围湖造田对土壤碳矿化及水溶性有机碳的影响

大学本科毕业论文题目：围湖造田对土壤碳矿化及水溶性有机碳的影响学 院：南方学院 专 业： 生态学 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 围湖造田对土壤碳矿化及水溶性有机碳的影响摘 要中国是传统的农业大国，出于农业发展的需要，上世纪60年代前后围湖造田在长江中下游地区成为一种普遍的现象。通过围湖来增加土地，一方面促进了经济发展和社会进步，但另一方面大大缩减了湖泊面积，改变了湖泊的自然演变进程。围湖地区土壤有机碳稳定性较差，围湖造田作为人类对自然生态系统的一种干扰方式，可能显著改变原有生态系统的碳循环，因此应该对围湖造田对生态系统碳循环的影响给予充分考虑。本研究以太湖地区肖甸湖森林公园为实验地，选择围湖造田后的四种不同的土地利用类型为对象，研究其土壤碳的矿化和水溶性碳的变化特征。结果表明，土壤在培养过程中，水溶性有机碳含量随培养时间的延长而显著增加；三种森林土壤的总有机碳含量显著高于农田； 研究结果一方面表明了来源于森林植被的枯落物比农田农作物残渣分解后产生的有机质更丰富，另一方面由于农田表层受人为干扰较大，刺激了微生物活性，使其有机物分解更快。而1025 cm农田有机质含量相对较大，则表明改土层受人为干扰较小。关键词：围湖造田；土地利用类型；土壤有机碳的矿化；土壤微生物生物量碳AbstractChina is a traditional agricultural country with a huge population. In the late 1950s, reclaiming land from lakes had emerged as a common activity in order to expand cultivated land to meet the needs of an increasing population. Reclaiming land from lakes as a special land use way on the one hand could increase the cultivaied area, but on the other hand it usually changed the natural evolution process of lake ecosystem. Land use change may cause the difference of vegetation types growing on the soil, which determine the input of carbon source. Namely, land use could lead to the changes of carbon cycle in soil as well as in atmosphere. Therefore, the influence of the reclaiming land from lakes to carbon cycle in ecological system should be taken fully into account. In this study, we chose four land use types of soils under reclaiming land from lakes at the Xiaodian Lake Forest Park (3110N, 12048E), located in the northeast of Wujiang City, Jiangsu province, east China. We determined the soil organic carbon and the dynamics of water soluble organic carbon content in the process of soil mineralization. The result showed that the soil organic carbon under three kinds of forest was significantly higher than the farmland, and the content of water soluble organic carbon was increasing with the