多重干湿交替对农田土壤碳循环的影响研究

摘要

全球变暖是气候变化的主要标志，由此引起的温度与湿度的变化亦必将对土壤有机碳产生重要的影响。农田土壤有机碳变化已被认同是陆地生态系统对于二氧化碳源汇效应的重要依据。加之近年来不断出现的极端气候也警示我们有必要探究和预知这些过程中可能产生的变化，其中一个很重要的方面就是激烈的水循环（蒸发和降水）。这些改变将会影响干湿交替的强度和频率，从而影响农田土壤中微生物群落及它们参与的所有生理生化过程。
　　 为了探究多重干湿交替格局及土壤团聚体粒径对土壤碳循环的影响机理，本文通过室内孵育试验，其中试验一以三种不同团聚体粒径的表层土(0-20cm)为受试土壤，从呼吸速率，溶解性有机碳的释放及微生物生物量变化等方面重点研究了多重干湿交替循环及土壤团聚体粒径对Birch效应的影响。结果表明:复水促进了土壤呼吸作用，增加了土壤微生物生物量，但对微生物量和呼吸产生的激增效应并没有持续很长时间。复水后3h呼吸速率达到峰值，并且随着干湿周期频率的增加而降低，其中大土粒经历四个干湿周期降低。不同土壤团聚体粒径对Birch效应的影响强度不同，但二者并不是简单的线性关系。土壤团聚体能够保护部分有机质不被微生物分解矿化，多重干湿交替干扰了这种保护作用，提高了有机碳的生物相容性。Birch效应中被矿化的有机碳更多是来自于新的有机质的暴露，部分来自干旱期微生物细胞内积累的溶质。值得注意的是随着干湿循环数的增加，被暴露的新的有机质在被矿化分解前可能还存在其它中间过程。
　　 试验二模拟自然的干湿交替循环，同时设置恒定含水量的对照试验，重点研究了缓慢干旱和快速复水的处理方式对土壤有机碳变化趋势的影响机理。结果表明与恒定含水量的对照组相比，多重干湿交替处理能够显著提高土壤的矿化作用，土壤中的微生物在复水后的24小时内迅速增加，四个干湿周期使得总的微生物生物量碳平均增加了45％左右。土壤中部分溶解性有机碳在复水后被微生物利用，降低幅度为10％～20％。但是在没有外源碳供给的情况下，四个干湿交替使得土壤总有机碳较原始水平降低了21％。
　　 综上所述，土壤经历干旱后复水，土壤呼吸作用及微生物生物量在数小时内显著增加。土壤团聚体对有机碳的分解矿化起到一定的保护作用，对于调动土壤有机碳有重要的影响。但多重干湿交替循环会破坏土壤团聚体的结构，被暴露的有机质进一步被微生物分解矿化，从而增加惰性有机碳的生物可利用性。溶解性有机碳在复水后有所增加，这可能来自微生物细胞复水后释放出的渗透调节物质，这些含碳化合物随后被幸存的微生物快速分解，释放出大量的CO2。经过多重干湿循环，驱动土壤呼吸作用释放CO2的动力更多是来源于物理和化学过程，而不是严格意义上的生理过程。

目录

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论文说明

摘要

引言

第一章 绪论

1．1 农田土壤有机碳在地球系统中的意义

1．2 农田土壤碳贮存与变化的影响因子

1．2．1 气候因子

1．2．2 土壤理化特性

1．2．3 土地利用方式

1．2．4 耕作方式与管理

1．3 我国农田土壤有机碳的变化

1．3．1 不同地理区域土壤有机碳变化差异

1．3．2 不同区域气候土壤有机碳的变化差异

1．3．3 气温对农田土壤有机碳动态的影响

1．4 干湿交替气候变化对土壤碳循环的生态效应

1．4．1 自然条件下土壤碳素循环

1．4．2 干湿交替格局下土壤碳素循环的变化

第2章 试验材料与方法

2．1 受试土壤

2．1．1 土壤采集与预处理

2．1．2 受试土壤类型及理化性质

2．2 试验方法

2．2．1 各指标检测原理与方法

2．2．2 试验设计

2．3 试验装置及设备

2．3．1 孵育试验装置

2．3．2 主要试验设备

第3章 多重干湿交替对有机碳变化的影响

3．1 矿化碳的变化情况

3．1．1 不同干湿强度

3．1．2 不同土壤团聚体粒径

3．2 溶解性有机碳的变化情况

3．2．1 不同干湿强度

3．2．2 不同土壤团聚体粒径

3．3 总有机碳的变化情况

3．3．1 不同干湿强度

3．3．2 不同土壤团聚体粒径

第4章 多重干湿交替对微生物及酶活的影响

4．1 微生物的变化情况

4．1．1 不同干湿强度

4．1．2 不同土壤团聚体粒径

4．2 蔗糖酶的变化情况

4．2．1 不同干湿强度

第5章 结论与讨论

5．1 结论

5．2 讨论

5．2．1 多重干湿交替格局下农田土壤有机碳的变化趋势

5．2．2 多重干湿交替格局下微生物群落结构的响应

5．2．3 多重干湿交替格局下土壤酶促调节作用

5．2．4 多重干湿交替格局下土壤团聚体对有机质的保护作用

第6章 问题与展望

6．1 从不同的时间和空间尺度探讨农田土壤变化特征和强度

6．2 进一步加强对农田土壤固碳水平、饱和容量及潜力的研究

6．3 从整体和系统的角度研究农田土壤有机碳的变化原因及影响因子

6．4 环境变量和土壤有机碳贮量之间的关系统计分析

参考文献

攻读学位期间主要学术成果

致谢