不同种植年限人工苜蓿草地土壤氮储量及氧化亚氮排放通量研究

【摘要】本论文在2012年4月～10月之间,选择宁夏贺兰山东麓5个具有典型代表性的不同种植年限的人工苜蓿草地作为实验研究对象,各人工苜蓿草地的种植年限分别为1年、3年、4年、5年和8年。通过分层采集不同种植年限苜蓿草地在生长期0～100cm的土层土壤,分析了不同种植年限样地0～100cm的土壤氮储量及垂直分布特征。同时,对不同种植年限样地的土壤-植被系统和土壤系统N2O通量的产生与排放运用静态箱-气象色谱法来进行测定,从而阐述不同种植年限苜蓿草地的N2O排放通量的季节变化规律以及N2O排放通量与主要影响因素之间的关系。所得实验研究结果如下：(1)随着苜蓿草地种植年限的增加,土壤氮含量及其氮密度显著提高,总体表现为：4年>3年>5年>1年>8年,且两者在不同种植年限间均呈显著性差异(P<0.05)。各样地土壤剖面土壤氮含量及其氮密度主要集中在0～0cm的土层深度内,各年限土壤全氮含量占总剖面的63.76%-67.11%,土壤氮密度占总密度的65.36%～68.05%,呈现表层集聚的特征。(2)各年限土壤氮含量及其氮密度,均是在生长季末较生长季初有所增加,但随着种植年限的增长,固氮水平下降。种植1-8年的土壤全氮含量变化率为52.37%、30.57%、24.66%、0.15%、-21.60%,这说明到种植苜蓿草地5年时,苜蓿的固氮能力开始衰退,而随着种植年限继续增加,将消耗土壤中储存的氮。(3)生长季内不同种植年限苜蓿草地0～20cm土壤NO3-N含量和NH4-N含量随着土层的加深而逐渐降低。土壤硝态氮和铵态氮含量分别占土壤全氮含量的0.86%～1.14%和0.44%～1.03%,且硝态氮含量的变化与温室气体N2O排放变化规律相关,土壤硝态氮是土壤氮组分中影响N20通量的主要组分。(4)不同种植年限苜蓿草地土壤-植被系统与土壤系统的N2O排放通量的变化趋势基本相同,总体体现为1年<8年<3年<5年<4年,呈现出“春季夏季而高秋季低”的季节变化特征,呈现明显的季节变化动态,土壤-植被系统N2O排放的季节变化动态规律与植物地上部分生物量的季节动态有一定同步性,同时,不同种植年限苜蓿草地在生长季内总体上呈现氮源的特点。。(5)各种植年限土壤-植被系统N2O排放通量的平均值在0.031-0.050mg·m-2·h-1,土壤系统的N2O排放通量平均值在0.022-0.048mg·m-2·h-1,说明植物本身对N2O通量排放有贡献。在苜蓿种植3年-8年后,土壤-植被系统N20排放通量比种植1年增加了36.08%-58.89%,土壤系统N2O排放通量比1年增加了13.88%-114.35%,说明土壤-植被系统相比土壤系统更加稳定,由于植物的种植减弱了外界因素对草地生态系统的影响,减小了温室气体的排放通量波动,而且土壤氮组分随着苜蓿的生长过程也发生了一定的变化。(6)生长季内各种植年限土壤-植被系统和土壤系统均出现两个N2O排放高峰,一是由于在5月份返青期到来,气温回升,土壤的冻融消退,土壤水分激增,N2O排放量增多；二是因为8月中旬时,太阳直射增强,使得土壤温度上升,促进了N2O排放通量的增加,另外植物的旺盛生长也有一定影响。N2O在9月底时的负排放,是由于气温及土壤温度下降,土壤水分降低造成的干燥环境,以及地上生物量停止生长和苜蓿的固氮特性等因素综合影响的结果。(7)N2O排放通量在0.01水平上与NO3-N呈极显著正相关性,在0.05水平上与NH4-N呈显著正相关性,而与其他土壤组分无显著相关性,这说明种植人工苜蓿草地后土壤表层的硝态氮和铵态氮含量的变化是影响N2O排放的主要因素。(8)在季节尺度上,N2O排放通量在0.01水平上与土壤温度呈极显著正相关,相关系数为0.444,N2O排放通量随着土壤温度的升高而增多。N2O排放通量与0～10cm土壤水分含量在0.05水平上呈显著正相关关系,当水分含量达到45%左右时,N2O的排放波峰滞后出现,因此影响土壤-植被系统N2O通量产生与排放的主要环境因子是土壤温度和土壤水分含量。(9)地上生物量与N2O排放通量在0.05水平上呈显著正相关关系,相关系数为0.912,R2=0.799,同时,土壤-植被系统的N2O排放通量要明显高于土壤系统的N20排放通量,且植被的N2O排放量约占N2O排放总量的4%,这说明地上生物量对N20通量的排放具有一定影响,但其排放量占总排放量比例较小,是N2O排放的氮源之一。综上所述,可以得出以下结论：随着苜蓿草地种植年限的增加,土壤氮储量显著提高,土壤全氮、土壤硝态氮和土壤铵态氮均表现出氮固存效应,具有一定的氮固存潜力,且三者均表现出表层聚集的特征。生长季内不同种植年限苜蓿草地土壤-植被系统与土壤系统的N2O排放规律基本相同,总体体现为1年<8年<3年<5年<4年,呈现出“春季夏季高而秋季低”的季节变化特征,总体上表现为氮源。苜蓿草地N20的排放受土壤理化性状及生物环境等多种因素的共同影响。
【作者】杨菁；
【导师】谢应忠；
【作者基本信息】宁夏大学，生态学，2014，硕士
【关键词】土壤氮储量；氧化亚氮通量；苜蓿地；种植年限；

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