不同土地利用和起源农田土壤有机碳及其组分含量变化:以江汉平原和鄱阳湖平原为例

摘要

农业土壤碳库是陆地生态系统碳库中最为活跃的部分，受到来自于人类的强烈影响而发生显著变化。农业土壤碳库储量及其固碳能力作为评估近期温室气体减排潜力重要依据之一，得到《京都协议书》认可，农业土壤碳库的增加对于稳定农田生产力和应对气候变化具有双赢的积极作用。关于中国地理区域农田土壤有机碳储量及其固碳潜力已有不少研究，土地利用例如稻田和旱地对农田土壤有机碳的变化以及土壤固碳潜力的研究也有较多报道，但是对于特定区域来说，农田土壤有机碳随不同土地利用和不同土壤起源的变化及其对土壤固碳容量的影响与机制研究相对较少。本文通过对期刊网已发表土壤研究学术论文中样本有机质（碳）含量资料统计，分析1980年以来近30年中国农田土壤有机碳变化情况;并以长江中游江汉平原和鄱阳湖平原不同土地利用方式和不同土壤起源农田土壤为研究对象，通过实地密集采样，结合第二次全国土壤普查资料，研究了区域农田当前土壤有机碳水平及第二次土壤普查以来的变化，不同利用方式和不同起源下农田土壤总有机碳和组分含量的变化，有机碳的团聚体内分布和稳定性，探讨了影响有机碳含量的主要土壤因素、当前农田土壤有机碳饱和容量和未来固碳潜力，主要研究结果如下:
　　 (1)中国农田表土有机碳含量变化趋势
　　 本文的研究支持了1985年以来中国农田表土SOC总体上呈现积累，且水田高于旱地，东部高于北部，而东北仍处于损失中的认识。近30年来，水田、旱地土壤SOC含量均呈现先下降后持续上升趋势;水田SOC含量以2003～2009年时间段最高，旱地以1985年前时间段最高，说明旱地土壤SOC水平相比1985年前仍表现为亏缺，是影响我国农田土壤SOC水平较低的主要原因。
　　 (2)江汉平原和鄱阳湖平原农田土壤有机碳含量及其随土地利用和土壤起源的变化
　　 通过实地密集采样，以江汉平原和鄱阳湖平原农田表土为研究对象，对比研究了不同利用方式和土壤起源下农田表土SOC含量差异，并就第二次土壤普查以来近30年的农田SOC变化和不同利用方式和土壤起源下农田表土的碳饱和容量和未来固碳潜力进行了探讨。结果表明:研究区域近30年来，农田表土平均SOC含量相比第二次土壤普查时期有所提高。水田、旱地相比第二次土壤普查时期均有不同程度的提高，其中，江汉平原旱地相对提高比例较大。说明在近30年以来该区域农田整体表现为碳库增加，碳汇效应显著。另外，本研究区域水稻土尚有相当比例（江汉平原为16.27％，鄱阳湖平原为5.71％）SOC含量低于水田缺乏标准线，表明其尚具有显著固碳潜力。
　　 不同起源稻田表土有机碳饱和容量在江汉平原和鄱阳湖平原湿地起源区较大，分别达到了26.83 g kg-1和26.79 g kg-1，江汉平原和鄱阳湖平原红壤起源区较低，仅为23.41 g kg-1和20.96 g kg-1。旱地农田表土有机碳饱和水平相比水田均明显下降，旱地中江汉平原红壤饱和有机碳含量最高，为19.48 g kg-1;其次为鄱阳湖平原和江汉平原湿地起源旱地，江西红壤旱地最低，为14.19g kg-1.本研究中，不同利用方式和土壤起源下，固碳潜力差异显著，整体表现为水田固碳潜力要明显高于旱地，江汉平原湿地起源水田和旱地固碳潜力均最大，分别为8.49 g kg-1和5.93 g kg-1;江西红壤水田和旱地均最低，分别为5.31 gkg-1和4.00 g kg-1。
