渭河平原农田冬小麦土壤呼吸及其影响因素

基于对半湿润易旱区的渭河平原农田2013—2014年冬小麦生长期土壤呼吸(SR)及环境因子和生物因子的观测,研究了冬小麦土壤呼吸日变化、季节变化特征,综合分析了温度(T)、土壤含水量(W)、总初级生产力(GPP)和叶面积指数(LAI)对土壤呼吸的影响.结果表明: 冬小麦土壤呼吸日变化呈单峰型,呼吸速率变化范围为1.5～6.94 μmol CO₂·m^-2·s^-1,最大值出现在12:00—14:00;温度是影响土壤呼吸日变化的驱动因子,其中地表温度(T_s)能解释土壤呼吸时间变异的80.9%;土壤呼吸速率与温度的昼夜变化对应关系呈顺时针近椭圆曲线.冬小麦土壤呼吸速率从出苗后到冬季呈下降趋势,在冬季时保持较低水平,进入返青期后迅速增加,在抽穗期和灌浆期达到最大,成熟期后有所下降,变化范围为0.65～4.85 μmol CO₂·m^-2·s^-1;土壤呼吸季节变化与温度、土壤含水量、GPP、LAI均呈显著(P<0.01)正相关关系;土壤温度和水分是影响土壤呼吸季节变化的关键因素,使用复合模型SR=e^{(a+bT_{5 cm}}+cW10 cm+dW_{10 cm²}),可以解释土壤呼吸时间变异的82.6%,比单因子模型(不超过65.7%)的解释能力显著提高.经模型计算,该区域2013—2014年冬小麦生长期平均土壤呼吸速率为1.67 μmol CO₂·m^-2·s^-1.     

开垦对黄河三角洲湿地净生态系统CO2交换的影响

近年来, 由于对湿地的不合理利用, 自然湿地被大面积地垦殖为农田, 导致湿地生态系统碳循环的模式发生改变, 从而影响了湿地生态系统碳汇功能。该研究通过涡度相关法, 对山东省东营市黄河三角洲芦苇(Phragmites australis)湿地和开垦多年的棉花(Gossypium spp.)农田的净生态系统CO₂交换(NEE)进行了对比观测, 以探讨该地区典型生态系统NEE的变化规律及其影响因子, 揭示开垦对芦苇湿地NEE和碳汇功能的影响。结果表明: 在生长季, 湿地和农田生态系统NEE的日平均值各月均呈明显的“U”型变化曲线, 非生长季NEE的变幅很小。生长季湿地生态系统日最大净吸收值和释放值分别为16.04 g CO₂·m^-2·d^-1(8月17日)和14.95 g CO₂·m^-2·d^-1(8月9日); 农田生态系统日最大净吸收值和释放值分别为18.99 g CO₂·m^-2·d^-1 (8月22日)和12.23 g CO₂·m^-2·d^-1 (7月29日)。生长季白天两个生态系统NEE与光合有效辐射(PAR)之间呈直角双曲线关系; 非生长季NEE主要受土壤温度(T_s)的影响; 生态系统生长季夜间NEE受T_s和土壤含水量(SWC)的共同影响; 湿地和农田的生态系统呼吸熵(Q₁₀)分别为2.30和3.78。2011年生长季, 黄河三角洲湿地和农田生态系统均表现为CO₂的汇, 总净固碳量分别为780.95和647.35 g CO₂·m^-2, 开垦降低了湿地的碳吸收能力; 而在2011年非生长季, 黄河三角洲湿地和农田生态系统均表现为CO₂的源, CO₂总释放量分别为181.90和111.55 g CO₂·m^-2。全年湿地和农田生态系统总净固碳量分别为599.05和535.80 g CO₂·m^-2。     

