DOI: 10.12357/cjea.20230029
李发东, 栗照鑫, 乔云峰, 刘山宝, 田超, 朱农, Hubert Hirwa, Simon Measho. 土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循
环中的应用进展[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(2): 194?205
LI F D, LI Z X, QIAO Y F, LIU S B, TIAN C, ZHU N, HIRWA H, MEASHO S. Using soil organic carbon isotope composition ana-
lysis to elucidate the carbon cycle of agroecosystems[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(2): 194?205
土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的
应用进展
李发东1,2,3, 栗照鑫1,2,3, 乔云峰1,2,3, 刘山宝1,2,3, 田 超1,2, 朱 农1,2,
Hubert Hirwa1,2,3, Simon Measho1,2
(1. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室 北京 100101; 2. 山东禹城农田生态系统国家野
外科学观测研究站/中国科学院禹城综合试验站 禹城 251200; 3. 中国科学院大学资源与环境学院 北京 100190)
摘 要: 土壤有机碳是地球表层储量最高且储存周期最长的生态系统碳库之一。如何提高土壤有机碳稳定性和增
强土壤固碳减排能力, 是陆地生态系统碳管理可持续战略的关键科学问题。国际学术界一致认为农田生态系统在
固碳方面的作用越来越明显, 在实现碳中和的进程中发挥重要的作用。农田管理实践方式会扰动土壤碳循环过程,
采取有效的管理方式会使其成为碳汇。目前, 国内研究主要集中在耕作方式、施肥和灌溉水平、秸秆还田对农田
生产力、碳固持速率、温室气体排放方面的影响, 但就农田生态系统有机碳稳定性对不同农田管理方式的响应机
制以及与土壤碳排放之间的关系认识尚未明确。13C同位素技术是研究农田土壤碳循环过程的有力工具, 通过测定
土壤碳排放过程中不同有机碳组分的同位素丰度, 能够精准区别土壤呼吸组分和来源, 从而更好地揭示土壤有机碳
稳定性对农田管理措施的响应机制, 为增强土壤碳汇效应和农业可持续发展提供科学依据。以往的研究大多集中
在模拟试验以及小范围、短时间监测, 与实际差距较大, 测量结果会高估或低估实际值。因此, 在未来的农田土壤
碳循环研究过程中要采取多点、长时间实时原位监测, 并结合13C同位素技术, 实现土壤CO2排放实时分解, 达到揭
示土壤有机碳稳定性机制的目的。
关键词: 土壤有机碳; 13C同位素; 农田生态系统; 碳循环
中图分类号: S153开放科学码(资源服务)标识码(OSID):
Using soil organic carbon isotope composition analysis to elucidate the carbon
cycle of agroecosystems
LI Fadong1,2,3, LI Zhaoxin1,2,3, QIAO Yunfeng1,2,3, LIU Shanbao1,2,3, TIAN Chao1,2, ZHU Nong1,2,
HIRWA Hubert1,2,3, MEASHO Simon1,2
(1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. Shandong Yucheng Agro-ecosystem National Observation Research Station,
Yucheng Comprehensive Experiment Station, Chinese Academy of Sciences, Yucheng 251200, China; 3. College of Resources and
Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
国家自然科学基金项目(U2006212, 41761144053, U1906219, 42007155, U1803244, 41771292)资助
李发东, 主要从事农业生态水文与水环境研究。E-mail: lifadong@igsnrr.ac.cn
收稿日期: 2023-01-03 接受日期: 2023-01-13
This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (U2006212, 41761144053, U1906219, 42007155, U1803244,
41771292).
Corresponding author, LI Fadong, E-mail: lifadong@igsnrr.ac.cn
Received Jan. 3, 2023; accepted Jan. 13, 2023
中国生态农业学报 (中英文) ?2023年2月 ?第?31?卷 ?第?2?期
Chinese?Journal?of?Eco-Agriculture,?Feb.?2023,?31(2):?194?205
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Abstract: Soil organic carbon is one of the most abundant and longest stored ecosystem carbon pools on the Earth’s surface. Improv-
ing soil organic carbon stability and enhancing soil carbon sink capacity have become a key scientific issue for sustainable strategies
of carbon management in terrestrial ecosystems. There is an international consensus that agroecosystems are playing an increasingly
important role in carbon sequestration and in the process of achieving carbon neutrality. Farmland management practices could dis-
turb soil carbon cycle processes, and the carbon sink of agroecosystems can be enhanced by effective management practices. Cur-
rently, domestic studies have focused on the effects of tillage practices, fertilizer and irrigation levels, and straw incorporation on farm
productivity, carbon sequestration rate, and greenhouse gas emissions; but the mechanisms of organic carbon stability in response to
different farmland management practices and the relationship with soil carbon emissions have not been clearly understood. 13C iso-
tope technology is a powerful tool for studying soil carbon cycling processes in agroecosystems. By measuring the isotopic abund-
ance of different organic carbon components in soil carbon emissions, soil respiration components and sources can be accurately dis-
tinguished, which can better reveal the response mechanism of soil organic carbon stability to farmland management practices and
provide a scientific basis for enhancing soil carbon sink effects and sustainable agricultural development. Most previous studies have
