三峡库区消落带土壤反硝化及N2O排放研究

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消落带作为水域和陆域生态系统的交错带,具有缓冲带的功能,拦截陆地径流输入的氮磷等营养盐。由于人工调节坝前水位,三峡水库水位周期性涨落,消落带土壤处于不断的干湿交替中,交替产生好氧和厌氧状态,进而影响消落带土壤硝化与反硝化过程。消落带土壤硝化及反硝化作用和N2O排放在一定程度和范围内影响库区氮循环,对其进行研究具有重要意义。  论文以三峡库区消落带土壤为研究对象,根据三峡库区消落带的特点,采用乙炔-抑制培养法在室内研究了水分、温度、氮源及碳源等因素对消落带土壤反硝化作用及N2O排放的影响;采用乙炔-抑制原状土柱法,原位研究三峡库区典型消落带土壤反硝化作用及N2O排放的季节性变化特征,探讨了不同土地利用方式和不同高程消落带土壤反硝化作用及N2O排放特征,分析了不同环境影响因素对消落带土壤反硝化作用及N2O排放的影响;进一步采用乙炔-抑制培养法在室内研究了三峡库区不同流域和不同土壤类型消落带土壤反硝化潜势,本文的主要研究结论如下:  (1)土壤温度是消落带土壤反硝化作用及N2O排放的重要环境影响因素,温度升高对土壤反硝化作用及N2O排放具有显著促进作用。相对于N2O排放速率,温度对反硝化速率的促进作用更为明显。温度由10℃上升至40℃时,N2O/(N2O+N2)比值减小,表明随着温度的升高气态产物中N2含量升高,这可能是因为温度升高使反硝化作用进行的更为彻底。含水量是消落带土壤反硝化作用及N2O排放的重要影响因素,含水量对土壤反硝化作用有明显促进作用。当土壤含水量介于20%~100%之间时,土壤N2O排放速率随着含水量的升高先增大然后减小,最大N2O排放速率出现在含水量为60%时。含水量为20%时,土壤反硝化作用的主要产物为N2O,随着含水量的上升,反硝化作用的主要产物为N2。  (2)当外加氮源添加量介于0~120 mg·kg-1之间时,消落带土壤反硝化速率及N2O排放速率的变化不是十分明显,表明在本研究条件下氮源并不是消落带土壤反硝化作用及N2O排放的主要影响因素。碳源是土壤反硝化作用的重要影响因素,外加碳源会明显促进土壤反硝化作用,然而对土壤N2O排放速率的影响不太明显。与添加葡萄糖相比,添加乙酸钠时土壤反硝化速率相对更高,表明乙酸钠更易于被反硝化细菌利用。外加碳源时土壤反硝化作用的气态产物主要为N2。  (3)研究区域消落带土壤N2O排放速率和反硝化速率具有明显的时空差异,农耕区消落带土壤N2O排放速率均值为23.71±31.61 g N·hm-2·d-1,为人工植被恢复区土壤N2O排放速率均值的3.48倍,农耕区反硝化速率均值为105.51±126.60 g N·hm-2·d-1,为人工植被恢复区反硝化速率均值的5.39倍,二者反硝化速率差异显著(p<0.05)。160m高程和170m高程消落带土壤N2O排放速率和反硝化速率差异不显著(p>0.05),但160m高程消落带土壤反硝化作用相对较强。三峡库区消落带的土地利用方式对消落带土壤N2O排放和反硝化作用有重要影响,而耕种等人类活动可显著提高消落带N2O排放量和反硝化损失量。  (4)相关性分析表明,农耕区消落带N2O排放速率与土壤温度和Eh存在显著正相关(p<0.05),其反硝化速率与土壤温度存在正相关关系,表明消落带土壤N2O排放和反硝化作用受土壤温度影响明显。新政和共和消落带N2O/(N2O+N2)数值介于0.09~0.52之间,表明N2为该研究区域消落带土壤反硝化作用的主要产物,但高阳等部分区域的N2O/(N2O+N2)数值相对较高,因此消落带土壤N2O排放也不容忽视。  (5)不同区域消落带土壤反硝化潜势具有显著性差异。不同流域消落带土壤反硝化潜势大小依次为:澎溪河流域>甘井河流域>长江干流>大宁河流域。N2O排放速率大小依次为:澎溪河流域>大宁河流域>长江干流>甘井河流域。不同土壤类型消落带反硝化潜势大小依次为:冲积潮土>紫色土>黄壤,不同类型消落带土壤N2O排放速率大小依次为:冲积潮土>黄壤>紫色土。不同区域、不同流域和不同土壤类型消落带反硝化潜势及N2O排放速率的差异,可能是因为消落带不同土地利用方式及不同土壤类型所导致的。不同类型土壤的颗粒结构不同所导致的pH值、Eh及通气性及营养物等因素的差异,对消落带土壤反硝化潜势及N2O排放有一定影响。
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