料施用量对土壤有机碳分解的影响，还研究了不同温度和土壤水分条件下，CO2排放速率、土壤有机碳含量变化及温度、土壤水分与土壤有机碳分解的关系。结果如下：施用有机物料以后CO2排放速率明显增加。5%和3%处理CO2排放速率增加幅度显著高于2%和1%处理。有机碳分解初期CO2排放速率增加较快，波动性大，后期趋于稳定，其相对值大小随有机物料施用量及土壤有机碳含量增加而增加，即6号土>5号土>4号土>2号土>1号土。3号土性质与其它土壤样品略有不同，所以CO2排放速率偏高。1号、2号、3号、4号和5号土培育后有机碳量与有机物料施用量呈线性正相关;6号相关性不显著。随有机物料施用量增加，各处理原土复合量及追加复合量增加，即5%>3%>2%>1%>0%，6号土壤样品两个值都下降。1号、2号、3、4号、5号土壤有机物料的合理施用量分别是2%、3%、2%、5%、2%水平。在这个水平上施用有机物料能够使有机物料多积累，少排放。如果6号土壤开垦为农用地，则有机物料合理施用量在5%水平以上，在此水平上可以缓解土壤有机碳含量降低趋势。相同水分条件，培育初期（1～20d）各处理CO2排放速率较高，相对值表现为35℃>25℃>15℃>5℃，随培育时间延长(>20d)，CO2排放速率渐趋平稳。相同温度条件下，在一定水分条件（30%～90%WHC）下，培育初期（1～20d）各处理CO2排放速率初始值较高，随后渐低，当趋于某一定值时，相对值大小随土壤水分含量增加而增加。相同温度与土壤水分条件下，CO2排放速率相对值大小随土壤有机碳含量增加而增加。低有机碳含量1号土， 5℃和15℃在一定水分条件（30%～90%WHC）下，土壤水分越高，土壤复合有机碳能力越弱;25℃和35℃时，土壤水分为75%WHC时，土壤复合有机碳能力较强。中有机碳含量4号土，在5℃和25℃在一定水分条件（30%～90%WHC）下，随土壤水分升高，土壤复合有机碳量减小;15℃和35℃时，以土壤水分为60%WHC时，土壤复合有机碳量最多。高有机碳含量6号土， 5℃土壤水分小于75%WHC有利于土壤有机碳复合;温度≥15℃时，土壤复合有机碳的能因土壤水分含量而异。温度和土壤水分含量交互作用对土壤有机碳分解的影响显著，满足指数函数：，决定系数（r2≥0.962）显著，函数拟合程度好，即随着温度和土壤水分升高CO2排放量增加。在一定条件范围内，可以用温度和土壤水分函数对土壤有机碳分解情况做出判断。

关键词：黑土有机碳分解有机物料温度土壤水分

北亚热带6种森林类型凋落物分解过程中有机碳动态变化

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林业科学研究 2008年第5期21卷 675-680页

作者：李正才徐德应杨校生傅懋毅孙雪忠奚金荣中国林业科学研究院亚热带林业研究所浙江富阳311400 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所北京100091 浙江省富阳市林业局浙江富阳311400

运用凋落物野外分解模拟实验的方法,对北亚热带地区6种主要森林类型凋落物分解过程中有机碳的变化进行了研究,结果表明:(1)6种土地利用类型森林凋落物分解过程中,有机碳相对含量在分解初始阶段都呈现增加的趋势,表现为凋落物有机碳相对... 详细信息

运用凋落物野外分解模拟实验的方法,对北亚热带地区6种主要森林类型凋落物分解过程中有机碳的变化进行了研究,结果表明:(1)6种土地利用类型森林凋落物分解过程中,有机碳相对含量在分解初始阶段都呈现增加的趋势,表现为凋落物有机碳相对含量的积累过程;分解开始的第3～4个月后,凋落物有机碳相对含量下降;经过1a的分解周期以后,粗放经营毛竹林凋落物有机碳相对含量变化最大,下降11.7%;(2)集约经营毛竹林凋落物有机碳数量从分解开始就减少,而其它几种类型分解初期有机碳数量都表现一个净积累的过程,然后才逐步释放;经过1a分解周期以后,粗放经营毛竹林凋落物53.8%的有机碳净释放;凋落物有机碳释放速率由高到低的顺序为:粗放经营毛竹林、早竹林、杉木林、天然次生林、集约经营毛竹林、马尾松林;(3)6种土地利用类型森林凋落物在分解过程中,有机碳剩余率随时间变化的模型都极其显著地符合分解指数模型,因此都可以用指数方程表达;(4)影响凋落物分解的环境因子所发挥的作用不尽相同,凋落物的分解速率和温度之间呈现显著的正相关关系。