focused on simulations and small-scale, short-term monitoring, with large discrepancies between results, which may overestimate or
underestimate the actual values. Therefore, multi-point, long-term, and real-time in situ monitoring combined with 13C isotope techno-
logy should be adopted in future research on the soil carbon cycle to understand real-time decomposition of soil CO2 emissions in
agroecosystems, which can better reveal the mechanism of soil organic carbon stability.
Keywords: Soil organic carbon; 13C isotope; Agroecosystem; Carbon cycle
大气中的二氧化碳浓度(CO2)从1750年工业时
代开始时的277.0 mg?kg?1 增加到2019年的(409.8±
0.1) mg?kg?1 [1], 使得大气平均温度上升1.1 ℃。全球
变暖会造成如极端气候频发、海平面上升、淡水资
源短缺、危害人体健康等[2]诸多危害。因此, 治理全
球变暖成为许多国家的目标。2020年第75届联合
国大会上, 我国向世界郑重承诺力争在2030年前实
现碳达峰, 努力争取在2060年前实现碳中和。为了
达到这一目标, 我国一直在积极探索固碳减排的有
效途径。植树造林被认为是固碳减排的有效方法,
与森林面积的变化和已建森林的增长相对应, 中国
森林生态系统的碳库在这几十年中显著增加[3]。草
原是一个高度动态的土地利用系统, 提供重要的生
态系统服务功能, 具有较强的碳储存能力[4]。此外,
湿地生态系统是生物圈中土壤碳的重要储存库, 在
全球碳循环以及应对气候变化过程中发挥着重要作
用[5]。国际学术界在研究森林、草原、湿地等生态
系统对增强土壤碳汇作用的过程中, 发现农田生态
系统在固碳方面的作用越来越重要[6-7]。在农业领域,
中国积极倡导秸秆还田, 使得全国范围内表层土壤
(0~20 cm)的平均土壤有机碳(SOC)储量从1980年
的28.6 Mg(C)?hm?2增加至2011年的32.9 Mg(C)?hm?2[8]。
有机质是土壤的重要组成部分, 其数量和质量在一
定程度上反映生态系统初级生产力和次级生产力的
大小, 因此, 与土壤肥力、碳截获潜力密切相关。土
壤 有 机 碳 库 是 陆 地 生 态 系 统 的 最 大 碳 库 , 约 占
66.7%~75.0%, 其轻微的变化会对大气的CO2浓度产
生很大影响, 因此SOC对研究全球气候变化和碳循
环具有重要意义, 农田生态系统中SOC稳定性过程
和机制也已成为陆地生态系统碳循环研究的热点问
题[9]。对农田生态系统土壤碳循环的研究, 将有助于
预测未来大气中CO2浓度的变化以及理解大气圈和
生物圈相互作用机制。
稳定碳同位素技术是研究土壤碳循环最为科学
有效的方法之一[10], 已在农田SOC周转[11-12]、土壤呼
吸及其来源区分[12-13]、地上与地下碳分配[14]等方面
得到广泛应用。然而, 运用稳定碳同位素技术针对
农田管理方式影响下的土壤碳周转、分配及碳固持
效应的机理性研究目前开展的较少。自然界中存在
7种碳同位素(10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C), 只
有12C、13C两种为稳定性碳同位素, 其中12C、13C天
然丰度分别为98.89%、1.11%, 14C只有极微量且具
放射性, 半衰期为5730年; 其他同位素由人工核反应
获得, 均有放射性且含量极少[15]。不同同位素之间物
理化学性质上的差异使反应前和反应后的物质在同
位素组成上存在差异, 这种现象称为同位素分馏效
应[16-17]。基于此, 利用稳定碳同位素技术研究农田生
态系统碳循环是一种有效的手段, 同时也是研究农
田生态系统有机碳稳定性的有效工具。稳定性同位
素(12C 、13C)与放射性同位素(14C)相比, 具有安全、
无污染、易控制等优点, 被广泛应用于陆地生态系
统碳周转的生物地球化学过程研究[18]。
目前, 国内一些研究人员分别从农田耕作制度[19]、
施肥方式[20]、秸秆还田[21]等方面研究了农田生产力、
碳固持速率、温室气体排放效应等问题。但至今对
如何提升农田生态系统有机碳稳定性的机制认识尚
第 2 期 李发东等 : 土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展 195
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未完全明确, 导致农田生态系统碳储量和关键碳周
转过程的估算还存在很大不确定性, 迫切需要深入
开展农田碳固持潜力的机制研究。
1 不同耕作措施对土壤有机碳固持过程的
影响
缓解气候变化和确保由于全球人口呈指数增长
所带来的粮食安全问题是未来农业面临的最大挑战。
改进土壤耕作措施对于通过提高农业生态系统生产
力、土壤肥力和碳固持能力来解决这些问题至关重
要[22]。应对气候变化需要降低大气中的CO2浓度,
这可以通过减少CO2排放量和增加碳汇来实现[23]。
土壤中碳的储量和存储时间在农业生态系统中分别
是最高和最久的, 耕作措施会影响其储量和周转周
期, 采用有效的耕作措施会使土壤成为碳汇, 增强土
壤碳的稳定性[24]。SOC含量是一个重要的土壤质量
指标, 对包括初级生产力、气候调节和生态系统服
务在内的不同土壤功能具有重要影响, 其损失是加
剧气候变化的主要原因之一[25]。SOC的动态平衡过
程决定着土壤碳储存过程, 因此研究SOC的动态变
化对揭示不同耕作措施影响下的土壤碳固持过程以
及调控机制具有重要意义。
在进一步深入探讨之前, 需要先了解几个重要
概念。首先是碳饱和度, 是指SOC存量的增加与碳
输入不呈正比, 这意味着土壤并不是一个无限的碳
汇[26]。产生这一现象的原因主要与土壤中矿物粒度
百分比有关, 尤其是细粒矿物(<20 μm)[27]。它们通过
有机-矿物相互作用(物理-化学相互作用)保护有机
碳不被淋滤, 或限制有机化合物进入土壤微生物群
落, 或阻碍分解者的氧气供应(物理保护)[27]。其次是
碳固持, 是指将大气中的CO2通过植物、植物残留
物和其他有机固体转移到土壤中的过程, 这些有机
固体作为土壤有机质(腐殖质)的一部分储存或保留
在土壤中[28]。某一耕作措施的碳固存潜力代表在特
定气候、特定时间段和特定土壤深度(主要是0~20 cm)
下SOC存量的最大增加或减少量。总的来说, 负碳
固存潜力代表SOC的净损失, 而正碳固存对应SOC
存量的增加[29]。最后是碳储存, 是指在特定土地单元
和一定土壤深度以及时间段内SOC储量的增加[29]。
总的来说, 碳储存被定义为特定时间段内特定土壤
深度的碳质量变化, 而碳固持则被定义为特定时间
段内特定土壤深度的碳固定速率。因此, 碳固持更
能准确反映土壤SOC动态变化过程。
不同耕作措施(如免耕、翻耕、秸秆还田、施
肥等)主要通过改变土壤结构(特别是团聚体)、土
壤理化性质而影响土壤的碳固持效率[30], 从而影响
SOC的稳定性, 最终影响土壤碳排放过程和气候变
化(图1)。
传统耕作(如犁耕)机械地破坏土壤表面的团聚
体, 使以前受保护的土壤有机质(SOM)暴露在微生
物的分解环境下[31], 促进土壤侵蚀, 减少有机碳储
量[32]。经证明, 采用免耕或少耕方法的农田表层土
壤(0~10 cm)的有机碳含量显著高于传统耕作(如犁
板耕法)[33]。然而, 随着土壤深度的增加(>10 cm), 耕
作措施对SOC储量没有显著性影响[33]。耕作引起
的SOC损失与土壤侵蚀有关[34], 尽量减少机械干扰
可通过增强土壤团聚体稳定性来减少侵蚀[35]。不同
组分碳在土壤中的周转时间是影响SOC稳定性的重
要因素。随着深度增加, 矿质态SOC的稳定性强于
颗粒态SOC, 但翻耕农田的矿质态SOC稳定性弱于
免耕[36], 表明免耕对上述两种形态碳的固持和稳定性
影响明显。传统的翻耕措施能增加土壤颗粒暴露面
积, 加快大团聚体的崩解破裂, 从而加速土壤碳矿化。
相反, 免耕减少了对土壤的扰动, 增加了土壤大团聚
体对SOC的包裹使其减少矿化, 进而增加SOC库[37]。
长期定位试验研究还认为, 免耕能显著增加0~10 cm
土层SOC含量, 但与传统耕作措施相比, 10~30 cm
土层SOC含量差别不大[38]。大多取样深度超过30 cm
的试验中, 免耕深层SOC含量相对翻耕降低[39]。对
农田生态系统而言, 由于耕作措施的改变, 土壤剖面
的水分、养分、热量、微生物及根系的生长都产生
变化, 从而影响了土壤碳的平衡状况, 使得耕作措施
对土壤碳的影响机制更为复杂。因此, 需要用新技
术手段(如稳定碳同位素技术连续观测)识别不同耕
作农田SOC库的特征组分, 并了解其形成与周转机
制, 对探索SOC在不同时期(长期或短期)的动态变