mineralization time. It suggested that the litter from forest could supply more carbon to soils than crop residues. On the other hand, arable land was usually disturbed by human activity which could stimulate the activities of microbes and lead to faster decomposition of soil organic carbon. And 10 to 25 cm farmland organic matter content is opposite bigger, indicates that the soil to be disturbed smaller.Key words: Reclaimed land from a lake; land use; soil organic carbon mineralization; water extractable carbon.目 录第一章 引 言- 1 -1.土壤碳库- 1 -1.1土壤微生物生物量碳- 1 -1.2土壤水溶性有机碳- 1 -1.3土壤易氧化碳- 1 -2.土壤有机质- 1 -2.1 土壤有机质组成和含量- 2 -2.2 土壤有机质矿化- 2 -3.围湖造田历史- 3 -4.研究目的与意义- 3 -4.1研究目的- 4 -4.2研究意义- 4 -第二章 研究地概况和研究方法- 4 -1 研究地概况- 4 -2 研究方法- 5 -2.1 样地设置与样品采集- 5 -2.2 土样培养方法- 5 -2.3 样品分析方法- 5 -第三章 研究结果- 6 -3.1 不同土地利用类型土壤总有机碳- 6 -3.2 不同土地利用类型土壤氮含量- 7 -3.3 不同土地利用类型土壤水溶性有机碳矿化特征- 7 -第四章 讨论与结论- 9 -致 谢- 10 -参 考 文 献- 11 - 14 -第一章 引 言1.土壤碳库1.1土壤微生物生物量碳土壤微生物生物量碳是土壤有机碳的重要组成，参与了土壤生物化转化过程，而且是土壤中植物有效养分的储备库，并能促进土壤养分的有效化，因此在土壤肥力和植物营养中具有重要的作用1。随着全球碳循环问题受到广泛关注，微生物生物量碳特别是森林土壤微生物量碳日益引起人们的重视。随着土壤微生物量碳测定的方法不断进步与改善，在该领域的研究取得了重大进展。国外对土壤微生物生物量碳的研究相对国内领先。1.2土壤水溶性有机碳水溶性有机碳（water-extractable organic matter, WEOC）是指能溶解于水的有机碳，是具生物活性的有机碳。土壤水溶性有机碳主要包括溶解在土壤溶液中不同种类的低分子量有机质和以胶体状悬浮于土壤溶液中的大分子量有机质。对于土壤水溶性有机碳的研究报道比较少，一般都认为，土壤水溶性有机碳来源于落叶和根系分泌物以及土壤有机质的水解。微生物的分解，也是土壤水溶性有机碳的另一个来源。Haynes等和Kinsbursky等也认为水溶性碳水化合物主要由微生物活动产物组成2。1.3土壤易氧化碳易氧化碳（readily oxidizable carbon ROC）的测定的方法主要是高锰酸钾（KMnO4）易氧化。将易氧化、部位定的有机质作为火星有机质。根据土壤与氧化剂作用后所消耗的氧化剂来确定ROC，此方法属于活性土壤有机质研究的化学方法。KMnO4氧化法操作相对简单，适用于大批量样品的分析，在评价不同土壤有机质特性、各种因子对土壤有机物质质量的影响以及腐殖质的矿化等方面，是一个相当重要的指标3。2.土壤有机质土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机化合物，它是土壤的重要组成成分，尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分（一般为1% 20%），但它对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要的作用和意义。一方面，它含有植物生长所需的各种营养元素，也是土壤微生物活动的能源，对土壤物理、化学和生物学性质有着深刻的影响。另一方面，土壤有机质对重金属、农药等各种有机、无机污染物的行为都有显著的影响。许多研究认为，土壤有机质对全球碳平衡起着重要的作用，被认为是影响全球“温室效应”的主要因素。