关键词：森林凋落物凋落物分解有机碳分解土地利用方式

施氮对天童木荷林土壤有机碳库组成和分解的影响

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施氮对天童木荷林土壤有机碳库组成和分解的影响

作者：李丹丹华东师范大学

学位级别：硕士

继欧洲和美国之后,中国已成为全球第三大氮沉降区。大气氮沉降量的急剧增加将会影响森林土壤土壤碳库的稳定性及其分解速率。本文以天童常绿阔叶林为研究对象,通过野外施氮实验(对照NO (0 kg N·ha-1·yr-1)、低氮LN (50 kg N·ha-1·yf... 详细信息

继欧洲和美国之后,中国已成为全球第三大氮沉降区。大气氮沉降量的急剧增加将会影响森林土壤土壤碳库的稳定性及其分解速率。本文以天童常绿阔叶林为研究对象,通过野外施氮实验(对照NO (0 kg N·ha-1·yr-1)、低氮LN (50 kg N·ha-1·yf-1)、高氮HN (100 kg N·ha-1·yr-1)),结合25℃和15℃两个温度水平的室内土壤培养实验,开展施氮对土壤有机碳库组成、土壤有机碳分解、土壤有机碳分解的温度敏感性的研究,旨在揭示该地区森林土壤碳循环对气候变化响应的趋势。主要研究结果如下：(1)1年的野外取样测定发现,低氮处理对土壤总有机碳含量没有显著影响,高氮处理的总有机碳含量显著高于对照处理。低氮和高氮处理的可溶性有机碳含量均显著高于对照处理。低氮处理的微生物生物量碳显著高于对照处理,高氮处理对微生物生物量碳没有显著影响。(2)在103天土壤培养实验中,在培养的第一阶段(50-60天),施氮降低了土壤有机碳的分解速率,之后对土壤有机碳分解速率没有显著影响。施氮降低了土壤有机碳的累积分解量。25℃条件下,低氮处理和高氮处理的土壤有机碳累积分解量分别比对照处理减少了8.68%和9.62%;15℃条件下,低氮处理和高氮处理的土壤有机碳累积分解量分别比对照处理减少了5.08%和7.59%。(3)对照、低氮和高氮处理下,土壤有机碳分解的温度敏感性变化范围分别为1.94-2.66、1.76-2.51、1.89-2.44。土壤有机碳分解的温度敏感性在各施氮水平下无显著差异。(4)25℃条件下,施氮之后土壤易分解碳和难分解碳的分解速率均减小;15℃条件下,施氮之后土壤易分解碳和难分解碳的分解速率均增大。

关键词：施氮有机碳库有机碳分解温度敏感性

森林和农田土壤有机碳不同组分分解及Q10对升温响应的比较研究

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森林和农田土壤有机碳不同组分分解及Q10对升温响应的比较研究

作者：任寰宇山西农业大学

学位级别：硕士

土壤碳库含量是大气碳库的2-3倍,研究有机碳不同组分对温度的敏感性对深入剖析土壤有机碳库在全球变暖下的分解动态及采取相应的应对措施有积极意义。本实验跨越我国南北的亚热带(江西)、中温带(山西)、寒温带(黑龙江)的典型森林土壤和... 详细信息