极端干旱条件下锡林河流域羊草草原净生态系统碳交换特征

采用涡度相关法对2005年生长季内蒙古锡林河流域羊草(Leymus chinensis)草原净生态系统交换(Net ecosystem exchange, NEE)进行了观测。观测结果表明:作为生长季降雨量仅有126 mm的干旱年,锡林河流域羊草草原生态系统受到强烈的干旱胁迫,其净生态系统碳交换的日动态表现为具有两个吸收高峰,净吸收峰值出现在8∶00和18∶00左右。最大的CO₂吸收率为-0.38 mg CO₂·m^-2·s^-1,出现在6月底,与丰水年相比生态系统最大CO₂吸收率下降了1倍。就整个生长季而言,不管是白天还是晚上2005年都表现为净CO₂排放,整个生长季CO₂净排放量为372.56 g CO₂·m^-2,是一个明显的CO₂源。土壤含水量和土壤温度控制着生态系统CO₂通量的大小,尤其是在白天,CO₂通量和土壤含水量的变化呈现出显著的负相关关系,和土壤温度表现为正相关关系。     

人工陆桥岛屿系统土壤呼吸速率及其影响因子

研究片段化森林中土壤呼吸速率的格局对进一步揭示陆地生态系统碳循环具有重要意义。本研究以千岛湖人工陆桥岛屿系统不同生境(岛屿与大陆,岛屿边缘与岛屿内部)为对象,分析了土壤呼吸速率的季节动态变化规律及其与土壤理化因子的关系。结果表明: 1)土壤呼吸速率在不同季节差异显著。夏季(3.74 μmol·m^-2·s^-1)>秋季(2.30 μmol·m^-2·s^-1)>春季(1.82 μmol·m^-2·s^-1)>冬季(1.40 μmol·m^-2·s^-1)。2)森林片段化对土壤呼吸速率产生显著影响,岛屿土壤呼吸速率(2.37 μmol·m^-2·s^-1)显著高于大陆(2.08 μmol·m^-2·s^-1);岛屿边缘土壤呼吸速率(2.46 μmol·m^-2·s^-1)显著高于岛屿内部(2.03 μmol·m^-2·s^-1)。3)土壤温度显著促进了土壤呼吸速率,并作为主要因子解释了56.1%的变化。4)土壤呼吸速率与土壤全碳、铵态氮含量和地表植被覆盖率呈显著正相关。土壤全碳和铵态氮含量在岛屿边缘显著高于岛屿内部。综上,森林片段化促进了土壤呼吸速率,而土壤理化因子的变化是其主要原因。     

长白山红松针阔混交林与开垦农田土壤呼吸作用比较

利用静态箱式法测定长白山红松(Pinus koraiensis)针阔混交林及其开垦农田的土壤呼吸作用。结果表明,两者土壤呼吸作用的日动态和季节动态均主要受温度影响,农田土壤呼吸作用的日变化极值出现时间较林地提前,最大值出现在12∶00左右,比林地提前6 h左右,最小值在凌晨5∶00左右,早于林地2~3 h;在生长季,土壤呼吸速率与10 cm土壤含水量关系不显著,而与土壤5 cm温度呈显著的指数关系;农田土壤温度高于林地,但在整个生长季(5~9月)林地土壤释放CO₂量(2 674.4 g·m^-2)约为农田(1 285.3 g·m^-2)的2倍;观测期间,农田土壤呼吸速率占林地的比例范围在23.4%~76.3%之间,说明土壤呼吸作用还受不同土地利用方式下植被类型等的影响。农田和红松针阔混交林土壤呼吸作用的Q₁₀值分别为3.07和2.92,农田土壤呼吸作用的Q₁₀ 值估计可能偏大。森林转变为农田后,环境、生物因子以及土壤养分含量和物理性质发生改变,共同影响土壤呼吸作用的强度和动态特征。     

环境因子和生物因子对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的影响

采用Li-8150多通道土壤呼吸自动测量系统对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸进行全年连续测定,同步测量了温度、土壤含水量、地上生物量以及叶面积指数等环境因子和生物因子.结果表明: 土壤呼吸日动态在全年尺度上多呈单峰型,但在受到土壤封冻和地表积水干扰时,土壤呼吸日动态呈多峰型.土壤呼吸具有明显的季节动态特征,总体呈单峰型,年平均土壤呼吸速率为0.85 μmol CO₂·m^-2·s^-1,生长季平均土壤呼吸速率为1.22 μmol CO₂·m^-2·s^-1.在全年尺度上,土壤温度是滨海湿地土壤呼吸的主要控制因子,可解释全年土壤呼吸87.5%的变化.在生长季尺度上,土壤含水量和叶面积指数对土壤呼吸的协同影响达到85%.     