　　 (3)江汉平原和鄱阳湖平原不同土地利用和土壤起源下C、N剖面分布及其碳密度的变化
　　 对江汉平原湿地起源稻田、棉田和未垦殖湿地三种利用方式及江汉平原湿地起源稻田、红壤稻田和鄱阳湖平原湿地起源稻田、红壤稻田等四种不同土壤起源稻田典型剖面0～100 cm土体9个土层中SOC含量的剖面分布及有机碳密度进行了比较研究。结果表明:不同利用方式下，SOC含量产生明显的剖面分布差异。稻田各土层SOC含量较湿地和棉田高，随剖面加深有机碳含量呈下降趋势，棉田下降迅速并很快趋于稳定，稻田和湿地呈现波动式下降;SOC与全氮极显著相关，但自然生态系统中碳与氮的相关性略低于农田生态系统(湿地R2=0.9043，棉田R2=0.9903，稻田R2=0.9646，P＜0.001)。不同起源稻田SOC含量以湿地起源区为高，红壤稻田较低。随剖面加深红壤稻田下降迅速并很快趋于稳定，湿地起源稻田呈波动式下降。
　　 不同利用下有机碳密度无论0～20 cm还是0～100 cm全剖面均以稻田最高，而不同起源稻田中碳密度在0～20 cm和0～100 cm全剖面均以江西湿地起源稻田最高，湖北湿地起源稻田次之，红壤稻田较低。不同利用方式和起源下，0～20 cm有机碳密度占0～100 cm全剖面的比例为27.72％～50.86％，由此可知，通过表层土壤来估算全剖面碳密度时，由于剖面样点的数量较少会带来很大的不确定性。
　　 (4)江汉平原湿地及其开垦农田不同利用下有机碳组分含量变化
　　 以江汉平原湿地起源土壤为例，研究了稻田、棉田、桔园和湿地等不同利用方式下表土SOC组分变化及在团聚体内的分布和稳定性。结果表明:不同利用方式下表土SOC含量分异显著，稻田显著高于其它利用方式。不同利用方式下稳定键合态组分及其比例的差异明显大于其他物理性分离组分的变化，特别是稻田下化学结合稳定有机碳组分及其比例升高显著。旱地利用降低了SOC的团聚体物理保护，而水田稻作条件下促进了SOC的团聚体物理保护作用。因此，化学键合稳定和团聚体物理保护的差异是水田和旱地土壤SOC保存水平差异较大的原因。
　　 江汉平原湿地开垦为农田后，没有引起SOC的损失;而在水田稻作条件下还显著地提高了原有自然湿地SOC含量，表明长江中游地区砂质湿地起源土壤开垦为稻田是相对较好的保持土壤有机碳库的土地利用途径。
　　 (5)江汉平原不同土地利用乖起源下农田土壤有机碳组分变化
　　 通过实地密集采样，以江汉平原腹地湖北荆州地区农田表土为研究对象，研究了不同利用方式和起源下农田表土SOC组分变化及其稳定性，并就有机-无机化学结合方式进行了探讨。结果表明:不同利用方式和不同土壤起源下均会影响SOC水平，相比之下不同的农业利用方式对于农田SOC水平影响更大。稳定性有机碳组分占总有机碳比例，表现为水田显著高于旱地，红壤农田显著高于湿地起源农田。不同利用方式和起源下影响SOC水平的稳定机制不同，粘粒保护机制在碱性的湿地起源土壤中具有显著作用，而水淹条件下，SOC的化学结合稳定显得与游离氧化铁的保护也有关，红壤起源水田土壤中由于游离氧化铁的大量存在，这种保护作用具有显著的贡献。可见，粘粒含量并非是影响稻田土壤固碳的唯一土壤因素，游离氧化铁的存在对稻田土壤中SOC的化学稳定发挥着有重要的作用。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 地球系统碳循环与全球(气候)变化

