肖甸湖湿地农田转变为森林对土壤有机碳及土壤微生物量碳的影响.docx

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肖甸湖湿地农田转变为森林对土壤有机碳及土壤微生物量碳的影响

南京林业大学

本科毕业设计（论文）

肖甸湖湿地农田转变为森林

对土壤有机碳及土壤微生物量碳的影响

摘要

土壤碳库是陆地生态系统中贮量最大的部分，土壤碳库的变化受各种因素的影响，尤其是受土地利用变化的影响。

肖甸湖湿地在上个世纪经历了从围湖造田到植树造林的土地利用方式的变化。

本文从碳循环的角度出发，探讨了围湖造田后不同土地利用方式下土壤有机碳和土壤微生物量碳含量的变化，试图来分析湖泊底泥变为陆地土壤后是成为碳源还是碳汇的问题。

通过对肖甸湖森林公园内香樟林、毛竹林、水杉林、农田四种植被类型土壤有机碳、土壤微生物量碳及土壤微生物熵的测定，研究了肖甸湖湿地区域土地利用方式的改变对土壤有机碳及土壤微生物量碳的影响。

研究结果表明：

①不同植被类型土壤有机碳含量大小依次为：

毛竹＞香樟＞水杉＞农田；②不同植被类型土壤微生物量碳含量大小依次为：

农田＞水杉＞香樟＞毛竹；③不同植被类型土壤微生物熵大小依次为：

农田＞水杉＞香樟＞毛竹。

研究结果指示，在肖甸湖湿地区域农田转变为森林会促进土壤有机碳含量的提高，而农田转变为森林后土壤微生物量碳及土壤微生物熵降低，会进一步促进土壤有机碳的积累，在全球碳循环中起到碳汇的作用，进而会减缓全球变暖的趋势。

关键词土地利用土壤微生物量碳土壤围湖造田

TheimpactofLand-usechangefromCroplandtoForestonSoilOrganicCarbonandSoilMicrobialBiomassCarboninXiaodianLakeWetland

Abstract

Climatechangeanditsimpactonthehumanisoneofthelargestenvironmentalproblems,globalwarminginmanypartsoftheworld'shavealreadyhadasignificantimpactonnaturalecosystems,includingthecarboncycle,whichisakeycomponentoftheseissues.AndSoilcarbonpoolinterrestrialecosystemsisthelargestreservesofthesoil.Carbonpoolchangesareaffectedbyvariousfactors,especiallytheimpactofland-usechange.Inthispaper,throughexperimentsintheXiaodianLakeForestPark-likesetoffourcriteriacamphoraforest,Phyllostachyspubescens,Metasequoiaforestsandcropland,Istudiedthecontentofsoilorganiccarbonandsoilmicrobialbiomasscarbonandtheimpactofland-usechangefromcroplandtoforestonsoilorganiccarbonandsoilmicrobialbiomasscarboninXiaodianLakewetland.Ifindthatsoilorganiccarbonincreasewhensoilchangefromcroplandtoforest（Phyllostachyspubescens＞camphora＞Metasequoia＞cropland）andsoilmicrobialbiomasscarbondecreasewhensoilchangefromcroplandtoforest（cropland＞Metasequoia＞camphora＞Phyllostachyspubescens）.Italsoimplythatsoilmicrobialbiomassquotientdecreasewhensoilchangefromcroplandtoforest（cropland＞Metasequoia＞camphora＞Phyllostachyspubescens）.Inaword,whensoilchangefromcroplandtoforestsoilorganiccarbonincreasebutsoilmicrobialbiomasscarbondecrease.Fromtheresearch,itcanhaveaprofoundimpactonthecontentofsoilorganiccarbon.Thisisofgreatsignificancetostrengthentheagriculturalsoilcarbonsequestrationcapacityoforganicmatterforthestudy.Theyarealsoofgreatsignificancetoterrestrialecosystemsforsustainabledevelopmentandsustainableuseoflandresources,andthestudyofglobalclimatechange.

