土壤微生物与根系呼吸作用影响因子分析

土壤呼吸作用作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分,是当前碳循环研究中的热点问题.对于土壤呼吸作用主要组成部分土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用影响因子的研究,有助于准确地评估全球碳收支.本文从气候、土壤、植被及地表覆被物、大气CO₂浓度、人为干扰等方面综述了土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用的主导影响因子,指出这些影响因子不仅直接或间接地影响土壤微生物呼吸作用和根系呼吸作用,而且它们之间相互作用、相互影响,且各影响因子的地位和作用会随时空尺度变化发生相应改变.在此基础上,论文提出了未来土壤呼吸作用的研究重点.     

土壤呼吸作用普适性评估模型构建的设想

土壤呼吸作用是陆地碳循环中的重要组成部分, 其评估的准确性直接影响到陆地碳源/汇的准确评估. 对国内外土壤呼吸作用最新研究成果的综述表明, 目前土壤呼吸作用研究主要集中于时间变异性及其影响因子方面, 没有研究同一生态系统内部及不同类型生态系统土壤呼吸作用的空间变异性及其影响因素; 土壤呼吸作用估算模型大多亦只考虑了水热因子的影响, 没有发展一个适于不同的时间与空间尺度的、耦合水热-生物-土壤养分综合影响的土壤呼吸作用普适性模型. 为此, 本研究从影响土壤呼吸作用的时间和空间异质性方面提出了构建土壤呼吸作用普适性评估模型的思想与基本框架, 以及未来的研究重点, 以增进对土壤呼吸作用的理解, 提高土壤呼吸作用估算的准确性.     

土壤呼吸组分分离技术研究进展

分离土壤呼吸组分是理解陆地生态系统碳循环的重要步骤,研究农田生态系统土壤呼吸组分的呼吸过程和机理对促进农业温室气体减排和碳汇增加、气候变化适应、保障粮食安全以及推动农业可持续发展都具有积极意义。本文综述了近年来土壤呼吸组分分离的理论依据、主要技术及分类,系统比较了现有技术优势、劣势和应用领域,并总结了土壤呼吸组分分离技术在国内外农田生态系统中的应用情况。由于多数分离技术在森林生态系统的相关研究中发展而来,它们在农田生态系统的应用十分有限,目前应用以同位素法、根分离法和回归法为主。由于土壤呼吸理论划分和分离方法的差异,不同研究结果之间往往难以比较。分离技术的发展有赖于土壤呼吸源分离理论的进一步发展,未来土壤呼吸组分分离研究的主要方向在于：（1）利用现有观测技术促进组分集成分析法和根分离法在农田生态系统中的应用,强化土壤呼吸组分和环境因子的同步观测,准确评估农田碳收支;（2）利用定位观测数据开展大尺度模型研究,改进和重构现有全球碳模型的碳氮过程,并在其中考虑重要的土壤呼吸过程;（3）利用FACE试验评估气候变化对土壤呼吸组分的影响和土壤-植物碳循环的适应机制;（4）分析呼吸组分与植物-土壤-养分的交互作用,评估农田管理措施的综合影响。     

基于MODIS数据模拟华北平原冬小麦农田生态系统的呼吸作用

为探讨华北平原冬小麦农田生态系统的呼吸作用, 利用2013—2017年河南省郑州市农业气象试验站的碳通量观测数据分析了冬小麦生长季的呼吸作用, 基于MODIS遥感数据讨论了该生态系统的环境因子并模拟了冬小麦的呼吸作用。结果表明: 冬小麦呼吸作用(观测值)和增强型植被指数(EVI)、陆地表面水分指数(LSWI)及地表温度(LST)存在较好的相关关系, 可以利用基于MODIS数据的呼吸模型模拟郑州地区冬小麦呼吸作用, 呼吸作用的模拟值白天要大于夜间, 在2013—2017年冬小麦研究阶段(年积日DOY=73—169)模拟的呼吸作用总累积量分别为472.18、477.02、490.43、482.90、487.37 g·m–2。研究表明, 基于MODIS数据模拟郑州地区冬小麦农田生态系统呼吸作用是合理可行的, 可为研究中国区域碳收支评估提供数据基础和技术理论支持。     

