大气CO2 浓度升高对农田土壤颗粒组成及其碳周转的影响.doc

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1、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（FreeAirCO2Enrichment）平台下运行3年的水稻(OryzasativaL.)/小麦（TriticumaestivumL.）轮作土壤（0~15cm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

2、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，>53µm粒级的质量分数减小27%(p<0.05)，约占土壤总质量20％；53~25µm粒级的质量分数增大35%(p<0.05)，约占土壤总质量25%；<25µm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（p<0.05）。FACE条件下，不同粒级土壤颗粒碳质量分数在两个氮水平下平均为：>53µm（30.60g·kg－1），<25µm（13.08g·kg－1），25~53µm（12.85g·kg－1），氮质量分数分别为2.42g·kg－1，1.33g·kg－1，1.12g·kg－1

3、。>53µm粒级的土壤颗粒碳、氮质量分数均极显著高于其它两个粒级（p<0.001）。FACE条件下土壤总碳、氮质量分数高于对照，增幅分别为6.2%和6.7%。从各粒级土壤颗粒碳、氮质量分数变化分析，新增碳、氮主要进入>53µm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）02-02

4、69-06土壤碳库是地球表层最大的碳库，据估计含碳量达1500~1800Pg，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

5、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[7]。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，越来越重视农业土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

6、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(OryzasativaL.)/小麦（TriticumaestivumL.）FACE(Free-AirCarbondioxideEnrichment)系统平台[12]，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

7、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FACE系统平台位于江苏省无锡安镇年余农场（31º37'N，120º28'E）。该地区年降雨量1100~1200mm，年平均温度约16℃，水稻生长季日平均温度为29℃，年无霜天数大于230d，年辐射为4500MJ·m-2。土壤类型为黄泥土，其基本理化性状为：砂粒(1~0.05mm)质量分数9.2%，粉砂粒(0.05~0.001mm)质量分数65.7%，粘粒