KeyWords:

landmanagement;soilmicrobialbiomasscarbon;soil；reclaiminglandfromlakes

目录

1.前言6

2.研究地概况与研究方法13

2.1研究地概况13

2.2研究方法14

2.2.1样品的采集14

2.2.2土壤基本理化性质的测定15

2.2.3土壤微生物量的测定15

3.研究结果与结论15

3.1农田转变为森林对土壤有机碳与含水量的影响15

3.2农田转变为森林对土壤微生物量碳的影响16

3.3农田转变为森林对土壤微生物熵的影响17

3.4农田转变为森林土壤微生物量碳的变异系数18

3.5农田转变为森林土壤有机碳的变异系数19

4.讨论与建议19

5.致谢22

参考文献23

1.前言

20世纪五六十年代严重的环境问题出现后，尽管世界各国采取了许多治理措施，但环境仍在不断恶化，而且，局部地区问题突破了区域和国家的疆界，演变成为全球性的问题。

气候变化问题已成为科学界、政治界和民众最为关注的全球环境问题之一。

科学家经过大量观测，认为温室效应是引起全球气候变化的一个重要原因。

他们认为，引起气候变化的主要温室气体有二氧化碳、氯氟烃、甲烷及氧化亚氮，而二氧化碳是造成温室效应的主要元凶。

科学家们还得出结论：

过去100年来地球表面温度已上升了0.3～0.6℃[1]。

全球气候变暖将给人类造成极为严重的环境问题。

观测表明，全球气候变暖对全球许多地区的自然生态系统已经产生了影响，如海平面升高，冰川退缩，冻土融化，河（湖）封冻期缩短，中、高纬生长季节延长，动植物分布范围向南、北极区和高海拔区延伸，某些动植物数量减少，一些植物开花期提前；与全球变暖关系密切的一些极端事件，如厄尔尼诺、干旱、洪水、热浪、雪崩和风暴、沙尘暴、森林火灾等，其发生频率和强度也有所增加。

预计到2100年，地球平均地表气温将比1990年上升1.4~5.8℃，全球平均海平面将比1990年上升0.09~0.88m。

一些极端事件（如高温天气、强降水、热带气旋、强风等）发生的频率会增加[2]。

气候变化及其影响是当前人类面临的一个最大的环境问题，其中碳循环又是这些问题的关键部分。

土壤碳库是陆地生态系统中贮量最大的部分。

土壤碳库大约有1550Pg有机碳和750Pg无机碳（0~1m土层），是大气碳库的3倍，生物碳库的3.8倍，成为地球表层最大的有机碳库，在全球碳循环中起着关键作用[3]。

土壤可以被看作是一种碳的源或汇，并且影响着大气中CO2的浓度[4]。

土壤有机碳是土壤质量的核心，也是营养元素生物地球化学循环的主要组成部分，其质量和数量影响着土壤的物理、化学和生物特征及其过程，影响和控制着植物初级生产量，是土壤质量评价和土地可持续利用管理中必须考虑的重要指标。

