大气CO2浓度升高对农田土壤颗粒组成及其碳周转的影响

期刊文献大气CO2浓度升高对农田土壤颗粒组成及其碳周转的影响潘红丽1，2，谢祖彬1*，朱建国1，刘钢1，张雅丽1，蔡祖聪11.土壤与农业可持续发展国家重点实验室//中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008；2.中国科学院成都山地研究所，四川成都610041摘要：采集FACE（FreeAirCO2Enrichment）平台下运行3年的水稻(OryzasativaL.)/小麦（TriticumaestivumL.）轮作土壤（0~15cm耕作层土壤），利用超声波分散－湿筛分法对烘干土样进行颗粒分级，分析土壤各粒级及其碳、氮的分布特征，研究大气CO2浓度升高对土壤碳周转的影响。结果表明：高浓度大气CO2条件下稻/麦轮作3年后，土壤颗粒组成较对照发生了改变，53µm粒级的质量分数减小27%(p0.05)，约占土壤总质量20％；53~25µm粒级的质量分数增大35%(p0.05)，约占土壤总质量25%；25µm无明显变化，约占土壤总质量55%，三种粒级之间质量分数呈显著差异（p0.05）。FACE条件下，不同粒级土壤颗粒碳质量分数在两个氮水平下平均为：53µm（30.60g·kg－1），25µm（13.08g·kg－1），25~53µm（12.85g·kg－1），氮质量分数分别为2.42g·kg－1，1.33g·kg－1，1.12g·kg－1。53µm粒级的土壤颗粒碳、氮质量分数均极显著高于其它两个粒级（p0.001）。FACE条件下土壤总碳、氮质量分数高于对照，增幅分别为6.2%和6.7%。从各粒级土壤颗粒碳、氮质量分数变化分析，新增碳、氮主要进入53µm粒级中，表明该粒级土壤颗粒对土壤碳氮循环（转化和保存）起着重要作用。该研究结果表明高浓度大气CO2条件下，稻/麦轮作农田土壤将成为大气CO2的汇，这将为预测我国未来农田土壤碳的变化趋势提供科学依据。关键词：CO2浓度升高；土壤粒级；土壤碳稳定性；土壤有机碳周转中图分类号：X144；S153文献标识码：A文章编号：1672-2175（2007）02-0269-06土壤碳库是地球表层最大的碳库，据估计含碳量达1500~1800Pg，约是大气碳库的3倍，陆地生物量的2.5倍[1,2]，在全球碳循环中起着非常重要的作用。大气CO2浓度升高通过提高植物光合能力和增加碳吸收，从而增加输入土壤的碳量，使土壤成为一个潜在的碳汇[3,4]；另一方面，CO2浓度升高条件下土壤中碳量增加，为微生物的生长提供了能量，增强了其活性，同时由于全球变暖，土壤温度上升导致土壤呼吸增强，可能引起土壤有机碳含量下降[5,6]。总之，大气CO2浓度升高，使土壤的物理、化学和生物学特性都发生了改变，这必将影响土壤中碳、氮的矿化特性。土壤碳库的稳定性是认识土壤碳库对于全球变化的长期效应的基本问题，成为土壤碳研究的热点。土壤碳库的微小变化将导致全球气候的显著波动。增加土壤碳库被认为是减缓大气CO2浓度升高的有效措施之一[7]。在全世界范围内，农业用地约占总陆地面积的38%[8]，农田受人为影响巨大，农业生态系统对高CO2浓度的响应将对全球碳循环产生重大影响，因此针对农业生态系统土壤碳循环方面的研究显得十分必要。近年来，国际学术界在探讨温带森林、湿地和极地生态系统与土壤碳汇效应的同时，越来越重视农业土壤有机碳库的变化及其对陆地生态系统和大气碳的源汇效应[9]。已有研究表明，在大气CO2浓度升高的情况下，农田生态系统土壤碳含量主要表现为增加[10]，也有报道指出，高CO2条件下不同土壤有机质状态有不同的转化和分解速率[11]。目前尚不了解高CO2条件下显著增加的生物量是否对农田土壤颗粒分布产生影响、以及对各粒级土壤颗粒的碳含量的影响程度，这方面的研究有助于明确高CO2条件下农田土壤碳库的变化及机制，有助于进一步评价农业生态系统碳周转在陆地生态系统碳循环的贡献。