（土壤学专业论文）等高绿篱—农业复合系统土壤co2和n2o排放特征.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 凌 如需保密，解密时阁年 月| j 楚否保密 独创性声明 本人声明所里交昀论文是我个人在导癖指导下避彳亍的研究工俸及取得的研究残 暴。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过虢谚究成暴，也不包含为获褥华中农监大学或蒜他教育机构的学位或证书 两使蹋过魏材糟，指导教簿对此进行了窜定。与我一麓工作蛹同志对本研究所傲筋经 何贡献均已在论文中皴了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：葵球 对弼：认移年 石月砂日 学位论文使用授权书 本人宠全了解华中农业大学必a - 予像存，使震学位论文的规定，印学生必须按照学 棱要求提交学位论文昀印剿本和电子叛本；学校有权缳存提交论文魏跨劁版和电子版， 芳提供舀蒙检索徊阌施服务，可以采用影印、缩印或害曼描等复期手毅缳存、汇编学位 论文。本人同意华啐l 农业大学可以用不溺方式在不同嫘体上发袭、传缮学位论文哟全 部或部分内客，并授权中霉稃学技求信息研究斯和j 匕京万方数据黢份有限公司将本人 喾位论文浚蒙到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包捂但不限子汇编、 复制，发行，信息溺络传播等) ，嗣对本人像留在箕饶媒体发表论文的衩力。 注：保密学位论文( 霹涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在霭要提交保密的论 文) 在解密后适用子本授权书。 学位论文律槲：要遮、 鲁黼荔知乞 签名日期：2 , i o # - 多月谚疆签名日期：f 口年震协甚 渡：谚将本表蕴拨装订在学位论文的靡页秘胬蒙之阆 等高绿篱一农业复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征 目录 摘要辱。i a 】8 l s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 研究背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 农林复合系统温室气体排放研究进展2 1 2 2 等高绿篱一农业复合系统3 1 2 3 土壤温室气体排放机制及影响因子4 1 2 4 土壤温室气体排放的测定方法9 1 3 研究目标和内容1 2 1 3 1 研究目标1 2 1 3 2 研究内容1 2 2 材料与方法1 3 2 1 研究区概况1 3 2 2 试验设计与研究方法1 4 2 2 1 试验设计。1 4 2 2 2 绿篱作物种植方式及田间管理。1 4 2 2 3 观测项目及测定方法1 4 2 2 4 技术路线。16 2 3 数据分析与处理1 7 3 结果与讨论1 8 3 1 等高绿篱一农业复合系统土壤c 0 2 排放特征及其影响因素1 8 3 1 1 土壤c 0 2 排放的季节性变化规律18 3 1 。2 不同处理土壤c 0 2 排放通量的差异。2 0 3 1 3 土壤c 0 2 排放的影响因素2 2 3 2 等高绿篱一农业复合系统土壤n 2 0 排放特征及其影响因素3 2 3 2 1 土壤n 2 0 排放的季节性变化规律3 2 3 2 2 不同处理土壤n 2 0 排放通量的差异3 4 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 3 2 3 土壤n 2 0 排放的影响因素3 6 3 3 土壤c 0 2 排放与土壤n 2 0 排放之间的关系4 3 3 4 等高绿篱一农业复合系统碳平衡4 6 3 4 1 系统碳分量测定4 6 3 4 2 不同系统的碳平衡4 6 4 结论与展望4 9 4 1 主要结论4 9 4 2 存在问题与展望5 0 参考文献5 1 j $ c 谢5 7 攻读学位期间发表的论文5 8 等高绿篱一农业复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征 摘要 c 0 2 和n 2 0 等温室气体引起气候变暖和臭氧层破坏是当今全球性的环境问题。 农田土壤c 0 2 和n 2 0 排放及其对环境的影响越来越受到人们的重视。目前农林复合 系统已被i p c c 列为温室气体减排措施，但有关土壤c 0 2 和n 2 0 排放的研究主要集 中在森林、草地及农田生态系统，农林复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放的研究不多。 本文采用静态箱气相色谱法，以豆科紫穗槐和禾木科香根草绿篱复合系统为研究对 象，研究了不同绿篱刈割枝叶管理方式下冬小麦一夏玉米轮作全生育期土壤c 0 2 和 n 2 0 排放特征，分析评价了影响排放的主要因子，并初步估算了绿篱复合种植、作 物单作及绿篱单作各系统的碳平衡，旨在进一步认识等高绿篱一农业复合系统生态 环境效应，为合理估算我国陆地生态系统土壤c 0 2 和n 2 0 生成量、编制我国温室气 体排放清单及制定相关管理政策提供科学依据。