环境和人为因素对土壤呼吸影响的研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 环境和人为因素对土壤呼吸影响的 研究 【摘 要】土壤呼吸是研究地下 有机质与环境间相互作用，释放 CO2 的过程。土壤呼吸是生态系统碳循环的 重要组成部分，作为碳循环最活跃的部 分，土壤呼吸在调控地球系统中的大气 CO2 浓度和气候动态方面起着关键作用， 对全球的碳素循环有着重要意义。本文 综述了影响土壤呼吸的自然和人为因素， 并基于当前土壤呼吸的研究现状讨论了 土壤呼吸各组分的区分方法，土壤呼吸 测定方法研究存在的问题，探讨了解决 问题的方向，并总结了土壤呼吸进一步 的研究发展方向。 中国论文网 /1/view-13039694.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 【关键词】土壤呼吸；自然因素； 人为因素 一、引言 土壤作为地球上除了海洋之外最 大的物质形态的存在物，为种植农作物 提供了基本的生产条件，土壤中物质种 类多样，土壤中的环境更是极其复杂， 土壤中存在着大量的有机质，这些有机 质氧化分解释放的二氧化碳与大气中的 气体时时刻刻存在着物质交换，影响着 全球的碳素循环。从 18 世纪英国工业 革命以来，人类开始大规模的使用煤， 石油等化石能源，很大程度上为我们的 生活提供了便利，深刻的影响改变了整 个社会。但不可否认的是，在人类前进 的征程中也出现了许许多多的问题，环 境问题就是其中最突出的，当前社会， 雾霾天气频繁，水土流失严重，环境污 染恶化，对人类的生活造成了很大的威 胁。研究全球气候变暖，碳素循环也就 显得那么重要。长期以来人们对于碳素 循环的研究主要是基于地上部分，主要 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 研究绿色植物的光合呼吸，而对土壤这 方面的研究却很少，土壤作为地球上最 大的碳库源，时时刻刻在改变着全球的 碳素循环，影响着全球的气候变化。研 究土壤呼吸，还可以为改良土壤，增加 土地肥力，增进农作物的生物量生长， 促进粮食增产提供一个重要的科学指导。 从根本上说，土壤呼吸是一个发 生在动植物细胞中的生物化学过程。其 中包括底物供应，温度，湿度，C/N 比 等自然环境因素和施肥，放牧等人为影 响因素，从不同方面来认识影响土壤呼 吸的主要因子，并综合分析它们对于土 壤存在的意义。 二、环境因素对土壤呼吸的影响 1、土壤呼吸底物 呼吸作用所释放的 CO2 是在分 解含碳的有机物时产生的。根呼吸利用 的是细胞间和细胞内的糖类，蛋白质， 脂肪及其他基质。土壤微生物所能利用 的所有种类的底物，有简单的糖类，腐 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 殖酸。由于底物性质的异质性和底物来 源的多样性，使得底物和呼吸作用之间 很难找到一个简单的关系来建立模型。 最新的实验结果证明了来自冠层光合作 用的底物对土壤呼吸有很强的控制作用， 试验中，对树木进行环割以切断地上光 合作用的对根的碳供应，证明环割处理 降低了后土壤呼吸速率下降。 其他研究也证明土壤呼吸与地上 部分关系密切。根的呼吸随地上的食草 行为，光及其他控制植物的因子的获取 而变化。另一方面，地下环境强烈的影 响根呼吸和地上光合作用合成的糖类数 量。凋落物为土壤增加了大量的有机质， 所以土壤呼吸通常也随着凋落物数量的 增加而增加。在每一次试验中，即使土 壤样品来自同一地点，底物的可利用性 也随着环境如干燥和冰冻而发生变化， 从而影响土壤呼吸。在全球的尺度上， 土壤的呼吸速率与不同植被区系的净初 级生产能力呈正相关。 2、土壤质地 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 根据土壤所含砂，粉砂和黏土的 百分比，可将土壤质地分成 12 种类型。 土壤质地的孔隙度影响土壤的水分运动 和气体扩散，最终确定土壤肥力。在美 国的一个人工管理的松树混交林中试验 中，砂土地点在温暖，干燥时期受到土 壤呼吸的抑制，而土壤质地更细的黏土 由于缓慢释放水分，因此黏土地点可以 缓冲土壤湿度对土壤呼吸的影响。土壤 质地影响植物生根从而影响土壤呼吸， 质地粗的土壤土壤肥力较质地细的土壤 低，较粗的不饱和水传导率更低。此外 根的凋落物对土壤质地比较敏感，在黏 土中比在沙土中的分解速率更快。土壤 质地不同，谁的渗透性和气体扩散速率 变化很大，研究指出，土壤质地除了调 控微生物生物量外，还控制着土壤中微 生物的群落组成，反硝化作用和氮的矿 化作用。高粱根际中的真菌，放线菌， 好痒细菌和亚硝酸氧化的含量在黏土和 淤积土中显著不同。 3、土壤温度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 温度科学家研究土壤呼吸目前研 究的最多的影响因子，温度几乎影响土 壤呼吸的各个方面，在生物化学水平上， 呼吸系统包括用酶驱动糖酵解，三羧酸 循环和电子传递链，生物化学和生理学 研究证明了一个普遍的温度响应曲线。 温度是酶的限制因子，通过对酶的控制 影响植物根系，土壤微生物，土壤动物 的有氧呼吸过程，在生物界，植物的生 长发育离不开温度，植物进行有氧呼吸 合成供自身需要的氨基酸，葡萄糖等小 分子物质，消耗氧气，释放 CO2。