增温及模拟酸雨对农田土壤碳氮循环关键过程的影响研究

Global warming and acid rain are currently two important atmospheric environmental problems. Soil CO2 production rates, soil respiration, nitrification and denitrification are key processes of soil carbon and nitrogen cycles in farmland. Previous studies have indicated that warming and acid rain would affect soil microorganisms, soil physicochemical properties and crop growth, which are key controls of soil CO2 production rates, soil respiration, nitrification and denitrification. Therefore, warming and acid rain may influence these key processes of soil carbon and nitrogen cycles in farmland. In this study, two-factor (warming and simulated arid rain) split-plot designs are planned to be used. Seasonal and interannual variations in the rates of soil CO2 production, soil respiration, nitrification and denitrification under different treatments will be measured. Relevant soil and crop characteristics will also be measured. We aim to investigate the effects (particularly for the long-term effects and the coupling effects of two factors) of warming and acid rain on soil CO2 production rates, soil respiration, nitrification and denitrification and the mechanisms of the effects.

全球变暖和酸雨是当今重要的大气环境问题。土壤CO2产生速率、土壤呼吸作用、土壤硝化-反硝化作用是农田土壤碳氮循环的关键过程。由于农田土壤CO2产生速率、土壤呼吸、硝化-反硝化作用与土壤微生物、土壤理化性质及作物生长有关，而增温及酸雨又会影响土壤微生物、土壤理化性质及作物生长，因而增温及酸雨可能会对农田土壤CO2产生速率、土壤呼吸、硝化-反硝化作用产生影响。在本研究中拟设置增温及模拟酸雨的2因素田间裂区试验，观测不同处理下农田土壤CO2产生速率、土壤呼吸速率、土壤硝化速率及反硝化速率的季节变异和年际间变异规律，并测定相关土壤和作物指标，研究增温及模拟酸雨对农田土壤碳氮循环关键过程的影响规律和影响机制。

为研究增温及模拟酸雨对农田土壤碳氮循环关键过程的影响，设置冬小麦‒大豆轮作的田间试验，观测土壤呼吸、环境因子、与土壤碳氮转化有关测关键酶。结果表明，在2013-2014、2014-2015、2015-2016这3个轮作年，不同处理的农田土壤呼吸速率存在相同的季节变异规律，其季节变异与土壤温度的变异具有一致性。增温促进了农田土壤呼吸作用，而高强度模拟酸雨（pH 2.0）抑制了农田土壤呼吸作用，低强度模拟酸雨（pH 4.0）对土壤呼吸作用无显著影响。在2014大豆生长季，模拟酸雨抑制了脲酶和转化酶活性，并促进了过氧化氢酶活性。在2014-2015冬小麦生长季的返青期，增温处理促进了土壤脲酶活性；模拟酸雨对土壤脲酶活性无显著影响。增温提高了越冬期和返青期的土壤转化酶活性；模拟酸雨处理抑制了越冬期和返青期的转化酶活性。模拟酸雨抑制了越冬期的土壤过氧化氢酶活性。在2015大豆生长季的三叶期，增温促进了脲酶活性。增温抑制了三叶期和分枝期的土壤转化酶活性，但促进了三叶期的过氧化氢酶活性。我们还通过数据集成分析的方法研究了全球土壤呼吸时空变异与气候、土壤、植被因子的关系，结果表明，年平均温度、年降水量、表层（0-20 cm）土壤有机碳储量（SOC）与土壤呼吸的相关性最显著。年土壤呼吸量与叶面积指数具有弱相关性，与总地下碳分配的相关性极显著，与净初级生产力之间呈极显著的线性回归关系。全球年土壤呼吸量从1960-1968年的93.97 Pg C yr-1增加到2000-2008年的94.98 Pg C yr-1，增加了大约1 Pg C。通过实施本项目，发表了21篇论文，其中9篇SCI论文。