经过为期1 年的研究，取得的主要 结论如下： ( 1 ) 绿篱复合系统及作物、绿篱单作系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放通量均呈明显的 季节变化规律，表现为夏季排放量最高、春秋季次之、冬季最低。各处理土壤c 0 2 排放通量的变化范围为3 7 7 2 1 3 8 8m gi n - 2h - 1 ，排放总量介于3 4 1 7 5 9 - - 6 4 3 5 9 1k g ch m - 2a - 1 之间；土壤n 2 0 排放通量的变化范围为3 8 4 , - - , 9 2 1 1 峙m 2h ，排放总量 介于0 4 9 1 3 3k gnb a n za 1 之间。 ( 2 ) 绿篱刈割枝叶还田显著增加了土壤c 0 2 和n 2 0 排放。冬小麦和夏玉米生育 期，绿篱复合系统土壤c 0 2 排放通量大小顺序均为：枝叶翻施还田 表施还田 移出 小区，且紫穗槐复合系统的排放量高于香根草复合系统。冬小麦生育期，绿篱枝叶 表施还田方式下的土壤n 2 0 排放通量大于翻施还田；夏玉米生育期，枝叶翻施还田 的排放通量要高于表施还田。农田转变为紫穗槐林地和香根草草地也显著增加了土 壤c 0 2 和n 2 0 排放。 ( 3 ) 土壤水热因子对土壤c 0 2 和n 2 0 排放的影响具有明显地季节性差异。冬小麦 生育期土壤c 0 2 矛i n 2 0 排放通量与土壤温度呈显著或极显著正相关，土壤水分的影响 居于次要地位；夏玉米生育期土壤c 0 2 和n 2 0 排放则主要受土壤水分的影响。 ( 4 ) 土壤c 0 2 平均排放通量与土壤有机碳、m b c 均值和全氮含量呈显著正相关； 但同一处理不同观测时期的c 0 2 排放通量与对应的m b c 之间的相关性较低。绿篱复 合系统土壤n 2 0 排放通量与土壤全氮和n o s - - n 含量呈显著正相关，与n h 4 + - n 含量呈 负相关，与土壤有机碳、c n 比及m b n 的相关性较低；绿篱单作系统土壤无机氮与 n 2 0 排放通量无明显相关关系。 ( 5 ) 土壤c 0 2 和n 2 0 排放与植物生长密切相关。冬小麦生育期，土壤c 0 2 排放 主要受小麦生长的影响，夏玉米生育期则受玉米和绿篱生长的共同作用。土壤n 2 0 排放通量与作物生物量呈显著线性相关，同时绿篱种类显著影响了土壤n 2 0 的排放。 ( 6 ) 绿篱复合系统及作物、绿篱单作系统表层土壤c 0 2 排放通量与土壤n 2 0 排放 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 通量呈显著或极显著的正相关关系。 ( 7 ) 生态系统碳平衡计算结果表明：各系统碳汇源的强度范围介于4 9 3 2 8 - - 2 3 8 0 2 3k gch m 七之间，冬小麦和夏玉米生育期的n p p r 。范围分别为0 7 0 , - 2 4 0 和 o 8 5 - - 2 8 3 。作物单作系统表现为大气c 0 2 的“源 。绿篱进入农田改变了系统碳的 “汇源 特征。香根草复合系统在冬小麦生育期为大气碳的“源”，夏玉米生育期 则表现为大气碳的“汇 ；紫穗槐复合系统在冬小麦和夏玉米生育期均为大气碳的 “汇，且其汇的强度大于香根草复合系统。农田转变为绿篱样地后有利于大气碳 的固定，且香根草单作系统的碳汇强度大于紫穗槐单作系统。 关键词：等高绿篱；c 0 2 ；n 2 0 ；影响因子；n e p 等高绿篱一农业复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征 a b s t r a c t c 0 2a n dn 2 0h a sb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o nd u et ot h e i rs u b s t a n t i a lc o n t r i b u t i o nt o g l o b a lw a r m i n ga n do z o n ed e p l e t i o n i th a ss u g g e s t e dt h a ta g r i c u l t u r a ls o i li sa ni m p o r t a n t s o u r c eo fc 0 2a n dn 2 0 n o w a d a y s ，m a n yr e s e a r c h e r sh a v ef o c u s e do nd e m o n s t r a t i n gt h e s o i lc 0 2a n dn 2 0f l u x e so ff o r e s t s ，g r a s s l a n da n df a r m l a n de c o s y s t e m s ，f e wr e p o r tw a s f o u n do nt r a c ec 0 2a n dn 2 0f l u x e sf r o mc o n t o u rh e d g e r