垦殖对湿地土壤有机碳垂直分布及可溶性有机碳截留的影响

通过测定和计算兴凯湖地区沼泽湿地及由其垦殖而来的旱田和水田土壤剖面有机碳含量和密度及土壤剖面不同深度土壤溶液中可溶性有机碳含量,分析了垦殖对兴凯湖周边沼泽湿地土壤有机碳垂直分布及土壤剖面截留可溶性有机碳的影响.结果表明,垦殖显著影响湿地0～40 cm土壤有机碳含量,大豆田和水稻田0～10、10～20、20～30、30～40 cm土壤有机碳含量与湿地相比分别降低了79.07%和82.01%、79.01%和82.28%、79.86%和92.90%、37.49%和78.05%;40 cm以下土层土壤有机碳含量垦殖前后差异不显著.大豆田和水稻田有机碳密度相比沼泽湿地分别降低了25.50%和47.35%,但三者1 m深土壤中大部分的有机碳均是储存在0～50 cm土层中.垦殖前后土壤有机碳含量与深度之间的关系均可用指数函数来描述,垦殖改变了土壤有机碳含量但并未改变其随土壤深度的变化规律.垦殖为大豆田土壤剖面对可溶性有机碳的截留效果较湿地和水稻田更明显,沼泽湿地和水稻田对可溶性有机碳的截留效果大致相当.     

垦殖方式对小叶章湿地表土团聚体有机碳分布的影响

研究了2种垦殖方式对三江平原小叶章湿地表土团聚体及其有机碳分布的影响.结果表明,垦殖后,粒径>0.25mm的大团聚体呈降低趋势,大豆田中0.053~0.25mm微团聚体增加;水稻田中主要增加的是1mm及0.053~0.25mm团聚体有机碳含量降幅均呈现大豆田大于水稻田,水稻田>大豆田,小叶章湿地>大豆田>水稻田.水稻田比大豆田土壤有机碳储量稍高,但其微团聚体有机碳储量及其占土壤有机碳储量的比例低于大豆田,开垦为大豆田比开垦为水稻田有利于土壤有机碳长期存留.     

淡水沼泽湿地CO2、CH4和N2O排放通量年际变化及其对氮输入的响应

利用静态暗箱-气相色谱法自2002～2004年连续3a观测了三江平原淡水沼泽湿地CO2、CH4和N2O 3种主要温室气体排放特征及外源氮素输入条件下温室气体通量的变化.结果表明,三江平原CO2、CH4和N2O 3种主要温室气体排放具有明显的季节及年际变化规律.其中生态系统呼吸CO1排放的最大值[779.33～965.40 mg·(m·h)-1]出现在7、8月份,CH4通量最大值[19.19～30.52 mg·(m·h)-1]出现在8月,N2O通量最大值[0.072～0.15 mg·(m·h)-1]出现在5月和9月,3种温室气体通量最小值CO2为2.36～18.73 mg·(m·h)-1;CH4为-0.35～0.59 mg·(m·h)-1;N2O为-0.032～-0.009 mg·(m·h)-1大都出现在冬季,且冬季淡水沼泽湿地表现为N2O的吸收.对气候因子的分析发现,温度条件是影响淡水沼泽湿地温室气体排放通量季节性变化的主要因子,而降水和积水水位变化是影响其排放年际变化的关键因素,特别是降水对CH4排放通量的影响较其它2种温室气体更显著,且冬季雪融水对夏季CH4的排放起重要作用.CO2和CH4排放与土壤温度(5cm)呈显著的指数相关关系,而N2O排放通量与土壤温度和水深相关性不显著.氮输入促进了三江平原CO2、CH4和N2O3种主要温室气体的排放,与对照处理相比,其排放通量分别升高了34%,145%和110%.     

