中国土壤呼吸温度敏感性空间格局的反演

土壤呼吸的温度敏感性（Q10）是模拟全球变暖与生态系统碳释放之间反馈强度的重要参数．虽然实验研究表明Q10值具有明显的空间异质性,但由于其空间分布格局的定量数据的缺乏,目前绝大多数生物地球化学模型将其简化成一个常数,并以此来预测未来的气候变化,这在一定程度上增大了模型预测的不确定性．本研究基于土壤有机碳的实测数据,并结合碳循环过程模型（CASA模型）,利用反演分析方法估算了8km空间分辨率下中国土壤呼吸温度敏感性的空间分布．结果表明,Q10值具有明显的空间异质性,且与实验方法估算的Q10值具有一致性;不同土壤类型的Q10值在1．09～2．38之间变化,其中火山灰土的Q10值最大,冷棕钙土的值最小;Q10值的空间分布与降水及土壤有机碳含量的关系密切．研究表明,该方法能有效反演Q10值的空间分布,从而有助于揭示碳循环规律并降低未来大气CO2浓度及气候变化预测的不确定性．     

土壤异养呼吸的测定及其温度敏感性影响因子

土壤异养呼吸主要指土壤中微生物分解有机质释放CO2的过程,是陆地生态系统中土壤碳的主要净输出途径,土壤异养呼吸与净初级生产力的差值是决定生态系统碳源/汇的关键.本文介绍了土壤异养呼吸的测定方法--室内培养的去根土壤样品培养和原状土柱培养,以及野外原位测定的根排除法、环割法和同位素法等操作方法的优缺点以及适用范围.在土壤异养呼吸的研究方面,土壤异养呼吸温度敏感性(Q10)是碳循环研究的重要方面之一,温度、水分以及土壤呼吸底物是影响Q10的主要因子,一般情况下,随着温度的升高,Q10下降;土壤含水量过低或过高时,Q10降低;土壤有机碳的有效性影响着土壤异养呼吸对温度变化的响应程度,当有效性降低时Q10下降,不同周转时间的有机碳的温度敏感性也不相同,活性有机碳的温度敏感性较惰性有机碳的温度敏感性低.     

水分和温度对若尔盖湿地和草甸土壤碳矿化的影响

土壤碳矿化及其温度和水分敏感性是研究生态系统碳循环的重要指标。本文以若尔盖高寒湿地和草甸为对象,在不同水分（70%,100%,130%饱和含水量（SSM））和温度（5,10,15,20,25℃）培养下定期测定土壤碳矿化速率（或土壤微生物呼吸速率）,探讨水分和温度对高寒湿地和草甸土壤碳矿化的影响,为揭示未来暖干化对若尔盖地区碳贮存及其碳汇功能的潜在影响提供科学依据。实验结果表明：增温显著促进了高寒湿地和草甸土壤碳矿化,而水分过高会抑制土壤碳矿化;此外,高寒湿地土壤碳矿化速率高于高寒草甸。土壤水分和草地类型对土壤碳矿化温度敏感性（Q10）的影响比较复杂。高寒草甸Q10随水分升高而显著升高,培养7天时的Q10变化趋势为70% SSM（1.21）< 100% SSM（1.76）< 130% SSM（2.80）,培养56天的Q10从1.17上升为4.53。高寒湿地的Q10在培养7天差异不显著,但整个56天培养期内Q10随水分升高而显著增加。在评估暖干化对若尔盖地区碳贮量和碳汇功能的影响时,应更加重视高寒草甸和高寒湿地Q10对水分和温度变化的不同响应。     

土壤呼吸对温度升高的适应

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一 ,其对温度升高的敏感程度在相当大的程度上决定着全球气候变化与碳循环之间的反馈关系。土壤呼吸对温度升高的适应是个比较普遍的现象 ,其表现形式主要为随着温度的持续升高和升温时间的延长 ,土壤呼吸对温度升高反应的敏感程度下降。产生这一现象的机制包括影响因子主导地位的转移和温度以外其他因子的协同变化。土壤呼吸对温度升高的适应可以视为碳循环对全球变暖的负反馈效应 ,它可能会在一定程度上缓和陆地生态系统对全球气候系统之间的耦合作用 ,并且导致土壤呼吸对全球温度升高响应的时空差异。由于目前生态系统模型多数没有考虑土壤呼吸的对温度升高的适应性 ,而采用统一的 Q1 0 值 ,其对未来土壤呼吸和未来气候变化幅度的预测可能存在偏差     