化至关重要。然而, 免耕增加的SOC储量主要集中
在表土层(0~10 cm), 而且这部分SOC大多为易分解
碳[40], 其活性和矿化能力都很高, 不利于形成稳定碳
长期固持下来, 而且免耕深层土壤因其物理结构的
差异(如土壤容重增大), 碳的垂直运移过程受阻, 其
碳的蓄积能力相比传统耕作农田要弱[41]。如何利用
稳定碳同位素对比研究免耕与传统耕作农田中垂直
剖面土壤碳组分的固持效应和周转机制, 是提升深
层SOC稳定性的关键问题。
秸秆还田不仅可以提高SOC储量, 还可以改善
土壤结构、降低容重、减少蒸发、减少侵蚀并提高
土壤中的营养物质入渗速率[42]。在农业管理系统中,
196 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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秸秆被用于热能生产或动物饲养/铺垫, 秸秆被剪短
并移除, 这减少了作物残留物的总量[42]。一般来说,
玉米(Zea mays)或多年生作物产生大量残留物, 而马
铃薯(Solanum tuberosum)等根茎作物产生的残留物
较少。残留碳氮质量也会影响SOC, 碳氮比较低的
作物残留[如大豆(Glycine max)]会促进微生物分解,
这将促进土壤有机质的分解[43]。碳氮比较高的作物
残留物(玉米)通常与有机碳累积有关。在类似的作
物残留管理下, 有机碳储量随产量的增加而增加[44]。
尽管如此, 由于生长调节剂的应用和短茎作物类型
的选择, 作物残留量可能不会随作物产量呈比例增
加。然而, 前人的研究也指出低碳氮比的作物残留
物可能会增加有机碳储量[45]。在对长期野外原位试
验的荟萃分析中, 残留物掺入使SOC存量增加了
7%[46]。同时, 免耕+秸秆还田被认为可增加碳固持效
率、减少CO2排放。此外, 免耕和秸秆还田相结合
较少扰动土壤, 增加了土壤肥力与养分, 提高作物
产量, 已被认为是理想的固碳、减排、增产的管理
机制[47]。
施肥水平也是影响SOC固持的重要因素。尤其
在华北平原, 大量的氮肥输入成为集约农业增加产
量的主要渠道, 这也产生了很多不利的后果, 如增加
温室气体排放、水体污染、加剧气候变化等等。合
理的无机氮肥输入成为解决此问题的关键。总的来
说, 施氮对SOC的影响有两种截然不同的趋势: 一方
面, 氮肥为初级生产提供“燃料”, 从而提高地上和地
下生物量, 进而丰富SOC储量[29]; 另一方面, 氮肥可
以 刺 激 凋 落 物 和 土 壤 有 机 质 的 生 物 降 解 [48], 减 少
SOC库存[49]。因此, 最佳氮肥供应可能对土壤碳固
持至关重要[50]。在一项全球荟萃分析中, 氮肥使农业
土壤的有机碳减少了10%[50]; 而在另一个全球荟萃分
析中, 氮肥使有机碳储量增加了3.5%[51]。土壤有机
质可通过宏观和微观聚集或与淤泥和黏土颗粒的相
互作用进行物理稳定[52], 或通过形成难降解的SOM
化合物进行生化稳定[53]。在氮有限的环境中, 土壤微
生物群落利用来自稳定SOM的氮来满足其生长和
农田管理措施
management practices
管理方式
Management style
免耕
No-tillage
浅翻
Shallow ploughing
深翻
Deep ploughing
秸秆不还田
No straw
秸秆还田
Straw incorporation
施肥水平
Fertilization levels
士壤理化参数
Soil physicochemical
parameters
土壤结构
Soil structure
土壤水分
Soil water content
土壤温度
Soil temperature
土壤腐殖质
Soil humus
土壤微生物
Soil microorganisms
土壤 CO
2
排放
Soil CO
2
emissions
土壤有机
碳稳定性
Soil
organic
carbon
stability
监测方法
Measuring methods
过去 Past
现在 Now
实验室培养环境
Laboratory culture environment
土壤表层 (0~10 cm)
Soil surface (0?10 cm)
短时间且不连续
Short duration and discontinuity
原位监测
In-situ monitoring
中层土壤 (0~30 cm)
Soil middle layer (0?30 cm)
实时动态监测
Real-time dynamic monitoring
稳定同位素技术
Stable isotope technique
将来 Future
原位监测
In- situ monitoring
Soil deep layer (> 30 cm)
实时动态监测
Real-time dynamic monitoring
稳定同位素技术
Stable isotope technique
人工智能技术
AI technique
Cropland
土壤 pH 、阳离子
交换能力
Soil pH, cation
exchangeable capacity
深层土壤 (> 30 cm)
图 1 耕作方式影响土壤CO2排放的过程和监测方法展望
Fig. 1 Prospect of processes and measuring methods of soil CO2 emission affected by tillage method
第 2 期 李发东等 : 土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展 197
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繁殖需求[54]。氮肥可通过促进凋落物分解, 同时减少
微生物养分利用, 改善稳定有机碳库(细粒径<0.4
mm)[55]。然而, 施氮肥对SOC固持过程的影响还与
土壤质地有关, 矿物氮肥添加倾向于增加土壤中的
颗粒有机碳, 而淤泥和黏土粒级组分中的有机碳则
减少, 产生不太稳定的SOC[56]。与单独施用矿质氮
肥类似, 化学氮肥、磷肥和钾肥(NPK)增加了作物
产量[13,53]和植物生物量、土壤微生物量以及SOC存
量[57]。与不施肥条件相比, 一项长期野外试验的荟萃
分析表明, NPK、N、P和K施肥可分别将上层土壤
(0~20 cm)的SOC储量提高10%、5%、5%和2%[58]。
此外, 氮和磷肥增加了根系生物量和根系分泌物, 从
而提高了SOC储量。不同土壤类型和种植制度的长
期施肥试验表明, 矿物NPK肥料对SOC固存的影响
取 决 于 土 壤 参 数, 主 要 是 土 壤 有 效 氮 含 量 和 土 壤
pH[59]。除了提高初级生产力外, 磷肥还可以通过影
响丛枝菌根真菌影响土壤固碳。与单独施用氮肥相
比, 施用NPK可减少丛枝菌根真菌的定殖, 从而减少
菌根介导的植物养分吸收, 进而对土壤碳固存产生
负面影响[60]。然而, 丛枝菌根真菌在陆地碳循环中的
作用在很大程度上被忽视, 尤其是其对碳固存潜力
的影响[61]。总的来说, 土壤微生物群落在控制农业生
态系统碳循环中起着重要作用[62]。碳利用效率决定
了碳在分解过程中的去向, 与氮和磷的有效性密切
相关, 并可能进一步受到钾和微量营养素可及性的
影响[63]。这些联系需要通过进一步的研究加以解决。
2 土壤碳排放对土壤有机碳稳定性的响应
机制
SOC是影响土壤质量和农业可持续性的主要土
壤成分, 农田管理措施对土壤的碳固存有很大影响。
保持和改善SOC对于缓解集约化种植系统中土壤结
构恶化和CO2排放至关重要, 因为SOC被认为是一
种重要的聚合结合剂和具有强大的碳汇功能[64]。土
壤碳排放过程被认为与SOC稳定性密切相关, 一般
来说二者表现出负相关, SOC稳定性减弱有利于土
壤碳排放[65]。一方面, SOC稳定性降低代表矿化过
程增强, 可产生更多有利于提高微生物活性的底物,
促进土壤碳排放[66]; 另一方面, 为根系生长提供更多
可利用元素, 促进根系活动, 增加土壤碳排放强度[67]。
土壤碳排放过程主要通过土壤呼吸来完成, 土
壤呼吸主要由土壤微生物、动物呼吸组成的异养呼
吸与根系、根际呼吸组成的自养呼吸构成(图2), 对
农田生态系统土壤碳平衡有重要影响。目前, 关于
土壤呼吸的研究主要集中于区分根呼吸和微生物呼
吸两个生物学过程[68-69], 而上述过程在呼吸性质、呼
吸主体、利用碳源、周转速率、时空变异性以及对
环境因子的响应和适应方面差异显著[70]。土壤微生
物呼吸是土壤对大气CO2浓度增加的主要贡献者,
故只有区分根呼吸与土壤微生物呼吸才能准确探研
SOC稳定性。在Zacháry等[71]的研究中指出通过测
定轮作农田生态系统中不同作物生长时期的SOC
的δ13C值, 可以定量描述SOC 的平均周转时间, 进
而衡量SOC稳定性。SOC稳定性与δ13C关系的研
究有很多[72-74]。然而, 近30年来, 利用实时原位稳定
同位素技术区分土壤呼吸碳来源从而揭示SOC稳定
性机制的研究尚不多见。因此, 以后的研究要注重
典型农田生态系统的原位观测, 使用13C稳定同位素
技术, 通过连续、实时地监测土壤中各SOC组分含
量, 解析不同碳组分[易分解SOC、微生物生物量
碳 (MBC)、 惰 性 SOC]对 土 壤 呼 吸 的 贡 献 , 以 及
