苏北滩涂围垦后不同土地利用方式对土壤有机碳的影响文献综述

 2022-07-18 10:07

滩涂围垦后不同土地利用方式对土壤有机碳的影响

湿地是全球的重要碳汇,其碳储量约占世界土壤有机碳总量的20%~25%,对全球碳平衡有着重要贡献。滨海滩涂的开发利用会极大地改变湿地碳循环的路径与模式。从大尺度来讲,这一改变会显著改变全球碳收支过程与平衡,影响全球气候变化。从小尺度来讲,滩涂土壤围垦过程中的有机碳变化过程也是滩涂土壤质量变化的重要内容,这一过程对于区域粮食生产、农户行为偏好与决策有重 要影响,甚至是决定性的影响。但是众所周知,土壤碳循环过程也具有极强的变异性,极易受到来自外界环境因子的干扰。而人类围垦行为使滨海湿地生态系统在短期内发生快速转变,由自然盐沼湿地生态系统向农林业生态系统转变。这一转变过程中必然会引起滩涂物理—化学—生态环境的变化,进而改变原有土壤碳循环的路径和模式,导致土壤碳素在封存和释放过程中发生根本性的变化,最终影响盐沼湿地原有的碳库功能角色。因此,探讨滩涂围垦后不同土地利用方式对土壤有机碳变化以及全球碳循环的影响是一个不容忽视的科学问题。

  1. 研究意义

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,约是全球生物圈和大气圈碳库总和的两倍,土壤有机碳库在全球碳循环中具有重要作用。土壤有机碳储量的变化将直接影响到全球的碳平衡,进而会影响到全球气候的改变。滨海滩涂湿地是介于海洋与陆地生态系统的过渡地带(曹磊等, 2103),对全球碳平衡有着重要贡献。根据已有的统计数据,目前全球滨海盐沼湿地面积达2.2times;104~4times;105 km2,年均固碳速率为44.6 Tg/a,单位面积固碳效率达到(210plusmn;20)g C/(m2·a),远大于泥炭湿地(Chmura et al., 2003),是一个重要碳源(Carbon sink) (Howe et al., 2009; Zhang et al., 2010)。尽管全球湿地面积仅占陆地面积的4% ~ 6%,但是其碳储量却占陆地碳库的12% ~ 20%,比农业生态系统、温带森林生态系统以及热带雨林生态系统储量都高(曹磊等, 2103)。湿地土壤碳平衡的小小改变都可能显著影响到大气碳浓度的变化,在全球碳循环以及气候变化中起着重要作用(Mcleod et al., 2011; 杭子清等, 2014)。

滨海滩涂湿地有机碳库作为湿地碳库系统的一部分,既具有陆地生态系统碳循环所关注的土壤、植被与人类活动等核心影响要素,也具有海洋碳库所具备的水文潮汐系统以及沉积与埋藏条件,是目前各生态系统碳库水平较为特殊的类型。但是,由于近百年来人类对于粮食安全与经济发展的需要,滨海滩涂成为人类围垦开发的主要区域,包括水产养殖、围堤、港口、耕地、建设 用地等(李建国等, 2015),在这一过程中,一方面改变了土壤的基本理化性质,另一方面也加速滨海滩涂湿地土壤有机碳库的变化(Li et al., 2014)。因此,探讨湿地围垦后不同土地利用方式对土壤有机碳动态变化以及全球碳循环的影响是一个不容忽视的科学问题。

