Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phát thải CO2 từ đất trong các lưu vực nông nghiệp với agroforestry và dải đệm cỏ có đường viền
Tóm tắt
Tiềm năng của đất nông nghiệp trong việc đóng vai trò như một ổ chứa và lưu giữ carbon (C) hoặc một nguồn phát thải carbon dioxide (CO2) phần lớn phụ thuộc vào hệ thống quản lý nông nghiệp. Sự thiết lập thực vật thường xuyên, như cây trồng và dải đệm cỏ có đường viền, có thể dẫn đến sự tích tụ C trên và dưới mặt đất theo thời gian, do đó đóng vai trò như một ổ chứa CO2 trong khí quyển. Tuy nhiên, tác động của dải cỏ có đường viền và dải cỏ-cây (agroforestry) đối với phát thải CO2 từ đất chưa được nghiên cứu rộng rãi trong các lưu vực trồng cây hàng tại các vùng ôn đới. Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định tác động của agroforestry và dải đệm cỏ có đường viền cũng như vị trí cảnh quan đối với tỷ lệ phát thải CO2 từ bề mặt đất trong ba lưu vực nông nghiệp liền kề với đất có lớp đất sét tại đông bắc Missouri. Ba lưu vực nông nghiệp này được sử dụng theo chu kỳ trồng ngô - đậu nành, bao gồm (1) trồng cây thuần (CR), (2) trồng cây với dải đệm cỏ có đường viền (GR), hoặc (3) trồng cây với dải đệm cỏ-cây (AF). Phát thải CO2 từ bề mặt đất được đo trong suốt mùa vụ năm 2004 tại các vị trí bề mặt địa hình phía trên (UBS), giữa (MBS) và dưới (LBS) trong ba lưu vực. Sản lượng CO2 từ đất tích lũy thấp nhất ở CR (0,9 kg CO2-C m−2) so với AF (1,5 kg CO2-C m−2) và GR (1,5 kg CO2-C m−2). Vị trí bề mặt địa hình phía dưới (1,6 kg CO2-C m−2) trong cả ba lưu vực sản xuất nhiều CO2 tích lũy hơn 32 và 40% so với các vị trí bề mặt địa hình phía trên và giữa, tương ứng. Một nghiên cứu ủ trong 72 ngày xác định tác động của 40, 60, 80, và 100% không gian lỗ rỗng ngậm nước trong đất (WFPS) và tỷ lệ N (0 và 1,39 g KNO3 kg đất−1) đối với phát thải CO2 từ đất khối thu thập ở mỗi hệ thống quản lý. Sản lượng CO2 tích lũy cao nhất trong đất cỏ (1.279 mg CO2-C kg đất−1) so với đất agroforestry (661 mg CO2-C kg đất−1) và đất trồng cây (483 mg CO2-C kg đất−1) bất kể WFPS và tỷ lệ N. Sản lượng CO2 tích lũy cao nhất cho đất cỏ (1.279 mg CO2-C kg đất−1) xảy ra ở 80% WFPS, và cao khoảng 2 đến 2,6 lần so với đất agroforestry và trồng cây ở WFPS 80%. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy rằng các thực hành quản lý bảo tồn, chẳng hạn như dải đệm cỏ và dải đệm cỏ-cây, cũng như vị trí cảnh quan ảnh hưởng đến sản xuất CO2 từ bề mặt đất và sự tích lũy carbon hữu cơ trong đất, điều này có thể ảnh hưởng đến việc lưu giữ carbon trong đất.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Aiken RM, Jawson MD, Grahammer K, Polymenopoulos AD (1991) Positional, spatial correlated and random components of variability and carbon dioxide efflux. J Environ Qual 20:301–308
Berg B, McClaugherty C (2003) Plant litter: decomposition, humus formation, carbon sequestration. Springer, Germany
Beyer L (1991) Intersite characterization and variability of soil respiration in different arable and forest soils. Biol Fertil Soils 12:122–126. doi:10.1007/BF00341487
Blake GR, Hartge KH (1986) Bulk density. In: Klute A (ed) Methods of soil analysis, part 1, physical and mineralogical methods, 2nd edn. American Society of Agronomy, Madiosn, pp 363–375
Blanco-Canqui H, Gantzer CJ, Anderson SH, Alberts EE, Ghidey F (2002) Saturated hydraulic conductivity and its impact on simulated runoff for claypan soils. Soil Sci Soc Am J 66:1596–1602