沼泽湿地开垦后土壤水热条件变化与碳、氮动态

三江平原沼泽湿地的垦殖对土壤环境产生了一定的影响.沼泽湿地开垦前,6～9月湿地表层土壤(10cm)温度均值为12.72℃±4.12℃,明显低于垦后农田(16.71℃±3.81℃).湿地垦殖后土壤温度的增高及氧化-还原条件的改变,促进土壤有机质的分解和土壤呼吸通量的增大, 垦后农田8～9月土壤平均呼吸通量[(946.36±195.78)mg·(m²·h)^-1]是天然沼泽湿地[(153.75±82.59)mg·(m²·h)^-1]的6倍.土壤有机碳及氮素含量随湿地开垦及开垦年限的增加而降低,沼泽湿地开垦初期5～7a,土壤有机碳及其它营养元素的含量变化幅度较大,持续耕作15～20a后,土壤有机碳损失曲线趋于相对稳定值.土壤有机质输入量的减少及分解作用加强导致土壤持水量降低,其变化趋势与土壤有机碳损失趋势相一致.     

三江平原土地利用方式变化对土壤锰形态影响

在充分调查三江平原不同土地利用方式下土壤中锰含量及其形态分布特征的基础上,探讨了环境因子与土壤中不同锰形态的关系,以揭示锰形态变化对土地利用变化改变的响应.湿地土壤中总锰(Mntot)含量处于较低水平.不同土地利用方式下,林地土壤中Mntot要高于湿地和农田.湿地垦殖为旱田,土壤Mntot有增加趋势;湿地垦殖为水田,土壤Mntot有减少趋势.三江平原土壤中锰主要以残渣态(Mnres)和可还原态(Mnred)为主,可交换态(Mnext)与可氧化态锰(Mnoxi)含量次之.湿地、旱田及水稻田这3种土地利用方式下,土壤中可氧化态锰含量占总锰比例差异显著.湿地垦殖方向不同,对土壤中可氧化态锰影响最大.三江平原土壤中Mntot及不同锰形态含量主要受到土壤中S、pH、DOC这3种环境因子影响.     

1980~2015年东北沼泽湿地景观格局及气候变化特征

东北地区是我国沼泽湿地的主要分布区,了解东北沼泽湿地景观格局及气候变化特征对东北地区沼泽湿地研究及区域沼泽湿地生态系统保护具有重要意义。本文利用东北地区沼泽湿地分布数据集及1980~2015年东北地区年均气温、年均降水量数据集,分析东北地区沼泽湿地景观格局及气候变化特征。研究结果表明,近36年,东北地区沼泽湿地退化显著,但沼泽湿地斑块数量明显增多。1980~2015年东北沼泽湿地面积减少了30.81%,斑块数量增加了69.76%,景观破碎度指数增加了0.15,沼泽湿地退化特征体现为湿地斑块的破碎化。在东北不同的生态功能区,沼泽湿地退化及斑块破碎化均非常明显,其中,三江平原沼泽湿地面积在1980~2015年减少了高达53.27%,内蒙古东部及大兴安岭沼泽湿地破碎化程度最大,湿地斑块数量在近36年分别增加了163.80%和119.51%。在气候变化方面,东北沼泽湿地年均气温在1980~2015年总体呈现显著升温趋势（P<0.05）,气温上升幅度为每十年上升0.29℃。在降水变化方面,东北沼泽湿地年均降水量在1980~2015年总体呈现下降趋势（-5.70 mm/10a）,但下降趋势并不显著（P>0.05）;在不同生态功能区,辽河平原沼泽湿地年均降水量在1980~2015年呈现显著的下降趋势（-29.50 mm/10a）,而其他生态功能区降水变化并不显著。     

三江平原泥炭沼泽湿地N2O排放通量及影响因子

运用静态暗箱-气相色谱法观测了三江平原毛苔草泥炭沼泽湿地植物生长季N2O排放通量,并分析了其关键影响因子.结果表明:生长季N2O排放通量季节变化动态明显,最大值出现在7月上旬;平均排放通量为76.77μg/(m2·h),高于潜育沼泽湿地[20~60μg/(m2·h), 2002~2005].N2O排放通量与土壤温度存在极显著指数关系(P<0.01),且随土壤深度(土壤10cm以下)的增加相关关系逐渐减弱;与水位呈极显著负相关关系(P<0.01);另外,植被是影响N2O排放的主要生物因子,有植被参与的N2O排放是无植被的1.7倍.总之,水位和土壤温度是控制泥炭沼泽N2O排放呈明显季节变化的主要因素,而土壤水文物理特性的差异是引起泥炭沼泽N2O排放高于潜育沼泽的主要原因.经初步估算,三江平原泥炭沼泽每年植物生长季N2O排放总量约为72.9Mg,表明泥炭沼泽湿地在生长季是重要的N2O潜在排放源.     

