茶园土壤呼吸及其组分研究

【摘要】：土壤呼吸包括植物根系呼吸和土壤基础呼吸,主要受生物因素(植被类型、植物生物量、微生物量等)和非生物因素(温度、水分、土壤有机碳、p H等)的影响。根呼吸和基础呼吸可能对气候变化发生不同的适应性反应,因此区分土壤呼吸的组分是了解全球气候变化背景下生态系统碳循环的重要环节。由于研究区域和研究方法的不同使根呼吸对土壤呼吸的贡献率变化幅度较大。茶树属于多年生常绿木本植物,多为林地和荒地改造而成,我国现有茶园面积238.5万hm2,占世界茶园总面积的62%,是第一产茶大国。近年来为了提高茶叶产量和经济效益,每年大量施用化肥,导致茶园土壤酸化严重,土壤生物特性变化明显。迄今,国内外对茶园土壤呼吸组分的研究尚不多见。本论文选取杭州市西湖区中国农业科学院茶叶研究所不同生产力和不同植茶年龄茶园土壤以及相邻林地土壤为研究对象,时间从2013年9月到2014年10月,利用田间原位测定(封闭式动态气室法)与实验室培养相结合的方法,采用挖壕沟法区分土壤呼吸组分,对茶园土壤呼吸及其组分的影响因素进行了较为系统的研究,获得以下主要研究结果:1.茶园(高产、中产、低产)和林地土壤呼吸的季节变化均呈现明显的单峰曲线,与温度的季节变化趋势相似。土壤总呼吸、根呼吸及基础呼吸与地表温度和土深5 cm温度均呈极显著指数关系,且后者优于前者。土壤呼吸及其组分与土深5 cm温度的指数模型可以分别解释四块样地土壤总呼吸的84%、83%、91%和83%,分别解释根呼吸的74%、64%、81%和81%,分别解释土壤基础呼吸的73%、74%、94%和32%。不同生产力茶园及相邻林地土壤呼吸的温度敏感性系数Q10值均表现为根呼吸基础呼吸,且茶园土壤总呼吸的Q10值大于林地;高产、中产茶园根呼吸的Q10值大于林地,而低产茶园根呼吸的Q10值小于林地;高产、中产、低产茶园基础呼吸的Q10值均大于林地。土壤呼吸与温度模拟方程的残差随着温度升高其离散程度增加,表明Q10模型在温度较高时模拟精确度下降。高产、中产、低产茶园和林地土壤总呼吸的年通量分别为16.30、15.35、11.08和10.71 t C hm-2a-1,根呼吸的年通量分别为9.00、9.25、5.50和6.63 t C hm-2a-1,基础呼吸年通量分别为7.30、6.10、5.57和4.08 t C hm-2a-1。根呼吸年通量占土壤呼吸的55.12%、60.17%、49.59%和61.89%。不同生产力茶园及相邻林地土壤呼吸与土壤含水量无显著相关性。2.10 a、40 a、100 a茶园土壤呼吸的季节变化也呈现明显的单峰曲线。土壤呼吸、根呼吸及基础呼吸与土深5 cm温度呈极显著指数关系。土深5 cm温度可以解释土壤总呼吸、根呼吸和基础呼吸变化的81%~87%、64%~79%和53%~75%。土壤呼吸温度敏感性系数Q10值均表现为根呼吸基础呼吸,10 a茶园土壤总呼吸的Q10值大于100 a茶园,40 a茶园Q10值最小;根呼吸的Q10值以100 a茶园最大,40 a茶园最小;土壤基础呼吸的Q10值随着年龄的增加而减少。10 a茶园土壤总呼吸的年通量显著小于40 a和100 a茶园,而40 a与100 a茶园无显著差异,分别为11.03、15.35和14.77t C hm-2a-1。10 a茶园根呼吸的年通量显著小于40 a和100 a茶园,而40 a与100 a茶园无显著差异,分别为4.81、9.25和7.83 t C hm-2a-1,根呼吸的年通量占土壤总呼吸年通量的贡献率分别为43.59%、60.17%和52.55%。3块样地土壤基础呼吸的年通量没有显著性差异,分别为6.22、6.10和6.94 t C hm-2a-1。3.添加石灰可以显著提高茶园土壤pH,但使土壤水溶性有机碳显著下降。与石灰作用相反,添加铝离子可以降低土壤pH,减少土壤微生物量,对土壤基础呼吸有抑制作用。葡萄糖与石灰作用相同可以提高土壤p H,使土壤微生物量增加,对土壤基础呼吸有促进作用。添加菜籽饼和硫酸铵均使土壤p H降低,且菜籽饼使土壤微生物量和土壤基础呼吸显著增加,而硫酸铵使微生物量增加而土壤基础呼吸速率减少。4.茶园和林地土壤有机碳、土壤呼吸积累量、水溶性有机碳和微生物生物量碳均随着土壤深度的增加而减少,且茶园均值大于林地。在0~100 cm土壤层次内,茶园土壤质量敏感性指标WSOC/SOC平均值、代谢商q CO2平均值均大于林地,微生物商q MBC平均值小于林地。茶园和林地土壤基础呼吸速率与SOC、WSOC及MBC呈显著正相关,向后筛选回归模型表明对茶园土壤基础呼吸的影响作用SOCMBCWSOC,对林地土壤基础呼吸的影响作用WSOCSOCMBC。5.茶园和林地土壤全氮、N2O排放速率及积累量随着土壤层次深度的增加而减少,且茶园大于林地。土壤p H值、TN、WSON、SMBN、NO3--N及NH4+-N随着土壤层深度的增加总体呈下降的趋势,且茶园各层TN、WSON、SMBN、NO3--N及NH4+-N显著大于林地,p H值小于林地。茶园和林地土壤N2O排放速率与TN、SMBN及NH4+-N呈显著正相关,而与p H的相关性均不显著。茶园土壤N2O排放速率与WSON的相关性不显著,而林地相关性显著。茶园土壤N2O排放速率与NO3--N的相关性显著,而林地相关性不显著。茶园100 cm土壤层次WSON/SON和N2O-N/SMBN大于林地,而SMBN/SON小于林地,表明茶园土壤有机氮库有较高的代谢效率,且N2O排放较高,不利于维持土壤质量和持续利用的潜力。