不同土地利用类型土壤温室气体排放及其环境影响因子

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温室气体(Greenhouse gases,GHGs)是导致全球气候变化的主要驱动因素之一,随着土地利用类型的改变、围垦、施肥等人类活动直接或间接地加速了全球范围内的温室气体(例如CO2、CH4、N2O等)排放,全球变暖问题日益加重,温室气体减排及评估成为21世纪的研究热点之一。但目前不同土地利用类型土壤以及其环境因素对温室气体通量的影响尚无统一定论,本研究将为温室气体排放及碳汇估算提供数据,也为我国实现“碳中和”目标、碳氮减排政策制定以及应对全球气候变化的国家战略提供理论基础。本研究采用Picarro-G2508温室气体分析仪结合静态箱法对河口和红壤两个生态系统不同土地利用类型(河口盐沼、河口林地、河口稻田;红壤旱地、红壤橘园、红壤林地、红壤稻田)土壤的CO2、CH4、N2O通量进行同步监测;并结合温度、湿度、盐度和施氮的控制实验,试图解释不同土地利用类型土壤温室气体通量的差异及其对关键环境影响因子的响应规律与机制。主要研究结果如下:(1)温湿度、盐度、施氮的改变均显著改变了土壤CO2通量(土壤呼吸),但响应趋势不同。土壤呼吸与温度呈显著正指数相关(p<0.01);土壤呼吸对土壤湿度和盐度的响应均为先增后减,分别在20%GWC(土壤达饱和湿度)、5‰盐度达到峰值;而施氮对红壤稻田的土壤呼吸产生了抑制作用。另外河口和红壤生态系统中各土地利用类型土壤呼吸Q10模型计算结果分别为:河口林地1.51、河口盐沼1.47、河口稻田1.39;红壤稻田3.17、红壤橘园3.12、红壤林地2.61、红壤旱地2.51,表明红壤生态系统土壤对温度有较高的敏感性。由于土壤氧化还原电位会随湿度增加而降低,减少CH4的消耗,从而促进了稻田和盐沼土壤的CH4排放(R2=0.89)。旱地、橘园、林地红壤CH4排放不受土壤湿度影响;然而,施氮和盐水入侵对产甲烷菌的抑制导致该处土壤的CH4排放受到抑制。盐水入侵使得硫酸盐还原作用成为碳矿化的主要途径,减少了CH4排放(CH4通量与盐度呈指数负相关关系)(R2=0.81,p<0.0001)。土壤N2O排放对环境因子的响应更为复杂:关于温度变化,仅红壤稻田土壤排放与其呈正相关;针对湿度变化,N2O排放具有显著的响应,在土壤湿度为25%时,红壤生态系统各类土壤的N2O排放达到峰值;对于施氮作用,由于NO3﹣和NH4+底物浓度升高导致红壤稻田土壤N2O排放增加,相比较而言促进程度为NO3﹣-N组>NH4+-N组>H2NCONH2-N组。此外,施氮后土壤N2O排放在第2天达到峰值,并随着时间推移而下降在第15天基本恢复至初始水平,而随着硝化反硝化底物的减少N2O通量逐渐下降。(2)通过对长江口不同盐度的芦苇盐沼土壤温室气体的原位观测,不同盐度湿地土壤的温室气体排放通量差异显著,且与室内实验结果趋势一致。在本文所研究盐度梯度中,海水盐度值5‰是影响土壤温室气体排放趋势变化的关键点,野外和室内实验一致表明,随着盐度增加,盐沼土壤呼吸在5‰盐度时达到峰值,而土壤CH4排放通量在盐度5‰之后开始下降缓慢,并稳定在较低范围,降低到0‰盐度时土壤CH4排放的约六十分之一。盐度对温室气体的影响主要是由于盐水入侵带来的离子作用,SO42-、Fe2+含量是导致土壤呼吸改变的重要因素,两者均与盐度相关性极显著。(3)两个生态系统不同土地利用类型之间土壤温室气体排放差异显著,全球增温潜势表现为:河口稻田>河口林地>河口盐沼,红壤稻田>红壤橘园>红壤林地>红壤旱地,且人为活动影响下的土壤碳排放远高于天然盐沼土壤碳排放量。此外,两空间复合利用模式碳核算结果显示,碳排放量为:河口0.68 T·hm-2·yr-1,红壤1.55 T·hm-2·yr-1;有机碳密度为河口12.67 T·hm-2,红壤23.58 T·hm-2,较高的空间集约化程度使南方红壤具有更高的碳排放量和碳储量。(4)对本研究所有影响因子对温室气体排放的影响进行冗余分析,结果显示所有环境因子对温室气体排放的影响大小为:温度>盐度(电导率)>土壤湿度>施氮,而在所有影响因子中,土壤碳氮含量对温室气体影响最大,其次是p H。RDA结果对CO2、CH4、N2O的解析度分别达63.20%,67.48%和52.03%。综上,土壤碳氮含量等理化性质是不同土地利用类型土壤温室气体排放差异显著的主要原因,稻田土壤在本研究土壤中的全球增温潜势最大,盐沼土壤最小。土壤CO2、CH4、N2O排放对温湿度、盐度、施氮具有一定的规律性响应,其对温室气体排放的影响大小为:温度>盐度(电导率)>土壤湿度>施氮,其中施氮带来的NO3﹣和NH4+底物浓度升高是导致N2O排放增加的主要原因,盐水入侵增加的SO42-是抑制CH4排放的主要原因。
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