o wi n t e r c r o p p i n gs y s t e m ，o n eo f t h ea g r o f o r e s t r yp a t t e r n s w ee x a m i n e dt h ee f f e c t so f h e d g ep r u n i n g sr e t u r n i n gt of i e l do n t h ef l u x e so fs o i ln 2 0a n dc 0 2u n d e rw h e a t m a i z er o t a t i o ni na m o r p h af r u t i c o s aa n d v e t i v e r i az i z a n i o i d e si n t e r c r o p p i n gs y s t e m so nal o a m yc l a ys o i l ，a tx i a n n i n g ，h u b e i p r o v i n c e ，c h i n a s o i lc 0 2a n dn 2 0f l u x e sw e r ed e t e r m i n e du s i n gt h ec l o s e dc h a m b e r - g a s c h r o m a t o g r a p h ym e t h o d s o m ep o t e n t i a lf a c t o r ss u c ha ss o i lt e m p e r a t u r e ，s o i lw a t e r ，s o i l c a r b o n ，s o i ln i t r o g e n ，s o i lm i c r o b i a lb i o m a s sa n dp l a n tg r o w t hw e r ea l s om e a s u r e dd u r i n g w i n t e rw h e a t - s u l n l t l e rm a i z eg r o w t hp e r i o di n2 0 0 8 - 2 0 0 9 t h em a i nr e s u l t sw e r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) s o i lc 0 2a n dn 2 0f l u x e sf r o md i f f e r e n tp l o t sh a do b v i o u ss e a s o n a lv a r i a t i o n ， w i t ht h eh i g h e s ti ns u m m e r , h i g h e ri ns p r i n ga n da u t u m n ，a n dt h el o w e s ti nw i n t e r w i t h t h ea n n u a lf l u xf r o m3 4 1 7 5 9t o6 4 3 5 9 1k gch m za - 1 ，s o i lc 0 2f l u xu n d e rd i f f e r e n t s y s t e m sr a n g e df r o m3 7 7t o2 1 3 8 8m gm 呓h s o i ln 2 0f l u xu n d e rd i f f e r e n ts y s t e m s r a n g e df r o m 3 8 4t o9 2 11l l gm - 2h 1 ，w i t ht h ea n n u a lf l u xf r o m0 4 9t o1 3 3k gnh m - 2 a - 1 ( 2 ) a se x p e c t e d ，h e d g ep r u n i n g sr e t u m i n gt of i e l de n h a n c e dt h er e l e a s eo fs o i lc 0 2 a n dn 2 0 s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei ns o i lc 0 2f l u xw a so b s e r v e da m o n gd i f f e r e n th e d g e s p e c i e sp r u n i n g sm a n a g e m e n tp r a c t i c e ，f o l l o w i n gt h eo r d e ro fi n c o r p o r a t e d - p r u n i n g s u r f a c e - a p p l i e dp r u n i n g r e m o v a lo fp r u n i n g ，a n dt h ee f f e c to fa f r u t i c o s as y s t e mw a s m o r eo b v i o u s t h es o i ln 2 0f l u