一般 情况下，土壤呼吸温度随着温度的升高 而变得增强，但是当温度高于一定值以 后，继续升温的话，土壤的呼吸不但不 上升反倒出现了下降的现象。这主要是 因为在高温下，蛋白质会变性失活，而 酶的主要成分就是蛋白质，所以间接的 影响了土壤中植物根系，土壤微生物， 土壤动物的呼吸作用。 4、土壤湿度 除了温度外，湿度影响土壤呼吸 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 最大的因子，尤其是在干旱半干旱的内 陆地区更假明显，土壤呼吸随着土壤湿 度的增加而明显的增加。科学家发现土 壤呼吸在干燥条件下较低，在中等土壤 湿度下土壤呼吸强度达到顶峰，当土壤 含水量很高时，土壤中的艳厌氧型细菌 占据优势，抑制了好氧型细菌的土壤呼 吸，在一个很宽的范围内，土壤湿度过 高或者过低都会造成土壤呼吸的急剧下 降，土壤湿度积聚了大量的水分，影响 土壤呼吸的底物的性质和浓度，和氧气 的扩散。水分胁迫通常影响土壤微生物 的生物合成和能量合成，底物呼吸速率， 在极端干旱条件下，土壤微生物会发生 休眠活性成孢子，在含水量低时，土壤 微生物像休眠那样只维持基本代谢。而 在极端积水的情况下，主要通过影响底 物呼吸和气体扩散。干燥条件下，影响 土壤呼吸的主要是底物的供应，在潮湿 的条件下，气体扩散则是土壤呼吸最大 的限制因子。一般情况下，土壤呼吸随 着土壤湿度的增大而增大，这主要是因 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 为土壤湿度活化了土壤中的土壤微生物， 但最新的研究l 现，土壤湿度也许会 降低土壤呼吸强度，因为土壤湿度降低 了土壤中的温度，从而降低了土壤的呼 吸强度。 三、人为因素对土壤 呼吸的影响 1、氮沉降和施肥 一般情况下，土壤呼吸随着增施 氮肥而显著增加。施氮肥能促进土壤呼 吸是因为施肥样方中细根生物量增加。 然而最新的研究发现，施肥也许会降低 土壤呼吸在英国欧洲赤松林进行的一个 长期施肥（17 年）试验中，施肥土壤使 土壤呼吸降低了 30%-40%。在瑞典的大 麦田里，施肥和不施肥的土壤呼吸速率 相似。在佛罗里达州的一个湿地松人工 林和北卡罗来纳州的火炬松人工林中施 肥对 CO2 的通量没有影响。添加氮能 促进凋落物和土壤有机质中纤维素或其 他更容易分解的化合物的分解。施氮肥 对土壤呼吸的影响随地点，土壤类型和 植被覆盖度的不同而不同。由于植被会 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 对新的营养状况产生适应，因此，施肥 对土壤呼吸的短期和长期效应不同。总 之，我们对于土壤呼吸对施肥的响应调 控机制理解的还远远不够。 2、农业耕作 耕作破环了土壤团聚体，使吸附 在土壤团聚体的稳定有机质暴露出来， 能够被微生物的活动所利用，耕作通常 会破坏土壤团聚体，改变土壤的透气性 和水分条件。因此，在短期内的耕作的 干扰一般会促进土壤呼吸。例入在泰国， 将森林砍伐并焚烧后刚种植农作物的样 地比未砍伐的森林样地释放更多的 CO2，在密苏里州小麦田的土壤 CO2 通 量要高于土著的草地植被的土壤 CO2 通量。土壤中有机质的损失意味着土壤 呼吸的底物随着时间而被耗尽。因此， 长期耕作会导致土壤呼吸下降。 另外，耕作时常常要收获生物量。 土著植被转变为农田后，向土壤中输入 的植物凋落物p 少了，使得土壤中存 储的碳逐渐的被耗尽。当耕作与其他活 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 动结合时对土壤呼吸的影响方式可能就 不同了。向土壤中或土壤表面增加秸秆 会大大的增加土壤呼吸。土壤呼吸在浇 水前经历了一个干湿循环，即含水量从 田间持水量的 90%降到永久萎蔫系数以 下时，其释放的 CO2 量比每隔两至三 天浇一次水至田间持水量的 90%的土壤 所释放的 CO2 量低 36%-62%。 3、森林火烧 一般来说，野火会降低土壤呼吸。 降低的多少取决于火烧的强度和时间， 例如，火烧后森林的土壤呼吸显著低于 未受破环的森林的土壤呼吸，而且重度 火烧森林的土壤呼吸比轻度火烧的降低 的更多。在长叶松林中，控制火烧，移 走新鲜的凋落物和移走所有凋落物处理 的土壤呼吸分别比对照低 6%，5%和 22%。 在阿拉斯加内陆的三个林分-黑皮云杉， 白皮云杉和白杨林中，与对照相比，尽 管火烧之后土壤显著变暖，但是由于植 被，凋落物和表层土壤有机质的损失使 得火烧区域的 CO2 通量显著降低。火 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 烧降低了根的活性，因此也影响了 CO2 通量的季节性波动，并使 Q10 下降。但 火烧会使永久冻土融化，使活动土层变 厚，因而分解作用加快，增加了冻结生 态系统储存的碳的净损失。 4、草原放牧 土壤呼吸释放的 CO2 中有相当 一部分是来自植物光合作用新固定的碳。 因此，土壤呼吸对草原放牧和遮阴所引 起的碳供应的变化反应十分敏感。放牧 可通过许多过程直接或间接的影响土壤 呼吸。例如，放牧在生长季定期的移走 活得生物量，调节植物群落组成，改变 植物冠层结构，改变输入到土壤中的凋 落物的化学组成，使输入到土壤中的尿 和粪便增加，诱导植物产生化学防御物 质，引起植物根系分泌的增