土壤有机质含量降低，引起土壤肥力、持水能力下降，侵蚀作用增强，同时导致温室气体排放量增加。

因此，深入认识不同环境条件下土壤有机碳动态变化及其控制过程，是实现土地资源可持续利用的重要基础。

大气CO2浓度已从工业革命前的280μmol·mol-1升高到现在的380μmol•mol–1，且仍以每年0.5%的速度递增。

据估计，到2050年前后，大气CO2浓度将在450～550μmol•mol-1之间。

大气CO2浓度的升高影响全球气候变化，并将对人类生存环境产生重大影响，引起了科学家的广泛关注和各国政府的高度重视。

大气CO2浓度升高将对植物及整个陆地生态系统产生巨大影响[5]，对土壤微生物的影响主要通过影响植物生长而间接影响土壤中的微生物[6]。

土壤微生物在生态系统功能方面起到了极其重要的作用：

如有机物的分解、营养物质的转化、土壤结构的保持、温室气体的产生等。

尽管土壤微生物在陆地生态系统元素循环中起基础作用，但是关于大气CO2浓度升高对土壤微生物在上述过程中的影响了解得还很少[7]。

大气CO2浓度升高对土壤微生物有很大影响。

土壤微生物是土壤中重要而又活跃的部分，是自然物质循环不可缺少的成员，担负着分解动植物残体的重要作用，直接关系到土壤养分的有效性，对植物生长起到重要的作用[8]。

由于土壤中CO2浓度几乎达到大气中的50倍，因而大气CO2浓度升高对根际微生物的影响很可能不是直接的。

然而，根系残茬如果随CO2浓度升高而增加，将有可能改变微生物群落结构及根际微生物活性[9]。

研究发现，细菌和真菌的数量随着农作物生长阶段的进程而逐渐增加。

这一变化可能是由于进入到土壤中的有机残体的分解和中间产物的分解随着温度的逐渐上升而增加，导致了土壤中微生物所利用基质的改善，因而使其数量增加。

在短时间FACE（FreeAirCO2Enrichment，开放式空气CO2浓度升高）条件下，CO2升高对细菌数量有一定的影响，对真菌数量影响不大[10]。

一些和植物生长密切相关的微生物生理类群，如解磷细菌、硝化细菌的数量也有所增加[11]。

而Ronn[12]发现CO2浓度升高土壤细菌数量（直接记数）没有变化，磷脂脂肪酸分析表明CO2浓度对微生物群落结构影响不大。

Runion[13]也发现，湿润土壤的根际真菌总数比干旱土壤更高，但是CO2浓度升高却没有影响。

从理论上讲，植株通过光合作用固定的同化物运送到地下后，再以根系分泌或死亡的形式输入到土壤中，为土壤微生物提供营养和能源，而这些物质的组成和总量可因CO2浓度的升高而发生变化，并影响到土壤细菌、真菌的数量而进一步影响到植物的养分状况。

而CO2浓度升高对土壤微生物的影响，是否受到土壤水分及养分等因素的影响还没有一致的结论目前，在FACE条件下对微生物区系影响的观察还都是短时间的一些结果，如果有条件应长期观测微生物区系的变化。