Bremer DJ, Ham JM, Owensby CE, Knapp AK (1998) Responses of soil respiration to clipping and grazing in a tallgrass prairie. J Environ Qual 27:1539–1548
Brookes PC (1995) The use of microbial parameters in monitoring soil pollution by heavy metals. Biol Fertil Soils 19:269–279. doi:10.1007/BF00336094
Burke IC, Elliott ET, Cole CV (1995) Influence of microclimate, landscape position, and management on soil organic matter in agroecosystems. Ecol Appl 5:124–131. doi:10.2307/1942057
Buyanovsky GA, Kucera CL, Wagner GH (1987) Comparative analyses of carbon dynamics in native and cultivated ecosystems. Ecology 68:2023–2031. doi:10.2307/1939893
Cadisch G, Giller KE (1997) Driven by nature: plant litter quality and decomposition. CAB International, Oxford, 409 pp
Cambardella CA, Elliot ET (1992) Particulate organic matter changes across a grassland cultivation sequence. Soil Sci Soc Am J 56:777–783
Cardon ZG, Hungate BA, Cambardella CA, Chapin FS, Field CB, Holland EA, Mooney HA (2001) Contrasting effects of elevated CO2 on old and new soil carbon pools. Soil Biol Biochem 33:365–373. doi:10.1016/S0038-0717(00)00151-6
DeJong E (1981) Soil aeration as affected by slope position and vegetative cover. Soil Sci 131:34–43
Drury CF, Reynolds WD, Tan CS, Welacky TW, Calder W, McLaughlin NB (2006) Emissions of nitrous oxide and carbon dioxide: influence of tillage type and nitrogen placement depth. Soil Sci Soc Am J 70:570–581. doi:10.2136/sssaj2005.0042
Dugas WA (1993) Micrometeorological and chamber measurements of CO2 flux from bare soil. Agric Meteorol 67:115–128. doi:10.1016/0168-1923(93)90053-K
Freney JR (1997) Emission of nitrous oxide from soils used for agriculture. Nutr Cycl Agroecosyst 49:1–6. doi:10.1023/A:1009702832489
Gale WJ, Cambardella CA (2000) Carbon dynamics of surface residue and root derived organic matter under simulated no-till soil. Soil Sci Soc Am J 64:190–195
Garrett HE, McGraw RL (2000) Alley cropping practices. In: Garrett HE, Rietveld WJ, Fisher RF (eds) North American Agroforestry: an integrated science and practice. American Society of Agronomy, Madison, pp 149–188
Gold MA, Rietveld WJ, Garrett HE, Fisher RF (2000) Agroforestry nomenclature, concepts, and practices for the USA. In: Garrett HE, Rietveld WJ, Fisher RF (eds) North American Agroforestry: an integrated science and practice. American Society of Agronomy, Madison, pp 63–77
Hanson PJ, Edwards NT, Garten CT, Andrews JA (2000) Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: a review of methods and observations. Biogeochemistry 48:115–146. doi:10.1023/A:1006244819642
Herbert BE, Bertsch PM (1995) Characterization of dissolved and colloidal organic matter in soil solution: a review. In: McFee WW, Kelly JM (eds) Carbon forms and functions in forest soils. Soil Science Society of America Inc., Madison, pp 63–88
Hutchinson GL, Livingston GP (1993) Use of chamber systems to measure trace gas fluxes. In: Harper LA, Mosier AR, Duxbury JM, Rolston DE (eds) Agricultural ecosystem effects on trace gases and global climate change Special Publication No. 55. American Society of Agronomy/Crop Science Society of America/Soil Science Society of America, Madison, pp 63–78
Institute SAS (2000) SAS/STAT user’s guide, version 8.0. SAS Institute, Cary
