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稻田土壤碳氮转化过程对大气CO_2浓度和温度升高的响应

陈照志  
【摘要】:以大气CO2浓度和温度升高为特征的气候变化,对土壤碳、氮的转化过程和温室气体的排放产生了重要影响。研究稻田土壤碳氮转化过程对大气CO2浓度和温度升高的响应以及土壤温室气体排放对气候变化的反馈效应,将有助于改善农田碳氮管理,科学应对气候变化。本文以稻麦轮作系统为研究对象,利用江苏省常熟市大气CO2浓度和温度升高田间模拟试验平台(T-FACE),通过室内15N同位素成对标记方法研究了大气CO2浓度和温度升高对土壤氮初级转化速率的影响,阐释大气CO2浓度和温度升高对稻田土壤氮素供应的作用机制;采用室内培养与模型曲线拟合的方法探究大气CO2浓度和温度升高对稻田土壤易分解和难分解有机碳库的含量、周转速率及其分解的温度敏感性的影响;利用田间土壤剖面气体采集系统原位研究大气CO2浓度和温度升高影响下稻麦轮作周期内土壤剖面甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的运移过程。T-FACE田间试验包括1个对照处理,即正常大气状态(CK),3个模拟气候变化处理,分别为大气CO2浓度升高至500μmol mol-1(EC),冠层大气温度升高2℃(ET),大气CO2浓度以及温度同时升高(ECT)。主要结果如下:1.通过对比稻麦轮作周期中小麦季和水稻季收获期T-FACE各处理的土壤氮初级转化速率,发现T-FACE各处理的土壤难利用有机氮的矿化和同化速率具有明显的季节变化特征,而且T-FACE各处理对小麦季土壤氮初级转化速率的影响大于对水稻季土壤的影响。其中一些氮初级转化速率并没有表现出季节变化特征,如EC和ECT处理均提高了易利用有机氮的初级矿化速率,而ET处理提高了难利用有机氮的初级矿化速率;ET处理分别使小麦季和水稻季土壤的自养硝化速率显著提高了 25.8%和57.3%。结果表明:大气CO2浓度和温度同时升高处理对稻田土壤氮初级转化速率的影响低于单独CO2浓度升高或温度升高处理,二者结合处理对氮初级转化速率的影响更接近于单独CO2浓度升高处理,因此,在二者结合处理中大气C02浓度升高对氮初级转化速率的影响起主导作用。2.通过对比T-FACE各处理2年和4年后的土壤氮初级转化速率,发现在涉及的40个氮初级转化速率中,有17个呈现出显著的年际变化。EC、ET和ECT处理2年后分别显著提高了氮初级矿化速率约104.2%、78.9%和49.0%,但是在处理4年后没有影响氮初级矿化速率。在处理2年和4年后,EC和ECT处理显著提高了易利用有机氮的矿化,而ET处理提高了难利用有机氮的矿化。EC和ECT处理2年后自养硝化速率分别提高了 5.9%和29.2%,但是在处理4年后没有影响自养硝化速率。ET处理2年后和4年后的自养硝化速率分别提高了 13.8%和57.3%。结果表明:CO2浓度升高主导着与温度升高的交互作用。和2年的时间点相比,大气CO2浓度和温度升高各处理4年后对氮初级转化速率的影响减弱。3.大气CO2浓度升高和温度升高对土壤有机碳的分解具有不同的作用。与CK处理相比,EC、ET和ECT处理显著提高了易分解有机碳在总有机碳中的比重,降低了易分解和难分解有机碳的分解速率。结果还表明,难分解有机碳的Q10值(2.42~3.36)显著大于易分解有机碳的Q10值(2.02~2.38)。大气CO2浓度升高和温度升高对土壤有机碳分解的温度敏感性具有相反的作用:大气CO2浓度升高提高了难分解有机碳的温度敏感性,而温度升高提高了易分解有机碳的温度敏感性。大气CO2浓度和温度同时升高显著提高了易分解和难分解有机碳的温度敏感性,表明在未来大气CO2浓度和温度升高情景下土壤有机碳的分解会增大。4.稻麦轮作系统土壤剖面CH4和N2O浓度和扩散通量表现出较大的季节变异性。土壤剖面CH4浓度在稻季较高,且随着土壤深度的增加而降低;在麦季较低,且随着土壤深度的增加而增加;同时,土壤剖面CH4浓度和扩散通量在7 cm 土层均具有明显的季节波动,表明CH4的产生、氧化和运移主要发生在土壤近表层。土壤剖面N2O在稻季主要在7 cm 土层产生,N2O浓度随着土壤深度的增加而降低,在麦季主要在表层(0-30 cm) 土层产生,30 cm 土层的平均浓度显著其它土层。大气CO2浓度和温度升高各处理显著增加了稻麦轮作周期土壤剖面7 cm 土层CH4浓度和扩散通量,对稻季土壤N2O剖面浓度没有影响,但显著提高了麦季土壤剖面N2O浓度。综上所述,大气CO2浓度升高与温度升高的二者结合处理对土壤氮初级转化速率的影响弱于单因子处理,且在二者结合处理中CO2浓度升高对土壤氮初级转化速率的影响起主导作用。大气CO2浓度升高促进了易利用有机氮的矿化,温度升高促进了难利用有机氮的矿化,温度升高还刺激了自养硝化速率。大气CO2浓度和温度同时升高处理增加了易分解有机碳库占总有机碳的比重,降低了有机碳的周转速率;但大气CO2浓度和温度同时升高处理刺激了土壤有机碳分解的温度敏感性,表明在未来大气CO2浓度和温度升高情景下土壤有机碳的分解会增大。同时,大气CO2浓度和温度升高各处理还促进了表层土壤CH4和N2O的产生,对气候变化产生一定的正反馈效应。


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