湿地垦殖对土壤碳呼吸影响的研究进展.doc

湿地垦殖对土壤呼吸影响的研究进展毛敏1 许信旺1，2 付伟1，3 石小磊1（1安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽 芜湖241000 ；2.池州学院资源与境与旅游系，安徽 池州247000 ；3.芜湖市气象局，安徽 芜湖 241000）摘要：人类活动干扰了湿地生态系统正常的碳循环过程，尤其是湿地的垦殖对土壤呼吸的影响显著，对此的研究也已成为近年来研究土壤碳循环与全球变化的热点问题。文章综述了湿地垦殖对土壤温度、水分、有机碳含量的影响及其垦殖后的不同利用方式对土壤碳呼吸影响的研究进展，并对其研究方法进行了简要的总结，展望了湿地垦殖后土壤碳呼吸的未来研究方向，以期为以后研究垦殖对湿地土壤碳呼吸的影响提供参考。关键字：湿地 垦殖 土壤呼吸 CO2排放Research progress on effect of marsh reclamation to soil respirationMaomin1 xuxinwang1，2 Fuwei1，3 Shixiaolei1（1.Collage of Territorial Resource and Tourism，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China；2.The resource Environment and Tourism Department 0f Chi Zhou University, Chi Zhou 247000, China；3.Wuhu meteorological Bureau, Wuhu 241000,China）Abstract: Human activity disturbance the wetland ecological system normal carbon cycle，especially the cultivation on wetlands imposes remarkable influence on soil respiration, The research on it is gradually becoming the hotspot of research on soil carbon cycle and global change. This essay states the research progress of the influences that wetlands cultivation impose on soil temperature、moisture content and organic carbon content, and it also states the research progress of how different usages influence 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（41071337）作者简介：毛敏（1984-），女（汉族），安徽蚌埠人，安徽师范大学国土资源与旅游学院硕士研究生，主要从事土壤碳循环方面的研究，E-mail：soil respiration after cultivation. Meanwhile, it briefly summarizes the research methods, forecasts the future research directions on soil carbon respiration after cultivation, so as to provide basic data for research on how cultivation affects wetlands soil carbon respiration.Key words: wetland; reclamation; soil respiration; Carbon dioxide emissions引言：湿地生态系统是陆地生态系统中仅次于森林生态系统的最大碳库1,4，储存在湿地土壤中的碳占到土壤总储积量的11%1，在碳的存储中起着非常重要的作用。