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全球气候变暖作为全球变化的主要特征已经成为环境问题的焦点,而二氧化碳(CO2)作为最主要的温室气体已成为研究的热点。据政府间气候变化专门委员会(IPCC)报道,土地利用方式转变已经成为继化石燃料之后的第二大碳排放源,但各种土地利用方式的转变对土壤碳库的影响尚不清楚。中国南方地区水田转变为菜地是一种典型的土地利用方式变化,但是当前国内外研究多集中在1年间蔬菜生态系统的碳平衡,或水田转变蔬菜地多年以后生态系统的碳平衡,缺少对于水田新转换成蔬菜地后生态系统碳平衡变化的连续性研究,也缺少不同蔬菜种类生态系统碳平衡研究,以上研究的缺少极大的影响全球碳循环估算。本研究以土地利用方式转变下碳平衡的变化为切入点,研究亚热带地区水田和水田转换后的菜地碳平衡,以探讨不同土地利用方式下碳平衡的变化及其影响因子,解释不同年际间碳收支差异原因,估算菜地和水田两种土地利用方式的碳平衡,给土地利用方式提供指导。 试验选取中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站6块水田为研究区域,其中3块水田转换成为蔬菜地,每块蔬菜地和水田分别设置3个子处理,施肥不种作物(BL)、种植作物不施氮肥(CK)和种植作物施加氮肥(CN),连续观测3年3种处理的异养呼吸、生态系统呼吸以及土壤的铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、可溶解有机碳(DOC)的变化特征。主要研究结果如下: 1.2013、2014和2015年的水田累积异养呼吸排放量分别为4758.82、3628.61和4720.73kg Chm-2,方差分析三者没有显著差异。研究期间水田异养呼吸的变化范围在-43.09~275.62 mg C m-2 h-1,水稻种植期间淹水时异养呼吸量较低,在水稻种植晒田期间异养呼吸量较大,春季休闲时期异养呼吸较冬季休闲剧烈。2013~2015研究期间,水田异养呼吸在年际间与温度不相关,但是在休闲季节与温度极显著正相关,本研究未发现水田异养呼吸和WFPS、NH4+-N、NO3--N、DOC的显著关系。 2.2013、2014和2015年的菜地累积异养呼吸排放量分别为6174.57、5942.29和4546.49 kg Chm-2,方差分析三者没有显著差异。研究期间菜地异养呼吸的变化范围在7.51~599.12 mg C m-2 h-1,夏季高温时菜地异养呼吸剧烈,冬季低温时异养呼吸微弱。本研究结果表明在观测期内温度均与菜地异养呼吸有极显著的正相关,并未连续的发现WFPS、NH4+-N、NO3--N、DOC与菜地异养呼吸的相关性。在水田转变成菜地后,异养呼吸分别在2013、2014和2015年表现为差异不显著(P=0.056)、极显著差异(P=0.005)、差异不显著(P=0.777)。 3.2013、2014和2015年水田CN累积生态系统呼吸量为13519.48、10210.56和17106.94 kgChm-2,方差分析结果表明年际间均有显著差异,CK的水田累积生态系统呼吸为11818.18、9220.27和9270.56kgChm-2,方差分析CN与CK结果表明在2013和2014年没有显著差异,在2015年存在显著差异。研究期间水田的生态系统呼吸变化范围在-3.59~733.70 mg C m-2 h-1,水田生态系统呼吸在水稻种植期间较为剧烈,且晚稻时期强于早稻时期;在水田的生态系统呼吸在休闲期较为微弱,但是春季休闲会出现较大排放峰。本研究水田的生态系统呼吸连续3年在年际间与温度有极显著的正相关,在2013年观测到与NH4+-N有显著的负相关,其余时候未观测到与WFPS、NH4+-N、NO3--N和DOC的相关性。 4.2013、2014和2015年菜地的CN累积生态系统排放通量为10530.72、14766.24和9825.25 kgChm-2,方差分析2013年和2015年没有显著差异,但都和2014年有显著差异;CK的生态系统累积排放量为7943.38、13849.80和8384.27kgC hm-2,方差分析CN和CK仅2013年有显著差异。菜地生态系统呼吸主要受到菜地作物影响,不同作物在生育周期内表现出不同排放强度,红菜苔48.09±4.02 mg C m-2 h-1,辣椒-1(第1季)132.42±13.55 mg C m-2h-1,萝卜-1(第1季)143.22±8.67 mg C m-2h-1,空心菜215.00±14.09 mg C m-2h-1,萝卜-2(第2季)127.70±7.97 mg C m-2h-1,辣椒-2(第2季)120.33±9.17 mg C m-2h-1。方差分析结果表明两季辣椒和萝卜没有显著差异,而红菜苔和辣椒、萝卜以及空心菜有显著差异。研究期间菜地生态系统呼吸与温度有极显著的正相关,在2014年与WFPS有极显著的负相关,在2014与2015年与DOC有显著的正相关。水田转变菜地后,研究期间的2013、2014和2015年在生态系统呼吸上都表现出显著差异。 5.水田在水稻种植期表现为碳汇,而在水稻休闲期则表现为碳源,综合年度观测稻田生态系统表现为碳汇,2013、2014和2015年分别为9.98、12.08和10.46 t Chm-2。 6.菜地生态系统作物包括红菜苔,萝卜-1、萝卜-2和空心菜都变现为碳汇分别为5.99、10.11、6.47和0.11 tChm-2。而辣椒-1和辣椒-2则表现为碳源分别1.84和1.93 t Chm-2。以两季作物作为1年估算菜地碳变化,2013、2014和2015年都是碳汇分别为4.15、10.22和4.54 t Chm-2。 综上所述,水田和菜地因为年际间水热不同和植被的变化会使得年际间的碳平衡存在差异。水田转换成为菜地后减小了生态系统44.9%碳汇,但是选取单位面积内生物量大的作物能够减小这种差异。