大气CO2浓度升高对土壤微生物生物量也有影响。

土壤微生物生物量是指土壤中体积小于5μm3～10μm3活的微生物总量，是土壤有机质中最活跃的和最易变化的部分。

CO2倍增通过促进植物的生长而间接的影响土壤微生物生物量C和N及C/N。

FACE条件对农作物土壤的C、N有显著的正效应，特别是影响表层土。

CO2浓度升高，植物根际和非根际土壤的微生物生物量碳的增加。

CO2浓度升高微生物氮的增加。

CO2浓度升高，5～15cm深度的土壤微生物生物量C、N显著增加。

正常生长条件下微生物生物量的C/N为10~3，土壤中有效氮越丰富则C/N越低，C/N与土壤有机质质量相关[14]。

CO2倍增使普通小麦的微生物量碳显著低于对照，普通小麦的氮与对照相比略有升高但无显著差异，土壤C/N均显著低于对照。

但土壤C、N及C/N在物种间有很大差异，可能与物种本身的特性有关，也可能与取土样时植物的生长时期有关。

CO2倍增使普通小麦植物的土壤C/N下降，说明CO2倍增有利于C3植物所在土壤有机质质量的提高[15]。

CO2浓度升高对微生物生物量的影响还依赖于土壤含水量。

干旱条件下，CO2浓度升高明显增加微生物生物量C、N。

湿润条件下，CO2浓度升高不影响微生物生物量C、N。

CO2浓度升高条件下，外加N能增加微生物C、N。

也有少数研究发现，施肥使N增加了17%，但没有受CO2浓度升高的影响。

微生物C既没有受CO2浓度升高影响，也没有受施肥影响[16]。

目前，CO2浓度升高对土壤微生物生物量的影响可大体归纳为：

土壤水分状况不同，影响不同；主要与土壤本身养分状态有关；与农作物品种有很大关系。

大气CO2浓度升高对土壤土壤动物的影响。

在陆地生态系统中，土壤动物是分解者食物网（或称腐屑食物网）的重要组成部分，并且是分解作用、养分矿化作用等生态过程的主要调节者。

一般来说，土壤动物活动对生态系统过程产生最终的影响提高了有机质的分解速率和养分的周转量[17]。

国外许多研究表明，土壤动物对全球变化，尤其是大气CO2浓度升高能够产生正向、中性和负向的影响[18]。

FACE条件下，在0～5cm深度水稻田中食细菌线虫数量更高，而杂食、捕食类线虫数量则更低；在5～10cm深度中线虫总数、食细菌线虫数量更高。

Yeates等研究发现，随着大气中CO2浓度的增加，土壤线虫丰富度和多样性有所降低，而食细菌线虫的优势度和比例有所增加。

Ronn等发现，CO2浓度升高食细菌原生动物显著增加。

Runion等报道，干旱处理棉田中食腐性线虫数量随着大气CO2浓度升高而增加（P<0.1），而湿润处理棉田中其数量不受大气CO2浓度升高的影响；食腐性线虫数量的变化说明CO2与土壤水分对C周转量存在着相互作用的关系。

而Treonis等[19]研究表明，原生动物总数在大气CO2浓度升高条件下没有发生显著性变化，而变形虫种群数量显著下降。

因此，CO2浓度升高对土壤动物的影响与多种因素有关，需要长期研究。

土地利用方式对土壤有机碳动态的影响正在成为国内外研究的热点问题。

土地利用和管理方式对土壤碳库的影响是土地利用方式影响土壤的功能和性质，主要是通过影响土壤的有机质含量和土壤结构稳定性[20]。

土地从自然植被向农田转变初期的5~7a，土壤有机质损失速率较快；15~20a后，有机碳损失曲线趋于平缓，并可能在20~50a内达到一个新的平衡水平[21]。

但是这一平衡水平通常低于自然状态[22]。

土壤碳库的变化受各种因素的影响，尤其是受土地利用变化的影响。

在过去的200a里，随着全球农业用地面积的不断增加，土壤有机碳贮量不断减少，而进入大气中的碳不断增加，使得农业土壤成为大气CO2源，极大地影响到大气中CO2的浓度[23]和全球碳平衡[24]。

农业耕作使土壤有机碳造成损失主要归咎于3个过程[25]：

第一：

氧化或矿化。

农业活动改变了土壤团聚体的结构，提高了土壤温度[26]，影响了有机质的物理定性[27]，加速了有机质的分解；同时有机质输入减少，改变了土壤有机碳输入和各部分有机碳库矿化之间的净平衡，更加剧了有机碳的损失。