本试验利用中国水稻(OryzasativaL.)/小麦（TriticumaestivumL.）FACE(Free-AirCarbondiox-ideEnrichment)系统平台[12]，研究FACE平台运行3年后，土壤不同粒级颗粒的质量分数及其碳、氮质量分数的变化情况，旨在为揭示高CO2浓度条件下土壤碳的变化和土壤碳循环可能机理的评估提供科学依据。1研究地区与研究方法1.1研究地区概况和试验设计水稻/小麦轮作FACE系统平台位于江苏省无锡安镇年余农场（31º37'N，120º28'E）。该地区年降雨量1100~1200mm，年平均温度约16℃，水稻生长季日平均温度为29℃，年无霜天数大于230d，年辐射为4500MJ·m-2。土壤类型为黄泥土，其基本理化性状为：砂粒(1~0.05mm)质量分数9.2%，粉砂粒(0.05~0.001mm)质量分数65.7%，粘粒(0.001mm)质量分数25.1%，容重1.2g·cm-3，有机C质量分数1.56%，全N质量分数0.159%，全P质量分数0.123%，速效P质量分数10.4mg·kg-1，pH6.8。平台共有3个期刊文献FACE圈和5个对照（Ambient）圈。各圈之间的间隔大于90m，以减少FACE圈中CO2的释放对其他圈的影响。FACE圈设计为由8根释放CO2气体的管带组成的正八角形，直径为12.5m。通过管道上锯齿状分布的小孔(0.5~0.9mm)向圈中心喷射纯CO2气体，管带高度保持在作物冠层上方50~60cm。以风速为参数用电脑程序控制FACE圈内CO2浓度，使其全生育期FACE圈内的平均CO2浓度保持在比正常大气CO2浓度高200µmol·mol-1，控制误差为10%。对照田没有安装FACE管道，其环境条件与自然状态完全一致[12]。田间试验采用裂区设计，CO2浓度为主处理，氮肥处理为副处理。设2个CO2水平，分别为FACE（Ambient+200µmol·mol-1）和Ambient（约360µmol·mol-1）。在每圈内设低氮(LN)和常氮（NN）2个氮水平，水稻每季施氮肥LN为150kg·hm-2，NN为250kg·hm-2；小麦每季施氮肥LN为125kg·hm-2，NN为250kg·hm-2。磷肥和钾肥(以P2O5和K2O计)为75kg·hm-2。水稻生长密度为24穴·m-2，小麦种植密度为225株苗·m-2。1.2研究方法土壤样品于种植2季小麦，3季水稻后进行。水稻收割后，在各处理区，取0~15cm耕层土样。土样风干后，挑出根等作物残体，过2mm筛，80℃条件下烘干，一部分用于土壤颗粒分级分析；另取一部分磨细（过100目筛），用燃烧法（碳氮元素分析仪：PERKINELMER2400,SeriesⅡ,CHNS/OAnalyzer）测定土壤全碳、氮质量分数。取20g烘干土样（三次重复）于500ml烧杯中，加蒸馏水（水土质量比为5∶1）润湿1h,超声波震荡15min(300w·min-1)。土壤悬液过53μm筛后，过滤液再过25μm筛，反复用水冲洗53μm筛和25μm筛上的土壤颗粒直至滤液澄清，收集过滤液（25μm颗粒的土壤悬液）并离心15min（6000r·min-1），弃上清液。把所有留在筛子上和离心管底部的土壤颗粒转移到烧杯中，在80℃条件下烘干称重，计算各粒级土壤颗粒的质量分数；样品磨细（过100目筛），用燃烧法测定各粒级土壤的碳、氮质量分数。1.3数据处理各粒级土壤颗粒质量分数以%表示；土壤不同粒级颗粒的碳、氮质量分数以（g·kg-1）表示；土壤颗粒碳、氮库以g表示，其计算公式为：不同粒级土壤颗粒碳/氮库(g)＝该粒级土壤的碳/氮质量分数（g·kg-1）×该粒级土壤颗粒质量（kg）×0.01。数据处理与作图均用EXCEL软件，方差分析及显著性比较则用SPASS11.0软件，LSD法。2结果与分析2.1FACE条件对土壤不同粒级颗粒复合体组成的影响从图1可以看出，经过3年FACE处理后，耕作层土壤中25µm粒级的质量分数没有明显变化，不同处理变幅为48.2%~58.7%（平均约55%），极显著高于其他两个粒级(p0.001)。