1．2．1 全球(气候)变化

1．2．2 地球系统碳循环

1．3 农田土壤碳及其在地球系统碳循环研究中地位

1．4 影响农田土壤有机碳水平的因素

1．4．1 气候因素

1．4．2 土壤因素

1．4．3 人为因素

1．5 农田土壤碳循环研究的国内外进展

1．5．1 土壤有机碳及其分组研究进展

1．5．2 农田土壤固碳量、固碳潜力及变化趋势研究进展

1．5．3 农田土壤固碳机制研究进展

1．6 问题的提出

1．7 本研究的目的和意义

1．8 本研究的内容和方法

1．9 本研究的技术路线

第二章 中国农田表土有机碳含量变化趋势--基于中文期刊网研究论文样品的统计分析

2．1 引言

2．2 数据来源与方法

2．2．1 资料来源

2．2．2 数据处理与统计方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 文献样本数和有机碳样本数分布

2．3．2 农田表土样品有机碳含量随时间的总体变化

2．3．3 农田表土样品有机碳含量变化的土地利用差异

2．3．4 旱地农田表土样品有机碳含量变化的区域差异

2．4 本章小结

第三章 江汉平原和鄱阳湖平原农田土壤有机碳含量及其随土地利用的变化

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 研究区域概况

3．2．2 采样与样本分布

3．2．3 测定项目和方法

3．2．4 数据分析及统计

3．3 结果及分析

3．3．1 农田土壤有机碳含量总体分布

3．3．2 不同利用方式和起源农田表土有机碳含量水平及其差异

3．4 讨论

3．4．1 农田表土有机碳含量近30年的变化

3．4．2 农田表土有机碳饱和容量和固碳潜力

3．5 本章小结

第四章 江汉平原和鄱阳湖平原不同土地利用和土壤起源下C、N剖面分布及其碳密度的变化

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 研究区域概况

4．2．2 土壤样品采集与处理

4．2．3 测定项目和方法

4．2．4 数据处理与统计分析

4．3 结果与分析

4．3．1 土壤有机碳的剖面分布

4．3．2 土壤全氮的剖面分布

4．4 讨论

4．4．1 不同利用方式和起源下土壤C／N的差异

4．4．2 不同利用方式和起源下土壤有机碳密度的差异

4．5 本章小结

第五章 江汉平原湿地及其开垦农田不同利用下有机碳组分含量变化

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 研究区域概况

5．2．2 样地选择和样品采集与处理

5．2．3 测定项目与方法

5．2．4 数据处理与统计分析

5．3 结果与分析

5．3．1 湿地及其开垦农田的土壤总有机碳变化

5．3．2 湿地及其开垦农田的土壤活性有机碳组分变化

5．3．3 湿地及其开垦农田的土壤键合态有机碳组分变化

5．3．4 湿地及其开垦农田的土壤团聚体颗粒组有机碳组分变化

5．4 讨论

5．4．1 湿地开垦为农田后的土壤有机碳变化趋势

5．4．2 湿地开垦为农田后的土壤有机碳稳定性变化

5．5 本章小结

第六章 江汉平原不同土地利用和土壤起源下农田土壤有机碳组分变化

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 研究区概况

6．2．2 样地选择和土壤样品采集与处理

6．2．3 测试项目和方法

6．2．4 数据处理与统计分析

6．3 结果与分析

6．3．1 利用方式和起源对土壤总有机碳、全氮含量的影响

6．3．2 利用方式和起源对土壤活性有机碳含量的影响

6．3．3 利用方式和起源对土壤有机碳稳定性组分的影响

6．4 讨论

6．4．1 不同利用方式和起源对农田土壤有机碳水平的相对影响

6．4．2 不同利用方式和起源下土壤有机碳含量差异与保护机制的关系

6．5 本章小结

第七章 全文讨论与结论

7．1 全文讨论

7．1．1 区域农田有机碳变化中土地利用和土壤起源的影响

7．1．2 湿地开垦中的土壤有机碳变化

7．1．3 土壤有机碳变化中总量与组分变化的关系

7．2 全文结论

7．3 创新点

7．4 存在问题

参考文献

缩略词一览表

攻读博士学位期间发表的论文

致谢