黄土丘陵区不同利用方式下土壤温室气体通量及氮素转化的影响因素研究

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地球变暖已经成为全世界重点关注的首要环境问题。陆地生态系统碳氮循环过程对大气中温室气体浓度的变化起着至关重要的作用。几种重要温室气体来自土壤的比例很大。土壤中温室气体的排放主要受土壤性质、灌溉和水分状况、施肥、作物生长和温度等因素的影响。结合主要的影响因素,从土壤中氮素转化的角度探讨温室气体的通量变化对于理解温室气体的产生机理和准确估算其排放量具有重要意义。本研究选择黄土丘陵区典型的土地利用方式(果园、林地、草地)下土壤作为研究对象,通过室内模拟培养实验,探讨在温度、水分的交互作用下,土壤产生氮氧化物和二氧化碳通量的变化特征及土壤中氮素形态的变化规律。旨在揭示影响土壤中温室气体通量的各种因素的作用机理和特点,为估算和预测区域温室气体的排放潜力提供理论依据,也为本地区土地利用结构的优化调整提供参考。通过研究得出如下结论:(1)土样中N2O通量与温度显著相关(r=0.1599,P<0.05),均随温度的升高不断增大,35℃时达到最大。N2O通量与土壤水分含量极显著相关(r=0.2499,P<0.0001),在土壤水分含量较低时,各土样中N2O通量与土壤水分含量呈正相关,土壤水分接近田间持水量时N2O通量最大,超过田间持水量时N2O通量急剧下降。土壤水分和温度对N2O通量的影响可用拟合方程F=a+b×T+c×T2+d×T3+e×T4+f×W来描述。在培养条件下,土壤中N2O的释放总量大小依次为:果园土>林地土>草地土。果园土释放N2O的总量分别比林地土和草地土的释放总量多30%和14%。(2)在温度水分交互作用下,果园土和草地土的NO通量最大值都出现在25℃、FCW;林地土的NO通量最大值则出现在35℃、FCW。各土样的NO通量与温度和含水率均极显著相关( P<0.0001 )。温度和含水率的影响可用拟合方程F = a+b×T+c×T2 +d×W+e×W2+f×W3来描述。在培养条件下,土壤中NO的释放总量大小依次为:草地土>林地土>果园土。(3)在培养过程中,NO2的通量与土壤含水率极显著负相关(r=-0.1813,P=0.0048<0.0001),与土壤温度无显著相关性。三种土样释放NO2总量的大小顺序为:草地土>果园土>林地土。(4)在25℃时,氨的挥发和吸收都达到一个峰值。不同含水量对土壤中氨的挥发影响不同:对果园土和林地土,水分变化对其的影响比较大,草地土壤受含水量的影响很小。三种土壤样品在培养过程中,氨的释放速率均与土壤温度极显著相关(r=-0.3286,P<0.0001),与含水率无显著相关性。三种土样释放NH3总量的大小顺序为:林地土>草地土>果园土。(5)土壤的呼吸速率的变化主要由温度的变化引起。含水率对土壤呼吸速率影响不大,但对Q10值的影响明显。土壤呼吸速率表现为果园土﹤草地土﹤林地土,有机碳对差异的产生贡献最大,其次为有机氮。微生物量碳通过与有机碳的相关关系间接影响土壤呼吸时CO2释放的速率。(6)在各种水分条件下,草地土壤中的铵态氮含量都明显高于林地土和果园土;果园土中的硝态氮含量都明显高于草地土;且除了在WW外,果园土中的硝态氮含量也显著高于林地土;林地土中亚硝态氮的含量在各种水分条件下都显著高于草地土和果园土(P<0.05,n=4)。三种土样中各氮素含量随水分变化规律各不相同。各种氮素含量与N2O和NO通量有一定关系,但规律不明显。
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