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1、ZhejiangA&FUniversityDissertationfortheDegreeofMasterEffectsofConversionfromPaddyFieldstoLeiBamboo(Phyllostachyspraecox)StandsontheSoilCarbonPoolandSoilRespirationCandiadate：ZhangTaoAdviser：LiYongfu，AssociateProfessorAssociateSupervisor：JiangPeikun，professorSpeciality：SoilScienceDateofSubmission：Apr
2、il5，2012ZhejiangA&FUniversityLinzhejiangPRChinInanzllejrangprovinceRChina7，B独创性声明本人声明，所呈交的学位论文，是受国家自然科学基金项目(编号30900190、31170576)资助，在指导教师指导下，通过我的努力取得的成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已经作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果，也不包含在浙江农林大学或其他教育机构获得学位或证书而使用过的材料。与我一同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如被查有严重侵犯他人知识产权的行为，由本人承
3、担应有的责任。学位论文作者亲笔签名：蚕丝进日期：21乜。厶!笙论文使用授权的说明本人完全了解浙江农林大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密，在年后解密可适用本授权书。口不保密本学位论文属于不保密。d(请在方框内打“”)学位论文作者亲笔签名：墨丝渣日指导教师亲笔签名：63眦5眦3舢3咖哪舢2帆u丫摘要摘要土地利用变化对生态系统碳循环和全球气候变化具有非常显著的影响。土壤碳库容量为大气碳库的23倍，土壤呼吸过程是土壤圈碳流入大气圈的主要途径。研究土地利用变化对土壤碳库与土壤
4、呼吸速率的影响对于揭示生态系统对土地利用变化的响应机制及科学估算区域生态系统的碳汇功能具有非常重要的意义。雷竹林是我国南方广泛分布的优良笋用竹种，具有味道鲜美、营养丰富，经济价值高等优点。近几年来，越来越多的水稻田被改造成雷竹林。雷竹林生产中采用施肥和有机物覆盖等集约经营措施，必然会对土壤的碳库与土壤呼吸产生显著影响。本研究选择相邻的水稻田和雷竹林样地，采集并分析测定了土壤不同形态活性碳库、养分库及相关的理化性状，并用核磁共振方法分析了土壤总有机碳的波谱特征；通过为期1年的定位试验研究了水稻田和雷竹林土壤呼吸速率与环境因子(主要包括温度、水分和水溶性有机碳)的动态变化规律，并在此基础上探讨了土
5、壤呼吸速率与各环境因子的关系。取得的主要研究结果如下：1水稻田改造成雷竹林后，土壤不同形态氮素(包括全氮、水溶性有机氮、铵态氮和硝态氮)、有效磷和速效钾含量显著增加(尸果园旱作粮地草地【371，也有研究表明，果园和人工林地的微生物碳高于农用地，但草地中微生物碳含量始终是最低38】，土壤中微生物碳、氮主要受到耕作制度和作物种类的影响，而与氮肥等的施用无显著相关性【3们，赵先丽【40】等在队辽宁省不同地图利用类型的微生物碳进行对比分析后发现，自然林地表层的微生物碳含量最高，而稻田、旱地、果园则处于一个较低的水平，这是因为森林受人为活动影响下，每年有大量的凋落物回归土壤，为微生物提供了丰富的碳源，同