xo fi n c o r p o r a t e d - p r u n i n gw a sh i g h e rt h a ns u r f a c e a p p l i e d p r u n i n gi nw i n t e rw h e a tg r o w i n gs e a s o n ，w h e r e a st h eo p p o s i t et r e n dw a sf o u n dd u r i n g s u m m e rm a i z eg r o w t hp e r i o d f u r t h e r m o r e ，c o n v e r s i o nf r o mc r o p l a n dt oa f r u t i c o s a f o r e s t l a n da n d o rv e t i v e rg r a s s l a n dm i g h ti n c r e a s et h er e l e a s eo fs o i lc 0 2a n dn 2 0t o w h a te x t e n t ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo fs o i lt e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r eo ns o i lc 0 2a n dn 2 0f l u x e si s s i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tw i t hs e a s o n a lv a r i a t i o n d u r i n gw i n t e rw h e a tg r o w t hp e r i o d ，s o i l c 0 2a n dn 2 0f l u x e sw e r es t r o n g l ye x p o n e n t i a l l yc o r r e l a t e dw i t hs o i lt e m p e r a t u r ea m o n g a l lt r e a t m e n t s ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs o i lm o i s t u r ew a so fm i n o rs t a t u s h o w e v e r , s o i lc 0 2 a n dn 2 0f l u x e sw e r es i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db ys o i lm o i s t u r ei ns u m l t l e rm a i z eg r o w i n g s e a s o n i 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 ( 4 ) c o r r e l a t i o na n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g eo fc 0 2f l u xw a ss i g n i f i c a n t l y p o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hs o i lo r g a n i cc a r b o n , a v e r a g em i c r o b i a lb i o m a s sc a r b o na n dt o t a l n i t r o g e n ，b u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i lm i c r o b i a lb i o m a s sc a r b o na n ds o i lc 0 2f l u x u n d e rd i f f e r e n tg r o w t hs t a g e sw a sl o w e r u n d e rh e d g e r o wi n t e r c r o p p i n gs y s t e m s ，t h et o t a l n i t r o g e na n ds o i ln 0 3 。