岩溶环境下土壤活性有机碳和土壤呼吸动态变化及影响因子

论文摘要

由于大气CO2浓度不断升高,碳循环研究成为全球关注的热点,而土壤碳库在全球碳循环中起着至关重要的作用,其变化直接影响全球的碳平衡。占全球陆地面积12%、占中国国土面积1/3的碳酸盐岩分布区,是地球表层系统的重要组成部分。它不仅赋存了全球碳的99.55%,是全球最大的碳库,而且现代岩溶作用使其积极参予了全球碳循环。土壤活性有机碳指在一定的时空下,受植物、微生物影响强烈、具有一定溶解性、在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、分解、易矿化,并对植物和土壤微生物活性较高的那部分碳,常可用溶解性有机碳和微生物量碳等来进行表征。土壤活性有机碳直接参与了土壤生物化学转化过程,虽然只占土壤全碳的较小部分,但它们可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变化。由于土壤活性有机碳中很大一部分表现出酸性和螯合性,从而加速土壤环境中碳酸盐岩的溶蚀。所以土壤活性有机碳对岩石圈的活化,尤其对岩溶动力系统有重要作用。再者,土壤有机碳库通过土壤呼吸释放CO2到大气中,这使得土壤呼吸排碳表现为该系统中主要的碳流通途径。因此,在揭示岩溶生态系统土壤碳循环规律和机理研究中,土壤活性有机碳和土壤呼吸作用的研究意义重大。本研究以桂林毛村和思赖两种不同岩性的林下土壤为研究对象,通过对同一气候带内岩溶区和非岩溶区的比较,从土壤碳迁移和转化的角度,长达两年野外动态监测,结合室内实验和碳同位素等技术方法,对岩溶区和非岩溶林下土壤活性有机碳和土壤呼吸进行时间尺度上的动态变化对比研究,初步取得出如下研究结果。研究结果:1、岩溶区石山土壤由于土壤pH偏碱、土壤中的钙镁、其他营养元素含量较高和有机质中的胡敏酸含量较高等一系列生物化学反应原因,使得岩溶区土壤中DOC含量远远低于非岩溶区土山的含量。其中,0-20cm层位上,非岩溶区平均DOC含量为岩溶区的7.62倍,20-50cm层位上,非岩溶区为岩溶区的6.30倍。另外,两者DOC含量在空间分布上都随土壤深度增加而降低,但非岩溶区土壤上下层差异更明显。两者DOC含量季节分异明显,秋季最高。2、岩溶区表层（0-20cm）土壤MBC含量（平均值为716.75mg.kg-1）明显高于非岩溶区（平均值为573.66mg.kg-1）,这可能是由于岩溶区土壤中有机质和营养元素更丰富等原因,更利于土壤微生物活动。在空间尺度上两者MBC含量都随土壤深度增加而降低。另外,两者MBC含量季节分异规律并不十分明显。3、岩溶区与非岩溶土壤活性有机碳月动态变化基本一致,大致可分为4个阶段:（1）9-11月,气温较高,降雨量少,凋落物增多,但土壤水分成为土壤微生物活性的限制因子,降雨事件成为MBC含量突增的主要因子,故MBC含量波动范围较大,DOC含量处于全年最高水平;（2）12-1月,气温全年最低,微生物活性降低,故MBC和DOC含量均处于全年较低水平,并出现最低值;（3）2-4月,气温回升,降雨增加,微生物活性极大提高,故MBC和DOC含量迅速增加;（4）5-8月,高温多雨,土壤微生物周转速率提高,微生物分解有机质消耗大量DOC,其活性土壤微生物量碳蓄存量降低,故其MBC含量处于较低水平,同时DOC在此期间随降水淋失一部分,故DOC含量也处于较低水平。4、本研究中,两者土壤DOC含量与土壤温度呈正相关关系,两者土壤MBC含量与土壤温度呈较弱负相关关系;两者土壤DOC含量与土壤含水量均呈负相关,其中,非岩溶区达极显著水平（r=-0.448**,sig.<0.01）;岩溶区土壤DOC含量与土壤pH呈显著负相关,而非岩溶区其相关性很弱;两者土壤中的MBC含量与土壤pH值具有很弱负相关性;岩溶区土壤DOC含量与泉水HCO3-成显著正相关,与试片溶蚀率成负相关,其他各指标与泉水HCO3-相关性均不明显,但岩溶区土壤MBC含量与泉水HCO3-的相关性较非岩溶区好。