大氣CO2 濃度升高對(duì)農(nóng)田土壤顆粒組成及其碳周轉(zhuǎn)的影響

1、 HYPERLINK E-mail: HYPERLINK mailto:editor editor生態(tài)環(huán)境 2007, 16(2): 269-274 Ecology and Environment大氣CO2濃度升高對(duì)農(nóng)田土壤顆粒組成及其碳周轉(zhuǎn)的影響潘紅麗1 ,2，謝祖彬1*，朱建國(guó)1，劉鋼1，張雅麗1，蔡祖聰11. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇南京210008 ； 2.中國(guó)科學(xué)院成都山地研究所，四川成都610041摘要：采集FACE( Free Air CO2 Enrichment)平臺(tái)下運(yùn)行3年的水稻(Qryza sativa L.)/小麥(Tritic

2、um aestivumL.)輪作土壤(015 cm耕作層土壤)，利用超聲波分散-濕篩分法對(duì)烘干土樣進(jìn)行顆粒分級(jí)，分析土壤各粒級(jí)及其碳、氮的分布特征，研究大 氣CO2濃度升高對(duì)土壤碳周轉(zhuǎn)的影響。結(jié)果表明：高濃度大氣CO2條件下稻/麥輪作3年后，土壤顆粒組成較對(duì)照發(fā)生了改 變，53 m級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小27%00.05)，約占土壤總質(zhì)量20%; 5325 pm粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大35%(p0.05)，約占土 壤總質(zhì)量25% ；25 pm無(wú)明顯變化，約占土壤總質(zhì)量55%，三種粒級(jí)之間質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著差異(p53 pm ( 30.60 g-kg-1 ),53 pm粒級(jí)的土壤顆粒碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均極顯著高于其它

3、兩 個(gè)粒級(jí)(p53 pm粒級(jí)中，表明該粒級(jí)土壤顆粒對(duì)土壤碳氮循環(huán)(轉(zhuǎn)化和保存)起著重要作用。該研究結(jié)果表明高濃度大氣CO2條件下，稻/麥輪作農(nóng)田土壤將成為大氣CO2的匯，這將為預(yù)測(cè)我國(guó)未來(lái)農(nóng)田土壤碳的變化趨 勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：CO2濃度升高；土壤粒級(jí)；土壤碳穩(wěn)定性；土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)中圖分類號(hào)：X144 ； S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175 ( 2007 ) 02-0269-06基金項(xiàng)目：國(guó)家“973”項(xiàng)目(CCDMCTE-2002CB412502 ； 2002CB714003 )；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NSFC-40571157 ； 40271061 );國(guó)家自然科

4、學(xué)基金重大國(guó)際合作研究項(xiàng)目(NSFC-40120140817 )；中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新重要方向項(xiàng)目(kzcx2-408 )；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2006252)作者簡(jiǎn)介：潘紅麗(1979 -),女，博士研究生，主要從事全球環(huán)境變化的研究。*通訊作者：謝祖彬，研究員。E-mail : HYPERLINK mailto:zbxie zbxie收稿日期：2006-08-06土壤碳庫(kù)是地球表層最大的碳庫(kù)，據(jù)估計(jì)含碳 量達(dá)15001800 Pg，約是大氣碳庫(kù)的3倍，陸地 生物量的2.5倍1,2，在全球碳循環(huán)中起著非常重要 的作用。大氣CO2濃度升高通過(guò)提高植物光合能力 和增加碳吸收，從而增加輸入土

5、壤的碳量，使土壤 成為一個(gè)潛在的碳匯3,4；另一方面，CO2濃度升高 條件下土壤中碳量增加，為微生物的生長(zhǎng)提供了能 量，增強(qiáng)了其活性，同時(shí)由于全球變暖，土壤溫度 上升導(dǎo)致土壤呼吸增強(qiáng)，可能引起土壤有機(jī)碳含量 下降5,6?？傊?，大氣CO2濃度升高，使土壤的物理、 化學(xué)和生物學(xué)特性都發(fā)生了改變，這必將影響土壤 中碳、氮的礦化特性。土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性是認(rèn)識(shí)土 壤碳庫(kù)對(duì)于全球變化的長(zhǎng)期效應(yīng)的基本問(wèn)題，成為 土壤碳研究的熱點(diǎn)。土壤碳庫(kù)的微小變化將導(dǎo)致全 球氣候的顯著波動(dòng)。增加土壤碳庫(kù)被認(rèn)為是減緩大 氣CO2濃度升高的有效措施之一刀。在全世界范圍內(nèi)，農(nóng)業(yè)用地約占總陸地面積的 38%8，農(nóng)田受人為影響巨大，農(nóng)