土壤碳库主要是通过土壤呼吸向大气排放CO2，据估计每年因土壤呼吸而排放的C约为50-75Pg5，它十倍于人类的化石燃料燃烧向大气的排放。土壤呼吸还是陆地生态系统中碳收支平衡的重要环节8，因此，土壤中的碳储量或者土壤呼吸的任何微小的变化都将会影响大气中CO2的浓度和全球的碳收支平衡6,7。目前人类为了生存的需要，越来越多的湿地被开垦为农田，这就干扰了湿地生态系统自然状态下的碳循环和水分循环过程，湿地开垦为农田后，改变了土壤的温度、水分、有机碳含量等，影响了土壤呼吸的变化，进而影响到大气中CO2的浓度的变化。因此了解湿地垦殖后土壤呼吸的动态变化，对于进一步探讨湿地固碳的稳定性和温室气体的释放的关系具有重要的科学意义，另外也有利于了解环境变化下湿地土壤碳循环特点。近年来国内外许多学者开展了不同区域、不同湿地围垦类型下土壤呼吸研究，但比较全面的分析评述性文章还不多见，研究方法和一些关键的过程及机制还有待阐明。本文对迄今为止国内外关于湿地土壤呼吸影响因素的一些研究进行综述，分析了气候、植被、土壤因素对土壤呼吸变异性的影响规律，以期为更准确地认识湿地土壤呼吸这一重要的碳循环过程提供借鉴，并为科学合理地开展湿地保护提供一定理论依据。1、湿地垦殖对土壤呼吸产生的影响土壤呼吸是指未受干扰的土壤由于新陈代谢作用而释放CO2的过程2，这个过程包括土壤微生物呼吸、根呼吸、土壤动物呼吸和土壤有机物氧化呼吸3.湿地垦殖后一方面可能因改变土壤温度、水分等物理性质的变化，进一步影响土壤团聚体结构的形成和有机碳的分配，进而影响土壤有机碳源的性质与可利用碳源的数量，表现出对土壤呼吸的变化；另一方面也可能影响土壤有机碳组分的相对构成，造成不同活性碳的变化，进而影响土壤呼吸的释放强度。1.1湿地垦殖对土壤温度和水分的影响湿地在垦殖为农田的过程中土壤的温度和水分条件均会发生变化，而相应的必然会引起土壤呼吸的改变，大量的研究表明土壤温度和土壤湿度（或积水深度）是影响土壤呼吸速率的最重要的因素13,25-27,21-23。宋长春等24,31,32在对三江平原沼泽湿地开垦前后土壤温度变化的研究中发现：湿地开垦前的土壤10cm温度明显低于开垦后的农田，湿地开垦后，由于土壤温度的增高和氧化还原条件的改变，促进了土壤有机质的分解和土壤呼吸通量的增长，致使垦后农田8-9月份土壤平均呼吸通量是天然沼泽湿地的6倍；江长胜等25的研究也发现沼泽湿地Q10值高于开垦的农田，表明开垦后农田的土壤呼吸对温度变化响应的敏感性指数高；刘兴士等33研究也发现湿地开垦后会导致湿地冷热效应消失，土壤水热状况发生改变，土壤温度升高；湿地开垦后，土壤的结构、透气度肯定会发生改变，表层的草根层也会随之消失，土壤由原来的厌氧环境转变为好氧环境，有机质分解的速率会加大导致土壤温度也会随之升高，土壤温度升高会使土壤呼吸通量增大。但目前描述湿地垦殖与土壤温度的模型还不完善，我国目前关于这方面的研究还很少，以后应加强这方面的研究。还有研究表明：湿地开垦后，土壤水位的变化会引起土壤微生物的变化，这也是导致土壤呼吸发生变化的一个重要原因。当土壤含水量比田间持水量低时，土壤呼吸速率会随着土壤含水量的增加而增加，而且增加的速度很快21；当土壤含水量在一定的范围内时，对土壤呼吸速率并没有多大的影响22；当土壤含水量比田间持水量高时，土壤呼吸速率会随着土壤含水量的增加而下降23。