第二：

溶解态有机碳或颗粒态有机碳的淋洗或转移。

溶解态土壤有机碳在全碳中占很小一部分[28]，但是它的碳含量高，周转时间短，它的淋洗或转移对生态系统过程和养分平衡有重要影响[29]。

第三：

水蚀或风蚀。

土壤侵蚀在土壤有机碳动态中有重要作用[30]。

自然生态系统转变为农田多数是增加了侵蚀数量[31]，使土壤有机碳损失加剧。

不合理的土地利用引起的土壤有机质损失为16%~77%，平均为29%[32]。

研究[33]表明，管理方式能增加或降低土壤碳的数量，并改变微生物多样性。

Lal指出大约60%~70%的已经损耗的碳可通过采取合理的农业管理方式和退化土壤弃耕恢复而重新固定。

这些方法包括土壤弃耕恢复、免耕、合理选择作物轮作、冬季用作物秸秆覆盖、减少夏季耕作、利用生物固氮等。

一般认为，农业耕作活动停止后，土壤有机质增加[34]，这种增加与初级演替的积累一样[35]。

大面积农业用地弃耕，已经成为一个潜在的重要碳汇[36]。

免耕农业和草原植物的恢复等土地管理方式，有助于恢复土壤肥力，补充由于农业耕作而损，为固定大气碳提供了一种可能的途径。

最近的研究表明，从1950年以来施肥量增加，减少耕作和免耕[37]已经使威斯康辛州南部生产玉米作物的农田成为碳汇，这主要是因为收获后的残留物大量返回土壤的原因[38]。

许多农业用地在经过从森林向农业用地转变而引起土壤碳明显损耗后，现在可以从大气中固持碳[39]，这可能是产生“未知汇”的一个原因。

耕作历史是土壤系统恢复的重要影响因素，对同种类型土壤而言，耕作时间越长，恢复系统主要的生态功能所需的时间越长。

农田弃耕后，土壤质量的演化方向主要取决于当地的气候条件。

较好的气候条件能使植物的生产力增加，土壤有机质的输入量增大，从而使土壤结构不断改善，持水能力和入渗系数增大，物种多样性指数及丰度逐年增高，最终减少土壤的侵蚀作用[40]。

但如果气候条件恶劣，植被分布稀疏，土壤侵蚀作用活跃，弃耕地土壤退化必然会发生，即弃耕地土壤质量向变差的方向发展。

当前，对土壤碳库的动态过程和影响因素的认识仍有许多不清楚的地方，主要表现在土地利用变化对土壤有机碳影响的机理方面[41]，需要深入研究。

这对实现土地的可持续利用有重要意义。

由于土壤有机碳在养分状态、田间持水量和土壤结构等多方面的有利影响，保持土壤有机碳的含量对于长期土地利用是很有意义的。

但是，普遍高的碳含量背景值或土壤自然差异，使在短期内监测土壤有机碳的渐变过程显得很困难。

为了有效地监测不同土地利用和管理方式下有机碳的变化，必须选用一些敏感指标。

这方面的指标主要有：

微生物量碳（microbialbiomasscarbon），微生物商（themicrobialquotient），CO2通量和qCO2（metabolicquotient），轻组有机质（lightfractionorganicmatter）和颗粒态有机质（particulateorganicmatter），溶解态有机碳（dissolvedorganiccarbon）。

土壤有机碳的动态是当前气候变化研究中的热点问题[42]，其中土地利用变化对土壤有机碳动态的影响是一个关键[43]。

土地利用的改变是仅次于化石燃烧而使大气中CO2浓度急剧增加的最主要人为活动，其变化不仅直接影响土壤有机碳的含量和分布，还通过影响与土壤有机碳形成和转化有关的因子，而间接影响土壤有机碳[44]。

据估计，1850～1998年，已有（136±55）×109t碳通过土地利用变化从陆地生态系统（包括土壤和植被）排放到大气，占目前大气已增加CO2数量的33%[45]。

微生物生物量碳是其重要的组成部分。

作为土壤活性碳的一部分，虽然只占土壤总有机碳的较小部分1%～4%，但它既可以在土壤全碳变化之间反映土壤微小的变化，又直接参与了土壤生物化学转化过程，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。

微生物生物量碳特别是森林土壤微生物生物量碳日益引起人们的重视。

土壤微生物量碳含量虽然较少，但与土壤有机碳相比，土壤微生物量碳对土壤条件变化非常敏感，周转率更大，周转时间更短，所以微生物量碳比土壤有机碳变化更快，能在检测到土壤总碳量变化之前反映土壤有机质的变化。

因此，分析微生物量碳对研究土壤碳素循环、土壤碳库平衡、土壤化学、生物化学特性具有重要意义[46]。

通常情况下，土壤微生物生物量（SMB）分为微生物生物量碳（SMBC）、微生物生物量氮（SMBN）、微生物生物量磷（SMBP）和微生物生物量硫（SMBS）等，一般用微生物生物量碳来表示。