6、業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)高 CO2濃度的響應(yīng)將對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響，因 此針對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)方面的研究顯得 十分必要。近年來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)界在探討溫帶森林、 濕地和極地生態(tài)系統(tǒng)與土壤碳匯效應(yīng)的同時(shí)，越來(lái) 越重視農(nóng)業(yè)十壤有機(jī)碳庫(kù)的變化及其對(duì)陸地生態(tài) 系統(tǒng)和大氣碳的源匯效應(yīng)9。已有研究表明，在大 氣CO2濃度升高的情況下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳含 量主要表現(xiàn)為增加10，也有報(bào)道指出，高CO2條件 下不同土壤有機(jī)質(zhì)狀態(tài)有不同的轉(zhuǎn)化和分解速率 11。目前尚不了解高CO2條件下顯著增加的生物量 是否對(duì)農(nóng)田土壤顆粒分布產(chǎn)生影響、以及對(duì)各粒級(jí) 土壤顆粒的碳含量的影響程度，這方面的研究有助 于明確高CO2條件下農(nóng)田土

7、壤碳庫(kù)的變化及機(jī)制， 有助于進(jìn)一步評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)在陸地生 態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的貢獻(xiàn)。本試驗(yàn)利用中國(guó)水稻(Oryza sativa L.)/小麥 (Triticum aestivum L. ) FACE(Free-Air Carbon dioxide Enrichment)系統(tǒng)平臺(tái)，研究FACE平臺(tái)運(yùn)行 3年后，土壤不同粒級(jí)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其碳、氮 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況，旨在為揭示高co2濃度條件 下土壤碳的變化和土壤碳循環(huán)可能機(jī)理的評(píng)估提 供科學(xué)依據(jù)。1研究地區(qū)與研究方法1.1研究地區(qū)概況和試驗(yàn)設(shè)計(jì)水稻/小麥輪作FACEM統(tǒng)平臺(tái)位于江蘇省無(wú)錫 安鎮(zhèn)年余農(nóng)場(chǎng)(3137N，12028E )。該地區(qū)

8、年降雨 量11001 200 mm，年平均溫度約16 C，水稻生長(zhǎng) 季日平均溫度為29 C，年無(wú)霜天數(shù)大于230 d，年輻 射為4500 MJm-2。土壤類型為黃泥土，其基本理化 性狀為：砂粒（10.05 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.2%，粉砂粒 （0.050.001 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)65.7%，粘粒（0.001 mm） 質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.1%，容重1.2 gcm-3，有機(jī)C質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1.56%，全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.159%，全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.123%， 速效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.4 mg-kg-1，pH 6.8。平臺(tái)共有3個(gè) FACE圈和5個(gè)對(duì)照（Ambient）圈。各圈之間的間 隔大于90 m，以減少FACE圈中CO

9、2的釋放對(duì)其他圈 的影響。FACE圈設(shè)計(jì)為由8根釋放CO2氣體的管帶 組成的正八角形，直徑為12.5 m。通過(guò)管道上鋸齒 狀分布的小孔（0.50.9 mm）向圈中心噴射純CO2氣 體，管帶高度保持在作物冠層上方5060 cm。以風(fēng) 速為參數(shù)用電腦程序控制FACE圈內(nèi)C 02濃度，使其 全生育期FACE圈內(nèi)的平均C02濃度保持在比正常 大氣C02濃度高200 pmol-mol-1，控制誤差為10%。 對(duì)照田沒(méi)有安裝FACE管道，其環(huán)境條件與自然狀 態(tài)完全一致U2。田間試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，CO2濃度為主處理， 氮肥處理為副處理。設(shè)2個(gè)CO2水平分別為FACE （Ambient+200 pmol-mo

10、l-1 ）和 Ambient （約 360 pmol-mol-1 %在每圈內(nèi)設(shè)低氮（LN）和常氮（NN） 2個(gè)氮水平，水稻每季施氮肥LN為150 kg.hm-2， NN為250 kg-hm-2 ；小麥每季施氮肥LN為125 kg-hm-2，NN 為 250 kg-hm-2。磷肥和鉀肥（以 P2O5 和K2O計(jì)）為75 kg-hm-2。水稻生長(zhǎng)密度為24穴如-2， 小麥種植密度為225株苗m-2。1.2研究方法土壤樣品于種植2季小麥，3季水稻后進(jìn)行。水 稻收割后，在各處理區(qū)，取015 cm耕層土樣。土 樣風(fēng)干后，挑出根等作物殘?bào)w，過(guò)2 mm篩，80 C 條件下烘干，一部分用于土壤顆粒分級(jí)分析；另