典型温带草原群落土壤呼吸温度敏感性与土壤水分的关系

工业革命以来,人类活动所导致的CO2等温室气体的浓度在大气中持续上升,全球表面温度因此不断升高。在全球温暖化的背景下,土壤呼吸与温室效应之间正反馈关系势必影响到未来陆地生态系统功能与全球变化的趋势,所以,关于土壤呼吸对温度变化响应的研究备受瞩目。土壤呼吸对温度依赖性的研究已经有许多报道,其关系可以用简单的指数方程表示。但是,土壤水分条件对于土壤呼吸温度敏感性(用Q10表示)的影响却研究得较少。采用碱液吸收法对内蒙古典型温带草原11个不同水分状况群落的土壤呼吸进行了测定,并分析了土壤呼吸的温度敏感性。结果显示土壤呼吸的温度敏感性存在一定程度的空间变异,各群落Q10值平均为1．65,变异系数为6．94％。其中,春小麦群落的Q10值最高(1．84),其次是湿生杂类草群落(Q10=1．78),而Q10最低的是冷蒿(aRMESIA FRIGIDA)-星毛萎陵菜(pOTENTILLA ACAULIS)群落(1．47)。用Spearman秩相关分析法对表层土壤(O～20cm)水分与Q10值之间的关系进行了分析,结果表明各群落Q10值与生长季土壤平均水分含量呈显著的正相关关系(R=0．64545,p=0．032),说明水分状况对土壤呼吸的温度敏感性有一定程度的影响。由此推断,在中国温带草原地区,温度升高对较湿润区域土壤呼吸的影响大于较干旱区域。全球变化导致的水分时空格局的变化可能对温带草原土壤呼吸有较大的影响。所以,模拟大尺度土壤CO2排放量时,水分因素必须作为一个重要的变量加以考虑。     

土壤呼吸的温度敏感性——全球变暖正负反馈的不确定因素

基于模型模拟结果表明,全球变暖与大气CO2浓度增加将形成正反馈关系,这种正反馈效应将明显加速21世纪的气候变暖。然而,这些模拟模型都基于一个重要假设,即不同平均驻留时间的土壤有机质分解具有相同的温度敏感性(Q10)。这一假设与酶动力学理论相悖,而且不同学者对不同质量土壤有机质分解温度敏感性的差异的认识存在严重分歧,所以,全球变暖与大气CO2浓度增加的正反馈关系的显著性仍值得商榷。围绕土壤呼吸的温度敏感性问题进行了讨论和评述,涉及1)土壤有机质分解温度敏感性争论的焦点问题;2)通过经验模型曲线拟合估计Q10值存在的分歧及Q10变异的机理解释;3)实验室土壤培养实验估计Q10值存在的问题;4)土壤培养实验中Q10值计算方法的改进。进一步深化有关土壤有机质分解温度敏感性不确定性的认识,将为今后土壤呼吸及其对气候变化响应的相关研究提供参考。     

植物根呼吸对升温的响应

植物根呼吸碳释放量高达18Pg／a,约为全球化石燃料燃烧碳排放量（6．5Pg／a）的2．8倍。了解根呼吸对升温的响应对于构建陆地生态系统碳动态模型、评价地下碳库碳收支具有重要作用。短期升温能明显提高根呼吸速率,但在近乎恒定的温度梯度下,根呼吸速率可能逐渐恢复到温度变化前的水平。根呼吸的温度敏感性与植物种和测定的温度范围有关,其Q10值介于1．1～10之间。在野外条件下,根呼吸的温度敏感性还会受到土壤湿度、养分状况、呼吸底物有效性、太阳辐射、光合产物的地下分配模式和天气状况等影响。通常根呼吸的温度敏感性比土壤微生物呼吸的温度敏感性高,但室内控制温度下和野外环割（girdling）实验中并未观测到类似现象。根呼吸是否具有温度适应性仍是一个尚未解决的重大科学问题。有关根呼吸对升温的适应机理仍不清楚,可能是碳循环研究存在不确定性的重要来源。今后的研究方向应集中在以下几方面：（1）深入探讨根呼吸的温度适应性;（2）扩大对成年植物种的研究;（3）扩大对环境因子交互影响和模拟研究;（4）扩大对植物根呼吸测定和升温新技术的研究。     

降雨对旱作春玉米农田土壤呼吸动态的影响

土壤呼吸是调控全球碳平衡和气候变化的关键过程之一,降雨作为重要的扰动因子,在不同区域和不同环境条件下,对土壤呼吸具有复杂的影响.研究降雨对农田土壤呼吸及其分量的影响,对准确预测未来气候变化下陆地生态系统碳平衡具有重要意义.对黄土高原东部典型春玉米农田生态系统生长季内3次降雨前后土壤呼吸及其分量进行了原位连续观测,结果表明:在土壤湿润的条件下,降雨对春玉米农田土壤呼吸及其分量具有明显的抑制作用,在土壤湿度大于27％后土壤呼吸及其分量随土壤湿度上升呈明显下降,且对温度的敏感性降低.土壤呼吸及其分量在降雨前后的变化受土壤温度和土壤湿度的共同影响.降雨量、降雨历时和雨前土壤含水量决定了土壤呼吸及其分量对降雨响应的程度和时长.土壤呼吸及其分量对土壤温度的敏感性各不相同,微生物呼吸对温度的敏感性最高,Q10为5.14;其次是土壤呼吸,Q10为3.86;根呼吸的温度敏感性相对最低,Q10为3.24.由于土壤呼吸分量对温度和湿度的敏感性不同,降雨后根呼吸的比例有所升高.     