SOC各组分碳的周转速率和内在稳定性机制, 为研
究典型农田生态系统SOC不同组分稳定机制及固持
效应提供科学依据。
此外, 土壤呼吸各组分对环境因子响应不同, 对
土壤活性碳和惰性碳的利用和分解也不一致[75]。因
此, 区分土壤CO2不同组分的来源和贡献, 对理解不
同碳组分的周转效应及SOC稳定性非常关键。目前
为止, 许多方法用来区分土壤CO2, 如根系去除法、
壕沟法、环剥法、物理分割组分法、直接测量方法
及同位素技术[76]。不同组分的碳同位素值差异可定
量不同呼吸组分的比例及组分之间的净交换, 自然
丰度δ13C常用来区分土壤CO2通量, 其具有破坏小
且不改变环境状况等优势而得到广泛应用[70,77], 使得
土壤呼吸组分分离技术和相关机制的研究取得了较
大进展。然而, 由于农田生态系统受人为活动的强
烈影响, 农田水、肥的短期变化会严重影响土壤呼
吸及SOC的稳定性[78], 运用现有的土壤呼吸分离方
法来探索短期内农田土壤碳循环特征时, 表现出一
定的局限性。深入分析农田生态系统中土壤呼吸的
源、呼吸主体和呼吸过程, 亟需长期连续观测、整
合利用现有土壤呼吸观测技术, 改进现有组分分离
法和根分离法, 强化土壤呼吸组分和环境因子的同
步观测, 以准确地评估农田碳收支。利用土壤呼吸
各组分的实时、定位观测, 研究不同土壤呼吸组分
对不同环境因子(如孔隙度、团聚体、温度、湿度、
养分、腐殖质)、气候因子及生物因子的交互响应机
制, 是重构现有全球碳模型中碳过程和土壤呼吸过
198 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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程机理的重要手段。
3 13C 同位素技术在土壤有机碳组分固持中
的定量识别
以SOC形式固持的碳库是减缓大气CO2浓度上
升的全球重要碳蓄积库[16], 其含量达1400~1600 Pg,
是大气碳库的3倍, 约是陆地生物量的2倍[82]。农田
生态系统占陆地生态系统40%左右, 过去150年, 农
田管理方式对土壤的扰动导致全球40~90 Pg的碳损
失[83-84], 而 通 过 增 加 深 层 土 壤 碳 固 持, 每 年 可 固 定
5.5~6.0 Gt CO2当量碳[85]。因此, 土壤碳库的微小变
化将影响大气CO2浓度及全球碳循环过程[86]。另外,
未来30年SOC库提升是开展有机农业、提升粮食
产量以满足全球90亿人口粮食需求的重要措施, 其
碳库提升对减缓气候变化、维持农田生产力和粮食
安全具有重要意义[87]。目前, 大量研究评估了不同气
候环境和农田管理方式对SOC的固持效应, 而中国
农田SOC储量占全球平均水平的1/3左右[88]。因此,
提升我国农田土壤碳库水平和土壤肥力状况, 降低
农 田 碳 排 放, 是 目 前 亟 需 解 决 的 科 学 问 题 之 一 。
当前, 不合理的农田管理措施致使大量的SOC
损失, 合理的实践措施会增加土壤SOC含量以及增
强碳汇功能。寻求一种或多种耕作措施之前理解其
内在机制是关键, 而13C同位素技术是解决此问题的
有力工具。13C同位素技术是研究限制全球碳循环
不确定成分的最有效手段之一, 如陆地生物圈和大
气储层之间的净碳交换以及农业生态系统碳储存大
小和分配[89]。
目前利用13C稳定同位素研究主要集中于不同组
分碳(易分解SOC、MBC、惰性SOC)和不同粒径
团聚体(大团聚体和微团聚体)碳含量的周转速率和
固持效应等。Dou等[11]使用δ13C同位素技术研究长
期(25年)秸 秆 还 田 后 农 田 不 同 等 级 土 壤 团 聚 体
SOC含量, 发现秸秆还田配合无机氮肥施用, <250 μm
团聚体中的SOC含量减小, 而>250 μm的SOC量逐
渐增加, 显示轻组有机碳向大团聚体中颗粒有机碳
的转变。
稳定性同位素技术适合研究从年到百年尺度的
土壤碳循环过程, 能有效地阐明地下碳动态变化和
土壤碳储量的微小迁移与转换, 以及定量化评价新
土壤呼吸
Soil respiration
100%
自养呼吸
Autotrophic respiration
21.4%~40.7%
异养呼吸
Heterotrophic respiration
59.3%~78.6%
根系呼吸
Root respiration
54.3%~69.1%
根际微生物
呼吸
Rhizosphere microbial
respiration
30.9%~45.7%
土壤微生物
呼吸
Soil microbial
respiration
51.2%~65.1%
土壤动物
呼吸
Soil animal respiration
34.9%~48.8%
图 2 典型农田生态系统土壤呼吸组分结构图(华北平原)[69,79-81]
Fig. 2 Structure of soil respiration components in a typical farmland ecosystem (North China Plain)[69,79-81]
第 2 期 李发东等 : 土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展 199
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老SOC对碳储量的相对贡献[90]。13C自然丰度法同
位素技术在农田SOC的周转时间和不同碳组分分配
上已有广泛研究[91-92]。农田生态系统中主要包括C3
和C4两种光合作用途径的植物类型, 其中C3植物
δ13C处 于?35‰至?20‰范 围 之 间, C4植 物δ13C为
?19‰至?9‰[92]。通过转换种植C3和C4作物, 秸秆
还田后测定SOC不同组分δ13C值, 可进一步解释秸
秆还田对土壤碳循环过程的影响, 推断土壤碳组分
的周转时间[73]和SOC库周转速率[93]。通过标记秸秆
研究作物秸秆、残茬或作物根系在土壤中的分解动
态或对土壤有机质的贡献, 可为阐明土壤碳转化过
程及土壤肥力演变提供新的技术支撑[94-95]。稳定碳
同位素还可利用脉冲标记法研究碳在植株地上部、
地下部以及土壤中的迁移和转化过程。脉冲标记法
分为连续脉冲和间断脉冲两种, 可视研究需要进行
选择。利用4次13C脉冲标记研究光合碳在互花米
草(Spartina alterniflora)中分配和迁移过程发现, 互
花米草各组分固定13C量呈现茎>叶>根>根际土壤>
土体的趋势, 叶分配比例为32.4%~39.2%, 茎分配比
例 为39.8%~47.6%, 根 分 配 比 例 为18.0%~20.3%, 根
际 土 壤 分 配 比 例 为0.3%~0.4%, 土 体 分 配 比 例 为
0.08%~0.20%[96]。 研 究 冬 小 麦(Triticum aestivum)生
长向地下部分的输入对土壤固碳和作物生产具有重
要意义。有研究分别在分蘖期、拔节期、花期和灌
浆期, 用13CO2对冬小麦进行脉冲标记7 h, 发现在整
个生育期内, 冬小麦净吸收的光合碳分配到地上部、
根部及SOC和根际呼吸的比例分别为78.5%、6.0%、
3.1%和12.4%[97]。此外, 注射法也可用于研究稳定碳
同位素在植株体内及土壤中迁移和周转过程。注射
法是指定期向植株体内注入稳定碳同位素肥料溶解
液, 可通过叶片或茎部进行注射。然而, 大多研究基
于室内培养的短期研究, 侧重于通过外源碳素添加
来探索不同碳组分及其周转的贡献, 而对于野外耕
作措施结合秸秆还田等农田管理方式对碳库的稳定
机制研究还较少。
利用多种稳定碳同位素模型研究SOC稳定性也
是未来一大趋势。已有国外研究利用WATEM模型
模拟遭受侵蚀景观中的有机碳循环[98]。因为SOC是
由不同组件组成的复合体, 所以在诸如CENTURY[99]、
ICBM[100]等模型中, 它通常由关于碳输入和分解率的
各种池来表示。Bouchoms等[101]还开发了模型来研
究能量消耗、作物生产力和有机碳循环之间的关系。
在农田尺度上, 结合SOC侵蚀再分布和SOC动态的
模型现在能够重现土地利用下农田SOC储量的空间
异质性、侵蚀区SOC耗竭、沉积区SOC富集[102-103]。
碳同位素也被包括在有机碳循环模型中, 以约束模
型参数或探索控制因素。Baisden等[104]利用碳和氮
同位素模拟了SOC沿深度的周转和迁移, 表明水文
条件在控制SOC的垂直迁移中起着重要作用。此外,
整合碳同位素识别的有机碳循环模型被用于探索有
机碳分解和物理混合对δ13C值随土壤深度垂直增加
的影响[105]。Wynn等[89]建立了一个关于δ13C (SOC)
的主要气候控制模型, 该模型植根于C3和C4植被
的优化水利用效率的假设, 并且可以用现成的环境
数据推断到大陆或全球数据。Ahrens等[106]使用14C
特征来约束使用贝叶斯方法的多池有机碳模型的参
数, 并且该模型被进一步应用于量化吸附、溶解有
机碳迁移和微生物相互作用在确定土壤剖面δ14C值
中的贡献[107]。虽然野外研究已经确定了土壤再分布
对有机碳同位素剖面的影响[108], 但相关模型尚未开
发。包含碳同位素的SOC模型适用于农田生态系
统, 将有助于全面了解碳同位素剖面以及SOC同位
素组成在农田生态系统中的空间变异性, 更好地揭
示SOC稳定性机制, 为减缓气候变化、加快实现碳