11、取 一部分磨細(xì)（過(guò)100目篩），用燃燒法（碳氮元素 分析儀：PERKIN ELMER 2400, Series II, CHNS/O Analyzer）測(cè)定土壤全碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。取20 g烘干土樣（三次重復(fù)）于500 ml燒杯中， 加蒸餾水（水土質(zhì)量比為5:1 ）潤(rùn)濕1 h,超聲波震蕩 15 min（300 w- min - 1 ）。土壤懸液過(guò)53 gm篩后，過(guò) 濾液再過(guò)25 gm篩，反復(fù)用水沖洗53 gm篩和25 gm 篩上的土壤顆粒直至濾液澄清，收集過(guò)濾液（25 gm顆粒的土壤懸液）并離心15 min（ 6000 r-min-1 ）， 棄上清液。把所有留在篩子上和離心管底部的土壤 顆粒轉(zhuǎn)移

12、到燒杯中，在80 C條件下烘干稱重，計(jì)算 各粒級(jí)土壤顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；樣品磨細(xì)（過(guò)100目 篩），用燃燒法測(cè)定各粒級(jí)土壤的碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 1.3數(shù)據(jù)處理各粒級(jí)土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)以表示；土壤不同粒級(jí)顆粒的碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)以（g-kg-1 ）表示；土壤 顆粒碳、氮庫(kù)以g表示，其計(jì)算公式為：不同粒級(jí) 土壤顆粒碳/氮庫(kù)（g）二該粒級(jí)土壤的碳/氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) （g-kg-1 ） x該粒級(jí)土壤顆粒質(zhì)量（kg ） X0.01。數(shù)據(jù)處理與作圖均用EXCEL軟件，方差分析及 顯著性比較則用SPASS11.0軟件，LSD法。2結(jié)果與分析FACE條件對(duì)土壤不同粒級(jí)顆粒復(fù)合體組成 的影響從圖1可以看出，經(jīng)過(guò)3年FACE處理后

13、，耕 作層土壤中25 gm粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒(méi)有明顯變化， 不同處理變幅為48.2%58.7% （平均約55% ）,極 顯著高于其他兩個(gè)粒級(jí)（p53 gm粒級(jí)的質(zhì)量分 數(shù)較低，不同處理變幅為13.4%26.1% （平均約 20% ）,低于對(duì)照，且在低氮水平下達(dá)到顯著性水平 （p0.05 ），同時(shí)顯著低于5325 gm粒級(jí)（p0.05 ）； FACE處理比對(duì)照低，說(shuō)明該條件下大顆粒土壤更 容易被礦化分解成小顆粒；5325 gm粒級(jí)的質(zhì)量分 數(shù)在土壤中的比例居中，不同處理變幅為 17.4%39%（平均約25%），和對(duì)照相比，F(xiàn)ACE條 件下該粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，且在低氮條件下達(dá)到極 顯著水平（p53 g

14、m5325 gm25 gmm（碳庫(kù)）/gw（碳）/（gkg-1）m（碳庫(kù)）/gw（碳）/（gkg-1）m（碳庫(kù)）/gw（碳）/（gkg-1）m（碳庫(kù)）/gw（碳）/（gkg-1）FACELN16.830.8716.830.874.720.4629.001.744.170.3211.831.206.660.6513.831.37NN16.530.9516.530.955.890.7032.204.213.450.5613.870.596.960.1112.330.37AmbientLN15.630.5215.630.525.330.2423.971.052.650.3213.931.207.19

15、0.3312.270.69NN15.600.6515.600.655.390.5624.602.142.790.2613.700.686.380.5811.131.16分級(jí)后表1連續(xù)3年高濃度CO2處理后各粒級(jí)土壤顆粒碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳庫(kù)的變化Table 1 The C concentration and C pool after elevated pCO. fiimigation for 3 years壤碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和該粒級(jí)土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差 異使得各粒級(jí)碳庫(kù)有較大差異。長(zhǎng)期FACE條件可 使土壤碳增加，但增幅因粒級(jí)而異。從表1可以看 出，經(jīng)歷了 3年FACE處理后，耕層土壤碳庫(kù)有所增 加，兩