土壤碳库含量是大气碳库的2-3倍,研究有机碳不同组分对温度的敏感性对深入剖析土壤有机碳库在全球变暖下的分解动态及采取相应的应对措施有积极意义。本实验跨越我国南北的亚热带(江西)、中温带(山西)、寒温带(黑龙江)的典型森林土壤和相邻地带的典型农田土壤进行同步对比研究,比较不同温度带及不同有机碳本底值(森林与农田)的土壤在20℃、27℃两个温度梯度恒温培养下的土壤有机碳不同组分分解的动态变化,根据实验数据综合分析了有机碳不同组分(总有机碳,易氧化有机碳,慢性有机碳,惰性有机碳)含量和分解速率随培养时间的动态变化以及其Q10-q的差异,以进一步探讨土壤固碳机制和有机碳不同组分对温度变化的响应,为全球气候变化的响应提供科学依据。主要获得以下研究结论：(1)总有机碳含量的初始值表现为：黑森(88.7 g/kg)>黑农(58.1 g/kg)>江森(42.0g/kg)>山森(32.5 g/1kg)>山农(23.5 g/kg)>江农(15.9g/kg)。同一气候区不同组分有机碳含量森林土均大于农田土,地处同一温度带的森林土和农田土其土壤有机碳含量相差最大的是亚热带地区。亚热带的森林土表现出特殊性,可能与植被树种为阔叶林有关。(2)有机碳不同组分占总有机碳的比例表现为：惰性有机碳比例(48%-54%)>慢性有机碳比例(24%-31%)>易氧化有机碳比例(19%-28%)。森林土的易氧化有机碳比例要高于农田的,而慢性有机碳和惰性有机碳的比例森林土和农田土差别不大。(3)有机碳不同组分分解速率表现为：无论是总的有机碳,还是有机碳中的不同组分,都表现为：20℃下的分解速率分解速率,暖温带森林土、暖温带农田土和亚热带农田土在两个温度下290天内易氧化有机碳均被完全分解,但是27℃下易氧化有机碳被完全分解的时间提前,而寒温带森林土、寒温带农田土和亚热带农田土在27℃下290天内易氧化有机碳分解量比20℃下分别高约7%,18%和17%。27℃下290天内6个供试土样(黑森,黑农,山森,山农,江森,江农)慢性有机碳分解量比20℃下分别高2.9%,4.2%,5.6%,5%,0.7%和2.4%。而惰性有机碳分解量比20℃下分别高0.2%,2.2%,3.3%,1.1%,2.2%,1.3%。总有机碳的分解速率要明显高于其他组分的分解速率。不同的有机碳组分都在前一个月之内的分解速率较快,中期变缓,后期在不同时间段达到稳定。(4)有机碳不同组分Q10-q值表现为：20℃下有机碳分解率与27℃下差距较大的是寒温带农田土和亚热带的森林土,表现为Q10-q值前后期差异较大,后期为前期的1.3倍左右。其余4种土壤初始1%和后来1%的有机碳分解时间的差距在1%-3%之间,Q10-q值差异不大,都在1左右。易氧化有机碳在整个培养期间未被完全分解的寒温带森林土、农田土以及亚热带森林土的前后Q10-q值差距大,前期在1.0-2.0范围内,后期在2.8-4.8范围内。易氧化有机碳含量不高的农田土,培养结束时已被完全分解,Q10-q前后差异不大。总体来讲,慢性有机碳Q10-q在前期和后期的差异不大,前后的比值在1.0左右(范围为0.95-1.30倍),但暖温带农田土和亚热带农田土的慢性有机碳Q10-q前后差异略高,分别为1.6和2.1,这可能与农田土壤慢性有机碳年龄比较老,稳定性接近于缺少新鲜有机碳输入的农田惰性有机碳,周转时间较长所致。6个供试土壤惰性碳的Q10-q值在分解前期和后期的比值均在1左右,差异不大。惰性碳含量较低的暖温带山西农田土Q10-q值前期和后期均在2左右,这仍然可能是由于该农田土壤的惰性碳具有更长的周转时间而较为稳定的缘故。

关键词：气候变暖有机碳分解土壤呼吸土壤有机碳易氧化有机碳慢性有机碳惰性有机碳 Q10-q

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松毛虫虫食叶和排泄物对土壤激发效应的影响

应用生态学报 2023年第3期34卷 770-776页

作者：黄雪梅陈龙池田宁关欣胡亚林黄苛宿秀江陶晓安徽农业大学林学与园林学院合肥230036 中国科学院沈阳应用生态研究所中国科学院森林生态与管理重点实验室中国科学院会同森林生态实验站沈阳110016 福建农林大学林学院森林生态稳定同位素研究中心福州350002 湖南白云山国家级自然保护区管理局湖南保靖416500 亚热带森林生态系统结构与服务功能湖南省重点实验室湖南会同418300