说明该粒级土壤粘性高，分解矿化能力较低；53µm粒级的质量分数较低，不同处理变幅为13.4%~26.1%（平均约20%），低于对照，且在低氮水平下达到显著性水平（p0.05），同时显著低于53~25µm粒级（p0.05）；FACE处理比对照低，说明该条件下大颗粒土壤更容易被矿化分解成小颗粒；53~25µm粒级的质量分数在土壤中的比例居中，不同处理变幅为17.4%~39%(平均约25%)，和对照相比，FACE条件下该粒级的质量分数大，且在低氮条件下达到极显著水平（p0.001）。这表明FACE条件下易矿化的大颗粒物质矿化分解存在一个向小颗粒，再向微小颗粒转化的过程。2.2各粒级土壤颗粒中C、N质量分数的差异土壤碳库除了与各粒级土壤颗粒的质量分数有关外，还与其碳质量分数有直接关系。各粒级土壤碳的质量分数和该粒级土壤颗粒质量分数的差异使得各粒级碳库有较大差异。长期FACE条件可使土壤碳增加，但增幅因粒级而异。从表1可以看出，经历了3年FACE处理后，耕层土壤碳库有所增加，两个氮水平下FACE处理土壤碳库达16.68g，比对照高约6%（表1）。这表明在CO2浓度升高条件010203040506070F-LNA-LNF-NNA-NN粒径质量分数（％）53µm53~25µm25µm图1不同粒级颗粒在土壤中的分布（w/％）Fig.1Thedistributionofdifferentparticlesizefractionsinthesoilsamples（w/%）F:高浓度大气CO2;A:对照;LN:低氮;NN:常氮;（下同）注:图中竖棒表示标准误差（SE）期刊文献下，土壤碳的形成略高于其矿化。究其原因，可能是由于FACE条件下光合作用增强，增加了初级生产而使输入土壤中碳量增加，从而使耕层土壤碳发生累积。这和国际上一些研究结果一致[13]。从表1可以看出，土壤碳库主要在25µm粒级中，平均为6.8g，占土壤全碳的44%；53µm粒级次之，平均为5.3g，占土壤全碳的35%；53~25µm最低，平均为3.3g，占土壤全碳的21%，三者之间分别达到极显著差异（p0.001）。FACE条件下，53~25µm粒级的碳库在两个氮水平下平均比对照高28.6%，达到显著性差异（p0.05）；53µm和25µm两粒级无明显差异。可能的原因是，FACE条件下53µm粒级的碳容易被分解转化，因此分配到53~25µm粒级中，导致53~25µm粒级的碳显著高于对照，25µm粒级的碳属于难分解碳，使得FACE和对照条件下土壤有机质矿化差异不明显。53µm粒级的碳比53~25µm高，约1/3土壤碳都储存在该粒级中。可能的原因是，新增加的碳（作物残体，根系分泌物和脱落物等粗有机残体）被暂时储存在大颗粒土壤中，使得这部分土壤的碳库高于53~25µm粒级。该粒级在土壤碳的平衡与转化中作用极其重要。从各粒级土壤颗粒碳质量分数来看，随着土壤颗粒变细，碳质量分数也降低。说明随粒级减小，土壤碳的稳定性也趋于恒定；FACE条件下，两个氮水平中53µm粒级的碳质量分数最大（平均30.60g·kg-1），显著大于对照（p0.05）；53~25µm和25µm粒级的碳质量分数分别为12.85g·kg-1和13.08g·kg-1，二者在FACE与对照两处理间无显著差异；53µm粒级的碳质量分数极显著大于其他两个粒级（p0.001）。表明新增加的碳主要分布在大颗粒土壤中。土壤氮库与土壤碳密切相关。各粒级土壤颗粒的氮占土壤全氮的比值同样受各粒级土壤颗粒的氮质量分数和该粒级颗粒的质量分数共同影响。不同粒级土壤颗粒中氮的分布与碳相似，更容易在细颗粒中富集（表2）。各粒级土壤颗粒中氮依次为：25µm(0.67g）53µm(0.43g)53~25µm(0.29g)，分别占土壤全氮的31%、21%、48%，三者之间呈极显著差异（p0.001）。这说明土壤氮更容易在