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2007) Summary for policymakers. In: Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL (eds) Climate Change 2007: the physical science basis. Cambridge University Press, New York
Jamison VC, Smith DD, Thornton JF (1968) Soil and water research on a claypan soil. USDA Technical Bulletin 1379, US Government Printing Office, Washington, DC
Jandl R, Sollins P (1997) Water-extractable soil carbon in relation to the belowground carbon cycle. Biol Fertil Soils 25:196–201. doi:10.1007/s003740050303
Jiang P, Anderson SH, Kitchen NR, Sadler EJ, Sudduth KA (2007) Landscape and conservation management effects on hydraulic properties on a claypan-soil toposequence. Soil Sci Soc Am J 71:803–811. doi:10.2136/sssaj2006.0236
Knops JMH, Tilman D (2000) Dynamics of soil nitrogen and carbon accumulation for 61 years after agricultural abandonment. Ecology 81:88–98
Lal R, Kimble JM, Levine E, Sterwart BA (1995) Soil management and greenhouse effect. Lewis Publishers, Boca Raton
Lal R, Kimble J, Follett RF, Cole CV (1998) The potential of US cropland to sequester carbon and mitigate greenhouse effect. Sleeping Bear Press, Ann Arbor, p 128
Lessard R, Rochette P, Topp E, Pattey E, Desjardins RL, Beaumont G (1994) Methane and carbon dioxide fluxes from poorly drained adjacent cultivated and forest sites. Can J Soil Sci 74:139–146
Montagnini F, Nair PKR (2004) Carbon sequestration: an underexploited environmental benefit of agroforestry systems. Agrofor Syst 61:281–295. doi:10.1023/B:AGFO.0000029005.92691.79
Myers DB, Kitchen NR, Sudduth KA, Grunwald S, Miles RJ, Saddler EJ, Udawatta RP (2008) Combining proximal and penetrating conductivity sensors for high resolution soil mapping. In: Proceedings of the first global workshop on high resolution digital soil sensing and mapping. Sydney, 2–4 Feb 2008
Nelson DW, Sommers LE (1996) Total carbon, organic carbon, and organic matter. In: Sparks DL (ed) Methods of soil analysis-part 3, chemical methods. Soil Science Society of America Inc., Madison, pp 961–1010
Oren R, Ellsworth DS, Johnson KH, Phillips N, Ewers BE, Maier C, Schafer KVR, McCarthy H, Hendry G, McNulty SG, Katul GG (2001) Soil fertility limits carbon sequestration by forest ecosystems in a CO2 enriched atmosphere. Nature 411:469–472. doi:10.1038/35078064
Paustian K, Cole CV, Sauerbeck D, Sampson N (1998) CO2 mitigation by agriculture: an overview. Clim Change 40:135–162. doi:10.1023/A:1005347017157
Rachman A, Anderson SH, Gantzer CJ (2005) Computed-tomographic measurement of soil macroporosity parameters as affected by stiff-stemmed grass hedges. Soil Sci Soc Am J 69:1609–1616. doi:10.2136/sssaj2004.0312
Reicosky DC, Lindstorm MJ, Schumacher TE, Lobb DE, Malo DD (2005) Tillage-induced CO2 loss across an eroded landscape. Soil Tillage Res 81:183–194. doi:10.1016/j.still.2004.09.007
Robertson GP, Huston MA, Evans FC, Tiedje JM (1988) Spatial variability in a successional plant community: patterns of nitrogen availability. Ecology 69:1517–1524. doi:10.2307/1941649
Schjonning P, Thomsen IK, Moldrup P, Christensen BT (2003) Linking soil microbial activity to water and air-phase contents and diffusivities. Soil Sci Soc Am J 67:156–165
Schlesinger WH, Lichetr J (2001) Limited carbon storage in soils and litter of experimental forest plots under increased atmospheric CO2. Nature 411:466–469. doi:10.1038/35078060
Senaviratne G, van Holm HJ (1998) CO2, CH4, and N2O emissions from a wetted tropical upland soil following surface mulch application. Soil Biol Biochem 30:1619–1622. doi:10.1016/S0038-0717(98)00004-2