中和目标做出积极贡献。
实时监测时空尺度CO2排放是今后研究土壤呼
吸组分的趋势(图3)。近期报道, 结合δ13C示踪技术
在不同时间尺度(日、季和年)[109]、不同土壤剖面实
时自动监测CO2浓度变化[110], 可揭示全年土壤呼吸
组分来源变化, 表明稳定同位素示踪技术作为区分
农田土壤关键碳过程的重要手段, 已得到广泛运用。
然而, 短时间尺度监测并不能完全区分土壤呼吸组
分来源以及不同组分碳固持速率。运用δ13C同位素
探索土壤碳周转和稳定性固持的内在机制研究尚未
完全开展。加强长期实时监测不同组分土壤呼吸及
碳固持动态变化, 是精确评估农田生态系统碳过程
及碳源/汇功能的关键。
4 展望
SOC稳定性对维持农田生态系统碳库、作物的
稳产高产以及全球碳循环具有重要意义。农田土壤
CO2排放是SOC耗散的主要方式, 不同农田管理措
施将对SOC稳定性产生重要影响。农业生态系统在
固碳减排方面发挥重要作用, 寻求合理的管理实践
方式的关键是揭示SOC稳定性对农田管理措施的响
应机制。SOC固持和碳排放的过程非常复杂, 响应
机制的揭示必须清晰理解其中的过程, 先进的技术
支持必不可少。
200 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
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过去主要集中在用传统方法(如取样法)对土壤
表层SOC稳定性进行研究, 很难反映有机碳在土壤
中的周转和迁移过程, 不具有代表性。同时, 以往的
手段不能识别土壤碳循环过程中不同有机碳组分含
量的变化, 这对精确理解SOC稳定性的机制带来极
大困难。对土壤碳排放的研究过去主要集中在室内
小范围模拟试验且不连续, 与实际农业生态系统碳
排放过程差距较大。13C同位素技术具有稳定性高、
安全性强的特点, 在土壤碳固持和排放过程中能够
精确识别不同有机碳组分的含量变化, 不仅能够根
据单位时间内有机碳含量变化计算出有机碳稳定性,
还能有效区分土壤呼吸组分、来源及贡献。结合现
有的农田管理措施, 可以很好地揭示SOC稳定性的
响应机制。
当前利用13C同位素技术的标记示踪和室内培养
的方法, 揭示了其中重要的机理, 但与野外实时的状
况仍有差距。土壤碳固持和排放的复杂过程受诸多
环境因素的影响, 如大气温度、湿度、辐射、气压
等, 土壤质地、结构、基础理化性质、微生物群落
等以及人为因素。由于土壤碳循环的复杂性和易干
扰性, 单纯的室内模拟试验很难揭示其内在过程和
机理。
因此, 未来研究应加强农田生态系统土壤CO2
排放的原位观测和实时动态观测, 并通过结合δ13C
同位素丰度和环境要素的实时观测, 结合采样后的
土壤和秸秆理化分析, 可以实现土壤CO2排放的实
时分解, 从而揭示SOC稳定性对不同农田管理措施
的响应机制, 为典型农田生态系统SOC、农田地力、
土壤碳固持潜力的提升提供科学依据, 更好地实现
农业可持续发展和国家碳中和目标。
参考文献 References
FABIYI T. Trends in atmospheric carbon dioxide[R]. National
Oceanic and Atmospheric Administration, Earth System
Research Laboratory (NOAA/ESRL), 2020. http://www.esrl.
noaa.gov/gmd/ccgg/trends/global.html
[1]
SHANG Q Y, CHENG C, WANG J J, et al. Net global
warming potential, greenhouse gas intensity and carbon
footprint as affected by different tillage systems from Chinese
double-cropping paddy fields[J]. Soil and Tillage Research,
2021, 209: 104947
[2]
SUN W L, LIU X H. Review on carbon storage estimation of
forest ecosystem and applications in China[J]. Forest
Ecosystems, 2020, 7: 4
[3]
PADBHUSHAN R, SHARMA S, RANA D S, et al. Delineate
soil characteristics and carbon pools in grassland compared to
native forestland of India: a meta-analysis[J]. Agronomy,
2020, 10(12): 1969
[4]
ZAMORA S, SANDOVAL-HERAZO L C, BALLUT-DAJUD
G, et al. Carbon fluxes and stocks by Mexican tropical forested
wetland soils: a critical review of its role for climate change
mitigation[J]. International Journal of Environmental Research
[5]
数据实时记录系统
Data recording system with
real time
存储
Storage
处理
Deal
气体采集装置
Gas collection device
指令
Instruction
控制
Control
气体传输装置
Gas transmission device
气体
Gas
分析
Analysis
分析系统 Analysis system动力系统 Power system
控制系统
Control system
图 3 土壤CO2排放实时原位监测系统
Fig. 3 Real time in situ monitoring system for soil carbon dioxide emission
第 2 期 李发东等 : 土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展 201
http://www.ecoagri.ac.cn
and Public Health, 2020, 17(20): 7372
潘根兴, 李恋卿, 张旭辉. 土壤有机碳库与全球变化研究
的若干前沿问题 ?兼开展中国水稻土有机碳固定研究的
建议[J]. 南京农业大学学报, 2002, 25(3): 100?109
PAN G X, LI L Q, ZHANG X H. Perspectives on issues of soil
carbon pools and global change — With suggestions for
studying organic carbon sequestration in paddy soils of
China[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2002,
25(3): 100?109
[6]
TARIYAL K, GUSAIN S S. Climate change and agro-
ecosystems: a positive correlation analysis[J]. Asian Man
(The) - An International Journal, 2017, 11(2): 125
[7]
ZHAO Y C, WANG M Y, HU S J, et al. Economics- and
policy-driven organic carbon input enhancement dominates
soil organic carbon accumulation in Chinese croplands[J].
Proceedings of the National Academy of Sciences of the
United States of America, 2018, 115(16): 4045?4050
[8]
金鑫鑫, 汪景宽, 孙良杰, 等. 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[J]. 土壤,
2017, 49(2): 217?224
JIN X X, WANG J K, SUN L J, et al. Progress of carbon cycle
in farmland and sequestration in soil aggregates revealed by
stable 13C isotope[J]. Soils, 2017, 49(2): 217?224
[9]
张昊, 李建平. 稳定碳同位素在草地生态系统碳循环中的
应用与展望[J]. 水土保持研究, 2021, 28(1): 394?400
ZHANG H, LI J P. Application and prospect of stable carbon
isotope to the study of carbon cycle in grassland ecosystem[J].