16、個(gè)氮水平下FACE處理土壤碳庫(kù)達(dá)16.68 g， 比對(duì)照高約6% （表1）。這表明在CO2濃度升高條件 下，土壤碳的形成略高于其礦化。究其原因，可能 是由于FACE條件下光合作用增強(qiáng)，增加了初級(jí)生 產(chǎn)而使輸入土壤中碳量增加，從而使耕層土壤碳發(fā) 生累積。這和國(guó)際上一些研究結(jié)果一致13。從表1可以看出，土壤碳庫(kù)主要在53pm粒級(jí) 次之，平均為5.3 g，占土壤全碳的35% ； 5325 pm 最低，平均為3.3 g，占土壤全碳的21 %，三者之間 分別達(dá)到極顯著差異（0.001）。FACE條件下， 5325 pm粒級(jí)的碳庫(kù)在兩個(gè)氮水平下平均比對(duì)照 高28.6%，達(dá)到顯著性差異（p53 pm和 53

17、 pm粒級(jí)的碳容易被分解轉(zhuǎn)化，因此分 配到5325 pm粒級(jí)中，導(dǎo)致5325 pm粒級(jí)的碳顯 著高于對(duì)照，53 pm粒級(jí)的碳比5325 pm高，約1/3土壤碳 都儲(chǔ)存在該粒級(jí)中?？赡艿脑蚴?，新增加的碳（作 物殘?bào)w，根系分泌物和脫落物等粗有機(jī)殘?bào)w）被暫 時(shí)儲(chǔ)存在大顆粒土壤中，使得這部分土壤的碳庫(kù)高 于5325 pm粒級(jí)。該粒級(jí)在土壤碳的平衡與轉(zhuǎn)化 中作用極其重要。從各粒級(jí)土壤顆粒碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)看，隨著土壤 顆粒變細(xì)，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也降低。說(shuō)明隨粒級(jí)減小， 土壤碳的穩(wěn)定性也趨于恒定；FACE條件下，兩個(gè) 氮水平中53 gm粒級(jí)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大（平均30.60 g-kg-1），顯著大于對(duì)照（p0.05）

18、； 5325 gm和53 gm粒級(jí)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著大于其他兩個(gè) 粒級(jí)（p0.001）。表明新增加的碳主要分布在大顆 粒土壤中。土壤氮庫(kù)與土壤碳密切相關(guān)。各粒級(jí)土壤顆粒 的氮占土壤全氮的比值同樣受各粒級(jí)土壤顆粒的 氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和該粒級(jí)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)共同影響。不 同粒級(jí)土壤顆粒中氮的分布與碳相似，更容易在細(xì) 顆粒中富集（表2）。各粒級(jí)土壤顆粒中氮依次為： 53 gm（0.43 g）5325 gm（0.29 g）， 分別占土壤全氮的31%、21%、48%，三者之間呈 極顯著差異（p53 gm5325 gm53 pm粒級(jí)的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為2.42 g-kg-1)顯著大于對(duì)照(平均2.02 g-kg-

19、1) (0.05 ), 5325 pm和25 pm粒級(jí)的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù) 分別為1.12 g-kg-1和1.33 g-kg-1，二者無(wú)顯著差 異；53 pm粒級(jí)的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著大于其他兩 個(gè)粒級(jí)(0.001)。表明隨著粒級(jí)減小，土壤中氮 的穩(wěn)定性也趨于恒定；新增加的氮都暫時(shí)儲(chǔ)存在大 顆粒土壤中。就土壤不同粒級(jí)w(C)/w(N)比而言(表3), 25 gm粒級(jí)的w(C)/w(N)比最低，不同處理間幅度為 9.39%10.88% (平均10.20%)，接近于未分級(jí)土壤 的 w(C)/w(N)比(10.25%)，F(xiàn)ACE條件下該粒級(jí) w(C)/w(N)比極顯著低于53 gm和5325 gm處理 (PV0

20、.001)；隨著顆粒的加粗，各粒級(jí)土壤顆粒的 w(C)/w(N)比逐漸增大。5325 gm粒級(jí)的土壤顆粒 的w(C)/w(N)比不同處理間幅度為 10.58%11.92%(平均為 11.36%)，顯著低于53 gm 粒級(jí)(p0.05) ； 53 gm粒級(jí)的w(C)/w(N)比最高，不 同處理幅度為11.99%13.23% (平均為12.34%)， FACE處理比對(duì)照略高，且極顯著高于未分級(jí)土壤表3 連續(xù)3年高濃度CO2處理后土壤w(C)/w(N)的變化Table 3 The ratio of carbon and nitrogen in soil cores afterelevated pCO? fiimigation for 3 yearsCO2和N水平分級(jí)前 分級(jí)后w(C)/w(N)w(C)/w(N)53 gm5325 gm53 p m, 5325 pm and 25