Seobi T, Anderson SH, Udawatta RP, Gantzer CJ (2005) Influence of grass and agroforestry buffer strips on soil hydraulic properties for an Albaqualf. Soil Sci Soc Am J 69:893–901. doi:10.2136/sssaj2004.0280
Sharrow SH, Ismail S (2004) Carbon and nitrogen storage in agroforests, tree plantations, and pastures in western Oregon, USA. Agrofor Syst 60:123–130. doi:10.1023/B:AGFO.0000013267.87896.41
Steel RGD, Torrie JH, Dickey DA (1997) Analysis of variance iv: split-plot designs and analysis. In: Principles and procedures of statistics: a biomedical approach. McGraw-Hill, New York, pp 400–428
Tufekcioglu A, Raich JW, Isenhart TM, Schultz RC (2001) Soil respiration within riparian buffers and adjacent crop fields. Plant Soil 229:117–124. doi:10.1023/A:1004818422908
Tufekcioglu A, Raich JW, Isenhart TM, Schultz RC (2003) Biomass, carbon, and nitrogen dynamics of multi-species riparian buffers within an agricultural watershed in Iowa, USA. Agrofor Syst 57:187–198. doi:10.1023/A:1024898615284
Udawatta RP, Krstansky JJ, Henderson GS, Garrett HE (2002) Agroforestry practices, runoff, and nutrient loss: a paired watershed comparison. J Environ Qual 31:1214–1225
Udawatta RP, Motavalli PP, Garrett HE (2004) Phosphorus loss and runoff characteristics in three adjacent agricultural watersheds with claypan soils. J Environ Qual 33:1709–1719
Udawatta RP, Anderson SH, Garrett HE (2005) Tree, grass, and crop root length densities and soil water content within an agroforestry buffer system. In: Brooks KN, Ffolliott PF (eds) Moving agroforestry into the mainstream. The 9th North American Agroforestry Conference Proceedings, June 12–15, 2005, St. Paul, Minnesota. Department of Forest Resources, University of Minnesota, St. Paul, MN. [non-paginated CD-ROM] pp 1–16
Udawatta RP, Kremer RJ, Adamson BW, Anderson SH (2008) Variation in soil aggregate stability and enzyme activities in a temperate agroforestry practice. Appl Soil Ecol 39:153–160
Unger PW, Kaspar TC (1994) Soil compaction and root growth: a review. Agron J 86:759–766
Uri ND (2001) Conservation practices in US agriculture and their impact on carbon sequestration. J Environ Monit Assess 70:323–344. doi:10.1023/A:1010735510641
USEPA (1993) Paired watershed study design. 841-F-93-009. Office of Water, Washington, DC 20460
van Noordwijk M, Lawson G, Soumare A, Groot JJR, Hairiah K (1996) Root distribution of trees and crops: competition and/or complementarity. In: Ong CK, Huxley P (eds) Tree–crop interactions: a physiological approach. CAB International, Oxford, pp 319–364
Wagai R, Bryre KR, Gower ST, Norman JM, Bundy LG (1998) Land use and environmental factors influencing soil surface CO2 flux and microbial biomass in natural and managed ecosystems in southern Wisconsin. Soil Biol Biochem 30:1501–1509. doi:10.1016/S0038-0717(98)00041-8
Wander M (2004) Soil organic matter fractions and their relevance to soil function. In: Magdoff F, Weil RR (eds) Soil organic matter in sustainable agriculture. CRC Press, Boca Raton
Zaman M, Matsushima M, Chang SX, Inubushi K, Nguyen L, Goto S, Kaneko F, Yoneyama T (2004) Nitrogen mineralization, N2O production and soil microbiological properties as affected by long-term applications of sewage sludge composts. Biol Fertil Soils 40:101–109. doi:10.1007/s00374-004-0746-2