水热因子对退化草原羊草恢复演替群落土壤呼吸的影响

 对内蒙古锡林郭勒白音锡勒牧场退化恢复羊草（Leymus chinensis）草原生态系统土壤呼吸作用的主要影响因子分析表明,环境因子对土壤呼吸作用的影响程度依次表现为：土壤水分>温度;水分对土壤呼吸作用的影响可分成3段,即<7.5%、7.5%～18.4%和>18.4%。当0～10cm土壤含水量＜7.5%时,土壤温度是土壤呼吸作用的主导控制因子,土壤呼吸作用与5cm土壤温度呈幂函数关系;而当0～10cm土壤含水量＞7.5%时,土壤呼吸作用受土壤水分和土壤温度的共同作用。研究还表明：在植物生长季内,当土壤水分接近羊草草原土壤萎蔫系数6.0%时所测得土壤呼吸作用为植被在干旱胁迫下的土壤呼吸作用,而当土壤水分大于羊草草原土壤萎蔫系数6.0%时,土壤呼吸作用的增加主要是由于植物生长及其引起的根系活动和微生物数量、组成及其活性共同影响的,进而可以解释不同水分条件下土壤及植物根系在土壤呼吸作用中的不同贡献,为建立土壤呼吸作用模型及正确地理解陆地碳收支及其固碳潜力提供依据。     

中国农田土壤呼吸速率及驱动因子

土壤呼吸在全球碳收支中具有重要地位.研究中国典型农业区土壤呼吸的时空格局及影响因素,有助于构建区域尺度土壤呼吸定量评价模型,能够为评估中国乃至全球农业生态系统碳/源汇特征提供依据.本研究整合了2000~2012年中国农田生态系统土壤呼吸的主要研究成果,分析了华南、西南、华北、西北和东北5个典型农业区土壤呼吸的季节变化和区域差异,以及影响土壤呼吸的主要驱动因子.结果表明,5个典型农业区的土壤呼吸均存在明显的季节变化特征;中国农田生态系统年均土壤呼吸速率为(682.8±18.3)g C m?2.5个典型农业区年均土壤呼吸速率大小表现为华南区西南区华北区东北区西北区.全国农业土壤的年呼吸通量为(0.90±0.02)Pg C;水作和旱作两种土地利用类型间土壤呼吸速率差异显著(P0.05),旱作土壤呼吸速率约为水作的1.3倍;不同作物类型间土壤呼吸速率差异显著(P0.05),其排序为棉花玉米大豆水稻小麦;农田土壤呼吸与年均气温、土壤温度、土壤含水量和净初级生产力等影响因素呈显著正相关(P0.01),而与年均降水量的相关性不显著.     

陆地生态系统类型转变与碳循环

 土地利用变化引起的陆地生态系统类型转变对于全球碳循环有着极其重要的作用。　通过总结国内外有关森林砍伐以及森林、草地转变成农田对于碳循环的影响,阐述了可能引起全球“未知汇”现象的重要原因,强调未来中国陆地生态系统碳循环研究应充分重视陆地生态系统类型转变对于全球碳循环的影响研究,包括研究陆地生态系统的不同发展阶段(自然与退化生态系统)、利用方式的改变(森林转化为人工林或农田,草地转化为农田、退耕还林草等)所引起的碳库类型转换的增汇机理及其对全球变化响应,并指出了建立统一观测方法与规范的陆地生态系统碳通量观测网     

土壤呼吸作用时空动态变化及其影响机制研究与展望

测定不同陆地生态系统土壤呼吸速率及其时空波动, 阐明其影响因子, 对于全球碳素平衡预算和全球变化潜在效应估计是最为基本的数据。然而, 有关土壤呼吸作用变异性及其影响因素的知识仍存在局限性, 一些关键的过程和机制还有待阐明。该文综述了近年来土壤呼吸作用时空动态规律、影响机制和模拟方面的研究进展, 指出环境因子和生物因子共同驱动着土壤呼吸作用的时间动态变化; 土壤呼吸作用在不同时间尺度上还具有明显的空间异质性, 这主要是植被覆盖、根系分布、主要的环境因素和土壤特性空间分布的异质性造成的。生物因子是影响土壤呼吸作用时空动态变化的主要因素之一。然而, 目前所使用的土壤呼吸作用经验模型通常利用土壤温度、土壤湿度或者两者的交互作用模拟土壤呼吸作用动态变化, 但没有考虑生物因子的影响, 这可能会导致明显的偏差和错误。因此, 为了精确估算土壤呼吸作用, 必须解决土壤呼吸作用小尺度上的空间变异性; 加强不同时间尺度上生物要素对土壤呼吸作用动态变化的影响研究; 除了气候因子外, 土壤呼吸作用经验模型应该纳入生物因子等其它影响因素作为变量, 用以提高模型模拟的正确性和准确性。     