5、岩溶区土壤其呼吸速率（平均为118.81 mgC.m-2.h-1）明显小于非岩溶区（平均为156.99 mgC.m-2.h-1）。两者土壤呼吸季节变化规律明显:夏季土壤呼吸速率最大,其次是春季,再次是秋季,冬季最小,夏季约为冬季的2.66-4.81倍。6、土壤呼吸速率与土壤温度的最佳拟合函数为指数函数模型,其拟合方程分别为:岩溶区y=189.45e0.084T （p<0.01）和非岩溶区y=200.82e0.059T （p<0.01）,其Q10值分别为2.33和1.82,这说明岩溶区土壤呼吸作用对环境变化的相应更敏感。另外,土壤呼吸释放的CO2的δ13C值显示岩溶区偏重,且两者月动态变化出现高温与轻碳或低温与重碳缺失的相对应关系。7、岩溶区土壤CO2浓度剖面分布具有明显的斜“N”型波形,非岩溶区土壤CO2浓度剖面分布有随土深增加而增加的趋势。另外,岩溶区土壤CO2浓度历月最大值或次高值出现的深度有一定规律,即冬春季主要出现在剖面下层部位,而夏秋季其有向表层偏移的趋势。由于特殊的岩溶环境,岩溶区土壤中CO2浓度明显小于非岩溶区,后者约为前者的1.65-7.54倍。研究结论:1、岩溶区土壤中DOC含量远远低于非岩溶区;2、岩溶区土壤中MBC含量有明显高于非岩溶区的趋势;3、岩溶区土壤呼吸作用明显小于非岩溶区,两者与温度的拟合结果表明岩溶区土壤呼吸速率对温度变化的响应更敏感;4、岩溶区土壤空气CO2浓度远远小于非岩溶区。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景、意义与目的
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.1.3 研究目的
• 1.2 土壤活性有机碳研究进展
• 1.2.1 土壤溶解性有机碳
• 1.2.2 土壤微生物生物量碳
• 2研究进展'>1.3 土壤呼吸和土壤空气 CO₂研究进展
• 1.3.1 土壤呼吸的研究进展
• 2研究进展'>1.3.2 土壤空气CO₂研究进展
• 第二章 研究区概况
• 2.1 自然概况
• 2.2 地层及地质构造
• 2.3 土壤及植被特征
• 第三章 研究内容和方法
• 3.1 研究内容
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 样品采集和处理
• 3.2.2 样品分析方法
• 第四章 岩溶环境下土壤活性有机碳变化规律及其影响因素
• 4.1 土壤活性有机碳的动态变化规律
• 4.1.1 土壤有机碳的动态变化与剖面分布规律
• 4.1.2 土壤溶解性有机碳动态变化与剖面分布规律
• 4.1.3 土壤微生物量碳的动态变化与剖面分布规律
• 4.2 土壤活性有机碳的影响因素
• 4.2.1 土壤活性有机碳月动态变化与水热因子的关系
• 4.2.2 土壤活性有机碳动态变化与土壤pH 值的关系
• 4.2.3 土壤活性有机碳与泉水排碳的关系
• 4.2.4 土壤活性有机碳剖面分布与土壤因子的关系
• 4.3 土壤有机碳和植物碳同位素
• 4.4 土壤活性有机碳之间相互关系
• 第五章 岩溶环境下土壤呼吸变化规律
• 5.1 土壤呼吸动态变化及其影响因素
• 5.1.1 土壤呼吸动态变化规律
• 5.1.2 土壤呼吸速率与水热因子的关系
• 5.1.3 土壤呼吸与土壤活性有机碳的关系
• 5.1.4 土壤呼吸碳同位素的动态变化
• 2动态变化'>5.2 土壤CO₂动态变化
• 2动态变化规律'>5.2.1 土壤 CO₂动态变化规律
• 2与土壤活性有机碳的关系'>5.2.2 土壤 CO₂与土壤活性有机碳的关系
• 3^-、溶蚀率、土壤 CO₂与气象的关系'>5.2.3 岩溶表层泉水 HCO₃^-、溶蚀率、土壤 CO₂与气象的关系
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究特点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