  1. 国内外研究进展

2.1沿海滩涂围垦历史及土地利用

沿海围垦通常发生在大河口和高速沉积的沿海地区,如江苏,华东地区。我国华东沿海地区是我国经济发达、人口稠密和土地短缺的区域之一。滨海滩涂作为重要的土地后备资源,滩涂围垦是缓解人地矛盾、促进经济发展和保证粮食安全的重要手段(Li et al., 2014)。欧洲和北美在滩涂围垦方面起步较早,随着欧洲的城市化进程刺激了初级产品的消费,人们开始通过建造堤坝来限制海水的流动来开发海涂土壤,围垦区主要在德国、西班牙(Wolters et al., 2005),其中玉米、土豆和牧草是主要作物(Fernandez et al., 2010),但在20世纪50年代,大部分传统用途被桉树林所取代。但是滩涂围垦导致盐沼湿地生态系统不同程度的退化(如重金属污染、水质恶化、水土流失等),促使人们考虑破堤来回复海涂土壤。东亚的海涂土壤主要位于中国的沿海地区,包括江苏、山东、辽宁、浙江等省和上海市,这些区域的沿海滩涂每年以25 – 30cm的速度向外扩张,围垦滩涂主要用于农业,一小部分(约10%)用于工业和城市的目的(Iost et al., 2007; Li et al., 2013; Sun et al., 2011),在二十世纪后半叶,这些地区已开始通过修筑堤坝而得到发展。我国沿海滩涂围垦由来已久,自十一世纪修建的范公堤以来,已有近千年历史。江苏省是我国拥有滩涂面积最大的省份,全省拥有滩涂总面积近50万公顷(2007年);同时,江苏省也是我国围垦规模和强度最大的省份,近百年来(1900-2010年),江苏省共计围垦土地约63.6万公顷(张欢, 2017)。滩涂围垦初期,以养殖池塘和盐田为主;随着土壤盐度的降低,棉花、水稻、小麦和玉米成为主要作物(Sun et al., 2011)。总的来说,在东亚(发展中国家)天然盐渍土通常是为了农业目的而进行的围垦,可以有效缓解人地矛盾;在欧洲和北美(发达国家),沿海地区的海涂土壤通常又被恢复为天然盐沼,以此来显著促进盐沼生态系统的生物多样性和提供生态服务的能力。

2.2 滩涂围垦后土壤性质变化研究

在耕作、灌溉和施肥等人类活动的作用下,围垦土壤的理化性质肯定会发生变化,如土壤粒径、团聚体、土壤水分和土壤容重等。土壤粒度的不断细化,从细沙(gt;0.025mm)转化为粘土(lt;0.002mm) (Iost et al., 2007);围垦活动会使土壤大团聚体(gt;250 mu;m)占比更高(Kong et al., 2009);含水率围垦后明显下降,原因是堤防减少了水资源,限制了海水的流动(Xiao et al., 2011);土壤容重不断下降(Wissing et al., 2011),可能是由于土壤粒度的变细,和土壤有机质的增加(Wiesmeier et al., 2012a),提高了土壤孔隙度从而导致容重的下降。

复垦后土壤肥力的变化一直受到人们的关注,一般来说,土壤肥力随复垦时间的增加而增加,随SOM和养分元素的积累而增加,土壤盐度下降(Fernaacute;ndez et al., 2010; Sun et al., 2011;Xiao et al., 2011),土壤pH下降(张晶等, 2014),其他元素变化(Cui et al.,2012)。土壤盐度是限制沿海地区作物生产和土地开发的主要因素,盐主要以NaCl和KCl的形式存在(Li et al., 2012; Sparks, 2003),高土壤盐度对作物生长有明显的毒害作用;盐度的毒性作用可以用渗透抑制理论、植物矿物营养失衡理论、盐离子毒性作用理论、氮代谢障碍理论等理论来描述(Guo, 2010),围垦会使土壤盐度下降较快,Iost et al. (2007)等人研究表明提取表层土壤的电导率是5071.8mu;S mminus;1,围垦40年后降至3122.8mu;S mminus;1。以往的研究表明,水稻脱盐比小麦脱盐快(Ding et al., 2001; Guo et al., 2011)。有机质含量随围垦时间的增加而显著增加,可以用施肥、有机残留物积累和田间管理实践形成有机层的事实来解释;这表明土壤正在经历从自然海涂土壤到农业土壤的深刻变化。长期的围垦(农业)可以增加表层土壤的SOM和有机层的深度。围垦对pH值有不同的显著影响,江苏早期围垦时期,pH值一度增加,因为HCO3minus;1和Ca2 的增加和Na 和Mg2 的减少(Chen W. et al., 2000),我们无法确定pH升高的时间,但一般在种植和施肥后pH开始下降,但长期来看,pH还是呈下降趋势(Iost et al., 2007)。

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