沼泽湿地N2O通量特征及N2O与CO2排放间的关系

对三江平原淡水沼泽湿地进行了连续4年的野外原位观测.结果表明,沼泽湿地冬季是N2O的汇,但从全年来看,仍为N2O排放的源.5～8月是N2O排放的主要时期.土壤温度是影响N2O通量季节变化的重要环境因素,生长季内的积水水位和土壤温度则会影响到N2O通量的年际变化;沼泽湿地N2O与CO2排放间相关性显著,促使二者间产生这种内在联系的因素包括温度、植物根系的作用、有机质分解的联系作用以及植物气孔行为的调节.     

湿地垦殖对土壤微生物量及土壤溶解有机碳、氮的影响

对三江平原天然沼泽湿地及湿地垦殖后的农田、弃耕还湿地、人工林地等不同土地利用方式下表层土壤(0～10cm)的活性碳、氮组分:微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、溶解有机碳(DOC)、溶解有机氮(DON)进行了研究.结果表明,天然小叶章沼泽湿地垦殖为农田后,表层土壤各活性碳、氮组分显著降低:MBC减少了63.8%～80.5%; MBN减少了56.3%～67.1%; DOC减少了43.1%～44.3%; DON减少了25.2%～56.1%.农田弃耕还湿和人工造林后表层土壤的活性碳、氮组分有明显恢复的趋势,各组分恢复到天然小叶章湿地土壤水平的36.1%～59.9%(MBC);46.7%～65.9%(MBN);67.0%～69.3%(DOC);81.2%～88.3%(DON),土地利用方式是影响土壤MBC、MBN、DOC、DON变化的重要因素;各土地利用方式表层土壤的DOC、DON、MBC、MBN呈显著的正相关关系,土地利用方式对表层土壤DOC的影响大于对DON的影响;各土地利用方式下土壤微生物可利用碳、氮的来源不同是影响DOC、DON与MBC、MBN相关性差别明显的主要原因.     

大九湖亚高山泥炭湿地潜热通量特征及其对环境因子的响应

潜热通量的时空变化规律是分析和探讨湿地生态系统能量交换的前提和基础。基于涡度相关技术对大九湖亚高山泥炭湿地潜热通量进行为期一年的连续观测,研究潜热通量在多个时间尺度下的变化规律,计算年间潜热通量总量,通过逐步回归分析初步建立逐步回归方程,并使用主成分分析方法把环境因子归类排序,更深刻地认识大九湖亚高山泥炭湿地生态系统的能量特征。结果表明:①2017年大九湖亚高山泥炭湿地潜热通量总量为836.54 kW/m~2,其中1月潜热通量总量最低,7月潜热通量总量最高;湿地夏季日均蒸发分数最大,为55%,冬季日均蒸发分数最小,为22%。②湿地春夏秋3季潜热通量日均变化整体呈单峰型变化,其变化模式与净辐射类似,且主要表现为正值,表明水汽由空气向湿地输送;湿地冬季潜热通量日均波动程度较小且负值较多,表明湿地冬季水热交换弱,水汽主要由湿地向空气输送,湿地白天的潜热通量变化与饱和水汽压差的变化更相似,具有不断波动的变化趋势。③湿地潜热通量与所选环境因子相关性的拟合效果较好:温度越高,湿地潜热通量对净辐射和饱和水汽压差的响应越强;温度越低,饱和水汽压差的波动越大,与湿地潜热通量的相关性越差。该研究结果可为亚高山类湿地的能量循环及水热交互研究提供基础依据。     