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

干旱半干旱区不同环境因素对土壤呼吸影响研究进展

土壤呼吸是全球陆地生态系统碳循环的重要环节,也是全球气候变化的关键生态过程。阐明和探讨影响土壤呼吸的各类环境因素,对准确评估陆地生态系统碳收支具有重要意义。干旱半干旱区是陆地生态系统的重要组成部分,研究该区域影响土壤呼吸的环境因素有助于深刻了解干旱半干旱区土壤碳循环过程。就土壤温度、土壤水分、降水、土壤有机质等非生物因子及植被类型、地上、地下生物量、土壤凋落物等生物因子两个方面对土壤呼吸的影响进行了综述。以干旱半干旱区的研究进展为主要论述对象,在上述因素中重点阐述了土壤温度、水分及其耦合作用下土壤呼吸的响应,并就土壤呼吸的Q10值及各影响因素间的交互作用进行归纳总结。在此基础上,说明了土壤温度和水分是影响干旱半干旱区土壤呼吸的主要因素。为了更准确的估算干旱半干旱区土壤呼吸速率,综合分析多种因子的交互影响,提出目前土壤呼吸研究存在的问题和今后重点关注的方向:1)不同尺度下干旱半干旱区土壤呼吸的研究;2)荒漠生态系统土壤呼吸研究;3)非生长季土壤呼吸研究;4)多因素协同作用土壤呼吸模型建立;5)测量方法的改进与完善。     

Toward a general evaluation model for soil respiration (GEMSR)

Soil respiration is an important component of terrestrial carbon budget. Its accurate evaluation is es- sential to the study of terrestrial carbon source/sink. Studies on soil respiration at present mostly focus on the temporal variations and the controlling factors of soil respiration, but its spatial variations and controlling factors draw less attention. Moreover, the evaluation models for soil respiration at present include only the effects of water and heat factors, while the biological and soil factors controlling soil respiration and their interactions with water and heat factors have not been considered yet. These models are not able to accurately evaluate soil respiration in different vegetation/terrestrial ecosystems at different temporal and spatial scales. Thus, a general evaluation model for soil respiration (GEMSR) including the interacting meteorological (water and heat factors), soil nutrient and biological factors is suggested in this paper, and the basic procedure developing GEMSR and the research tasks of soil respiration in the future are also discussed.     

林木树干呼吸变化及其影响因素研究进展

树干呼吸是森林生态系统碳平衡的重要组成部分,它每年消耗碳同化总量(NPP)的11%~33%。受测定技术所限,过去对树干呼吸的研究未能引起足够的重视。近十几年来,由于大气CO₂温室气体浓度的持续升高,树干呼吸已成为研究的热点。测定树干呼吸的方法较多,早期一般采用气体交换法和密闭方法,最近利用便携式光合测定系统(Li-Cor6400)或土壤碳通量测量系统(Li-8100)对树干呼吸采用开路系统测定方法。大量研究结果表明: 1)树干呼吸的日变化呈双峰型曲线,即从早晨开始,树干呼吸速率随温度的上升而增加,到午间有所降低,之后逐渐增加,达到峰值后又逐渐降低。2)树干呼吸的季节动态为:生长季的树干呼吸速率明显高于非生长季,即从春季到夏季树干呼吸速率呈持续升高态势,高峰值出现在7或8月,尔后逐渐下降。树干呼吸活动是一个复杂的生物学过程,其影响因子较多。直接影响因子有气象因子(如温度、湿度和CO₂浓度)和生物因子(如树种、树龄、径阶、边材积和树干氮含量等);而纬度、海拔和地形因子通过影响气象因子或生物因子而间接影响树干呼吸。诸多因子中,树干温度对树干呼吸的贡献最大(Q₁₀可描述树干呼吸对温度升高的敏感性)。树干呼吸机理及其影响因子乃是今后研究的主要内容,一方面要采用统一的测量方法和技术,另一方面要综合考虑影响树干呼吸的内外因素,建立树干呼吸的相关模型,为构建森林生态系统碳循环模型、了解森林生态系统碳收支状况及其对大气CO₂浓度变化的贡献和对全球变化的响应提供理论依据。     