间伐和改变凋落物输入对华北落叶松人工林土壤呼吸的影响

作为森林生态系统的第二大碳通量,土壤呼吸在全球碳循环和气候变化中发挥着重要作用。通过探究土壤呼吸对间伐和改变凋落物的响应规律以及响应之间的联系,能够为准确评价森林碳循环提供依据。针对不同强度(对照、轻度、中度、重度)间伐后的华北落叶松人工林,2016年5月至10月采用LI-8100土壤碳通量测量系统对其原状、凋落物去除、凋落物加倍的土壤呼吸进行观测。结果表明:土壤呼吸在生长季的8月份达到最高值,呈现出明显的季节动态。不同林分间伐处理下,中度间伐显著促进了土壤呼吸,使平均土壤呼吸速率升高了15.66%,轻度间伐和重度间伐对土壤呼吸的影响不显著;不同凋落物处理下,去除凋落物使平均土壤呼吸速率降低了40.16%,加倍凋落物使平均土壤呼吸速率升高了16.06%。中度间伐使土壤呼吸生长季通量增加了55.06 g C/m~2;去除凋落物使土壤呼吸生长季通量减少了153.48 g C/m~2,加倍凋落物使土壤呼吸生长季通量增加了79.87 g C/m~2。土壤呼吸速率与土壤温度呈显著指数相关,而与土壤湿度无显著相关。不同林分间伐处理下,土壤呼吸的温度敏感性指数(Q10)为2.36—3.46,轻度间伐下Q10值最高;凋落物去除和加倍均降低了土壤呼吸的温度敏感性。土壤温湿度对土壤呼吸存在着显著影响,能够解释土壤呼吸28.7%—62.3%的季节变化。研究结果表明间伐和凋落物处理对华北落叶松人工林土壤CO_2释放的影响表现出一定的交互作用,中度间伐和加倍凋落物的交互作用对土壤呼吸的促进作用显著大于单一因子。可见,间伐作业通过改变土壤微环境和凋落物量,对土壤呼吸以及森林生态系统碳循环产生着重要影响。     

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。     

CO2浓度升高对森林土壤微生物呼吸与根（际）呼吸的影响

 根呼吸与微生物呼吸的作用底物不同,二者对高浓度CO₂的响应机理及敏感程度亦不同。在大气CO₂浓度升高的背景下,精确区分根呼吸与微生物呼吸是构建森林生态系统碳循环模型和预测森林生态系统碳源/汇关系所必需的。根（际）呼吸与微生物呼吸对高浓度CO₂的响应呈增加、降低或无明显变化等不同趋势,根（际）呼吸变化主要与根生物量明显相关,细根的作用大于粗根;土壤微生物呼吸变化存在较大的不确定性,微生物量和微生物活性与土壤微生物呼吸相关或不相关。根系统对高浓度CO₂的响应会潜在地影响微生物的代谢底物,进而影响微生物呼吸强度。凡影响土壤总呼吸的生物与非生物因子都会直接或间接地影响根呼吸与土壤微生物呼吸。     

Effects of substrate availability on the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition

Soil carbon is a major component in the global carbon cycle. Understanding the relationship between environmental changes and rates of soil respiration is critical for projecting changes in soil carbon fluxes in a changing climate. Although significant attention has been focused on the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition, the factors that affect this temperature sensitivity are still debated. In this study, we examined the effects of substrate availability on the temperature sensitivity of soil respiration in several different kinds of soils. We found that increased substrate availability had a significant positive effect on temperature sensitivity, as measured by soil Q ₁₀ values, and that this effect was inversely proportional to original substrate availability. This observation can be explained if decomposition follows Michaelis–Menten kinetics. The simple Q ₁₀ model was most appropriate in soils with high substrate availability.     

