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紫外辐射增强对农田生态系统温室气体排放的影响

胡正华  
【摘要】: 全球变暖和臭氧层损耗导致的地表紫外辐射增强是当今重要的全球性环境问题,已引起各国政府和国际学术界的广泛关注。全球变暖的主要原因之一是大气中温室气体浓度的不断增加,CO_2、CH_4和N_2O是最重要的温室气体。由于大量氟氯烷烃弄口氮氧化物的排放,平流层臭氧层正不断变薄,将直接导致到达地表的紫外辐射增强。 农田生态系统是人类活动最活跃的部分,在全球变化研究中具有十分重要的地位。地表紫外辐射增强,影响到农田作物的生长和生理过程及土壤微生物的群落组成与活性,从而可能影响到农田温室气体(CO_2、N_2O和CH_4)的产生和排放。定量研究紫外辐射增强对农田温室气体排放的影响,将为客观评价紫外辐射增强的生态效应和估计区域农田温室气体排放及变化趋势提供依据。 本研究的目的是:定量探讨地表紫外辐射增强对农田生态系统温室气体(CO_2、CH_4和N_2O)排放的影响规律。 本研究以我国大面积种植的常规作物冬小麦、大豆和水稻为实验材料,采用盆栽试验和田间试验相结合的方法,进行了2个冬小麦生长季、3个大豆生长季和1个水稻生长季的试验。设置了UV-B和UV-A增强处理两类室外试验,UV-B增强试验设对照(CK,自然光UV-B强度)、处理(T,比自然光UV-B强度增加20%)两个水平;UV-A试验设对照(CK,自然光UV-A强度)、处理1(T_1,比自然光UV-A强度增加10%)和处理2(T_2,比自然光UV-A强度增加20%)三个水平。紫外辐射增强控制采用“平方波系统”的人工模拟方法,气体样品的采集和分析采用静态箱-气相色谱法。 主要结果如下: UV-B辐射增强没有改变冬小麦、大豆和稻田生态系统呼吸速率的季节性变化规律。但在冬小麦返青期、拔节孕穗期及大豆开花到成熟期,UV-B辐射增强显著降低了土壤-作物系统的呼吸速率,而对水稻生长季的系统平均呼吸速率则没有影响。在返青和拔节孕穗期,UV-B增强使土壤-冬小麦系统的呼吸速率分别比对照降低了21.39%(p=0.002)和16.36%(p=0.001);在大豆的开花至成熟期,呼吸速率分别比对照降低了49.03%(p=0.005)(2004年)和45.4 3%(p=0.002)(2006年)。 UV-B辐射增强没有改变冬小麦、大豆和稻田生态系统N_2O排放的季节性变化规律,但在作物不同生育期,UV-B辐射增强影响其N_2O排放通量。在冬小麦拔节孕穗期,UV-B增强使土壤-冬小麦系统的N_2O排放通量比对照降低了16.38%(p=0.015)。从开花到成熟,UV-B辐射增强使土壤-大豆系统的N_2O排放通量分别比对照降低了40.43%(p=0.009)(2004年)和44.93%(p=0.005)(2006年)。UV-B辐射增强对稻田N20平均排放通量没有影响(p=0.402),亦没有改变稻田CH_4的平均排放通量(p=0.324)和季节性变化特征。 UV-B辐射增强没有改变裸土的CO_2和N_2O的排放,但UV-A辐射增强却促进了裸土的CO_2和N_2O排放,增强20%UV-A辐射使裸土CO_2和N_2O的累积排放量分别比对照增加了26 3.50%(p=0.038)和186.48%(p=0.059)。同时,增强20%UV-A辐射使土壤-冬小麦系统的N_2O累积排放量增加了32.9 3%(p=0.010)。 UV-B辐射增强显著降低了大豆的生物量,2004和2006年大豆植株收获量分别比对照降低了51.81%(p=0.020)和43.37%(p=0.000)。UV-B辐射增强使拔节孕穗期的冬小麦生物量降低了24.85%(p=0.037),但对水稻的生物量没有显著影响。 综上所述,UV-B辐射增强没有改变土壤-作物系统的呼吸速率和N_2O排放季节变化特征。但在不同作物的不同生育期,UV-B增强对土壤-系统呼吸速率和N_2O排放的影响不尽相同。土壤-作物系统温室气体的排放和作物的生物量受UV-B辐射增强影响程度最大的是大豆,其次是冬小麦,水稻基本不受影响。UV-B增强没有改变裸土CO_2和N_2O排放。而UV-A辐射增强促进了土壤-冬小麦系统的N_2O排放,同时亦促进了裸土的CO_2和N_2O排放。


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