- nw e r es i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i v ew i t hp r o d u c t i o no fs o i l n 2 0f l u x ，t h eo p p o s i t et r e n dw a so b s e r v e df o rs o i l n h 4 + - n h o w e v e r , n oc l e a r r e l a t i o n s h i pe x i s t e db e t w e e ns o i li n o r g a n i cn i t r o g e na n dn 2 0f l u x i na f r u t i c o s a f o r e s t l a n da n d o rv e t i v e rg r a s s l a n d n os i g n i f i c a n td e p e n d e n c eo fn 2 0f l u xo nt h es o i l o r g a n i cc a r b o n ，s o i lc nr a t i oa n ds o i lm i c r o b i a lb i o m a s sn i t r o g e nw a so b s e r v e da m o n g 仃e a t m e n t s ( 5 ) c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a ts o i lc 0 2f l u xw a sm a i n l ya f f e c t e db yw h e a t g r o w t hd u r i n gw i n t e rw h e a tg r o w t hp e r i o d h o w e v e r , i tw a sc o m m o n l yi n f l u e n c e db yt h e g r o w t ho f m a i z ea n dh e d g e si ns u m m e rm a i z es e a s o n s o i ln 2 0f l u xw a sw e l lc o r r e l a t e d w i t hw h e a tb i o m a s sa n dm a i z eb i o m a s s i ti n d i c a t e dt h a tc r o pg r o w t hw a so n eo ft h e i m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gs o i lc 0 2a n dn 2 0f l u x e s i na d d i t i o n ，d i f f e r e n th e d g e s p e c i e sa l s or e m a r k a b l yi n f l u e n c e ds o i ln 2 0f l u x ( 6 ) i na f r u t i c o s aa n d o r v e t i v e ri n t e r c r o p p i n gs y s t e m ，m o n o c u l t u r e c r o pa n d m o n o c u l t u r eh e d g es y s t e m s ，t h e r ew e r es i g n i f i c a n tl i n e a rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns o i lc 0 2 f l u xa n ds o i ln 2 0f l u x ( 7 ) a n a l y s i so fc a r b o nb u d g e ts h o w e dt h a tt h ei n t e n s i t yo fc a r b o ns e q u e s t r a t i o no r s o u r c er a n g e df r o m 一4 9 3 2 8t o2 38 0 2 3k gch m - 2i nd i f f e r e n ts y s t e m s t h er a t i oo f n p p r sf o rw i n t e rw h e a ta n ds u m m e rm a i z eg r o w i n gs e a s o nr a n g e df r o m0 7 0 t o2 4 0 a n df r o mo 8 5 t o2 8 3 ，r e s p e c t i v e l y h e d g e ri n t e r v e n i n gf a r m l a n ds y s t e mc h a n g e di t s f e a t u r eo fc a r b o ns i n ka n ds o u r c e v e t i v e ri n t e r c r o p p i n gs y s t e ma c t e da sc a r b o ns o u r c eo f t h ea t m o s p h e r ec 0 2o v e rw i n t e rw h e a tg r o w i n gs e a s o n ，w h e r e a st h eo p p o s i t et r e n dd u r i n g s u m m e rm a i z eg r o w t hs t a g e a f r u t i c o s ai n