目前研究发现,土壤微生物生物量碳受到许多因素的影响，如：

碳氮限制、不同树种、土地利用方式、管理措施、土壤湿度和温度、土壤质地等。

碳氮限制大量研究表明，土壤微生物生物量碳与土壤有机碳和全氮之间密切相关[47]。

微生物大多数是异养型的，新鲜而易分解的生物有机质的含量往往是决定它们分布和活性的主要因素。

Follett研究发现，微生物进行周期性的生长，年输入的有机碳大多用于维持微生物的活动。

当有机碳输入受限制时，微生物生物量将利用土壤中现存的活性有机碳直至耗尽为止，随后微生物生物量开始下降[48]。

有学者认为土壤添加了葡萄糖或蔗糖等易分解碳源，则会使微生物的快速繁殖且活性增强，这表明微生物量的大小受到碳有效性的限制[49]。

Kuikman报道，当土壤中的矿化氮增加时，微生物群落就开始分解具有较高碳氮比的基质，这表明较高碳氮比的基质的分解率受到氮有效性的限制[50]。

Jonasson证明了北极土壤中无机碳的增加会刺激微生物的活性[51]。

有机质的C/N比也能影响土壤的微生物生物量碳，有机质的C/N比低的土壤其单位重量有机质所含的微生物生物量碳高于有机质C/N比高的土壤，说明有机质的品质对土壤微生物量的影响[52]。

为评价不同生态系统中土壤C和N在限制土壤微生物生物量方面的重要性，Wardle对22种文献中的相关数据进行了分析，结果发现微生物生物量碳与底物的碳、氮成显著正相关，而且微生物生物量碳与底物氮的相关性比与底物碳的相关性来得强，表明大部分生态系统中，土壤氮主要影响微生物生物量碳的大小[53]。

20世纪70年代以来，随着土壤微生物生物量碳测定方法的不断改进和简化该领域的研究取得了重大进展。

然而，随着近20年来，微生物生物量碳测定方法的不断改进，尤其是氯仿熏蒸培养法和PLFA法，使得土壤微生物生物量碳测定更加接近实际值。

鉴于微生物生物量碳在全球碳循环中的重要作用，目前，国内外有关土壤微生物生物量碳的研究较多。

植被类型对土壤微生物生物量碳的影响。

不同的植被类型因其地上部分生物量的差异使输入到土壤中的有机碳量明显不同,植被的种类不同其枯落物的质量也不同，以上两个方面均会影响土壤微生物的活动。

从不同植被对土壤微生物生物量碳影响结果来看,呈现出的一般规律为:

植被覆盖地>裸地，阔叶树种>针叶树种，天然林>人工林[54]。

Wang调查了裸地、竹林、杉木林、柑桔林和水稻田5种不同植被覆盖地土壤微生物生物量碳，结果表明裸地含量最低。

朱志建[55]等比较了亚热带4种最主要的森林植被下土壤微生物量碳含量，从平均值来看，常绿阔叶林最高，为0.338g/kg，杉木林最低，为0.260g/kg。

再则，Wang在中国科学院森林生态实验地研究发现，与次生阔叶天然林相比，一代、二代杉木人工林的微生物生物量碳分别减少了47%和54%。

这主要是由于天然林的根系统较庞大，且具有保护性的树冠,使得其与人工林相比，土壤比重更低，养分水平（尤其是N）更高，而这种土壤环境更有利于微生物活动，固定更多的碳[56]。

土地利用方式不仅会使得土壤有机质发生变化，在一定程度上也会引起微生物量的波动[57]。

多数研究表明，在相似的环境或土壤条件下,土地利用方式的不同对土壤微生物量碳有相当大的影响[58]。

例如:

Jenkinson和Powlson对林地、草地、耕地表层土壤微