不同种植年限人工苜蓿地土壤碳氮储量和温室气体排放通量研究

【摘要】全球气候变化中有关土壤温室气体通量及其汇源特征的研究是现今生态系统研究的热点问题。为搞清苜蓿人工草地土壤的碳氮储量特征,揭示苜蓿人工草地土壤温室气体通量排放规律,以及为准确评价生态脆弱区苜蓿草地的生态效应提供科学依据,并为苜蓿人工草地生态系统的合理利用提供理论依据和科技支撑。本论文以半干旱区种植1a、3a、4a、5a和8a苜蓿草地为研究对象,通过野外试验和室内试验相结合的方法,研究了种植年限和土层深度对苜蓿草地土壤容重、土壤养分和碳氮储量特征以及土壤CO2、N2O和CH4通量特征的影响,并研究了影响土壤温室气体通量排放的主要因子。所得研究结果如下：1.随着苜蓿种植年限的增加,0～100cm土层土壤容重出现不规律的波动,苜蓿地土壤容重值整体偏大；土壤有机质随种植年限的增加而增大,随土层深度增加而显著减小,在苜蓿种植5年时对土壤有机质提高最明显,在苜蓿种植8年时土壤有机质含量最低。各年限苜蓿地均表现出土壤有机质的“表聚性”。在一定的种植年限范围内,种植苜蓿对土壤有机质具有累积作用；土壤全氮含量随苜蓿种植年限的增长表现为先增大后减小的趋势,随土层深度的加深而逐渐减小,4年生苜蓿地土壤全氮含量最大,8年生苜蓿地土壤全氮含量最低,并且土壤全氮含量主要集中于0-40cm土层,表层土壤对全氮表现出显著累积作用；土壤硝态氮随着苜蓿种植年限的增加而先增加后减小,随着土层的加深而逐渐降低,表层土壤对土壤硝态氮有累积作用,并且与苜蓿种植时间长短有显著相关性。而铵态氮含量在剖面上变化不大,与苜蓿生长年限没有显著相关性；而土壤全磷含量则随着苜蓿种植年限的增加出现先增大后减小再增大的波动,土壤全磷含量随土层加深逐渐减小,主要集中在0～40cm土层。苜蓿种植1、3年后全磷含量的“表聚性”明显,种植苜蓿3年、8年时为土壤富集磷素时期,而种植苜蓿4、5年时为土壤消耗磷素时期；三种土壤酶活性都随着土层加深和种植年限的增加而呈降低趋势,表层及次表层酶活性显著降低,土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性主要积累在表层。2.随苜蓿种植年限的增加,土壤碳含量及其碳储量都有所提高,且在不同年限间呈显著性差异,总体表现是5年生苜蓿地碳储量最高,而8年生或1年生苜蓿地碳储量最低。SOC、SAOC均表现出明显的碳固存效应,有很强的碳固存潜力。在垂直层面上土壤碳含量及碳储量普遍呈现出“表聚性”的特征。SAOC储量相对于SOC储量对种植年限的响应更为敏感。不同种植年限土壤的氮含量及其氮储量也具有与土壤的碳含量和碳储量相似的规律。3.苜蓿生长期各年限土壤-植被系统与土壤系统的CO2通量排放趋势一致,总体表现为4a>5a>8a>3a>1a,表现出“夏季高秋季低”的季节变化规律,并且土壤系统CO2释放通量低于土壤-植被系统CO2释放通量平均值。不同种植年限苜蓿地土壤-植被系统与土壤系统的N20通量排放趋势也基本一致,呈现出“春夏季高秋季低”的季节变化规律,总体表现为：4a>5a>3a>8a>1a,并且在5月和8月中旬各出现了N20排放峰值,表现出N20的“源”效应。而不同种植年限苜蓿地土壤-植被系统与土壤系统CH4通量的排放趋势也一致,呈现“春季高”的变化规律。植物对CO2、N2O的排放通量具有一定的贡献,但对CH4的排放通量几乎没有贡献。CO2、N2O排放通量受到种植年限的影响,两种气体均表现出最高排放值出现在4年生的苜蓿地中,而最低排放值出现在1年生的苜蓿地中,但CH4通量不受种植年限的影响。4.苜蓿地土壤系统CO2排放通量与土壤有机碳含量、土壤活性有机碳含量、土壤C：N显著二次正相关(P<0.05),并与土壤全氮含量、气温和0～5cm地温极显著二次正相关(P<0.01)。土壤-植被系统CO2排放通量与地上生物量显著正相关(P<0.05)；而苜蓿地土壤系统N20排放通量与土壤有机碳、土壤C：N、土壤铵态氮含量具有显著正相关关系(P<0.05),并与土壤全氮含量、土壤硝态氮含量具有极显著正相关关系(P<0.01),还与0～10cm土壤含水量极显著二次负相关(P<0.01)。土壤-植被系统N20排放通量与地上生物量极显著正相关(P<0.01)；而苜蓿地土壤系统CH4排放通量与土壤全氮、铵态氮含量极显著正相关(P<0.01)。综上所述,可以认为：苜蓿种植年限以及土层深度普遍地对土壤有机质、全氮、硝态氮、全磷含量及三种土壤酶活性,乃至土壤碳氮储量产生影响,并在垂直层面上普遍呈现“表聚性”的特征。同时种植年限也不同程度地影响着CO2、NO2的排放通量,但不影响CH4的排放通量。土壤全氮含量、气温以及0～5cm地温是制约CO2通量排放的关键因子。土壤全氮、硝态氮含量、0～10cm土壤含水量及地上生物量是制约N2O排放通量的关键因子。而土壤全氮、铵态氮含量是制约CH4排放通量的关键因子。而今后需从人工苜蓿草地的管理措施上深入探讨如何达到最佳碳氮储量与温室气体的最少排放。
【作者】徐坤；
【导师】谢应忠；
【作者基本信息】宁夏大学，草业科学，2014，博士
【关键词】种植年限；苜蓿地；土壤碳氮；温室气体通量；

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