t e r c r o p p i n gs y s t e m ，w h i c hc a r b o ns i n ks t r e n g t h w a sb i g g e rt h a nv e t i v e ri n t e r c r o p p i n gs y s t e m ，w a sac a r b o np o o lo ft h ea t m o s p h e r ec 0 2 t h r o u g h o u tt h ey e a r f u r t h e r m o r e ，t h el a n du s ec o n v e r s i o nf r o mc r o p l a n dt oa f r u t i c o s a f o r e s t l a n da n d o rv e t i v e rg r a s s l a n dm i g h ti n c r e a s et h ec a r b o ns e q u e s t r a t i o nt oag r e a t e x t e n t ，a n dt h ec a r b o np o o lw a sg r e a t e ri nv e t i v e rg r a s s l a n dt h a nt h a ti na f r u f i c o s a f o r e s t l a n d k e y w o r d s ：c o n t o u rh e d g e r o w ；c 0 2 ；n 2 0 ；i m p a c tf a c t o r s ；n e p i v 等高绿篱一农业复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征 1 绪论 1 1 研究背景及研究意义 大气中温室气体浓度不断增加引起的气候变暖和臭氧层破坏是当今全球性的环 境问题。c 0 2 作为最重要的温室气体之一，其浓度最大，在大气中存留时间最长， 增温效应约占总温室效应的6 0 ( h o n g t o ne ta 1 ，1 9 9 0 ) ，并以0 4 的年增长率增加 ( m o s i e re ta 1 ，1 9 9 8 ) 。n 2 0 在大气中的浓度和年增长率虽不及c 0 2 ，但其增温潜势 约为c 0 2 的2 9 6 倍( i p c c ，2 0 0 1 ) ，同时n 2 0 可能破坏臭氧层，影响人类生存健康( 刘 杏仁，2 0 0 5 ) 。因此，c 0 2 和n 2 0 的“源汇 及通量研究受到极大的关注。 土壤c 0 2 排放作为土壤一大气c 0 2 交换的主要途径之一，年排放量高达6 8 1 0 0 p g c ，仅次于全球生态系统n p p 通量( r a i c he ta 1 ，1 9 9 2 ) ，使得土壤即使发生轻 微的变化也会引起大气中c 0 2 浓度的明显改变( 吴雅琼等，2 0 0 7 ) ；同时农业土壤也 是最主要的人为n 2 0 释放源( x ue ta 1 ，2 0 0 0 ) ，大气中的n 2 0 有7 0 来源于土壤 ( b o u w m a n ，1 9 9 0 ) 。目前有关土壤c 0 2 和n 2 0 排放的研究，国内外主要集中在森林、 草地及农田系统，而对农林复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征的研究相对较少。农林 复合系统作为一种具有广泛推广价值的生态经济系统，在世界各地应用广泛( 杜炳 新，2 0 0 8 ) 。由于其可能有利于增加土壤碳的储备，减少温室气体释放( v e r c h o te ta 1 ， 2 0 0 7 ；孟平等，2 0 0 0 ) ，i p c c 已将其列入温室气体减排措施当中( s c h o e n e b e r g e r e ta l 一 2 0 0 9 ) 。但也有研究发现，农林复合系统并不总是减少土壤c 0 2 和n 2 0 排放( e r i c k s o n e ta 1 ，2 0 0 1 ：m u t u oe ta 1 ，2 0 0 5 ) 。因此，要准确估算陆地生态系统对温室气体排放 的贡献，必须加强农林复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放及其影响因素的研究。 等高绿篱一坡地农业复合系统作为农林复合经营模式之一，已经广泛应用于不 宜修建石坎梯田的山区、侵蚀严重的丘陵地区以及土地资源相对缺乏的农林交错区 ( 蔡强国等，2 0 0 4 ；卜崇峰等，2 0 0 6 ) 。为了减小复合系统种间水、肥、热等的竞争 和提高土壤肥力，绿篱适时修剪并将刈割枝叶还田是等高绿篱经营的通常做法( 蔡 崇法等，2 0 0 0 ) 。国内外许多学者对等高绿篱一坡地农业复合系统开展了较多的研 究，主要集中在水土保持机理及效应、改善土壤养分和促进系统养分循环等方面( 蔡 崇法等，1 9 9 6 ；蔡强国等，1 9 9 8 ：孙辉等，2 0 0 2 ；丁树文等，2 0 0 4 ；i a s s ce ta 1 ，2 0 0 4 , d i n e s he ta 1 ，2 0 0 6 ) ；而对该生态系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征的研究相对较少。 