当湿地开垦为农田后，土壤的积水状况决定了土壤厌氧环境的强弱，同时也降低了土壤温度，进而影响土壤CO2的产生，导致土壤呼吸速率的减小。宋长春等34研究发现湿地开垦后，由于沼泽被排水疏干，多年积水和季节性积水消失，地下潜水位降低，沼泽湿生植物被农作物代替，导致土壤饱和持水量和毛管饱和持水量下降；Oberbaueer等35研究发现湿地排水会使土壤呼吸作用增强，排水后土壤的透气性改良，土壤呼吸量会相应的增加，当湿地开垦为农田时，湿地被排水因此会使土壤呼吸作用增强；江长胜等25的研究发现湿地开垦为水田的土壤湿度与土壤呼吸速率呈极显著负相关关系，开垦为旱田的土壤湿度较低，而土壤湿度的增加能刺激土壤微生物的活性，使土壤呼吸速率升高，但是适宜的土壤水分条件对土壤呼吸速率没有太大的影响；湿地垦殖后的不同利用方式（如湿地开垦为水田、旱田）会导致土壤含水量的变化不同，积水状况也不同，因此对土壤呼吸的影响也不同，所以不能单一的描述土壤湿度与土壤呼吸的定量关系，两者之间要定性的研究。1.2湿地垦殖对土壤有机碳含量的影响湿地土壤碳库在全球气候变化和人为活动的影响下变化强烈，历史上湿地围垦是造成土壤有机碳损失的一个重要的原因。据估计，我国1949年以来湖泊湿地的围垦总面积为1.30106hm236，但不同地区和不同类型的湿地围垦后有机碳的变化不同。大量的研究表明，自然生态系统在向人工生态系统转换的过程中会破坏原土壤有机碳的收支平衡16-17。就一般而言，垦殖对有机碳的影响主要是集中在表层土壤，对深层土壤的影响不大18-19。霍莉莉等9在对三江平原小叶章湿地垦殖后表土有机碳分布的研究中发现：小叶章湿地垦殖后表土有机碳含量和储量都显著下降，各粒级团聚体有机碳含量也都降低。这与陈志杰等20的研究结果一致。宋长春等32研究三江平原湿地开垦后，在初期5-7年土壤有机碳损失速率较快，15-20年有机碳损失趋于平衡；刘子刚等人37估计近50年来三江平原因湿地开垦造成的有机碳的总损失量可达215Tg；林凡等38研究皖江自然湿地开垦为农田后，土壤表层和全剖面的土壤有机碳含量明显下降，开垦为旱田的土壤有机碳含量和碳密度均显著低于开垦的稻田；王树起等人39和陆琦等人40对不同土地利用方式下三江平原湿地土壤碳变化的研究也可以看到,湿地开垦为稻田比开垦为旱地有机碳的损失小；李典友等41报道长江中下游湿地开垦为农田50年后，土壤表层有机碳损失达40-60Tg，并随开垦年限的增加，土壤有机碳含量减少的幅度也在增加，而且开垦为旱地的土壤有机碳含量和碳密度均显著低于开垦的稻田。在近50年来，因湿地开垦所造成的湿地表土土壤有机碳损失达1.5Pg42,湿地开垦后土壤有机碳的变化必然会造成土壤呼吸的变化。大量的研究都表明土壤呼吸主要是受土壤可利用碳源赢亏的影响，土壤中可利用碳源过量或者缺乏都会强烈的影响土壤呼吸47。田昆等10对纳帕海湿地垦殖开发后土壤碳变化的研究中发现：人为干扰下纳帕海湿地0-20cm表层土壤有机碳含量与20-40cm下层相差4倍，由于湿地垦殖后土壤透气性改善，土壤有机碳分解加快导致土壤呼吸加强。Larionova等43在对莫斯科西部地区的白杨-白桦混交林地和农牧交错地带的研究中发现：林地土壤呼吸速率显著高于农田,他认为造成这种现象的主要原因是林地土壤碳密度高于农田土壤碳密度；Motavalli等44研究发现在森林砍伐变成农田的5年中,土壤表层有机碳流失使农田表层土壤呼吸显著低于林地表层土壤呼吸；吴建国等45研究发现森林开垦为旱田土壤呼吸速率降低，这也是由于土壤有机碳含量减少造成的；戴万宏等46研究也发现土壤CO2的排放量与土壤含碳量呈极显著正相关关系；江长胜等25研究也表明湿地开垦为农田后土壤呼吸作用与土壤有机质含量均下降，这与土壤碳的输入量减少有关。