2.1 土壤有机质组成和含量 有机质主要包括土壤中各种动物、植物残体（枯枝、落叶、落果、根系），根系分泌物，微生物体及其分解和合成的各种有机化合物和人为施用的有机肥料。一般自然土壤中的有机质主要来源于动植物残体、微生物体及根系分泌物；当自然土壤受人为影响后，其有机质也发生了一定变化，因为这时土壤有机质来源也发生了变化，其来源多为作物根茬、各种有机 肥料、工农业和生活废水、废渣、微生物制品、有机农药等有机物。土壤有机质的化学组成决定于进入土壤的有机物质来源物。进入土壤的各种动、植物残体的化学成分和含量会因动、植物体种类、年龄等不同而有很大的差异。一般情况下，动植物残体主要的有机化合物包括碳水化合物、木素、蛋白质、树脂、蜡质等。土壤有机质的主要元素组成是C、O、H、N，分别占52% 58%、34% 39%、3.3% 4.8%、3.7% 4.1%，其次是P和S，C/N比在10左右4。土壤有机质含量的多少，基本上可以反映土壤肥力水平的高低5。一般有机质层土壤有机质含量在20%以上，而矿质层土壤(mineral soil)有机质含量一般在20%以下。土壤有机质含量与气候、植被、地形、土壤类型、农耕措施密切相关。我国地域辽阔，土壤有机质含量普遍偏低。由于各地的自然条件和农林业经营水平不同，土壤有机质的含量差异较大，低者少于1，多者可高达20%。总体而言，我国东部沿海地区北方土壤有机质含量高于南方土壤，中西部南方高于北方。东西来看：南方地区西部高于东部，北方地区东部高于西部。2.2 土壤有机质矿化土壤有机质在水分、空气、土壤动物和土壤微生物的作用下，发生极其复杂的转化过程，这些过程综合起来可归结为两个对立的过程，即土壤有机质的腐殖化过程和矿质化过程。土壤矿质化是土壤有机质在微生物作用下，分解为简单的无机化合物， 即二氧化碳、水、氨和矿质养分（磷、硫、钾、钙、镁等简单化合物或离子）等，同时释放出能量的过程。土壤腐殖化过程是在土壤微生物所分泌的酶作用下，把有机质分解产生的简单有机化合物和微生物生命活动产生的中间产物转化成更复杂的、稳定的、特殊的高分子有机化合物6。阮宏华7等比较分析了武夷山不同海拔高度土壤在25和60%田间饱和含水量条件下培养110d有机碳矿化速率和矿化率的差异。结果表明：不同海拔高度土壤有机碳矿化速率随海拔高度的升高而加快，高山(0.08gCO2-Ckg-1d- 1)分别比亚高山矮林、针叶林、常绿阔叶林快14.3%、60.0%和66.7%，差异主要存在于010cm。土壤碳矿化率以针叶林最高(16.6%),分别比亚高山矮林、常绿阔叶林、高山草甸高37.0%、67.6%和79.1%。土壤有机碳矿化速率和矿化率均随土层加深而递减，递减的幅度在不同海拔高度土壤间存在显著差异(P 水杉林 香樟林 农田；1025 cm层土壤总有机碳含量：毛竹林 农田 香樟林 水杉林。所以毛竹林有机碳含量在四种土地利用类型里是最高的，010 cm和1025 cm土层分别为32.2和18.81g（C） / kg（土），而农田有机碳含量是相对来说比较低的。土壤总有机碳含量的垂直分布表现为，四种土地利用类型土壤有机碳含量随土层深度而显著减小，即010 cm土层总有机碳含量远远高于1025 cm土层土壤总有机碳含量。图1 不同土地利用类型土壤总有机碳含量3.2 不同土地利用类型土壤氮含量土壤中氮绝大多数为有机质的结合形态。无机形态的氮一般占全氮的1%5%土壤有机质和氮素的消长，主要决定于生物积累和分解作用的相对强弱、气候、植被、耕作制度诸因素，特别是水热条件，对土壤有机质和氮素含量有显著的影响。土壤氮是最重要的土壤养分之一，从下图来看，四种土地利用类型中以毛竹林的氮含量最高，010 cm和1025 cm土层分别为3.15和2.14g（C）/ kg（土）。在0 10 cm层土壤含氮量表现为，毛竹林 水杉 香樟林 农田；10 25 cm层土壤含氮量，毛竹林 农田 水杉 香樟林 。从氮含量在土壤剖面的垂直分布来看，0 10 cm层土壤含氮量都显著高于10 25 cm层土壤含氮量。其中水杉林010cm层与1025cm层间，土壤含氮量差距比较明显。而农田010cm层与1025cm层，差距最小。土壤含氮量随着土壤深度的增加而减少，越深层的土壤，其含氮量越低。图2 不同土地利用类型土壤总氮含量3.3 不同土地利用类型土壤水溶性有机碳矿化特征水溶性有机碳作为土壤有机碳库中最活跃的碳库，其变化更能反映土壤有机碳矿化动态。本研究中四种土地利用类型有机碳矿化特征均表现出，010cm层溶解性有机碳含量随着培养天数先减小再增大的现象。