昆虫冠层取食导致大量的虫食叶和排泄物输入到地表,对森林土壤碳循环产生重要影响。然而,目前关于虫食叶和排泄物影响土壤激发效应的研究仍十分匮乏。本研究以马尾松为对象,应用13C同位素自然丰度法研究马尾松凋落叶、松毛虫虫食叶和排... 详细信息

昆虫冠层取食导致大量的虫食叶和排泄物输入到地表,对森林土壤碳循环产生重要影响。然而,目前关于虫食叶和排泄物影响土壤激发效应的研究仍十分匮乏。本研究以马尾松为对象,应用13C同位素自然丰度法研究马尾松凋落叶、松毛虫虫食叶和排泄物添加对土壤激发效应强度和方向的影响。结果表明:马尾松凋落叶、虫食叶和排泄物添加均促进土壤有机碳的分解,即产生正激发效应,且各处理之间差异显著。松毛虫排泄物诱导的累积激发效应最大,虫食叶次之,马尾松凋落叶诱导的累积激发效应最小。线性回归分析表明,在培养前期,激发强度与添加物全磷、缩合单宁、缩合单宁/P以及总酚含量呈显著正相关,与C/N、木质素/N、C/P、木质素/P呈显著负相关;在培养后期,激发强度与木质素含量呈显著负相关。综上,松毛虫虫害产生的虫食叶和排泄物提高了土壤激发效应强度,且在不同培养阶段控制激发强度的主导因子不同,这有助于加深对虫害影响森林土壤碳循环的认知,并提高对虫害影响森林生态系统碳汇的估算精度。

关键词： ^(13)C自然丰度有机碳分解激发效应马尾松排泄物

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长期不同施氮处理玉米根茬的田间分解特性

中国生态农业学报 2015年第12期23卷 1520-1528页

作者：蔡苗陈竹君师倩云周建斌西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室杨凌712100 陕西省土地工程建设集团有限责任公司西安710075

以7年氮肥定位试验地玉米根茬为研究对象,通过把玉米根茬按2%比例与15 cm和45 cm土层深度的土壤混合后田间埋袋的方法,研究长期不同施氮量处理[分别为0 kg(N)?hm?2、120 kg(N)?hm?2和240 kg(N)?hm?2]的玉米根茬(分别用R0、R120、R240表... 详细信息

以7年氮肥定位试验地玉米根茬为研究对象,通过把玉米根茬按2%比例与15 cm和45 cm土层深度的土壤混合后田间埋袋的方法,研究长期不同施氮量处理[分别为0 kg(N)?hm?2、120 kg(N)?hm?2和240 kg(N)?hm?2]的玉米根茬(分别用R0、R120、R240表示),在陕西省长武黑垆土中埋藏分解1 a后对土壤碳、氮组分的影响及根茬有机碳的分解特性。与未添加玉米根茬的对照土壤相比,玉米根茬加入能够显著增加各层土壤的微生物量碳、可溶性有机碳和矿质态氮含量,3种施氮量处理间差异不显著。随着分解时间延长,土壤可溶性有机物中结构相对复杂的芳香类化合物比例逐渐增加。分解1 a后,R0、R120和R240根茬的有机碳残留率在15 cm土层中分别为44.4%、35.3%和34.9%,在45 cm土层中分别为53.3%、44.3%和42.5%。R0根茬的碳残留率显著高于R120和R240;玉米根茬在15 cm土层的碳分解率和分解速率常数显著高于45 cm土层。采用一级动力学方程拟合玉米根茬碳残留率变化结果显示,R0、R120和R240根茬有机碳分解95%所需要的时间在45 cm土层比15cm土层分别长3.2 a、2.3 a和1.9 a。氮肥施用量影响玉米根茬在土壤中的分解特性,在评价农田氮肥施用与土壤固碳时,应考虑不同氮肥用量下残茬养分组成及其在土壤中分解的差异。

关键词：玉米施氮量根茬有机碳分解微生物量碳可溶性有机碳矿质态氮