松嫩平原旱作农田土壤CO_2排放规律及土壤碳平衡研究

【摘要】全球变暖是目前人类面临的主要环境问题,大气中C02浓度的变化对温室效应影响最大。陆地生态系统将碳素以CO2形式从土壤归还到大气,由于受到强烈的人为干扰,农田土壤成为陆地生态系统最活跃部分,是大气CO2的重要排放源,农田土壤排放的C02占人类活动释放到大气中CO2的1/4左右。控制农田土壤CO2排放将能有效缓和大气CO2浓度的升高和温室效应。松嫩平原是中国重要商品粮生产地区之一,旱作农田以玉米、大豆种植为主,目前针对中国东北松嫩平原玉米-大豆轮作农田土壤CO2排放缺乏系统研究。本试验于2011年～2013年进行,以松嫩平原玉米-大豆轮作农田土壤为研究对象,采用静态箱法,设置不同耕作条件下农田土壤CO2排放试验、不同土壤有机质条件下农田土壤(土体)CO2排放试验、土壤C02排放来源区分试验,通过对玉米、大豆轮作农田土壤(土体)CO2排放及土壤温度、水分的连续观测,分析了松嫩平原农田土壤C02排放通量的时间变化规律及其与土壤温度、水分、有机质的关系,区分了农田土壤CO2排放的来源,建立了土壤C02排放通量随时间变化的回归方程,估算出玉米-大豆-玉米轮作农田土壤碳平衡。结果表明：农田土壤CO2排放通量具有明显的季节变化规律,呈抛物线状,最大值出现在温度较高、降雨充沛的7月下旬至8月上旬。试验期间(4月11日～11月11日)土壤CO2排放通量随时间而变化,可以用二次方程拟合,方程检验结果显著,拟合程度良好；玉米-大豆-玉米三年轮作条件下农田土壤CO2排放通量与取样天数的回归方程为：覆盖少耕(MTS)：y=-0.0084×2+1.7010x+6.0147；少耕(MT)：y=-0.0057×2+1.2275x-7.7377；覆盖免耕(NTS)：y=-0.0098×2+2.0260x-1.3656；免耕(NT)：y=-0.0054×2+1.1467x-6.9755；翻耕(CT)：y=-0.0056xe+1.1798x-3.9688。土壤温度对土壤CO2排放通量的影响明显。农田不同层次土壤温度与土壤CO2排放通量的变化规律基本一致,用线性方程、二次方程和指数方程均可很好地模拟土壤CO2排放通量与土壤温度之间的关系,但指数方程的决定系数(R2)明显高于线性方程和二次方程,说明指数方程能够更好地表达二者之间的关系；不同土层温度与土壤CO2排放通量相关性比较,均以20cm土层温度的相关性最高,5cm土层温度相关性最低。农田土壤呼吸温度敏感性系数Q10值在1.72-3.71之间,土壤层次间呼吸温度敏感系数Q10值表现为20cm土层>15cm土层>10cm土层>5cm土层。土壤水分对土壤CO2排放通量有一定的影响。通过回归分析发现,10cm土层土壤体积含水率与土壤CO2排放通量无法用方程拟合,30cm、60cm、90cm土层土壤体积含水率与土壤CO2排放通量可以用二次方程拟合,方程大部分可以通过检验,但拟合方程的决定系数(R2)较小。试验期间(4月11日～11月11日)农田土壤CO2排放总量受耕作方式影响明显,表现为：覆盖免耕(NTS)>覆盖少耕(MTS)>翻耕(CT)>少耕(MT)>免耕(NT),秸秆还田(NTS、MTS)处理显著高于不还田(CT、NT、MT)处理,NTS与MTS之间差异不显著,CT、NT、MT三者之间差异亦不显著；取样期秸秆还田处理(MTS、NTS)土壤CO2排放总量较相应的不还田处理(MT、NT)累计增加65%-97%。根际CO2排放对土壤CO2排放的影响明显,玉米整个生长季根系对土壤CO2排放的贡献率波动在7%-49%之间,平均25.97%；大豆整个生长季根系对土壤CO2排放的贡献率波动在5%-62%之间,平均为33.25%。土壤有机质含量明显影响土壤CO2排放。试验中土体CO2排放总量(不含根际CO2排放)与土壤有机质含量可以用二次方程拟合,拟合的方程为y=-1.3542×2+153.66x+4226.6,方程检验结果显著,拟合程度良好。对此方程求导,确定出土壤有机质含量为56.73g·kg-1时土体CO2排放总量最大。耕作方式对农田土壤碳平衡影响明显。在一个轮作周期内(玉米-大豆-玉米),覆盖少耕(MTS)和覆盖免耕(NTS)农田土壤三年累计碳增加量分别为6460kgC·hm-2、552gkC·hm-2,平均每年碳增加量为2153kgC·hm-2、1840kgC·hm-2。少耕(MT)、翻耕(CT)和免耕(MT)农田土壤三年累计碳减少量分别为1764kgC·hm-2、1651kgC·hm-2、1482kgC·hm-2,平均每年碳减少量为588kgC·hm-2、550kgC·hm-2、494kgC·hm-2。
【作者】宋秋来；
【导师】龚振平；
【作者基本信息】东北农业大学，作物栽培学与耕作学，2014，博士
【关键词】松嫩平原；旱作农田；土壤CO2排放；土壤碳平衡；

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