气候变化对土壤养分的时空变异性研究开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

自20世纪90年代初以来,全球社会和科学界十分关注全球气候变化对农业生产力及食物安全供应的影响。政府间气候变化委员会指出，全球气候变化下农业生产将受到严重制约，特别是降水变化和水资源短缺会造成农业生产能力的大量削弱。基于这一背景，国内外学者对此进行了大量的科学研究，然而，由于对全球气候变化情景的定量预测仍存在许多不确定性，利用全球模式对区域变化情景的预测可靠性较差。本文基于t-face（temperature-freeairco2enrichment）平台，通过对研究区土壤理化性质和水力学特征、t-face平台运行前后土壤中速效养分的变化规律的研究，分析研究区气候变化条件下土壤水分和养分的物理过程，阐明在未来气候变化的情境下土壤养分含量的变化及其有效性，为进行田间水肥管理等提供科学依据。因此，研究气候变化对土壤水分和养分的影响，在未来气候变化条件下保障作物稳产、高产具有重要的理论和实际意义。

土壤养分是植物生长发育所必需营养元素的主要来源，也是提高农业生产的前提条件。而光、热、水等气候条件，作为农业生产的自然资源，极大地影响了农业生产。近年来，受到气候变化的影响，农业生产中的各环节对自然条件尤其是气候条件(包括温度、降水、风速和大气co2浓度等)和土壤条件(土壤水分及养分状况)具有很强的依赖性。因此，气候变化势必对农业产生重大影响。

气候变化对土壤养分的时空变异性影响研究可用于指导农业生产，另一方面，co2和ch4作为主要的温室气体，很大一部分来源于土壤中碳氮的循环。土壤有机碳和外源有机碳在土壤中的分解与积累决定着土壤对大气co2的源/汇效应。而气候变化通过影响土壤中外源有机碳的输入和土壤有机碳的分解，直接影响土壤有机碳的蓄积和温室气体的排放。农田土壤碳库是全球土壤碳库中较为活跃的部分。大气温室效应加剧了全球气候变化，使得全球土壤科学家开始关注利用农田土壤固定有机碳以减缓温室效应。大量研究结果表明，气候变化会对土壤中氮素的生物地球化学循环产生显著影响。例如，王其兵等[1]认为气候变暖将提高草原草甸土壤氮素的净矿化速率。在南方的高温地区,土壤有机质的分解速度较快,而在北方的寒冷地区则出现相反现象,其养分周转期较长,因此在较寒冷的地区应该侧重于提高有机质的分解速率,使养分得到最大程度的释放,对土壤中的养分进行有效的补充[2]。robinson等[3]发现土壤温度的升高会增强土壤氮素的硝化、反硝化以及矿化作用。ineson等[4]在野外进行原位升温培养试验,利用可升温的装置将表层土壤(0～10cm)温度升高3～5℃,在此期间内土壤硝态氮的含量明显降低,这主要是由于植物的吸收在某种程度上掩盖了部分增加的氮素的净矿化作用,由此得出结论认为温度升高不仅能够提高净氮矿化率,同时还使植物对矿质氮的吸收增加,土壤中的微生物过程很可能与植物养分利用效率有密切关系。气温升高还可能会提高土壤有机质的分解速率,增强植物的蒸腾作用,促使土壤养分向植物根部迁移,从而使土壤养分的分布状况发生改变,最终促进植物的生长[5]。研究表明，温度升高会影响土壤微生物过程,提高土壤酶活性,使氮素的有效性增加,可利用性养分含量的增加又会直接提高植被初级生产力,降低物种丰富度,进而引起土壤养分的重新分配,但是具体的影响机制还不清楚,需要继续深入的探索和研究[6,7]。但也有研究发现增温处理对土壤净氮矿化率和净磷矿化率没有显著影响,对初级净生产力也没有显著的影响,对植被的生长没有产生促进作用[8,9]。morecoftetal在苏格兰高地沿两条不同的海拔样带(气温降水变化)进行土壤氮素矿化原位模拟实验，经过一个作物生长季的培养，发现氮的矿化和确化速率有一定的变化。研究土壤中氮素的分布、转化及其对气候变化的响应与减缓排放措施对于正确理解氮素生物化学地球循环及其对全球变化效应与反馈具有重要的理论和实际意义。作为三大主要营养元素之一，磷素在小麦生长中起着至关重要的作用，它具有调节光合作用的功能，土壤中适宜的磷含量对于作物的光合作用是极其重要的，磷含量过高或过低均不利于作物光合作用的正常进行[10]。气候变化对土壤磷含量变化的影响将包括碳、氮循环在内的其它元素的生物地球化学循环效应[11-12]。人类活动能够较大程度上改变土壤中磷素的循环和平衡。例如，磷肥的大量施用，导致土壤中磷素的大量积累和水体中磷素的富集[13]。

2. 研究的基本内容和问题

1、研究内容：

（1）土壤基本理化性质的测定；

（2）温度和co2浓度两个因素对土壤中n、p、有机质的影响及交互作用；

3. 研究的方法与方案

分别于小麦不同生长季在研究区采取土样，要求不同采样时间的气候之间具有明显差异，可以反映气候的变化，如温度、降雨量。将所采集样品进行一定的处理，并对土样的氮磷进行分析。

1、研究方法：

（1）土壤物理性质的分析项目及方法：

4. 研究创新点

1、揭示气候变化条件下土壤各层次硝态氮、铵态氮的变化规律；

2、探讨气候变化条件下温度、co2浓度与土壤中无机氮素养分的相互作用机理；

3、揭示气候变化条件下土壤各层次速效磷的变化规律；

5. 研究计划与进展

按照小麦生长期采集12个圈中土壤样品，分析土壤养分（硝态氮，铵态氮，速效磷和有机质），根据测定的土壤水分、温度数据和土壤养分的数据，分析大气CO2浓度升高对农田土壤氮磷含量影响；温度升高对农田土壤养分有效性的影响，大气CO2浓度和温度升高条件下，土壤中氮磷含量的变化。(注：小麦11月中上旬播种，越冬后返青，约2月底至3月中旬拔节，4月底至5月初齐穗（扬花），6月中旬成熟。)