华北平原冬小麦生长期典型农田热、碳通量特征与过程模拟

以位山试验站典型农田为对象,利用位山站2005-10-10～2006-06-10日的实验观测数据,探讨了冬小麦整个生长期农田的热、碳通量特征,并运用SiB2(simple biosphere model Version2)模型对热、碳通量进行了模拟分析,结果表明,农田的热、碳通量在冬小麦生长过程中表现出明显的日变化,这些通量的最大值基本出现在正午前后;热、碳通量的日际变化也较明显,其中净辐射与潜热通量在冬小麦不同生长期表现为:越冬期拔节抽穗期灌浆成熟期;感热通量表现为:拔节抽穗期灌浆成熟期越冬期;而CO2通量为:越冬期灌浆成熟期拔节抽穗期.对以上通量及地表温度的模拟表明,SiB2模型能较好地模拟冬小麦生长期中农田热、碳通量及地表温度,净辐射、潜热通量、感热通量、CO2通量与地表温度的模拟值与观测值的一致性较好,线性相关系数R2分别达0.985、0.637、0.481、0.725、0.499与0.877,其中感热通量与CO2通量模拟偏差较大.另外,按冬小麦生长期分阶段对农田以上分量模拟结果表明,SiB2模型在冬小麦拔节抽穗期模拟效果最好,并发现模型对叶面积指数敏感.     

三江平原农田夜间呼吸的涡度相关法和箱法观测比对

2004年和2005年作物生长季,分别在三江平原水田和旱田,利用涡度相关法(EC)和暗箱-气相色谱法(DC-GC)开展了夜间生态系统呼吸比对实验.结果表明,湍流交换充分时2种方法观测数据没有显著性差异,并在选取更高摩擦风速下EC数据后,二者数据一致性得到进一步提高;EC观测的夜间呼吸与箱法模型的结果差异显著(p＜0.001),并因为EC数据本身巨大的变异性而与箱法模型结果的线性相关很弱(水稻田:R2=0.06;大豆地:R2=0.23),但在较长时间域内合计数据则可以明显地提高两者的线性相关(水稻田:R2=0.16;大豆地:R2=0.75).无论是与DC-GC观测数据比较,还是与其模型结果比较,EC观测的夜间呼吸都比DC-GC法低4%～30%,并且低估程度随季节变化而变化,在生长初期和晚期低估程度最小,而在生长旺期低估程度最大.     

松嫩平原玉米带农田表层土壤有机碳储量和固碳潜力研究

农田土壤有机碳储量和固碳潜力是陆地碳循环和全球气候变化研究中的一个重要问题。论文基于第二次土壤普查数据和实地取样数据,利用土壤类型法估算松嫩平原玉米带农田表层土壤有机碳储量,分析4个县市(德惠市、九台市、农安县、公主岭市)农田表层土壤碳库的饱和水平和固碳潜力,比较旱田与水田土壤固碳潜力的差异。结果表明,1980-2005年间,松嫩平原玉米带农田土壤有机碳储量增加了7.20 TgC。各县市农田土壤碳库的饱和水平以德惠市最大,为4.11 kgC·m^-2,九台市次之,公主岭市最低,为3.14 kgC·m^-2。假设在1980年土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下,估算得到松嫩平原玉米带农田土壤的固碳潜力为8.17 TgC。从单位面积固碳潜力看,九台市最高,为0.77 kgC·m^-2,农安县次之,德惠市和公主岭市均低于松嫩平原玉米带。松嫩平原玉米带旱田和水田土壤碳库的饱和水平基本持平。     

