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土地利用变化和重金属污染对水稻土土壤呼吸和有机碳损失的影响

李志鹏  
【摘要】: 水稻土是我国重要的粮食生产资源和农田土壤碳库,同时产生温室气体排放,对于国家粮食安全和减缓气候变化具有至关重要的地位。我国面临着日益严峻的应对气候变化的严峻挑战,稻田土壤碳汇和温室气体减排已成为稻田可持续发展的重要任务。随着我国经济的快速发展,土地利用变化和环境污染日益加剧,水稻土有机碳碳汇的未来变化成为水稻土碳循环和全球变化研究的重要内容。本文从土壤有机碳的直接变化和土壤呼吸变化的实验测定,研究水稻土转变土地利用和重金属环境污染下水稻土有机碳的损失和温室气体产生和排放的变化,并讨论其土壤和生态系统过程机理,为科学分析土地利用和重金属污染对水稻土碳循环和碳汇的变化提供科学依据。 本文以太湖地区典型水稻土-乌泥土为研究对象,就土地利用变化和重金属污染两个因素,选择了一直种植水稻的田块和改种水稻玉米3年的田块,采集其剖面不同深度的土壤样品,进行了土壤团聚体颗粒组分离,分别测定全土和分离的土壤团聚体总有机碳(TOC)、土壤溶解有机碳(DOC)和微生物生物量碳(SMBC),并对选择性样本测定了有机质的δ13C值。选择了重金属严重污染的田块与非污染的田块作为对比,进行了表土有机碳变化和土壤呼吸变化的野外和实验室培养研究,并分析了不同的有机碳组分和微生物生物量、细菌基因多样性变化等,获得的主要结果如下: 1,水田改种玉米3年后,耕层土壤TOC明显下降,但DOC和SMBC趋向增加;粗团聚体颗粒组(2~0.2 mm)的TOC含量降低,而其他团聚体颗粒组TOC无显著变化。改种玉米后表层土壤(0~15cm)原土及各粒级团聚体的δ13C值均明显高于原稻田,计算表明玉米新碳绝大部分集中在0~20 cm土层,且主要富集在粗团聚体颗粒组中。水田转变成旱地后,耕层土壤粗团聚体颗粒组中有机碳更新周期明显较短,有机碳分解加速,碳储量快速损失。这说明水稻土中物理保护的有机碳在旱地耕作下团聚体破坏而快速分解,玉米新碳可能刺激了微生物活动而加快水稻土老碳分解。 2,重金属污染土壤的基底呼吸速率为81.92 mgCO2-C·m-2·h-1,明显高于无污染农田的土壤呼吸速率71.19 mgCO2-C·m-2·h-1,因而重金属污染显著地提高了水稻土土壤呼吸的强度。与无污染农田的土壤相比,长期重金属污染下土壤呼吸强度提高了15.10%,并且显著降低了土壤的微生物生物量碳、微生物商、土壤有机碳和微生物量碳氮比。相关分析显示,重金属污染还显著提高了土壤呼吸对土壤温度响应的敏感性。因此,重金属污染影响了稻田的土壤有机碳库的积累,降低了土壤有机碳库的稳定性,使其容易受外界的温度变化的影响。 3,在整个水稻生长季,稻田生态系统的CO2和CH4排放高峰分别出现在水稻生育前期和中期。重金属污染稻田的CO2和CH4排放量都显著低于未污染的稻田,结合重金属污染显著降低了地上部生物量的结果,可以认为是重金属的污染危害到水稻生长,减弱植株的光合作用从而影响其生物量的生产,导致农田CO2和CH4排放量降低。对比稻田生态系统和土壤的CH4排放差异,可以看出水稻植株对CH4排放具有巨大的贡献。麦田生态系统的CO2排放量显著的低于稻田生态系统的CO2排放量。同时,重金属对小麦生态系统的CO2排放通量的影响显著的低于对稻田生态系统的影响。重金属污染降低土壤-作物系统呼吸排放的同时,显著提高了无植株参与的土壤CO2的排放通量,而对CH4的排放通量没有影响。 4,重金属污染下实验室培养的水稻土有机碳的矿化率为0.33 mgC·g-1·OC·d-1,显著高于无污染土壤有机碳矿化率(0.29 mgC·g-1·OC·d-1)。这种差异主要集中于培养前期,这说明重金属污染加快了活性碳库的分解,对土壤惰性碳库的影响不甚强烈;重金属污染下SOC、DOC和土壤微生物生物量碳都降低,土壤有机碳稳定系数(Kos)也低于无污染土壤。重金属污染影响着作物对水稻土有机碳的输入积累并影响了土壤2有机碳的稳定性,从而可能对水稻土长期的固碳潜力产生重要影响。 5,重金属污染下水稻土表土细菌数量增加,而放线菌和真菌的数量显著降低,并强烈地降低了土壤真菌/细菌比。PCR-DGGE图谱分析表明,重金属污染降低了土壤细菌的群落结构和多样性,从而影响了土壤微生物群落对有机碳的矿化分解强度。可见,重金属污染通过改变土壤微生物的群落结构而影响了水稻土碳循环与温室气体排放。 综上所述,土地利用的变化和重金属污染深刻影响水稻土土壤有机碳的变化。这些变化与土壤团聚体组成和有机碳的性质、土壤微生物的群落结构和多样性,因此,土地利用变化和重金属污染通过有机质性质—土壤微生物结构与功能-土壤生物物理过程的效应和过程的联系而影响水稻土碳循环过程及气候变化效应。这方面的研究还亟待发展,为探讨水稻土的环境治理和环境友好的农田管理对策与途径,实现稻田土壤增产固碳和温室气体减排的综合效益提供理论依据


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