g u o 等( 2 0 0 9 ) 报道了等高绿篱一坡地农业复合模式下c 0 2 和n 2 0 排放特征，但主 要是评价复合系统作物根系还田土壤c 0 2 和n 2 0 排放的情况，而没有涉及绿篱枝叶 还田及还田方式。因此，深入研究绿篱复合种植及刈割枝叶不同管理方式下土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征及主要影响因子，对正确认识我国等高绿篱一农业复合经营土壤 c 0 2 和n 2 0 排放现状，找出绿篱刈割枝叶最优管理方式，采取相应的减排措施有着 直接指导意义；并为迸一步推广绿篱复合种植技术提供理论依据。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 农林复合系统温室气体排放研究进展 1 2 1 1 农林复合系统概述 农林复合系统( a g r o f o r e s t r y ) ，又称为农用林、混农林、农林复合系统、复合 农林业等，既是一种古老的土地利用方式，又是一门新兴的研究领域。尽管农林复 合系统的应用与研究早已在世界各国引起广泛关注，但由于研究人员所处国家、地 区的自然和社会条件及研究目标的多样性，研究人员的学科背景不同，对农林复合 经营的内涵和定义的认识也不一致。目前为止，农林复合系统代表性的定义主要有 以下几种。 ( 1 ) 国际农林复合经营系统委员会( i c r a f ) 的第一任主席k i n g 博士在1 9 7 8 年提出农林复合系统概念的原始含义：矗a g r o f o r e s t r y 是一种采用适于当地栽培实践 的土地经营方式，在同一土地单元内将农作物生产与林业和( 或) 家畜生产同时或 交替地结合起来，使土地生产力得以提高的持续性土地经营系统”。 ( 2 ) 经过1 0 多年对其外延和内涵的深入研究，i c r a f 于1 9 9 0 年对农林复合系 统的最新定义为：“农林复合经营作为一种土地利用技术和耕作制度的集合名词，是 有目的地把多年生木本植物( 乔木、灌木等) 同草本植物( 农作物、牧草) 和( 或) 畜牧业经营在同一土地单元，并采取统一或短期相同的空间配置、轮作等耕作措施； 在林农( 草) 复合经营系统的不同组分之间存在着生态学和经济学方面的相互作用” ( l u n d g r e n ，1 9 9 0 ) 。这个定义被认为是比较全面并被多数人接受的定义。 ( 3 ) 澳大利亚的r e i d 和w i l s o n ( 1 9 8 5 ) 认为：“农林复合生态系统是在同一土 地上农业与林业的综合，也就是在同一时候或按次序把畜牧、农作物置于稀植的树 木之下”。 ( 4 ) 国际树木作物研究所( i r c d 、美国树作物研究所则认为：“农林复合经营 是为了农业、环境保护和乡村发展而栽植生产粮食、饲料、薪炭和保护林等多种用 途的乔木和灌木，目的在于提高边际土地的生产力以及保护水土和能源”。 ( 5 ) 我国学者李文华( 1 9 9 4 ) 以i c r a f 提出的定义为依据，综合这一方式经济 效果和生态效果，将农林复合经营表述为：“农林复合经营系统是指在同一土地管理 单元上，人为地把多年生木本植物( 如乔木、灌木、棕桐、竹类等) 与其他栽培植 物( 如农作物、药用植物、经济植物以及真菌等) 和( 或) 动物，在空间上或按一 定时序安排在一起而进行管理的土地利用和技术系统的综合 。 1 2 1 2 农林复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放研究进展 农林复合生态系统能调节小气候，改善土壤生态环境，从而影响土壤c 0 2 和n 2 0 的排放。有研究表明，农林复合系统可能有利于增加土壤碳的储备，减少温室气体 释放，目前i p c c 己将其划入减排措施当中( s c h o e n e b e r g e re ta 1 ，2 0 0 9 ) ；但也有研 2 等高绿篱一农业复合系统土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征 究发现，次生林和橡胶农林复合系统的土壤c 0 2 排放量较高( m u t u oe ta 1 ，2 0 0 5 ) ， 说明农林复合系统并不总是减少土壤c 0 2 n 放。p a l me ta 1 ( 2 0 0 2 ) 在秘鲁亚马逊对 不同土地利用方式下土壤温室气体排放进行了为期2 年的研究，结果表明农林复合系 统n 2 0 排放量仅为高肥料投入农田系统排放量的三分之一左右，也比低肥料投入耕 作系统的排放量减少了5 0 。e r i c k s o ne ta 1 ( 2 0 0 1 ) 研究得到的次生林( 特别是有豆 科植物存在时) n 2 删o 通量要高于p a l me ta l 。( 2 0 0 2 ) 的研究结果。b a g g se ta 1 ( 2 0 0 0 ) 研究也认为农林复合系统中豆科绿篱修剪残留物的分解促进了土壤n 2 0 的 排放。