Research of Soil and Water Conservation, 2021, 28(1):
394?400
[10]
DOU X L, HE P, ZHU P, et al. Soil organic carbon dynamics
under long-term fertilization in a black soil of China: evidence
from stable C isotopes[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 21488
[11]
FUENTES M, GOVAERTS B, HIDALGO C, et al. Organic
carbon and stable 13C isotope in conservation agriculture and
conventional systems[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2010,
42(4): 551?557
[12]
MIDWOOD A J, MILLARD P. Challenges in measuring the
δ13C of the soil surface CO2 efflux[J]. Rapid Communications
in Mass Spectrometry: RCM, 2011, 25(1): 232?242
[13]
DANNOURA M, MAILLARD P, FRESNEAU C, et al. In situ
assessment of the velocity of carbon transfer by tracing 13C in
trunk CO2 efflux after pulse labelling: variations among tree
species and seasons[J]. The New Phytologist, 2011, 190(1):
181?192
[14]
LACOMBE R J S, BAZINET R P. Natural abundance carbon
isotope ratio analysis and its application in the study of diet and
metabolism[J]. Nutrition Reviews, 2021, 79(8): 869?888
[15]
陈世苹, 白永飞, 韩兴国. 稳定性碳同位素技术在生态学
研究中的应用[J]. 植物生态学报, 2002, 26(5): 549?560
CHEN S P, BAI Y F, HAN X G. Applications of stable carbon
isotope techniques to ecological research[J]. Acta
Phytoecologica Sinica, 2002, 26(5): 549?560
[16]
林光辉. 稳定同位素生态学[M]. 北京: 高等教育出版社,
2013
LIN G H. Stable Isotope Ecology[M]. Beijing: Higher
[17]
Education Press, 2013
葛体达, 王东东, 祝贞科, 等. 碳同位素示踪技术及其在陆
地生态系统碳循环研究中的应用与展望[J]. 植物生态学报,
2020, 44(4): 360–372
GE T D, WANG D D, ZHU Z K, et al. Tracing technology of
carbon isotope and its applications to studies of carbon cycling
in terrestrial ecosystem[J]. Chinese Journal of Plant Ecology,
2020, 44(4): 360–372
[18]
DING J L, WU J C, DING D Y, et al. Effects of tillage and
straw mulching on the crop productivity and hydrothermal
resource utilization in a winter wheat-summer maize rotation
system[J]. Agricultural Water Management, 2021, 254: 106933
[19]
李春越, 常顺, 钟凡心, 等. 种植模式和施肥对黄土旱塬
农 田 土 壤 团 聚 体 及 其 碳 分 布 的 影 响[J]. 应 用 生 态 学 报,
2021, 32(1): 191?200
LI C Y, CHANG S, ZHONG F X, et al. Effects of fertilization
and planting patterns on soil aggregate and carbon distribution
in farmland of the Loess Plateau, Northwest China[J]. Journal
of Applied Ecology, 2021, 32(1): 191?200
[20]
WANG H H, SHEN M X, HUI D F, et al. Straw incorporation
influences soil organic carbon sequestration, greenhouse gas
emission, and crop yields in a Chinese rice (Oryza sativa L.)-
wheat (Triticum aestivum L.) cropping system[J]. Soil and
Tillage Research, 2019, 195: 104377
[21]
TIEFENBACHER A, SANDéN T, HASLMAYR H P, et al.
Optimizing carbon sequestration in croplands: a synthesis[J].
Agronomy, 2021, 11(5): 882
[22]
PAUSTIAN K, LEHMANN J, OGLE S, et al. Climate-smart
soils[J]. Nature, 2016, 532(7597): 49?57
[23]
于贵瑞, 王绍强, 陈泮勤, 等. 碳同位素技术在土壤碳循
环研究中的应用[J]. 地球科学进展, 2005, 20(5): 568?577
YU G R, WANG S Q, CHEN P Q, et al. Isotope tracer
approaches in soil organic carbon cycle research[J]. Advance
in Earth Sciences, 2005, 20(5): 568?577
[24]
VAN DE BROEK M, BAERT L, TEMMERMAN S, et al. Soil
organic carbon stocks in a tidal marsh landscape are dominated
by human marsh embankment and subsequent marsh
progradation[J]. European Journal of Soil Science, 2019, 70(2):
338?349
[25]
CHENU C, ANGERS D A, BARRé P, et al. Increasing
organic stocks in agricultural soils: knowledge gaps and
potential innovations[J]. Soil and Tillage Research, 2019, 188:
41?52
[26]
BEARE M H, MCNEILL S J, CURTIN D, et al. Estimating the
organic carbon stabilisation capacity and saturation deficit of
soils: a New Zealand case study[J]. Biogeochemistry, 2014,
120(1/2/3): 71?87
[27]
OLSON K R, AL-KAISI M M, LAL R, et al. Experimental
consideration, treatments, and methods in determining soil
organic carbon sequestration rates[J]. Soil Science Society of
America Journal, 2014, 78(2): 348?360
[28]
CHAUDHARY S, DHERI G S, BRAR B S. Long-term effects
of NPK fertilizers and organic manures on carbon stabilization
and management index under rice-wheat cropping system[J].
Soil and Tillage Research, 2017, 166: 59?66
[29]
202 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
张霞, 张育林, 刘丹, 等. 种植方式和耕作措施对土壤结
构与水分利用效率的影响[J]. 农业机械学报, 2019, 50(3):
250?261
ZHANG X, ZHANG Y L, LIU D, et al. Effects of planting
methods and tillage systems on soil structure and water use
efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society for
Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 250?261
[30]
DIGNAC M F, DERRIEN D, BARRé P, et al. Increasing soil
carbon storage: mechanisms, effects of agricultural practices
and proxies. A review[J]. Agronomy for Sustainable
Development, 2017, 37(2): 1?27
[31]
VELOSO M G, CECAGNO D, BAYER C. Legume cover
crops under no-tillage favor organomineral association in
microaggregates and soil C accumulation[J]. Soil and Tillage
Research, 2019, 190: 139?146
[32]
MAZZONCINI M, ANTICHI D, DI BENE C, et al. Soil
carbon and nitrogen changes after 28 years of no-tillage
management under Mediterranean conditions[J]. European
Journal of Agronomy, 2016, 77: 156?165
[33]
BENISTON J W, SHIPITALO M J, LAL R, et al. Carbon and
macronutrient losses during accelerated erosion under different
tillage and residue management[J]. European Journal of Soil
Science, 2015, 66(1): 218?225
[34]
ABID M, LAL R. Tillage and drainage impact on soil quality:
II. Tensile strength of aggregates, moisture retention and water
infiltration[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 103(2):
364?372
[35]
DE CLERCQ T, HEILING M, DERCON G, et al. Predicting
soil organic matter stability in agricultural fields through
carbon and nitrogen stable isotopes[J]. Soil Biology and
Biochemistry, 2015, 88: 29?38
[36]
CRYSTAL-ORNELAS R, THAPA R, TULLY K L. Soil
organic carbon is affected by organic amendments,
conservation tillage, and cover cropping in organic farming
systems: a meta-analysis[J]. Agriculture, Ecosystems &
Environment, 2021, 312: 107356
[37]
CHELLAPPA J, SAGAR K L, SEKARAN U, et al. Soil
organic carbon, aggregate stability and biochemical activity
under tilled and no-tilled agroecosystems[J]. Journal of
Agriculture and Food Research, 2021, 4: 100139
[38]
LI S, HU M J, SHI J L, et al. Integrated wheat-maize straw and
tillage management strategies influence economic profit and
carbon footprint in the Guanzhong Plain of China[J]. Science
of the Total Environment, 2021, 767: 145347
[39]
LUO Z K, WANG E L, SUN O J. Can no-tillage stimulate
carbon sequestration in agricultural soils? A meta-analysis of
paired experiments[J]. Agriculture, Ecosystems &
Environment, 2010, 139(1/2): 224?231
[40]
SHEN X L, WANG L L, YANG Q C, et al. Dynamics of soil
organic carbon and labile carbon fractions in soil aggregates
affected by different tillage managements[J]. Sustainability,
2021, 13(3): 1541
[41]
TRAJANOV A, SPIEGEL H, DEBELJAK M, et al. Using data
mining techniques to model primary productivity from
international long-term ecological research (ILTER)
[42]
agricultural experiments in Austria[J]. Regional Environmental
Change, 2019, 19(2): 325?337
CHEN J, HEILING M, RESCH C, et al. Does maize and
legume crop residue mulch matter in soil organic carbon
sequestration?[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment,
2018, 265: 123?131
[43]
WIESMEIER M, HüBNER R, K?GEL-KNABNER I.
