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1.2.3 土壤碳氮轉(zhuǎn)化研究

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤呼吸對土壤碳素損失具有一定的控制作用(H?gberg et al.,2006)。據(jù)統(tǒng)計,在全球范圍內(nèi)每年由于土壤呼吸作用平均產(chǎn)生80.4Pg碳,其變化范圍為79.3~81.8Pg碳(Raich et al.,2002),占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總呼吸的60%~90%(Schimel et al.,2001),為當(dāng)前化石燃料燃燒產(chǎn)生CO2的11倍多(Marland et al.,2000)。根據(jù)北半球區(qū)域的研究,發(fā)現(xiàn)在溫度不斷上升的過程中,土壤呼吸由于溫度升高而使得秋季空氣中的CO2含量顯著增加(Piao et al.,2008)。因此,陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)速率的研究,對于了解對氣候變暖的溫室效應(yīng)所產(chǎn)生的反饋是至關(guān)重要的(Kirschbaum,2006)。

當(dāng)前,由于人類活動而帶來的土地利用和管理方式的變化,被認為是全球碳循環(huán)改變的主要驅(qū)動因子(Raich et al.,1992;Houghton et al.,1999)。在開墾初期,農(nóng)田土壤呼吸高于天然草地,通過研究發(fā)現(xiàn)草地開墾為農(nóng)田后,土壤碳素損失達20%~30%(Buyanovsky et al.,1987)。同時大量的研究表明,由于草地向農(nóng)田方式的轉(zhuǎn)變,土壤呼吸速率逐漸降低(Tufekcioglu et al.,2001;Frank et al.,2006)。不同土地利用方式的土壤呼吸速率表現(xiàn)出一定的差異性,這主要是由于不同土壤的理化性質(zhì)、溫度和含水量等諸多因素對呼吸速率的共同作用不同(Wang et al.,2009)。其中某些因素對土壤呼吸的影響作用明顯,如土壤容重、氮沉積、氣候條件和人類干擾(Davidson et al.,2006;Mo et al.,2008)。有研究報道,土壤碳素損失的主要原因是全球變暖(Jones et al.,2003)。同時,土地利用變化對氣溫的影響也已經(jīng)成為研究熱點。美國國家研究理事會(NRC)報告(2005)強調(diào),除了溫室氣體含量升高造成的大氣成分改變以外,景觀變化也可能對局地、區(qū)域氣候產(chǎn)生重要影響,對全球氣候變化存在潛在影響;某些情況下,氣候變化對土地利用/覆被變化的響應(yīng)甚至超過溫室氣體含量增高的貢獻(Lawrence et al.,2010)。因此,土壤呼吸隨著溫度的上升而增加將成為全球變暖的正反饋(Cox et al.,2000),但是這種反饋具有很大的不確定性(Friedlingstein et al.,2006)。當(dāng)前缺乏對土壤呼吸的溫度敏感性研究是氣候—CO2耦合模型的不確定性原因之一(Fierer et al.,2009)。

氮元素作為生物體生存和發(fā)展必需的元素,對陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程具有最強烈的影響(陳伏生等,2004),同時對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用(洪瑜等,2006)。氮循環(huán)為生物的生長提供了必需的氮源(Hagopian et al.,1998),并促使物質(zhì)能量循環(huán)的形成(白軍紅等,2005)。在土壤硝化過程中,銨態(tài)氮由微生物轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮。硝化作用是氮素損失的主要途徑(Vitousek et al.,1991)。同時,由于氮素的損失導(dǎo)致溫室氣體N2O排放量增多。目前,氮循環(huán)已經(jīng)成為全球變化研究的一個重要內(nèi)容(彭少麟等,2002)。

當(dāng)前,針對土壤硝化作用的影響因素展開了大量的研究(Zhang et al.,2008)。通過研究發(fā)現(xiàn)土壤硝化作用由于土壤類型的不同,其變異也較大。另外,土壤水分也是影響硝化作用的重要因素。通過大量研究發(fā)現(xiàn),土壤含水量越高,對微生物的氧氣來源限制作用越大,導(dǎo)致硝化速率降低(Breuer et al.,2002)。因此,在一定的土壤含水量范圍內(nèi),含水量的增加可以促進硝化作用(施振香等,2009)。研究發(fā)現(xiàn),土壤硝化作用的適宜溫度范圍在25~35℃之間(劉巧輝,2005)。由于土壤pH值可以影響硝化細菌的活性,因而土壤pH值也是影響硝化作用的重要因素。當(dāng)土壤pH值增加到一定程度,硝化速率隨之增加3~5倍(Dancer et al.,1973)。Hayatsu和Kosuge(1993)發(fā)現(xiàn)土壤pH值與硝化活性有很好的正相關(guān)關(guān)系。另外,銨態(tài)氮是硝化作用的基質(zhì),但不是土壤硝化作用的主要限制因子(Hadas et al.,1986),因為硝化作用的程度主要取決于土壤理化性質(zhì)。

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