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。     

酸雨对中国陆地生态系统土壤呼吸影响的整合分析

通过整合分析(Meta-analysis)国内外公开发表的81篇模拟酸雨实验论文的2683条有效观测数据,量化了酸雨对中国3个主要陆地生态系统(森林、草地和农田)土壤呼吸(Rs)及其组分(自养呼吸—Ra、异养呼吸—Rh)的影响。结果表明,酸雨显著降低了Rs(-9.6%)、Rh(-7.7%)和Ra(-11.7%);酸雨pH越低,Rs及其组分的降幅越大;野外实验对Rh和Ra的负效应大于温室实验。酸雨对Rs的负效应在农田最大(-14.7%),草地次之(-10.8%),森林最小(-8.0%);森林Rh、Ra对酸雨的响应一致,不同林型间差异不显著;草地Rh和Ra在酸雨处理下分别显著降低和增加。Rs、Rh与土壤pH显著正相关,与土壤有机碳(SOC)显著负相关;Rh和Ra分别与地上和地下生物量(AGB和BGB)显著正相关。酸雨对Rs和Ra的负效应随纬度的增加而减弱,随MAT的升高而增强,对Rs的正效应随MAP的降低而增强。本研究表明,酸雨不仅降低了土壤pH,抑制了植物生长,减少了植物向土壤的碳输入,还降低了微生物活性,减少了Rh,导致SOC分解降低,因而未显著改变土壤碳库。     

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。     

增温和放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响

草地生态系统作为世界陆地生态系统的主体类型,其土壤呼吸和生态系统呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,土壤呼吸是未经扰动的土壤由于代谢活动而产生CO2的过程,生态系统呼吸包括地下部分的土壤呼吸和地上部分植被的自养呼吸。研究增温和放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响,可为预测未来气候变化条件下的全球碳收支以及草地的可持续经营与管理提供重要的科学依据。该文扼要综述了关于草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应方面的研究。结果表明:草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应非常复杂,受多种因素的综合影响,无论是增温还是放牧对草地土壤和生态系统呼吸的影响均具有不确定性,因草地类型、增温幅度、增温时间、放牧强度、放牧频度和放牧方式的不同而不同。在此基础上,指出了以后应加强研究的方向,草地的利用离不开放牧,对于未来气候变化条件下的草地,温度升高和放牧这两个因素必然是同时存在的,以前多数实验是单独研究增温或放牧对它们的影响,然而,这两者对草地生态系统的影响并非可加的,因此,需要加强增温与放牧的耦合试验,同时加强关于生态系统呼吸不同组分对两者的响应的研究,以便更好地理解增温和放牧的影响机制。另外,草地土壤和生态系统呼吸对增温和放牧的响应会随着时间的推移而发生变化,因而加强长期连续的试验观测很有必要。     

秦岭火地塘林区油松(Pinus tabulaeformis)林休眠期的土壤呼吸

林木休眠期林地土壤CO2释放是森林生态系统碳平衡关键组成部分之一.由于绝大多数森林生态系统林木休眠期土壤CO2释放过程测定困难,国内有关林木休眠期CO2释放,量化方面的研究开展较少.采用动态开路气室法对秦岭火地塘林区天然次生油松(Pinus tabulaeformis)林土壤呼吸的日变化进行了测定,分析了土壤呼吸速率(mgCO2m-2h-1)与土壤温度和体积含水率的关系,基于土壤日均呼吸速率和土壤日均温度指数方程与观测季的总天数,估算了林木休眠期林地土壤CO2释放量.结果表明:(1)研究区林地土壤呼吸速率存在较大的时、空变异.不同观测部位土壤呼吸速率的峰值出现时间各异,呼吸作用较弱的时段也不一致.同一观测部位不同观测月中,土壤日均呼吸速率变异系数分别为48.38%,82.51%和81.88%;(2)当土温＞8.5 ℃时,0～5 cm和5～10 cm土层,土壤日均温与土壤日均呼吸速率间存在极显著(p＜0.001)的指数关系,Q10分别为1.297和1.323;(3)0～5 cm和5～10 cm土层,土壤体积含水率与土壤呼吸速率间关系复杂;(4) 林木休眠期研究区林地土壤CO2释放量变化于(977.37±88.43)～(997.19±80.73) gCm-2(p=0.005)间.     

Toward a general evaluation model for soil respiration (GEMSR)

Soil respiration is an important component of terrestrial carbon budget. Its accurate evaluation is essential to the study of terrestrial carbon source/sink. Studies on soil respiration at present mostly focus on the temporal variations and the controlling factors of soil respiration, but its spatial variations and controlling factors draw less attention. Moreover, the evaluation models for soil respiration at present include only the effects of water and heat factors, while the biological and soil factors controlling soil respiration and their interactions with water and heat factors have not been considered yet. These models are not able to accurately evaluate soil respiration in different vegetation/terrestrial ecosystems at different temporal and spatial scales. Thus, a general evaluation model for soil respiration (GEMSR) including the interacting meteorological (water and heat factors), soil nutrient and biological factors is suggested in this paper, and the basic procedure developing GEMSR and the research tasks of soil respiration in the future are also discussed.