Stagnating crop yields: an overlooked risk for the carbon
balance of agricultural soils?[J]. The Science of the Total
Environment, 2015, 536: 1045?1051
[44]
ZHANG H C, GOLL D S, MANZONI S, et al. Modeling the
effects of litter stoichiometry and soil mineral N availability on
soil organic matter formation using CENTURY-CUE (v1.0)[J].
Geoscientific Model Development, 2018, 11(12): 4779?4796
[45]
LEHTINEN T, SCHLATTER N, BAUMGARTEN A, et al.
Effect of crop residue incorporation on soil organic carbon and
greenhouse gas emissions in European agricultural soils[J].
Soil Use and Management, 2014, 30(4): 524?538
[46]
WANG X, JING Z H, HE C, et al. Temporal variation of SOC
storage and crop yield and its relationship — A fourteen year
field trial about tillage practices in a double paddy cropping
system, China[J]. Science of the Total Environment, 2021,
759: 143494
[47]
RECOUS S, ROBIN D, DARWIS D, et al. Soil inorganic N
availability: effect on maize residue decomposition[J]. Soil
Biology and Biochemistry, 1995, 27(12): 1529?1538
[48]
LADHA J K, REDDY C K, PADRE A T, et al. Role of
nitrogen fertilization in sustaining organic matter in cultivated
soils[J]. Journal of Environmental Quality, 2011, 40(6):
1756?1766
[49]
VAN GROENIGEN J W, VAN KESSEL C, HUNGATE B A,
et al. Sequestering soil organic carbon: a nitrogen dilemma[J].
Environmental Science & Technology, 2017, 51(9):
4738?4739
[50]
LU M, ZHOU X H, LUO Y Q, et al. Minor stimulation of soil
carbon storage by nitrogen addition: a meta-analysis[J].
Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011, 140(1/2):
234?244
[51]
SCHMIDT M W I, TORN M S, ABIVEN S, et al. Persistence
of soil organic matter as an ecosystem property[J]. Nature,
2011, 478(7367): 49?56
[52]
GMACH M R, CHERUBIN M R, KAISER K, et al. Processes
that influence dissolved organic matter in the soil: a review[J].
Scientia Agricola, 2020, 77(3): https://doi.org/10.1590/1678-
992X-2018-0164
[53]
CHEN R R, SENBAYRAM M, BLAGODATSKY S, et al.
Soil C and N availability determine the priming effect:
microbial N mining and stoichiometric decomposition
theories[J]. Global Change Biology, 2014, 20(7): 2356?2367
[54]
KIRKBY C A, RICHARDSON A E, WADE L J, et al.
Nutrient availability limits carbon sequestration in arable
soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 68: 402?409
[55]
ERHART E, TOMASETTI A, PANTIC S, et al. Carbon
storage in soil size-density fractions after 20 years of compost
fertilization[J]. Acta Fytotechnica et Zootechnica, 2015,
[56]
第 2 期 李发东等 : 土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展 203
http://www.ecoagri.ac.cn
18(Special Issue): 110–112
GUO Z C, ZHANG Z B, ZHOU H, et al. The effect of 34-year
continuous fertilization on the SOC physical fractions and its
chemical composition in a Vertisol[J]. Scientific Reports,
2019, 9(1): 2505
[57]
ZHAO H, SUN B F, LU F, et al. Roles of nitrogen,
phosphorus, and potassium fertilizers in carbon sequestration
in a Chinese agricultural ecosystem[J]. Climatic Change, 2017,
142(3/4): 587?596
[58]
LIANG F, LI J W, YANG X Y, et al. Three-decade long
fertilization-induced soil organic carbon sequestration depends
on edaphic characteristics in six typical croplands[J]. Scientific
Reports, 2016, 6: 30350
[59]
LIU J, ZHANG J, LI D M, et al. Differential responses of
arbuscular mycorrhizal fungal communities to mineral and
organic fertilization[J]. Microbiology Open, 2020, 9(1):
e00920
[60]
PARIHAR M, RAKSHIT A, MEENA V S, et al. The potential
of arbuscular mycorrhizal fungi in C cycling: a review[J].
Archives of Microbiology, 2020, 202(7): 1581?1596
[61]
LIANG C, SCHIMEL J P, JASTROW J D. The importance of
anabolism in microbial control over soil carbon storage[J].
Nature Microbiology, 2017, 2: 17105
[62]
CROWTHER T W, RIGGS C, LIND E M, et al. Sensitivity of
global soil carbon stocks to combined nutrient enrichment[J].
Ecology Letters, 2019, 22(6): 936?945
[63]
SMITH P, DAVIES C A, OGLE S, et al. Towards an
integrated global framework to assess the impacts of land use
and management change on soil carbon: current capability and
future vision[J]. Global Change Biology, 2012, 18(7):
2089?2101
[64]
ZHANG G S, NI Z W. Winter tillage impacts on soil organic
carbon, aggregation and CO2 emission in a rainfed vegetable
cropping system of the mid-Yunnan Plateau, China[J]. Soil and
Tillage Research, 2017, 165: 294?301
[65]
TESSEMA B, SOMMER R, PIIKKI K, et al. Potential for soil
organic carbon sequestration in grasslands in East African
countries: a review[J]. Grassland Science, 2020, 66(3):
135?144
[66]
ABAKUMOV E, POLYAKOV V. Carbon polygons and
carbon offsets: current state, key challenges and pedological
aspects[J]. Agronomy, 2021, 11(10): 2013
[67]
TANG X L, DU J, SHI Y H, et al. Global patterns of soil
heterotrophic respiration — A meta-analysis of available
dataset[J]. CATENA, 2020, 191: 104574
[68]
DU K, LI F D, LENG P F, et al. Differential influence of no-
tillage and precipitation pulses on soil heterotrophic and
autotrophic respiration of summer maize in the North China
Plain[J]. Agronomy, 2020, 10(12): 2004
[69]
KUZYAKOV Y. Response to the comments by Peter H?gberg,
Nina Buchmann and David J. Read on the review ‘Sources of
CO2 efflux from soil and review of partitioning methods’ (Soil
Biology & Biochemistry 38, 425–448) Object- versus method-
oriented terminology[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006,
38(9): 2999?3000
[70]
ZACHáRY D, FILEP T, JAKAB G, et al. Carbon isotope
measurements to determine the turnover of soil organic matter
fractions in a temperate forest soil[J]. Agronomy, 2020, 10(12):
1944
[71]
WU J P, DENG Q, HUI D F, et al. Reduced lignin
decomposition and enhanced soil organic carbon stability by
acid rain: evidence from 13C isotope and 13C NMR analyses[J].
Forests, 2020, 11(11): 1191
[72]
XIONG X, ZHANG H L, DENG Q, et al. Soil organic carbon
turnover following forest restoration in South China: evidence
from stable carbon isotopes[J]. Forest Ecology and
Management, 2020, 462: 117988
[73]
PAUL A, BALESDENT J, HATTé C. 13C-14C relations reveal
that soil 13C-depth gradient is linked to historical changes in
vegetation 13C[J]. Plant and Soil, 2020, 447(1/2): 305?317
[74]
CHANG S X, SHI Z, THOMAS B R. Soil respiration and net
ecosystem productivity in a chronosequence of hybrid poplar
plantations[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2020, 100(4):
488?502
[75]
HUANG K P, LI Y F, HU J G, et al. Rates of soil respiration
components in response to inorganic and organic fertilizers in
an intensively-managed Moso bamboo forest[J]. Geoderma,
2021, 403: 115212
[76]
DUTTA K, SCHUUR E A G, NEFF J C, et al. Potential carbon
release from permafrost soils of Northeastern Siberia[J].
