土壤有机碳和氮的分布及其对气候变化的响应

【摘要】：碳、氮不仅是生物体必需的营养元素，也是重要的生态元素。大气中温室气体 CO2、 N2O等浓度的增加使得碳、氮的生物地球化学循环及其温室气体的减缓排放措施 研究成为全球变化研究中的热点问题。 土壤是陆地生态系统的核心，是连接大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的纽带；它 是陆生生物赖以生存的物质基础，是陆地生态系统中物质与能量交换的重要场所，其 在全球碳、氮循环中起着十分重要的作用。一方面，土壤有机碳和氮的含量与分布直 接关系到生态系统的生产力和生态系统的规模，同时土壤有机碳和氮的转化与迁移又 直接影响到温室气体的组成与含量。而土壤本身又是生态系统中生物与环境相互作用 的产物。因此，研究土壤有机碳和氮的分布、转化及其对全球变化的响应对于正确理 解碳、氮的生物地球化学循环及其对全球变化的响应制定应对策略具有重要意义。 全球变化的陆地样带是从机理上理解陆地生态系统对全球变化的响应，预测全球 变化对陆地生态系统的可能影响，实现预警、调节和减少全球变化不良影响，科学地 规划和管理陆地生态系统的有效平台。目前，国际地圈一生物圈计划(IGBP)基于不同 地区全球变化驱动因素的不同以及全球变化的潜在反馈作用强度的不同，在全球4 个关键地区共启动了15条IGBP陆地样带。以水分为主要驱动力的中国东北样带(NECT： Northeast China Transect)即为IGBP的陆地样带之一。 本文以中国东北样带为平台，基于2001年对中国东北样带科学考察所采土壤样 品的实测结果和气候资料分析了土壤有机碳和氮的梯度分布及其与土壤、气候等因子 之间的关系；借助CO2浓度升高和不同土壤湿度的模拟试验探讨了土壤有机碳和氮 对气候变化的响应；根据作物残体还田的长期定位试验和盆栽试验研究了作物残体还 田对土壤有机碳和氮转化的影响，讨论了农田生态系统通过作物残体还田对减缓温室 气体排放的效应。主要结果和结论如下： (1) ．样带表层土壤有机碳平均为22． 3±4． 93 g·kg-1下层土壤有机碳平均为8． 9 ±1． 20 g·kg-1。样带表层土壤活性有机碳平均为3． 52±0． 881 g·kg-1，占表层土壤 有机碳的13． 1±0． 78％；下层土壤活性有机碳平均为1． 144±0． 250g·kg-1，占下层土 壤有机碳的10． 9±0． 79％。样带土壤活性有机碳与土壤有机碳之间呈极显著正相关关 系(相关系数r=0.993，P0.001)。 (2).不同生态类型土壤有机碳和活性有机碳含量不同。中国东北样带东部(经度 126“一1310)为温带针阔混交林山地，植被种类极其丰富，地带性土壤为暗棕壤，并 且多为自然土壤，土壤有机碳和活性有机碳含量较高。但由于采样区局部地理环境、 植被结构及人类干扰程度的不同，土壤有机碳和活性有机碳含量变异较大，平均为 61.9士13.84 9.kg一‘和10.88士 2.2369.kg一‘。样带中部(经度2190一1260)为松辽平 原栋林草原、农田区和大兴安岭山地草甸草原区，属半湿润向半干旱过渡的气候。该 区域主要土壤类型为黑土、黑钙土、盐化或碱化草甸土及风沙土，土壤沙化、碱化严 重，土壤有机碳和活性有机碳含量明显降低，平均为10.5士1.97 9.kg一‘和 35士0 .327 型草原区域， 布黑钙上， g·kg一‘。样带中西部(经度1130一1190)为内蒙古高原草甸草原和典 具有典型的半干旱气候特征。该区地带性土壤为栗钙土，局部丘陵区分 土壤有机碳和活性有机碳含量为14.6土1.65 9.kg一，和2.07士。.342 g·kg一‘。样带西部(经度111。一113。)为内蒙古高原荒漠草原区域，地带性土壤为 棕钙土，土壤较为贫痔，其有机碳和活性有机碳含量最低，平均为7.99士1.51 9.kg一， 和0.51士0.2169·kg一‘。从总的趋势看，样带表层土壤有机碳和活性有机碳的梯度 分布趋势一致，都呈现出随经度降低而下降的趋势，局部因土壤退化而出现波动。 (3).样带土壤有机碳和活性有机碳与土壤全量氮、磷、硫、锌及有效氮、磷、钾、 锰、锌等均呈显著或极显著相关关系，与土壤PH、容重、持水量及孔隙度也呈显著 或极显著相关关系。土壤表层有机碳和活性有机碳与降水量之间具有正的相关关系， 其相关系数为r司.677(尸0.001)和r=0 .712(尸0.001)。但下层土壤有机碳和活 性有机碳与降水量之间没有显著的相关关系。 (4).样带下层土壤有机碳和活性有机碳与经度之间仍具有显著的相关关系 (r=0. 454，户0.026;r二 0.473，产0.020)。样带下层土壤有机碳和活性有机碳的变异 小于表层。不同的生态系统，下层土壤有机碳和活性有机碳与表层土壤有机碳和活性 有机碳的比率不同。总的来看，土壤活性有机碳含量随深度的增加而下降的幅度大于 土壤有机碳。 (5).短期培养条件下，COZ浓度升高及干旱胁迫下，土壤有机碳的变化不大，其变 异系数为1.280/0;相比较之下，土壤活性有机碳对气候变化比较敏感，其变异系数为 29.67%。不同土壤湿度，土壤活性有机碳含量发生变异的幅度因COZ浓度升高而降低。 (6)，样带土壤全氮和有效氮与经度呈极显著正相关，其相关系数分别是 r=0.695(凡0.001)和0.636(P0.001)。土壤表层全氮和有效氮的梯度分布与土壤有机 碳的分布基本一致:沿经度呈现东高