1025cm层溶解性有机碳含量随着培养次数先增大后减小。四种土地利用类型土壤的矿化特征，水杉林010cm层培养的前30天，WEOC有明显的下降趋势，随后培养过程中，变化趋向平稳。总的趋势是先减少后增加。水杉林1025层，总的来说变化都比较平稳，总体趋势是先增加后减少。农田010cm层，在第30天培养后，WEOC有明显的增加，第60天培养后又有显著下降，总体变化趋势是先增加后减少。农田1025cm层，培养过程中总体变化比较平稳，总体趋势是先增加后减少。香樟林010cm层，在第30天培养前，WEOC有明显的下降趋势，第30天培养后又显著增加了。总体趋势是先减少后增加。香樟林1025cm层，在第30天培养前，WEOC有明显的下降趋势，第30天培养后又显著增加了。总体趋势是先减少后增加，与其010cm层的变化类似。毛竹林010cm层在第30天培养前，WEOC有略微下降，在第30天培养后，有明显的增加。总体趋势先减少后增加。毛竹林1025cm层，在第30天培养后，WEOC增加很明显，总体趋势是先增加后减少。在0-10cm层中，农田的WEOC变化与其他三类土地不同。在1025cm层中香樟林的变化与其他三类土地不同。 图3 不同土地利用类型土壤培养150天水溶性有机碳含量的变化第四章 讨 论（1）围湖造田后形成的四种土地利用类型中，毛竹林土壤总有机碳含量最高，主要是由于毛竹的根系发达，土壤中存在许多脱落或腐烂的根系，能降解产生更多的有机质。土壤总有机碳含量在010 cm 层为毛竹林 水杉林 香樟林 农田；1025 cm层为毛竹林 农田 香樟林 水杉林。010 cm层土壤有机质主要来源与新鲜枯落物，三种森林土壤的总有机碳显著高于农田，一方面表明了来源于森林植被的枯落物比农田农作物残渣分解后产生的有机质更丰富，另一方面由于农田表层受人为干扰较大，刺激了微生物活性，使其有机物分解更快。而1025 cm农田有机质含量相对较大，则表明该土层受人为干扰较小。（2）土壤氮含量，毛竹林最高。在0 10 cm层土壤含氮量表现为，毛竹林 水杉 香樟林 农田；10 25 cm层土壤含氮量，毛竹林 农田 水杉 香樟林 。许多研究显示，土壤中的氮含量与微生物活性密切相关，因此，土壤氮含量与土壤有机质含量也存在一定的相关性。本研究中土壤氮含量分布特征与总有机碳含量分布特征相似，分析其原因与上述有机质含量分析原因相似。（3）土壤有机碳矿化产生的CO2与植物净初级生产力共同决定着陆地生态系统的碳源、碳汇功能。因此，研究土壤有机碳矿化对于探讨全球变化及其影响，具有十分重要的意义。本研究中围湖造田后的四种土地利用类型土壤在培养过程中，水溶性有机碳含量随培养时间均表现出先减少后增加的趋势。培养初期微生物活性较大，能够将土壤中大量的水溶性有机碳分解，使其含量急剧下降；在培养次数增加后，水溶性有机碳含量又表现出增加的趋势，且比以前更高，表明了微生物活性随培养时间逐渐降低，分解溶解性有机质的能力也逐渐降低；同时，在外来新鲜枯落物输入终止的情况下，微生物也可能利用土壤中一部分原本稳定的有机质，那么就会将一部分稳定有机质转变为溶解性有机质，便于利用。（4）围湖造田是中国处于农业发展的需要比较常见的一种人类干扰方式。通过围湖来增加土地，一方面促进了经济发展和社会进步，但另一方面大大缩减了湖泊面积，改变了湖泊的自然演变进程。湖泊生态系统被人为转变为陆地森林生态系统或农田生态系统后，其碳循环发生的变化，进而对区域乃至全球气候变化产生的影响。围湖造田后，土壤的理化性质和矿化特征都发生了很大的变化，在研究全球碳循环和全球气候变化时，应该对围湖造田对生态系统碳循环的影响给予充分考虑。致 谢本文是在阮宏华老师的悉心指导下下完成。在论文的选题、立项、方案的实施等方面，都给予了精心的指导，使我受益匪浅。论文的顺利完成还得益于师姐的热情帮助和大力支持，在此表示由衷的感谢。谨在此向所有关心、支持帮助过我的老师、同学们致以诚挚的谢意。参考文献1Wander M M,Traina S J,Stinner B R,et al.The effects of organic and conventional management on biologically active soil organic matter fraction.Soil Sci Aj J,1994,58:1 1301392 Haynes. 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