6、时凋落物也有利于为微生物形成较好的生存环境，而稻田由于干湿交替等原因使得微生物难以保持高的生物量。Sharma411在喜马拉雅山地区，对森林、农业林地、农田和荒地进行分析比较得出，将森林转变成其他类型的土地利用方式后，土壤中的养分和微生物C、N、P含量将会下降。自然林地转变成人工林和农业用地的话，都会使微生物碳含量降低，农业用地的微生物碳含量最低141，例如，张于光【43】等研究表明，原始冷杉林改造成人工林和农田后，农田的微生物碳含量比自然林和改造20年的人工林低83和52，人工林的微生物碳含量随着种植年限的增加而下降。但如果是由淹水湖泊改造成人工林地和农田的话，微生物碳都升高，在初始的几年，
7、人工林地的微生物碳含量高于农田，在经过一个小高峰后，人工林的微生物碳含量直线下降，甚至大幅低于农田441，这是因为水淹地改造成农田后，土壤微生物有氧呼吸增强，秸秆还田的经营措施增加了微生物量碳、氮，还能提高土壤脲酶活性【451，再加上稻田和其他作物轮作以及人为施加肥料增加了碳源，有利于微生物大量繁殖，而人工林由于集约经营，化肥的过度使用，反不利于微生物生长，从王亮亮【46】等的研究得出，农田的微生物熵显著大于改造成的人工林地，表明微生物碳的转化效率降低，农田具有较高的生物量维持能力，而水稻田中采用免耕、稻草覆盖等保护措施的旱作水稻与传统的水淹水稻相比，显著地提高了土壤有机碳含量和活性碳含量，更
8、具固碳潜力【n刀。122土壤水溶性碳水溶性碳是指能通过045lam筛孔，可溶于水或者酸碱溶液，由一系列结构不同的有机物质组成的混合碳素，主要来源于凋落物的分解、土壤微生物和植物根系的分泌物，由于土壤水溶性碳具有定的溶解性，受到植物和微生物的活动强烈，在土壤中移动快、不稳定、易分解、易氧化f。8。自然林地的水溶性碳受季节变化影响显著，并且温暖季节的水溶性碳含量比寒41土地利用变化影响土壤碳库特征与土壤呼吸的研究进展冷季节低【491，自然林地土壤的总水溶性碳要高于人工林，而且水溶性碳占总有机碳比率从表层土到下层土，有明显升高趋势【501，自然林地改造成人工林和农田后，水溶性碳含量表现为自然林地人工
9、林地农田，跟上述所说的微生物碳变化趋势相似，人工林的水溶性碳含量随着改造年份的增加而上升【41，这种下降主要是由于剩余的有机质的稳定性较强，以及土壤有机质输入量减少造成的【5l】，而天然草地改造成林40年后，水溶性碳有所下降，这主要是因为人为活动影响了植被的类型和凋落物的分布【48】，草地开垦成农田后，水溶性碳含量明显下降，而且随着耕地年数增加，减少的趋势更加明显【51】，草地水溶性碳的含量应该高于林地和农田。123土壤易氧化碳土壤易氧化碳是土壤活性有机碳库的重要组成部分，能够为土壤中生物的生命活动提供动力，而且土壤中碳储量的变化主要发生在土壤中易氧化碳的部分，所以认为易氧化碳可以指示土壤有机
10、质的前期变化，可以衡量土壤有机质的敏感性【57】。自然林地与人工林的易氧化碳含量无显著差异，但有几种自然林和经济林的易氧化碳会显著超过其他林地，例如常绿阔叶林的易氧化碳高于针叶林和人工林，但它们都有一个共同点，易氧化碳占总有机碳的比率从表层到底层呈现下降明显趋势，与水溶性碳含量变化趋势相反【501。从总体上来看，农田的易氧化碳含量比大部分林地略低，且在某些较热的月份，易氧化碳含量甚至能超过部分林地，但有部分林地一直显著高于其他林地和农田【53J13土地利用方式改变对土壤呼吸的影响土壤呼吸指的是土壤释放C02的过程，主要是由生物氧化有机物和根系呼吸产生，通过土壤呼吸作用向大气释放C02的过程是全
11、球碳循环中的关键过程【54】，在自然条件下，影响土壤呼吸速率的主要有植物根系密度、土壤温度551、水分含量和微生物数量等。131土壤呼吸速率的影响因素许多研究表明，土壤呼吸与温度之间有着显著相关性，一般表现为正相关关系，土壤温度对土壤呼吸的影响主要是通过增强土壤微生物的活性，加速土壤有机质的分解速率来增加土壤释放C02的浓度，另外温度升高还可以通过影响植物生长和生理活动来加强根系呼吸作用156】，不过温度对土壤呼吸的作用也不是一味的促进，在温度较低时，升高温度会促进有机碳的分解，在温度较高时，升高温度反而会降低有机碳的作用【57】。不同土壤类型、植被类型和气候特征使得土壤呼吸对温度的敏感性不同