川中丘陵区水稻田土壤呼吸及其影响因素

基于川中丘陵区2003年4~9月水稻田土壤呼吸、土壤温度和水稻(Oryza sativa)生物量的测定,研究了水稻田土壤呼吸日变化和季节变化特征以及影响稻田土壤呼吸的主要因素。结果表明,水稻田土壤CO₂排放通量的日变化为单峰型,其最小值和最大值分别出现在当地时间7∶00和15∶00;在水稻生长期内,稻田土壤CO₂排放通量在18.00~269.69 mg·m^-2·h^-1之间波动,平均排放通量为121.76 mg·m^-2·h^-1。在日的时间尺度上,水稻田土壤CO₂排放通量与5 cm土壤温度存在显著的指数函数关系;而从整个生长期时间尺度上看,水稻田土壤CO₂的排放通量主要受到5 cm土壤温度和水稻地下生物量的影响。在水稻生长初期,水稻地下生物量与稻田土壤CO₂排放通量之间存在着显著的相关关系;水稻拔节中后期到成熟期,土壤温度则是制约稻田土壤CO₂排放的关键因素。CO₂排放通量与稻田地表水层深度的相关关系不显著。     

大兴安岭重度火烧迹地天然次生林土壤温室气体通量及其影响因子

为研究大兴安岭重度火烧迹地自然恢复后的林分土壤温室气体源汇强度及其影响因素,采用静态箱/气相色谱法,对生长季(6—9月)天然次生林土壤温室气体CO₂、CH₄、N₂O通量进行原位观测.结果表明: 1)生长季内天然次生林土壤为大气CO₂、N₂O的源,CH₄的汇,平均通量分别为575.81 mg·m^-2·h^-1、17.81 μg·m^-2·h^-1和-68.69 μg·m^-2·h^-1;CO₂与CH₄通量在生长季内表现出明显的双峰变化规律,N₂O通量则呈单峰变化,且均在8月达到观测期的最大值.2)土壤温度是影响该区天然次生林土壤温室气体通量的主控因子,土壤湿度和大气湿度在昼夜与季节尺度上与土壤温室气体通量的相关性不同.3)该区天然次生林9:00—12:00时段观测获得的土壤气体通量值经矫正后可代表当日气体通量.研究补充了大兴安岭火烧迹地森林生态系统温室气体通量数据,为该区土壤温室气体源汇的相关研究提供了依据.     

改变凋落物输入对杉木人工林土壤呼吸的短期影响

从2007年1月至12月, 在长沙天际岭国家森林公园, 通过改变杉木林凋落物输入, 研究杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林群落去除凋落物、加倍凋落物土壤呼吸速率及5 cm土壤温、湿度的季节变化。结果表明: 去除和加倍凋落物对土壤温度和湿度产生的差异不显著(p>0.05), 对土壤呼吸全年产生的差异接近显著(Marginal significant)(p=0.058)。按植物生长期分别分析, 去除和加倍凋落物对土壤呼吸产生的差异, 在生长旺盛期差异显著(p=0.003), 在生长非旺盛期差异性不显著(p=0.098)。去除凋落物年均土壤呼吸速率为159.2 mg CO₂·m^-2·h^-1, 比对照处理土壤呼吸速率(180.9 mg CO₂·m^-2·h^-1)低15.0%, 加倍凋落物的土壤呼吸为216.8 mg CO₂·m^-2·h^-1, 比对照处理高17.0%。去除和加倍凋落物土壤呼吸季节动态趋势与5 cm深度土壤温度相似, 它们之间呈显著指数相关, 模拟方程分别为: y=27.33e^{0.087 2t}(R²=0.853, p＜0.001), y=37.25e^{0.088 8t}(R²=0.896, p＜0.001)。去除和加倍凋落物的Q₁₀值分别为2.39和2.43, 均比对照2.26大。去除和加倍凋落物土壤呼吸与土壤湿度之间关系不显著(p>0.05)。这一结果使我们能够在较短时间内观察到改变凋落物输入对土壤呼吸的影响, 证明凋落物是影响土壤CO₂通量的重要因子之一。     