Global Change Biology, 2006, 12(12): 2336?2351
[77]
KUZYAKOV Y, GAVRICHKOVA O. REVIEW: Time lag
between photosynthesis and carbon dioxide efflux from soil: a
review of mechanisms and controls[J]. Global Change Biology,
2010, 16(12): 3386?3406
[78]
HURSH A, BALLANTYNE A, COOPER L, et al. The
sensitivity of soil respiration to soil temperature, moisture, and
carbon supply at the global scale[J]. Global Change Biology,
2017, 23(5): 2090?2103
[79]
DONG L Z, ZENG W J, WANG A K, et al. Response of soil
respiration and its components to warming and dominant
species removal along an elevation gradient in alpine meadow
of the Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Environmental Science &
Technology, 2020, 54(17): 10472?10482
[80]
WANG Q K, ZHANG W D, SUN T, et al. N and P fertilization
reduced soil autotrophic and heterotrophic respiration in a
young Cunninghamia lanceolata forest[J]. Agricultural and
Forest Meteorology, 2017, 232: 66?73
[81]
罗梅, 郭龙, 张海涛, 等. 基于环境变量的中国土壤有机
碳空间分布特征[J]. 土壤学报, 2020, 57(1): 48?59
LUO M, GUO L, ZHANG H T, et al. Characterization of
spatial distribution of soil organic carbon in China based on
environmental variables[J]. Acta Pedologica Sinica, 2020,
57(1): 48?59
[82]
LAL R. Soil carbon sequestration to mitigate climate
change[J]. Geoderma, 2004, 123(1/2): 1?22
[83]
LAL R, BRUCE J P. The potential of world cropland soils to
sequester C and mitigate the greenhouse effect[J].
Environmental Science & Policy, 1999, 2(2): 177?185
[84]
SMITH P, MARTINO D, CAI Z C, et al. Greenhouse gas[85]
204 中国生态农业学 报 (中英文 )?2023 第 31 卷
http://www.ecoagri.ac.cn
mitigation in agriculture[J]. Philosophical Transactions of the
Royal Society B: Biological Sciences, 2008, 363(1492):
789?813
NATH C P, DAS T K, RANA K S, et al. Greenhouse gases
emission, soil organic carbon and wheat yield as affected by
tillage systems and nitrogen management practices[J].
Archives of Agronomy and Soil Science, 2017, 63(12):
1644?1660
[86]
MYERS S S, SMITH M R, GUTH S, et al. Climate change and
global food systems: potential impacts on food security and
undernutrition[J]. Annual Review of Public Health, 2017, 38:
259?277
[87]
黄耀, 孙文娟. 近20年来中国大陆农田表土有机碳含量的
变化趋势[J]. 科学通报, 2006, 51(7): 750?763
HUANG Y, SUN W J. Changes of soil organic carbon content
in farmland in Chinese mainland in recent 20 years[J]. Chinese
Science Bulletin, 2006, 51(7): 750?763
[88]
WYNN J G, BIRD M I. Environmental controls on the stable
carbon isotopic composition of soil organic carbon:
implications for modelling the distribution of C3 and C4
plants, Australia[J]. Tellus B: Chemical and Physical
Meteorology, 2008, 60(4): 604?621
[89]
YANG B, WEN X F, SUN X M. Irrigation depth far exceeds
water uptake depth in an oasis cropland in the middle reaches
of Heihe River Basin[J]. Scientific Reports, 2015, 5: 15206
[90]
GRIMM N B, FAETH S H, GOLUBIEWSKI N E, et al.
Global change and the ecology of cities[J]. Science, 2008,
319(5864): 756?760
[91]
PETERSON B J, WOLLHEIM W M, MULHOLLAND P J, et
al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater
streams[J]. Science, 2001, 292(5514): 86?90
[92]
ZACHáRY D. Applications of stable carbon isotopes in soil
science with special attention to natural 13C abundance
approach[J]. Hungarian Geographical Bulletin, 2019, 68(1):
3?19
[93]
FAN Y, LI H, MIGUEZ-MACHO G. Global patterns of
groundwater table depth[J]. Science, 2013, 339(6122):
940?943
[94]
KODAMA N, FERRIO J P, BRüGGEMANN N, et al. Short-
term dynamics of the carbon isotope composition of CO2
emitted from a wheat agroecosystem — Physiological and
environmental controls[J]. Plant Biology (Stuttgart, Germany),
2011, 13(1): 115?125
[95]
冉珊珊, 时宇, 黄黄, 等. 用13C脉冲标记法研究互花米草
光合碳的分配[J]. 生态环境学报, 2019, 28(2): 270?275
RAN S S, SHI Y, HUANG H, et al. Researching
photosynthesized carbon allocation of S. alterniflora following
13C pulse-labeling[J]. Ecology and Environmental Sciences,
2019, 28(2): 270?275
[96]
孙昭安, 陈清, 韩笑, 等. 13C脉冲标记法定量冬小麦光合
碳 分 配 及 其 向 地 下 的 输 入 [J]. 环 境 科 学 , 2018, 39(6):
2837?2844
SUN Z A, CHEN Q, HAN X, et al. Estimation of winter wheat
photosynthesized carbon distribution and allocation
belowground via 13C pulse-labeling[J]. Environmental Science,
[97]
2018, 39(6): 2837?2844
WANG Z G, QIU J X, VAN OOST K. A multi-isotope model
for simulating soil organic carbon cycling in eroding
landscapes (WATEM_C v1.0)[J]. Geoscientific Model
Development, 2020, 13(10): 4977?4992
[98]
PARTON W J, SCHIMEL D S, COLE C V, et al. Analysis of
factors controlling soil organic matter levels in Great Plains
grasslands[J]. Soil Science Society of America Journal, 1987,
51(5): 1173?1179
[99]
ANDRéN O, K?TTERER T. ICBM: the introductory carbon
balance model for exploration of soil carbon balances[J].
Ecological Applications, 1997, 7(4): 1226?1236
[100]
BOUCHOMS S, WANG Z G, VANACKER V, et al.
Evaluating the effects of soil erosion and productivity decline
on soil carbon dynamics using a model-based approach[J].
SOIL, 2019, 5(2): 367?382
[101]
ROSENBLOOM N A, HARDEN J W, NEFF J C, et al.
Geomorphic control of landscape carbon accumulation[J].
Journal of Geophysical Research, 2006, 111(G1): G01004
[102]
YOO K, AMUNDSON R, HEIMSATH A M, et al. Erosion of
upland hillslope soil organic carbon: Coupling field
measurements with a sediment transport model[J]. Global
Biogeochemical Cycles, 2005, 19(3): 1?19
[103]
BAISDEN W T, AMUNDSON R, BRENNER D L, et al. A
multiisotope C and N modeling analysis of soil organic matter
turnover and transport as a function of soil depth in a
California annual grassland soil chronosequence[J]. Global
Biogeochemical Cycles, 2002, 16(4): 1?26
[104]
ACTON P, FOX J, CAMPBELL E, et al. Carbon isotopes for
estimating soil decomposition and physical mixing in well-
drained forest soils[J]. Journal of Geophysical Research:
Biogeosciences, 2013, 118(4): 1532?1545
[105]
AHRENS B, REICHSTEIN M, BORKEN W, et al. Bayesian
calibration of a soil organic carbon model using Δ14C
measurements of soil organic carbon and heterotrophic
respiration as joint constraints[J]. Biogeosciences, 2014, 11(8):
2147?2168
[106]
AHRENS B, BRAAKHEKKE M C, GUGGENBERGER G, et
al. Contribution of sorption, DOC transport and microbial
interactions to the 14C age of a soil organic carbon profile:
Insights from a calibrated process model[J]. Soil Biology and
Biochemistry, 2015, 88: 390?402
[107]
BERHE A A, HARDEN J W, TORN M S, et al. Linking soil
organic matter dynamics and erosion-induced terrestrial carbon
sequestration at different landform positions[J]. Journal of
Geophysical Research: Biogeosciences, 2008, 113(G4): 1?12
[108]
ZHANG Q, WU J J, LEI Y, et al. Agricultural land use change
impacts soil CO2 emission and its 13C-isotopic signature in
central China[J]. Soil and Tillage Research, 2018, 177:
105?112
[109]
WERTH M, KUZYAKOV Y. Three-source partitioning of
CO2 efflux from maize field soil by 13C natural abundance[J].
Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2009, 172(4):
487?499
[110]
第 2 期 李发东等 : 土壤有机碳同位素组成在农田生态系统碳循环中的应用进展 205
http://www.ecoagri.ac.cn
|
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