三江平原水田灌溉-排水过程中铁形态变化及输出贡献

采集三江平原农田灌溉地下水、稻田积水、渠系排水、土壤侧渗水,并采用切向超滤技术分离水体中不同形态铁,分析在灌溉排水及地下侧渗水中铁的迁移特征,并估算水田排水中铁的输出贡献.结果表明,在灌溉排水过程中,铁主要以低分子量形态和酸性不稳定形态迁移,地下水中Fe2+含量占可溶态铁的80.45%;地下水抽取到稻田后Fe2+含量显著降低,络合态铁含量升高,稻田积水中络合态铁占可溶态铁的75.50%;稻田积水排入渠系后,络合态铁中不稳定弱配位铁含量降低13.58%,其他铁形态变化不大.稻田积水通过地下侧渗进入渠系,随侧渗水体深度加深,Fe2+含量升高,络合态和胶体态铁含量降低,地下侧渗水向渠系水主要提供络合态和胶体态铁.三江平原湿地水田化改变了水体中铁的输出形态,同时,排水过程中铁的输出也对河流形成补给,水田灌溉排水过程可溶态铁的输出通量约为390kg.a-.1km-2,输出系数为0.186,灌溉-排水过程中残留在稻田土壤中铁的量约为1460kg.a-.1km-2,残留在排水渠系土壤中铁的量约为250kg.a-.1km-2,这对三江平原水土环境产生了深远影响.     

三江平原不同土地利用方式下土壤锰含量研究

通过对比分析三江平原典型的小叶章湿地、玉米地、水稻田、人工杨树林和岛状林土壤中锰（Mn）含量,研究了不同土地利用方式下土壤Mn分布特征及影响因素.结果表明,三江平原土壤Mn含量范围为107.73～2 798.99 mg.kg-1,平均为403.24 mg.kg-1,处于较低的水平.不同利用方式下土壤中Mn含量差异显著（F=9.272,P〈0.001）,表现出岛状林〉人工杨树林〉玉米地〉小叶章湿地〉水稻田的规律;总体上由表层至底层,各层土壤Mn含量表现为玉米地〉小叶章湿地〉水稻田,岛状林〉人工杨树林的规律,表明湿地开发为旱田后,土壤Mn将聚集,而开发为水田后,土壤Mn则流失.相关性分析表明,土壤中Mn含量与pH呈显著的负相关系（r=-0.279,P〈0.05）,Mn与S含量（r=0.383,P〈0.01）和可溶性有机碳含量（r=0.244,P〈0.05）呈显著的正相关关系,而与土壤有机质（SOM）和有效硫（Sa）含量相关性并不显著.环境因子的改变,可能是通过改变Mn的赋存状态而影响到土壤Mn含量.     

基于Landsat影像的鄱阳湖平原水稻主产区水稻熟制动态监测

鄱阳湖平原是我国重要的粮食生产基地,是华中单/双季稻作带,是基于遥感监测水稻多熟种植的典型区域。动态监测区域水稻熟制时空格局,对评估耕地利用强度、增强粮食供给功能以及保障国家与地区粮食安全具有重要意义。论文以鄱阳湖平原水稻主产区为例,首先结合水稻物候历、多年月均降水和Landsat影像云量特征,利用Landsat-5/7/8 TM/ETM+/OLI影像数据,在目视解译水田分布的基础上,基于合适时间窗口影像监测了主产区2005年和2013年水稻熟制变化格局;其次,通过农户访谈和调查问卷（677份）收集了主产区水稻种植及熟制变化的相关信息。研究表明：1）9月中旬到10月上旬是判别鄱阳湖平原单/双季稻的合适时间窗口。主产区9-10月处于少雨期,平均降水占全年的4%;云量覆盖小于等于10%的Landsat影像占20%,共484景,其中,9-10月占27%。2）2005-2013年,主产区水田面积减少2.68%,但复种指数增加9.0%,其中,单季稻减少1 061.35 km²,双季稻增加1 564.45 km²;2013年单季稻种植面积为4 795.63 km²,双季稻为11 617.13 km²,水稻复种指数为156.7%。3）空间上,双季稻主要分布在赣江河口三角洲、信江河口三角洲,而单季稻集中在鄱阳湖湖汊周边及市县（区）周围,总体上以赣江-饶河一线为界,界线以北以单季稻为主,以南则以双季稻为主。4）近3成受访农户近5 a调整了水稻熟制,其中“双改单”和“单改双”分别为14.2%和10.8%。另有4成多受调查县域存在主动弃耕现象,研究区弃耕或耕地他用比例占4.9%。     