干旱胁迫降低了内蒙古羊草草原的碳累积

采用涡度相关法, 分析了2004年(平水年)和2005-2006年(干旱年)生长季内蒙古锡林河流域羊草(Leymus chinensis)草原的净生态系统碳交换(net ecosystem exchange, NEE)、总初级生产力(gross primary productivity, GPP)和生态系统呼吸(ecosystem respiration, R_e)的季节和年度变化。结果表明: 平水年羊草草原的日最大GPP和R_e分别为4.89和1.99 g C·m^-2·d^-1, 而干旱年GPP和R_e分别为1.53-3.01和1.38-1.77 g C·m^-2·d^-1。与平水年相比, 干旱年日最大GPP、R_e分别下降了38%-68%和11%-12%。平水年羊草草原累积的GPP、R_e分别为294和180 g C·m^-2, 而在干旱年分别为102-123 g C·m^-2和132-158 g C·m^-2。和平水年相比, 干旱年的GPP、R_e分别下降了58%-65%和12%-27%。用Van’t Hoff模型模拟的8个窄土壤含水量(θ)跨度生态系统呼吸(R_e)对土壤温度(T_s)的敏感程度表明: 曲线斜率在θ = 0.16-0.17 m³·m^-3范围内达到最大, 高于或者低于这个阈值, R_e对T_s的敏感度降低。干旱胁迫降低了生态系统生产力和生态系统呼吸量。与平水年相比, 干旱年的GPP比R_e下降的幅度更大, 干旱胁迫降低了内蒙古羊草草原的碳累积, 使生态系统由碳汇变为碳源。     

温带荒漠中温度和土壤水分对土壤呼吸的影响

荒漠对气候变化具有高度敏感性, 深刻认识和量化非生物因子对荒漠生态系统土壤呼吸的影响具有重要意义。采用自动CO₂通量系统(Li-8100)监测了梭梭(Haloxylon ammodendron)、假木贼(Anabasis aphylla)和盐穗木(Halostachys caspica)群落生长季土壤呼吸及温度、土壤含水量等, 深入分析了水热因子对土壤呼吸的影响。土壤呼吸具有不对称的日格局, 最小值出现在8:00, 最大值在12:00~14:00。土壤呼吸的季节格局与气温变化基本同步, 最小值在生长季末期(10月), 最大值在生长季中期(6~7月)。梭梭、假木贼和盐穗木群落生长季平均土壤呼吸速率分别为0.76、0.52和0.46 μmol CO₂·m^-2·s^-1。气温对假木贼(51%)和盐穗木群落(65%)土壤呼吸季节变化的解释率高于梭梭(35%)。梭梭、假木贼和盐穗木群落土壤呼吸温度敏感性(Q₁₀)逐渐增大, 基础呼吸速率(R₁₀)逐渐减小。剔除温度影响后, 梭梭、假木贼群落土壤呼吸与土壤含水量呈显著的幂二次方函数关系, 盐穗木群落两者关系却明显减弱, 未达到显著水平。气温、土壤含水量的二元方程均能解释群落土壤呼吸大部分的时间变异: 梭梭群落71%~93%、假木贼群落79%~82%、盐穗木群落70%~80%。人工模拟降水后土壤呼吸速率表现出降水后10 min减小、180 min时明显增加、达到最大值后再次衰减的现象。5和2.5 mm降水处理下的土壤呼吸速率最大值和其后的递减值高于对照处理, 土壤呼吸增加、达到峰值和其后递减过程与5 cm土壤温度变化基本同步。     

