土地利用變化和重金屬污染對(duì)水稻土土壤呼吸和有機(jī)碳損失的影響.pdf

1、水稻土是我國重要的糧食生產(chǎn)資源和農(nóng)田土壤碳庫，同時(shí)產(chǎn)生溫室氣體排放，對(duì)于國家糧食安全和減緩氣候變化具有至關(guān)重要的地位。我國面臨著日益嚴(yán)峻的應(yīng)對(duì)氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，稻田土壤碳匯和溫室氣體減排已成為稻田可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地利用變化和環(huán)境污染日益加劇，水稻土有機(jī)碳碳匯的未來變化成為水稻土碳循環(huán)和全球變化研究的重要內(nèi)容。本文從土壤有機(jī)碳的直接變化和土壤呼吸變化的實(shí)驗(yàn)測定，研究水稻土轉(zhuǎn)變土地利用和重金屬環(huán)境污染下水稻

2、土有機(jī)碳的損失和溫室氣體產(chǎn)生和排放的變化，并討論其土壤和生態(tài)系統(tǒng)過程機(jī)理，為科學(xué)分析土地利用和重金屬污染對(duì)水稻土碳循環(huán)和碳匯的變化提供科學(xué)依據(jù)。
　　 本文以太湖地區(qū)典型水稻土－烏泥土為研究對(duì)象，就土地利用變化和重金屬污染兩個(gè)因素，選擇了一直種植水稻的田塊和改種水稻玉米3年的田塊，采集其剖面不同深度的土壤樣品，進(jìn)行了土壤團(tuán)聚體顆粒組分離，分別測定全土和分離的土壤團(tuán)聚體總有機(jī)碳(TOC)、土壤溶解有機(jī)碳(DOC)和微生物生物量碳(

3、SMBC)，并對(duì)選擇性樣本測定了有機(jī)質(zhì)的813C值。選擇了重金屬嚴(yán)重污染的田塊與非污染的田塊作為對(duì)比，進(jìn)行了表土有機(jī)碳變化和土壤呼吸變化的野外和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)研究，并分析了不同的有機(jī)碳組分和微生物生物量、細(xì)菌基因多樣性變化等，獲得的主要結(jié)果如下：
　　 1，水田改種玉米3年后，耕層土壤TOC明顯下降，但DOC和SMBC趨向增加;粗團(tuán)聚體顆粒組(2～0.2mm)的TOC含量降低，而其他團(tuán)聚體顆粒組TOC無顯著變化。改種玉米后表層土壤(

4、0～15cm)原土及各粒級(jí)團(tuán)聚體的613C值均明顯高于原稻田，計(jì)算表明玉米新碳絕大部分集中在0～20cm土層，且主要富集在粗團(tuán)聚體顆粒組中。水田轉(zhuǎn)變成旱地后，耕層土壤粗團(tuán)聚體顆粒組中有機(jī)碳更新周期明顯較短，有機(jī)碳分解加速，碳儲(chǔ)量快速損失。這說明水稻土中物理保護(hù)的有機(jī)碳在旱地耕作下團(tuán)聚體破壞而快速分解，玉米新碳可能刺激了微生物活動(dòng)而加快水稻土老碳分解。
　　 2，重金屬污染土壤的基底呼吸速率為81.92mgCO2-C.m-2.h－

5、1，明顯高于無污染農(nóng)田的土壤呼吸速率71.19mgCO2-C.m-2.h-1，因而重金屬污染顯著地提高了水稻土土壤呼吸的強(qiáng)度。與無污染農(nóng)田的土壤相比，長期重金屬污染下土壤呼吸強(qiáng)度提高了15.10％，并且顯著降低了土壤的微生物生物量碳、微生物商、土壤有機(jī)碳和微生物量碳氮比。相關(guān)分析顯示，重金屬污染還顯著提高了土壤呼吸對(duì)土壤溫度響應(yīng)的敏感性.因此，重金屬污染影響了稻田的土壤有機(jī)碳庫的積累，降低了土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性，使其容易受外界的溫度變化

6、的影響。
　　 3，在整個(gè)水稻生長季，稻田生態(tài)系統(tǒng)的CO2和CH4排放高峰分別出現(xiàn)在水稻生育前期和中期。重金屬污染稻田的CO2和CH4排放量都顯著低于未污染的稻田，結(jié)合重金屬污染顯著降低了地上部生物量的結(jié)果，可以認(rèn)為是重金屬的污染危害到水稻生長，減弱植株的光合作用從而影響其生物量的生產(chǎn)，導(dǎo)致農(nóng)田CO2和CH4排放量降低。對(duì)比稻田生態(tài)系統(tǒng)和土壤的CH4排放差異，可以看出水稻植株對(duì)CH4排放具有巨大的貢獻(xiàn)。麥田生態(tài)系統(tǒng)的CO2排放量

7、顯著的低于稻田生態(tài)系統(tǒng)的CO2排放量。同時(shí)，重金屬對(duì)小麥生態(tài)系統(tǒng)的CO2排放通量的影響顯著的低于對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)的影響。重金屬污染降低土壤－作物系統(tǒng)呼吸排放的同時(shí)，顯著提高了無植株參與的土壤CO2的排放通量，而對(duì)CH4的排放通量沒有影響。
　　 4，重金屬污染下實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的水稻土有機(jī)碳的礦化率為0.33mgC·g-1·OC·d-1，顯著高于無污染土壤有機(jī)碳礦化率(0.29mgC·g-1·OC·d-1)。這種差異主要集中于培養(yǎng)前期，

8、這說明重金屬污染加快了活性碳庫的分解，對(duì)土壤惰性碳庫的影響不甚強(qiáng)烈；重金屬污染下SOC、DOC和土壤微生物生物量碳都降低，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定系數(shù)(Kos)也低于無污染土壤。重金屬污染影響著作物對(duì)水稻土有機(jī)碳的輸入積累并影響了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，從而可能對(duì)水稻土長期的固碳潛力產(chǎn)生重要影響。
　　 5，重金屬污染下水稻土表土細(xì)菌數(shù)量增加，而放線菌和真菌的數(shù)量顯著降低，并強(qiáng)烈地降低了土壤真菌/細(xì)菌比。PCR-DGGE圖譜分析表明，重金屬污

9、染降低了土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性，從而影響了土壤微生物群落對(duì)有機(jī)碳的礦化分解強(qiáng)度。可見，重金屬污染通過改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)而影響了水稻土碳循環(huán)與溫室氣體排放。
　　 綜上所述，土地利用的變化和重金屬污染深刻影響水稻土土壤有機(jī)碳的變化。這些變化與土壤團(tuán)聚體組成和有機(jī)碳的性質(zhì)、土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性，因此，土地利用變化和重金屬污染通過有機(jī)質(zhì)性質(zhì)－土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能－土壤生物物理過程的效應(yīng)和過程的聯(lián)系而影響水稻土碳循環(huán)過