不同水分管理方式下水稻生长季N2O排放量估算：模型验证和输入参数检验

利用2005～2007年我国稻田N₂O排放通量的田间原位测定资料和国际上其它地区稻田N₂O报道结果,对作者建立的不同水分管理方式下水稻生长季N₂O排放估算模型进行了验证. 结果表明,持续淹水稻田N₂O排放的拟合结果与其他地区淹水稻田N₂O通量值相一致. 淹水-烤田-淹水的水分管理方式下,稻田N₂O排放的拟合值接近于国际上同类研究结果. 淹水-烤田-淹水-湿润灌溉的水分管理方式下,稻田N₂O排放的估算模型对田间原位测定资料有很好的适切性. 为了检验模型输入参数的可信度,将本研究建立的有关我国水稻生产的相关资料数据库与以往研究报道结果进行了比较,结果表明,两者具有高度的一致性. 数据库资料表明,在20世纪50～70年代间,持续淹水稻田占20%～25%,大约75%～80%的稻田采用淹水-烤田-淹水的水分管理方式. 在20世纪80～90年代间,采用持续淹水,淹水-烤田-淹水和淹水-烤田-淹水-湿润灌溉水分管理方式的稻田分别约占12%～16%、 77%和7%～12%. 20世纪50年代水稻生长季平均每季总施氮量为87.49 kg·hm^-2,而90年代平均为224.64 kg·hm^-2. 其中,化学氮肥的施用量从20世纪50年代的37.4 kg·hm^-2增加到了90年代的198.8 kg·hm^-2,分别占水稻生长季氮输入总量的43%和88%. 在20世纪50～70年代间有机氮的输入量相对比较稳定,平均变幅在45.2～48.2 kg·hm^-2之间,随后逐步降低,有机肥料氮占氮输入总量的比例从20世纪50年代的52%降低到了90年代的9%. 作物残体N输入量从20世纪50年代的4.9 kg·hm^-2增加到了80年代的6.3 kg·hm^-2. 20世纪50～70年代水稻生长季氮肥施用量具明显的空间变异性,而80～90年代间其空间变异较小. 模型验证和输入参数检验的结果表明,该模型能较好地模拟我国不同水分管理方式下的稻田N₂O直接排放量.     

江汉平原农田土壤有机碳分布与变化特点:以潜江市为例

以地处江汉平原腹地的潜江市农田土壤(水田、旱地)为研究对象,于2011年实地采样分析表层土壤(0~20 cm)有机碳的分布现状,并对比第二次土壤普查(1983年)资料,探讨28 a来江汉平原农田土壤有机碳的分布与变化特点.结果表明,2011年潜江市农田表层土壤有机碳密度为30.50 t·hm-2,碳储量为452.82×104t,与1983年相比有明显下降,下降速率分别为0.10 t·(hm2·a)-1和1.53 t·a-1,碳储量共损失了9%.两个时期水田土壤有机碳密度均明显高于旱地土壤,分别是旱地土壤的1.6倍和1.3倍,但是经过28年的常规耕作管理,水田土壤有机碳密度呈下降趋势,下降速率为0.23 t·(hm2·a)-1,导致的有机碳损失为52.83×104t,损失比例达16%;而旱地土壤有机碳则以0.05 t·(hm2·a)-1的速率缓慢增长,碳储量共增加了8.57×104t,增加比例为5%,远不能抵消水田土壤的有机碳损失.水田土壤碳储量的损失主要来自于低产潜育型水稻土碳密度的大幅下降所致(尽管其所占面积比例较小),其碳损失量占水田碳损失量的比例达80%;其次为占水田面积比例最大的潴育型水稻土,其碳损失量占水田碳损失量的15%.旱地土壤碳储量增长缓慢,完全来自于面积占96%的灰潮土有机碳密度的增长.因此,江汉平原区水田土壤有机碳的变化决定了农田土壤有机碳的整体动向,今后需着力提升有机碳下降迅速的低产水田以及面积较大的土壤类型的有机碳积累和固持能力.