冬季土壤呼吸：不可忽视的地气CO2交换过程

 冬季土壤呼吸是生态系统释放CO₂的极为重要的组成部分,并显著地影响着碳收支。然而,过去绝大多数工作集中在生长季节土壤呼吸的测定,对年土壤呼吸量的估算大多基于冬季土壤呼吸为零的假设。目前为数不多的研究集中在极地苔原和亚高山,其它植被类型的研究只有零星报道。极地苔原和森林冬季土壤呼吸速率分别为0.002～1.359和0.22～0.67 μmol C．m^-2·s^-1;土壤呼吸的CO2释放量分别为0.55～26.37和22.4～152.0 g C·m^－2,是地气CO₂交换过程中不可忽视的环节。雪是土壤呼吸过程的重要调节者,积雪厚度和覆盖时间的长短均会影响土壤呼吸的强弱;水分的可获取性是重要的限制因素;对于维持活跃的土壤呼吸有一个关键的土壤温度临界值（-7～-5 ℃）,低于这个值会因自由水的缺乏而抑制异养微生物的呼吸。如果存在绝缘的积雪层,可溶性碳底物在自由水存在的情况下可控制异养微生物的活力。该文对冬季土壤呼吸的重要性、研究方法、土壤呼吸强度及其影响机制等进行了综述,并讨论了冬季土壤呼吸研究中存在的问题及未来研究方向。     

山杨白桦混交次生林与原始阔叶红松林土壤呼吸作用比较

 比较利用静态箱式法测定长白山原始阔叶红松林(Pinus koraiensis)和次生杨桦混交林的土壤呼吸作用表明,两者土壤呼吸作用的日动态均主要受温度影响,次生林土壤呼吸作用的日变化极值出现时间较原始林提前1～2 h;两者具有明显的季节动态,其中8月土壤呼吸速率最大;在生长季,土壤呼吸速率与土壤含水量关系不显著,而与土壤5 cm温度呈显著的指数关系;生长季(5～9月)次生林土壤释放CO₂量(3 449.4 g·m^－2)约为原始林(2 674.4 g·m^－2)的1.3倍,这可能是由于次生林内具有比原始林较高的温度和较低的土壤含水量,更有利于根系生长代谢和土壤微生物的活动引起的。     

热带季节雨林林冠上方和林内近地层CO2浓度的时空动态及其成因分析

 为探讨西双版纳独特地方气候背景下,热带季节雨林CO₂浓度的时空变化特征和不同时间尺度上环境因素对森林CO₂浓度时间分布的作用,以及 为研究热带季节雨林的碳通量、净生态系统交换量(Net ecosystem exchange, NEE)等提供支持,我们利用热带季节雨林林冠上方和林内近地层 CO₂浓度连续监测资料,结合同步气象资料进行了统计分析。研究结果表明：在植被生理活动、土壤呼吸以及林内湍流的共同作用下,西双版纳 热带季节雨林CO₂浓度表现出明显的日变化、季节变化和林冠上下差异。在日尺度上,林冠上方的CO₂浓度时间变化曲线为“单峰型”,林内近 地层CO₂浓度时间变化曲线为“双峰型”,造成林内近地层傍晚第二个峰值的主要因子是地形因子作用下形成的局地环流。在季节尺度上,林冠 上方CO₂浓度主要受林冠代谢作用的影响,呈现雨季低、干季高的特点,而林内近地层的CO₂浓度则主要受地表呼吸过程所控制,季节变化趋势 与林冠上方相反。林冠上方CO₂浓度低于林内近地层CO₂浓度,且差异较大;在日尺度上,各月（除12月外）CO₂浓度的最大差值皆大于80 mg·m ^－3,且出现在傍晚;在季节尺度上,最大值为-62.9 mg·m^－3,出现在10月,最小值为-8.4 mg·m^－3,出现在12月。     

施肥对落叶松和水曲柳人工林土壤呼吸的影响

 以落叶松（Larix gmelinii）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）人工林为研究对象,采用动态气室法（LI-6400-09叶室连接到LI-6400便携式CO₂/H₂O分析系统）对两种林分的土壤呼吸速率进行了观测,探讨了细根生物量、根中氮含量与土壤呼吸速率的关系,以及施肥对细根生物量、根中氮含量和土壤呼吸速率的影响。结果表明：1）施肥导致落叶松和水曲柳林分的活细根生物量降低18.4％和27.4％, 死细根生物量分别降低了34.8％和127.4 ％;2）施肥使落叶松和水曲柳林地土壤呼吸速率与对照相比分别减少了34.9％和25.8％;3 ）施肥对根中氮含量没有显著影响;4）落叶松和水曲柳林地的土壤呼吸与土壤温度表现出相同的季节变化,两种林分的土壤呼吸速率与地下5和10 cm处的温度表现出明显的指数关系 ,其相关性R²=0.93～0.98。土壤呼吸温度系数Q₁₀的范围在2.45～3.29。 施肥处理对Q₁₀没有产生影响,施肥处理导致细根生物量减少可能是引起林地土壤呼吸速率下降的主要原因。     

