大气CO2 浓度升高对农田土壤颗粒组成及其碳周转的影响

1、 HYPERLINK E-mail: HYPERLINK mailto:editor editor生态环境 2007, 16(2): 269-274 Ecology and Environment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( Free Air CO2 Enrichment)平台下运行3年的水稻(Qryza sativa L.)/小麦(Tritic

2、um aestivumL.)轮作土壤(015 cm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，53 m级的质量分数减小27%00.05)，约占土壤总质量20%; 5325 pm粒级的质量分数增大35%(p0.05)，约占土 壤总质量25% ；25 pm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(p53 pm ( 30.60 g-kg-1 ),53 pm粒级的土壤颗粒碳、氮质量分数均极显著高于其它

3、两 个粒级(p53 pm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基金项目：国家“973”项目(CCDMCTE-2002CB412502 ； 2002CB714003 )；国家自然科学基金项目(NSFC-40571157 ； 40271061 );国家自然科

4、学基金重大国际合作研究项目(NSFC-40120140817 )；中国科学院知识创新重要方向项目(kzcx2-408 )；江苏省自然科学基金项目(BK2006252)作者简介：潘红丽(1979 -),女，博士研究生，主要从事全球环境变化的研究。*通讯作者：谢祖彬，研究员。E-mail : HYPERLINK mailto:zbxie zbxie收稿日期：2006-08-06土壤碳库是地球表层最大的碳库，据估计含碳 量达15001800 Pg，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

5、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刀。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

6、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 越重视农业十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

7、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(Oryza sativa L.)/小麦 (Triticum aestivum L. ) FACE(Free-Air Carbon dioxide Enrichment)系统平台，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FACEM统平台位于江苏省无锡 安镇年余农场(3137N，12028E )。该地区

8、年降雨 量11001 200 mm，年平均温度约16 C，水稻生长 季日平均温度为29 C，年无霜天数大于230 d，年辐 射为4500 MJm-2。土壤类型为黄泥土，其基本理化 性状为：砂粒（10.05 mm）质量分数9.2%，粉砂粒 （0.050.001 mm）质量分数65.7%，粘粒（0.001 mm） 质量分数25.1%，容重1.2 gcm-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10.4 mg-kg-1，pH 6.8。平台共有3个 FACE圈和5个对照（Ambient）圈。各圈之间的间 隔大于90 m，以减少FACE圈中CO

9、2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12.5 m。通过管道上锯齿 状分布的小孔（0.50.9 mm）向圈中心喷射纯CO2气 体，管带高度保持在作物冠层上方5060 cm。以风 速为参数用电脑程序控制FACE圈内C 02浓度，使其 全生育期FACE圈内的平均C02浓度保持在比正常 大气C02浓度高200 pmol-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U2。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+200 pmol-mo

10、l-1 ）和 Ambient （约 360 pmol-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150 kg.hm-2， NN为250 kg-hm-2 ；小麦每季施氮肥LN为125 kg-hm-2，NN 为 250 kg-hm-2。磷肥和钾肥（以 P2O5 和K2O计）为75 kg-hm-2。水稻生长密度为24穴如-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015 cm耕层土样。土 样风干后，挑出根等作物残体，过2 mm筛，80 C 条件下烘干，一部分用于土壤颗粒分级分析；另

11、取 一部分磨细（过100目筛），用燃烧法（碳氮元素 分析仪：PERKIN ELMER 2400, Series II, CHNS/O Analyzer）测定土壤全碳、氮质量分数。取20 g烘干土样（三次重复）于500 ml烧杯中， 加蒸馏水（水土质量比为5:1 ）润湿1 h,超声波震荡 15 min（300 w- min - 1 ）。土壤悬液过53 gm筛后，过 滤液再过25 gm筛，反复用水冲洗53 gm筛和25 gm 筛上的土壤颗粒直至滤液澄清，收集过滤液（25 gm颗粒的土壤悬液）并离心15 min（ 6000 r-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

12、到烧杯中，在80 C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）二该粒级土壤的碳/氮质量分数 （g-kg-1 ） x该粒级土壤颗粒质量（kg ） X0.01。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FACE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

13、，耕 作层土壤中25 gm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（p53 gm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5325 gm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；5325 gm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（p53 g

14、m5325 gm25 gmm（碳库）/gw（碳）/（gkg-1）m（碳库）/gw（碳）/（gkg-1）m（碳库）/gw（碳）/（gkg-1）m（碳库）/gw（碳）/（gkg-1）FACELN16.830.8716.830.874.720.4629.001.744.170.3211.831.206.660.6513.831.37NN16.530.9516.530.955.890.7032.204.213.450.5613.870.596.960.1112.330.37AmbientLN15.630.5215.630.525.330.2423.971.052.650.3213.931.207.19

15、0.3312.270.69NN15.600.6515.600.655.390.5624.602.142.790.2613.700.686.380.5811.131.16分级后表1连续3年高浓度CO2处理后各粒级土壤颗粒碳质量分数和碳库的变化Table 1 The C concentration and C pool after elevated pCO. fiimigation for 3 years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

16、个氮水平下FACE处理土壤碳库达16.68 g， 比对照高约6% （表1）。这表明在CO2浓度升高条件 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53pm粒级 次之，平均为5.3 g，占土壤全碳的35% ； 5325 pm 最低，平均为3.3 g，占土壤全碳的21 %，三者之间 分别达到极显著差异（0.001）。FACE条件下， 5325 pm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（p53 pm和 53

17、 pm粒级的碳容易被分解转化，因此分 配到5325 pm粒级中，导致5325 pm粒级的碳显 著高于对照，53 pm粒级的碳比5325 pm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5325 pm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53 gm粒级的碳质量分数最大（平均30.60 g-kg-1），显著大于对照（p0.05）

18、； 5325 gm和53 gm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： 53 gm（0.43 g）5325 gm（0.29 g）， 分别占土壤全氮的31%、21%、48%，三者之间呈 极显著差异（p53 gm5325 gm53 pm粒级的氮质量分数(平均为2.42 g-kg-1)显著大于对照(平均2.02 g-kg-

19、1) (0.05 ), 5325 pm和25 pm粒级的氮质量分数 分别为1.12 g-kg-1和1.33 g-kg-1，二者无显著差 异；53 pm粒级的氮质量分数极显著大于其他两 个粒级(0.001)。表明随着粒级减小，土壤中氮 的稳定性也趋于恒定；新增加的氮都暂时储存在大 颗粒土壤中。就土壤不同粒级w(C)/w(N)比而言(表3), 25 gm粒级的w(C)/w(N)比最低，不同处理间幅度为 9.39%10.88% (平均10.20%)，接近于未分级土壤 的 w(C)/w(N)比(10.25%)，FACE条件下该粒级 w(C)/w(N)比极显著低于53 gm和5325 gm处理 (PV0

20、.001)；随着颗粒的加粗，各粒级土壤颗粒的 w(C)/w(N)比逐渐增大。5325 gm粒级的土壤颗粒 的w(C)/w(N)比不同处理间幅度为 10.58%11.92%(平均为 11.36%)，显著低于53 gm 粒级(p0.05) ； 53 gm粒级的w(C)/w(N)比最高，不 同处理幅度为11.99%13.23% (平均为12.34%)， FACE处理比对照略高，且极显著高于未分级土壤表3 连续3年高浓度CO2处理后土壤w(C)/w(N)的变化Table 3 The ratio of carbon and nitrogen in soil cores afterelevated pCO? fiimigation for 3 yearsCO2和N水平分级前 分级后w(C)/w(N)w(C)/w(N)53 gm5325 gm53 p m, 5325 pm and 25