12、581，目前研究者们常用温度敏感系数Q10来表示土壤温度的敏感性，在全球尺度上，基于气温产生的Q，o值为15E58l。林地的土壤温度敏感性具有空间异质性，例如人工杨树林土壤呼吸速率与地表温度的相关性比土壤5cm处温度的相关性要气水稻田改造成雷竹林对土壤碳库和土壤呼吸的影响高【59】，而对于不同海拔的林地，土壤的温度敏感性还会随着海拔的升高而升高【60。季节性干湿交替也会干扰土壤对温度的敏感性，在旱季时，由于植物生理活动处于半休眠状态，对温度的变化更为敏感，在雨季时，植物生理活动处于高峰期，对温度的敏感性相对较弱，土壤微生物呼吸在雨季时也是个一个高峰期，因此温度变化对微生物土壤呼吸的影响也低【6
13、1J。土壤含水量与土壤呼吸呼吸的关系复杂，有正相关关系，也有负相关关系62】。土壤含水量不仅能影响生物的活性，还会影响气体的扩散，在高含水量和低含水量的情况下，生物活性会降低，而含水量高的土壤中，02的扩散速率会降低【63彤】。因此，当含水量低时，水分是土壤呼吸的限制因子，在一定范围内，土壤呼吸随着土壤含水量的升高而升高，当含水量高时，水分也是限制因子，含水量的增加会减弱土壤呼吸的作用【651。此外，土壤性质对土壤呼吸也有较大影响，质地既影响根系和微生物的呼吸作用中02的获取，又影响生物呼吸作用产生的C02的释放，土壤中pH值、粘粒含量、黏土种类等均影响土壤有机碳的稳定性f661，例如，pH值
14、过低，强酸性土壤能抑制微生物的活动，而降低有机碳的分解速率【67】。132土地类型转变对土壤呼吸的影响森林土壤呼吸占了生态系统呼吸总量的6090，是全球碳循环的关键部分，同时，森林还通过光合作用速率降低了土壤向大气中排放CO，的速率，可以将碳储存起来【68】。但目前森林生态系统面临的过度砍伐、以及将森林改造成农业用地等问题，大片森林资源或是荒废，或是被改造成农业用。自然林地改造成人工林后，土壤呼吸速率不会发生显著性变化，除非是集约经营的经济林地，土壤呼吸才会显著增加【691，王国兵【70】等研究表明，农田的土壤呼吸速率明显高于天然林和人工林，而人工林中只有经济林的土壤呼吸高于其余人工林地，而其
15、余人工林与自然林的土壤呼吸相差不大对于土壤呼吸速率较高的农田而言，翻耕方式能够影响它的土壤呼吸，对于早地农田来说，免耕能显著增加呼吸温度敏感性，进而提高土壤呼吸通量，而少耕则能有效降低土壤呼吸71-72】，但由于植株种类和植株生长期的不同，也会造成免耕对土壤呼吸的影响不同，如FranzluebbersAj731等研究表明，在大豆和高粱的生育期，免耕使土壤呼吸速率高于传统耕作方式，但在小麦的生育期，免耕则会降低土壤呼吸的速率。森林资源被改造成畜牧场时，虽然草地也是优秀的碳汇，但畜牧场受人为作用强，对碳的储存能力不及自然草地，在全球范围的分析表明，森林改造成草地后，将促使土壤呼吸平均增加20左右1
16、74，根据PhilipMFeamside75】土地利用变化影响土壤碳库特征与土壤呼吸的研究进展等的研究表明，在巴西亚马逊河流域，土壤深度8m以内，土壤含碳量多达136Gt，其中表层土壤含碳为47Gt，但目前迅速转化为畜牧场，平均土壤有机碳净释放85tCha1，或者117x106tC，比1990年少了138106ha，只有3的排放量是来自1m以下深度的，消失掉的碳含量相当于整个巴西化石燃料每年排放量的20，这一情况使得这个重要的碳库可能对全球的碳循环造成干扰。在长期浸水的农业用地中，水分对土壤呼吸的影响占据了主导地位，在水分亏缺的情况下，土壤呼吸随着水分含量的增大而增加，这是因为在缺水的时候，水分的输入能促进根系呼吸和微生物活动，在水分过量的情况下，即淹水的时候，水分会抑制土壤呼吸，这是因为水分含量过高，降低了土壤通透性t76】，给土壤造成了厌氧环境，抑制了微生物群落的活动77】，不过在某些干旱和半干旱地区，适当的灌溉能促进土壤呼吸【761。草地开垦为农田后土壤呼吸增加，