以上研究都表明湿地垦殖后土壤有机碳含量的下降会使土壤呼吸作用减弱，温室气体排放增加，使湿地的“碳汇”功能减弱或丧失，这一问题在我国温室气体减排工作中应值得重视，恢复和保护湿地固碳功能，减少温室气体排放刻不容缓。 1.3不同围垦利用对湿地土壤碳呼吸的影响 湿地的不同围垦利用既改变了土壤的透气性又改变了地表的植被类型，使得土壤的根系生物量、微生物量和微生物活性、有机碳含量等发生改变，相应的土壤呼吸也会发生变化11-12。目前国内外关于不同围垦利用对土壤呼吸影响的研究还不足，而且由于土地自身的不确定因素（土壤本底的不均匀性、土地利用历史的不清晰）也会给准确评价土地利用效应带来很多困难。黄靖宇等14对三江平原不同土地利用方式表层土壤活性炭的研究中发现：垦殖为农田后，表层土壤活性炭组分显著降低，农田弃耕还湿和人工造林后表层土壤活性炭各组分恢复到天然沼泽湿地的36.1%-59.9%和67.0%-69.3%；任文玲等15在对崇明岛新围垦区不同土地利用方式下土壤呼吸的研究中发现：2009年整个春季，土壤呼吸速率强度顺序为水旱轮作(0.300.08)molm-2d-1 旱田(0.180.04) molm-2d-1林带(0.090.01) molm-2d-1，且水旱轮作的土壤呼吸速率变化波动较大，说明水旱轮作土壤有利于土壤有机碳的积累，这对于农田固碳有积极意义；吴建国等45研究发现经常耕作的农田的土壤呼吸速率平均比休闲农田高20%，但并不是很显著；李志鹏等48在对太湖地区一个水稻田改种玉米3年的土壤有机碳变化研究中显示：水田转变为旱地，耕层土壤有机碳储量迅速减少，土壤呼吸作用减弱；王丽丽等人49研究表明三江平原土壤有机碳含量表现为旱田水田人工林地退耕还湿地，这说明湿地开垦为旱田土壤有机碳损失最大，表现为土壤呼吸作用最弱；张容娟等50人在对崇明岛围垦区的几种土地利用方式研究中表明：土壤呼吸强度表现为鱼塘撂荒地水旱轮作地人工林地，而水-旱轮作农田在大麦种植期土壤呼吸速率最强，在水稻种植期土壤呼吸速率较低。这说明水-旱轮作可增加土壤有机碳储量，这对农田固碳具有积极的意义。江长胜等25研究也表明湿地开垦为旱田和水田的土壤呼吸速率季节变化也不同，开垦为旱田的土壤呼吸速率在夏季达到峰值，而且维持时间较短，开垦为水田的土壤呼吸排放峰值在秋季出现。彭佩钦51等的研究发现, 经过25年的农田耕作后旱地的土壤有机碳含量有所减少而稻田的土壤有机碳含量则显著增加；这说明稻田的土壤固碳速率较快，霍莉莉等9的研究也表明开垦为水稻田的有机碳储量稍高于大豆田，湿地围垦为水稻田比围垦成旱地更有利于土壤有机碳的积累。所以在必须围垦的地区，尽量垦殖为水田，以减少土壤有机碳损失，从而更好的协调农业土壤固碳和释放过程的矛盾。不同地区不同类型的湿地开垦后，土地利用方式的改变都会强烈的影响土壤有机碳的含量，表现为土壤呼吸的变化，即便是同一生态系统，由于植被类型、管理措施、年限、土壤有机碳含量、土壤有机质稳定性、生产力、生物多样性、人类活动和环境因素影响等的不同，土壤呼吸CO2年排放量也将产生显著的变化。因此合理的土地利用方式对土壤固碳具有积极的意义，比如我国南方的水稻田就具有很好的固碳潜力，以后应提高农田在固碳减排中的作用。2、湿地垦殖对土壤碳呼吸影响的研究方法目前我国关于湿地垦殖对土壤呼吸的影响的研究还比较缺乏，其研究方法的不同主要集中在对土壤呼吸的测定及计算方面，目前常用的土壤呼吸的测定方法有：静态碱液吸收法、静态密闭气室法、动态密闭气室法和通气法。静态碱液吸收法就是用置于气室内的碱液吸收CO2形成碳酸盐，再用重量法或者中和滴定法计算剩余的碱量，根据公式计算出一定时间内土壤CO2的排放量 52.