华西雨屏区苦竹林土壤呼吸对模拟氮沉降的响应

2007年11月至2008年11月, 对华西雨屏区苦竹(Pleioblastus amarus)人工林进行了模拟氮沉降试验, 氮沉降水平分别为对照(CK, 0 g N·m^-2·a^-1)、低氮(5 g N·m^-2·a^-1)、中氮(15 g N·m^-2·a^-1)和高氮(30 g N·m^-2·a^-1)。每月下旬, 采用红外CO₂分析法测定土壤呼吸速率, 并定量地对各处理施氮(NH₄NO₃)。结果表明: 2008年试验地氮沉降量为8.241 g·m^-2, 超出该地区氮沉降临界负荷。在生长季节, 苦竹林根呼吸占总土壤呼吸的60%左右。模拟氮沉降促进了苦竹林土壤呼吸速率, 使苦竹林土壤每年向大气释放的CO₂增加了9.4%~28.6%。在大时间尺度上(如1 a), 土壤呼吸主要受温度的影响。2008年6~10月, 土壤呼吸速率24 h平均值均表现为: 对照<低氮<中氮<高氮。氮沉降处理1 a后, 土壤微生物呼吸速率和土壤微生物生物量碳、氮增加, 并且均与氮沉降量具有相同趋势。各处理土壤呼吸速率与10 cm土壤温度、月平均气温呈极显著指数正相关关系, 利用温度单因素模型可以解释土壤呼吸速率的大部分。模拟氮沉降使得土壤呼吸Q₁₀值增大, 表明氮沉降可能增强了土壤呼吸的温度敏感性。在氮沉降持续增加和全球气候变暖的背景下, 氮沉降和温度的共同作用可能使得苦竹林向大气中排放的CO₂增加。     

青海省三江源区人工草地生态系统CO2通量

 了解三江源人工草地净生态系统CO₂交换(Net ecosystem CO₂ exchange, NEE)的季节变化规律和主要生物因子及环境因子对这些过程的影响将有助于认识青藏高原人工草地生态系统碳循环、生态价值、功能,以及对三江源区的生态安全的重要意义。该研究利用涡度相关技术,于2005年9月1日至2006年8月31日对位于青海腹地的垂穗披碱草（Elymus nutans）人工草地的NEE及生物和环境因子进行观测, 阐明NEE及其组分的动态变化特征和影响因子。三江源区人工草地生态系统的日最大吸收量为2.38 g C·m^－2·d^－1,出 现在7月30日。日间最大吸收率和最大排放率都出现在8月,分别为-6.82和2.95μmol CO₂·m^－2·s^－1。在生长季, 白天的NEE主要受光合有效辐射(Photosynthe tically active rad iation, PAR)变化控制,同时又与叶面积指数和群落多样性交互作用,共同调节光合速率和光合效率的强度。最大光合同化速率为2.46～10.39μmol CO₂·m^－2·s^－1,表观初始光能利用率为0.013～0.070μmol CO₂·μmol^－1 PAR。 在碳交换日过程中,NEE并不完全随着 PAR的增加而增大,当PAR超过某一值（>1 200μmol ·m^－2·s^－1）时,NEE随PAR的增加而降低。受温度的影响,生长季的生态系统的呼吸商Q₁₀（1.8）小于非生长季节的 2.6）。 生态系统呼吸主要受温度的控制,同时也受到叶面积指数的显著影响。生长季昼夜温差大并不利于生态系统的碳获取。 三江源区人工草地生态系统是一个较强的碳汇,为-49.35 g C·m^－2·a^－1。