雙季稻田轉(zhuǎn)菜地對生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和溫室氣體排放的影響研究.pdf

1、近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，蔬菜在我國居民食物中的占比越來越高。隨著蔬菜需求量逐漸增加，大量的稻田被轉(zhuǎn)變?yōu)槭卟朔N植，并已成為了一種常見的農(nóng)業(yè)土地利用轉(zhuǎn)變方式。稻田轉(zhuǎn)菜地雖然提升了經(jīng)濟(jì)效益，但同時也帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。菜地具有復(fù)種指數(shù)高、施氮量大和灌溉頻繁等特點(diǎn)。這些管理措施對土壤肥力、有機(jī)碳礦化和溫室氣體排放等方面都具有十分重要的影響。然而，稻田轉(zhuǎn)為菜地如何影響生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和溫室氣體排放？特別是這種影響在稻田轉(zhuǎn)為菜地后

2、的不同時間階段是否存在差異，目前并不是很清楚。為此，有必要研究稻田轉(zhuǎn)為菜地后生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和溫室氣體排放特征及其演變過程，全面深入理解農(nóng)業(yè)土地利用方式轉(zhuǎn)變所引起的環(huán)境問題，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和減緩溫室氣體排放等相關(guān)政策的制定提供理論依據(jù)和有效的農(nóng)田管理措施。
　　本研究在位于湖南省長沙縣的中國科學(xué)院長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站選取了6塊長期種植水稻的雙季稻田（早稻-晚稻-休閑），隨機(jī)選取其中的3塊水稻田排水落干，并將其轉(zhuǎn)化為菜地，剩余

3、的3塊稻田作為對照繼續(xù)種植雙季稻。每塊稻田和菜地一分為二，設(shè)置兩種施氮肥處理:不施加氮肥和常規(guī)施氮肥處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。對稻田和由稻田轉(zhuǎn)變的菜地的生態(tài)系統(tǒng)碳平衡(NECB)相關(guān)指標(biāo)、土壤溫室氣體（CO2，CH4和N2O）排放、土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)和相關(guān)環(huán)境因子連續(xù)監(jiān)測4年。得出的主要研究結(jié)果如下:
　　1.稻田轉(zhuǎn)菜地顯著提高了土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性，加速了土壤有機(jī)碳

4、礦化過程。與稻田生態(tài)系統(tǒng)相比，稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植后碳輸入量減少了44％-52％，土壤有機(jī)碳礦化量增加了46％-59％,引起了大量的土壤碳損失(2.6-4.5MgC ha-1yr-1)。土壤碳損失量在稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植的第1年最大，后續(xù)3年逐年降低。氮肥施加促使稻田由弱的碳源變?yōu)樘紖R，同時也減緩了稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植引起的土壤碳損失強(qiáng)度。
　　2.稻田CH4排放有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律:水稻生長季CH4排放通量高，休閑季CH4排放通量低。水稻

5、生長季CH4排放量占全年總CH4排放量的94％-99％。土壤NH4+-N、溫度和水分含量是稻田CH4排放季節(jié)性變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子，在整個觀測期可以解釋稻田CH4排放通量季節(jié)性變化的70％。凈初級生產(chǎn)力是控制稻田CH4排放年際變化的關(guān)鍵因子:水稻凈初級生產(chǎn)力越高，稻田年CH4的排放量越大。
　　3.稻田轉(zhuǎn)菜地顯著降低了CH4排放，降低量為稻田CH4排放量的96％-97％。稻田轉(zhuǎn)菜地對CH4排放的影響具有時間滯后效應(yīng):菜地第1年的CH

6、4排放強(qiáng)度顯著高于后續(xù)3年。氮肥施加對稻田和菜地的CH4排放無顯著影響。
　　4.稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植引起了大量的N2O排放，特別是在轉(zhuǎn)變的第1年。菜地N2O排放的年際變化和蔬菜凈初級生產(chǎn)力的年際變化密切相關(guān)。菜地N2O排放主要集中在夏季土壤溫度高于20℃的時段。而在此時間段內(nèi)，土壤硝態(tài)氮和含水率是控制菜地N2O排放的關(guān)鍵因子，反硝化過程是菜地N2O產(chǎn)生的主要途徑。在4年觀測期間，菜地N2O排放通量和土壤異養(yǎng)呼吸速率呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系

7、。而且，菜地土壤異養(yǎng)呼吸對其N2O排放通量變化的影響在第1年高于后續(xù)3年。這些研究結(jié)果表明稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植后，特別是在轉(zhuǎn)變初期，有機(jī)質(zhì)礦化過程對菜地N2O排放有重要貢獻(xiàn)。因此，需要重新評估農(nóng)業(yè)土壤N2O排放因子，慎重考慮土地利用方式轉(zhuǎn)變過程中土壤有機(jī)質(zhì)礦化對N2O排放的貢獻(xiàn)。
　　5.在100年尺度CO2當(dāng)量下，稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植的第1年，增加的土壤碳損失量和N2O排放量高于減少的CH4排放量，導(dǎo)致菜地的綜合增溫潛勢相對于稻田增加了

8、116％-395％。然而，稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植的第2-4年，減少的CH4排放量完全抵消了增加的土壤碳損失和N2O排放量，使菜地的綜合增溫潛勢和稻田相比無顯著差異。氮肥施加顯著增加了CH4對稻田綜合增溫潛勢的貢獻(xiàn)率，但對稻田的綜合增溫潛勢的影響不顯著。稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植的第1年，氮肥施加引起的菜地N2O排放的增加量高于菜地土壤碳損失的減少量，從而增強(qiáng)了綜合增溫潛勢對稻田轉(zhuǎn)菜地的響應(yīng)。以上這些研究結(jié)果表明稻田轉(zhuǎn)菜地對綜合增溫潛勢的影響主要集中在該

9、土地利用方式轉(zhuǎn)變的第1年。
　　綜上所述，稻田轉(zhuǎn)為蔬菜種植引起了大量的土壤碳損失，碳損失強(qiáng)度逐年減弱。氮肥施加緩解了稻田轉(zhuǎn)菜地引起的土壤碳損失量。稻田轉(zhuǎn)菜地顯著增強(qiáng)了N2O排放，降低了CH4排放，同時增強(qiáng)了菜地第1年的綜合增溫潛勢。稻田CH4和菜地N2O排放的年際變化和生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的變化密切相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)礦化過程對菜地N2O排放有重要貢獻(xiàn)。這些研究結(jié)果表明在評價土地利用方式轉(zhuǎn)變所引起的環(huán)境效應(yīng)時，應(yīng)該關(guān)注轉(zhuǎn)變初始階段的生