它的优点就是不需要复杂的设备，所以操作很简单，同时还可以进行多点大尺度的测定，但是碱液吸收法的测定精度不很理想，通常当土壤呼吸速率处于很低的水平下，测定结果要比真实值高，相反在土壤呼吸速率比较高的情况下，测定结果要比真实值低59。目前广泛应用于草原22，54、农田生态系统55、森林56-57和沙地58土壤.静态密闭气室法是用专用集气装置收集气体，实验室内用气相色谱仪或红外气体分析仪测定CO2量，再利用浓度差计算土壤呼吸。江长胜等25利用此方法研究垦殖对土壤呼吸速率的影响；宋长春等24利用此方法研究沼泽垦殖前后土壤呼吸与CH4通量的变化；王旭等60也利用静态密闭气室法研究长白山针阔混交林与开垦农田土壤呼吸作用的比较；王小国等59也是利用这种方法研究不同土地利用方式下土壤呼吸及其温度的影响。静态密闭气室法只采样气，操作简便，精确度高，运用普遍，但是用此方法测量的面积相对较小，且对被测地面自然生态系统干扰也大，费用也高。因此此种方法只适合测定小尺度的土壤呼吸。动态密闭气室法就是使一定流量的空气在红外线CO2分析仪和气室连成的闭合回路内循环，同时检测回路内CO2浓度随时间的变化52 。以美国的LI-COR的相关仪器最著名。冯朝阳等61利用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统测量华北山地不同植被类型土壤呼吸，杜紫贤等62也是采用LI-8100土壤碳通量测定仪对闽江沿岸芦苇湿地土壤呼吸的昼夜变化和季节变化进行测量；张荣娟等50也是利用LI-8100测量土地利用对崇明岛围垦区土壤呼吸的影响。动态密闭气室法比静态气室法更能准确的测量土壤呼吸，它可以同时进行多点测量，实现了同一样点的重复测量，因此更适合测定瞬间和整段时间的土壤CO2速率，但是此设备昂贵且必须保证持续的电力供应，因此不适合长时间的野外作业。通气法的测定原理是往气室的一方通入一定流量的空气，再从气室的另一方吸出相同流量的空气。根据所注入和吸收的CO2浓度差来计算土壤呼吸速率64,此方法可以连续多点测定，但是气室内外气压差对测量结果有一定的影响，目前在农田65、果园66、林地67等多种生态系统的土壤呼吸测定中有应用。在以后的土壤呼吸研究中，更应该关注的是能否进行多点长期大尺度的观测、测定的方法和测量的精确性、稳定性是否满足实际需要、应围绕上述问题对仪器不断地改造以求更精确的表述土壤呼吸，而从观测的时长来看，土壤呼吸应至少一年的观测周期才可近似的等于土壤真呼吸。在土壤呼吸从“点”到“面”的理论探索过程中，还应准确的区分土壤根系呼吸和土壤基底呼吸、并进行标准、规范和全面的野外数据观测，同时尽可能的增加湿地土壤呼吸观测数据，以便为以后的研究和模拟土壤呼吸提供更可靠的资料。3结语湿地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在维护生物多样性和区域生态平衡方面起着很重要的作用，同时也是土壤有机碳存储的重要场所。现如今湿地越来越多的被开垦为农田，在开垦过程中造成大量的土壤有机碳流失，使得湿地土壤由原来的碳汇逐渐转变为碳源，土壤中可利用碳源的减少直接影响土壤呼吸，而在此过程中又因土壤呼吸向大气中排放大量的CO2，导致全球温室效应的增加，危害了人类的生存健康，因此应当合理的开发利用土地，加强垦殖农田在固碳减排中的作用。目前国内外关于湿地垦殖对土壤呼吸影响的研究还不足，而且主要是集中在草原生态系统，对淡水湿地的研究还很少。关于不同景观、不同利用方式、不同利用年限下湿地土壤呼吸CO2排放的主要途径及其变化的主要影响因素应是今后研究工作的重点，同时还应深入研究人类活动对湿地土壤呼吸的影响幅度和控制机理等，为促进温室气体减排提供科学依据。参考文献：1 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