国内关于该系统对温室气体排放的研究相对较少。孟平等( 2 0 0 0 ) 运用同位 素示踪法并结合野外实测对农林复合系统的环境质量调控作用进行了研究，结果表 明：农林复合系统具有抑制或减缓大气中c 0 2 浓度增长的作用，其固定c 0 2 能力是单 一农业系统的1 6 2 1 倍，大气中c 0 2 浓度平均比单一农业系统低5 5 9 5m l m 一；系 统中杨树与柳树以及小麦和玉米对n 2 0 具有一定的吸收作用。刘惠等( 2 0 0 6 a ，2 0 0 6 b ) 采用静态箱一气相色谱法对华南丘陵区农林复合生态系统稻田c 0 2 和n 2 0 排放通量 进行田间原位测定，研究结果显示，该区农林复合系统水稻田温室气体的排放量比 普通农田要低。综合现有文献可知，农林复合系统改变了农田生态环境，如温度、 水分、光照形成了微生态环境，而且农田种植树篱，尤其是豆科绿篱，一定程度上 提高了土壤有机碳和氮素含量，影响了土壤碳氮的矿化，这些改变必定会影响系统 c 0 2 和n 2 0 的排放。 1 2 2 等高绿篱一农业复合系统 1 2 2 1 等高绿篱一农业复合系统的内涵 等高绿篱或植物篱( c o n t o u rh e d g e r o w ) ，又叫生物篱，是农林复合经营中最重 要和最典型的应用方式之一，是近十几年来在生产实践中不断发展起来的一种坡地 农业新技术。等高绿篱一农业复合系统是在坡地上相隔一定距离密集种植灌木或灌 化乔木以及灌草结合的植物篱带，带间布置农作物，通过对植物篱适时x , j 害- 0 ，将其 控制在适当高度，避免与相邻农作物发生水、肥、光、热等竞争( 蔡崇法等，2 0 0 0 ) 。 该复合经营模式不仅可以有效控制坡耕地水土流失，而且能改善系统的土壤养分、 促进养分循环、抑制杂草生长( 孙辉等，2 0 0 4 ) ，已经成为山地、丘陵和破碎高原 等以坡地为主的地区进行水土保持和生态建设的一种重要实践形式。 1 2 2 2 等高绿篱一农业复合系统的研究进展 ( 1 ) 国外研究动态 等高植物篱技术最早兴起于2 0 世纪3 0 年代，最初被应用于平原地区的带状耕作 系统( a l l e yc r o p p i n gs y s t e m ) ，在印度尼西亚，为了解决橡胶林的土壤流失及土壤 培肥问题，在林下种植豆科固氮植物。8 0 年代以后，该技术才在非洲热带和东南亚 热带地区得到重视。近一二十年来，由于土地资源的减少和生态环境质量的不断下 3 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 降，国际上对坡地农林业的研究非常活跃，尤其发展中国家更为积极。1 9 7 0 年菲律 宾亚洲农业发展中心在菲律宾的棉兰老岛建立了多种坡地农业技术模式，对不同坡 地农林系统的布设和管理作了系统的试验，并对该技术进行了大规模的推广。此外， 尼泊尔、印度、肯尼亚、泰国等国家都进行了大量的研究和实践，获得了宝贵的资 料和成功的经验( a g u s e ta 1 ，1 9 9 9 ：a n g i m ae ta 1 ，2 0 0 3 ) 。现今，该技术在热带、 亚热带、温带和半干旱地区得以示范和推广( g e r a l de ta 1 ，1 9 9 9 ) ，这对减少水土 流失、增加农林经济效益和改善坡地土壤生态环境具有重要作用。 ( 2 ) 国内研究现状 等高植物篱种植模式在我国的兴起是2 0 世纪9 0 年代初期，19 9 8 年后逐渐受到 高度重视，科研人员在借鉴国外研究经验的基础上，开展了一系列研究工作，主要 集中在长江中上游干旱河谷区和三峡库区、北方黄土高原水土流失严重地区( 孙辉 等，2 0 0 4 ) 。其中，1 9 9 1 年，中国科学院成都生物研究所在国际山地中心的支持下， 率先在位于横断山区金沙江干热河谷地区的四川省宁南县开展了植物篱种植模式的 研究和示范工作，系统地对这一技术在保水、保土、培肥、增产等方面的效果及该 技术的经济效益进行定位定量研究，并结合我国山区的实际情况作了大量的完善和 改进，使之适合我国山区和坡耕地的应用( 唐亚等，2 0 0 1 ) 。此后，植物篱种植模 式在我国的试验研究逐步扩大，中国科学院北京地理研究所、中国科学院南京土壤 研究所、中国林科院亚热带林业研究所、四川省林业勘察设计研究院、浙江大学、 华中农业大学等单位都做了相关研究工作，从而使植物篱研究逐渐走向系统化。上 述研究主要集中在该复合种植模式的水土保持机理及效应、土壤养分变化、种植模 式、配套模式、经济效益，以及空间结构等方面( s u ne ta 1 ，2 0 0 8 ) ，而关于该模 式对环境质量影响的研究相对较少，尚未见到系统的报道。因此，对等高绿篱复合 种植模式下土壤c 0 2 和n 2 0 排放特征及主要影响因子进行深入研究具有重要意义。 1 2 3 土壤温室气体排放机制及影晌因子 1 2 3 1 土壤c 0 2 排放机制及影响因子 ( 1 ) 土壤c 0 2 排放机制 土壤中c 0 2 产生的过程通常称为“土壤呼吸( s o i lr e s p i r a t i o n ) 。严格意义上讲， 土壤呼吸是指未受扰动的土壤产生c 0 2 的所有代谢作用，包括