模拟氮沉降对长江滩地杨树林土壤呼吸温度敏感性的影响

研究氮沉降量增加对土壤呼吸温度敏感性的影响,对于研究土壤呼吸在气候变化中的作用有重要意义。以长江中下游滩地杨树人工林为对象,通过定位模拟氮沉降实验的方法,研究了滩地杨树人工林生态系统土壤呼吸的变化特征和土壤呼吸各组分的温度敏感性对几种氮沉降量浓度的短期响应。结果表明:(1)各处理土壤总呼吸、土壤微生物呼吸、根系呼吸与各层次土壤温度均呈显著正相关关系,和5cm层土壤温度相关性最大。5cm层土壤温度可以解释土壤总呼吸、土壤微生物呼吸和根系呼吸季节变化的比例分别为50.5%—71.0%、51.5%—73.9%、35.7%—63.2%;(2)对照组(CK,0g N m-2a-1)土壤总呼吸、土壤微生物呼吸与根呼吸的Q10值分别为2.54、2.72和1.94;(3)在各氮添加水平中,中氮水平(MN,10g N m-2a-1)促进了土壤总呼吸、土壤微生物呼吸和植物根呼吸的温度敏感性。高氮水平(HN,20g N m-2a-1)都降低了土壤总呼吸、土壤微生物呼吸和植物根呼吸的温度敏感性,低氮水平(LN,5g N m-2a-1)降低了土壤总呼吸和土壤微生物呼吸的温度敏感性,促进了根呼吸的敏感性。     

Water regulated effects of photosynthetic substrate supply on soil respiration in a semiarid steppe

Soil respiration is an important part of the global carbon (C) cycle and the largest component of C flux from terrestrial ecosystems to the atmosphere. Here, we investigated possible effects of photosynthetic substrate supply on soil respiration in a semiarid ecosystem. A field experiment combining water addition and shading (low and high shading) treatments was conducted to manipulate photosynthetic substrate supply in a temperate semiarid steppe in two growing seasons. Our result showed that water addition and/or low shading significantly increased net primary productivity (ecosystem‐level photosynthetic substrate supply) and soil respiration in both two growing seasons. However, the effects of high shading on net primary productivity and soil respiration depended on soil water condition, which were negative in wet year (2008) but positive in dry year (2009). On the diel timescale, soil respiration was out of phase with soil temperature and leaf net photosynthesis, but in phase with leaf sugar and starch contents (leaf‐level photosynthetic substrate production). The results indicated that photosynthetic substrate supply was an important factor in regulating soil respiration on both daily and seasonal timescales. Moreover, its effect on soil respiration increased with increasing water availability in this region. The predominant role of C assimilate supply on soil respiration indicates that the predicted positive influence of rising temperature on soil respiration will be simultaneously mediated by substrate supply and water availability in semiarid steppe ecosystems.     

Rhizosphere priming effect increases the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition

The temperature sensitivity of soil organic matter (SOM) decomposition has been a crucial topic in global change research, yet remains highly uncertain. One of the contributing factors to this uncertainty is the lack of understanding about the role of rhizosphere priming effect (RPE) in shaping the temperature sensitivity. Using a novel continuous ¹³C‐labeling method, we investigated the temperature sensitivity of RPE and its impact on the temperature sensitivity of SOM decomposition. We observed an overall positive RPE. The SOM decomposition rates in the planted treatments increased 17–163% above the unplanted treatments in three growth chamber experiments including two plant species, two growth stages, and two warming methods. More importantly, warming by 5 °C increased RPE up to threefold, hence, the overall temperature sensitivity of SOM decomposition was consistently enhanced (Q₁₀ values increased 0.3–0.9) by the presence of active rhizosphere. In addition, the proportional contribution of SOM decomposition to total soil respiration was increased by soil warming, implying a higher temperature sensitivity of SOM decomposition than that of autotrophic respiration. Our results, for the first time, clearly demonstrated that root–soil interactions play a crucial role in shaping the temperature sensitivity of SOM decomposition. Caution is required for interpretation of any previously determined temperature sensitivity of SOM decomposition that omitted rhizosphere effects using either soil incubation or field root‐exclusion. More attention should be paid to RPE in future experimental and modeling studies of SOM decomposition.     

全球变暖背景下土壤微生物呼吸的热适应性:证据、机理和争议

土壤微生物呼吸的热适应性被认为是决定陆地生态系统对全球变暖反馈作用的潜在重要机制,可能显著改变未来的气候变化趋势,然而学术界对于这一机制是否真实存在尚有分歧。阐述了土壤微生物呼吸的热适应性概念,从证据、机理和争议3方面对已有研究进展进行了综述和分析。土壤微生物呼吸的热适应性是微生物在群落尺度上对温度变化的适应性,具有坚实的生物学与生态学理论基础,研究者们运用各类指标已在许多实验中证实土壤微生物物种及群落的呼吸过程能够在高温环境产生适应性变化。土壤微生物呼吸的热适应性机理涉及生物膜结构变化、酶活性变化、微生物碳分配比例变化和微生物群落结构变化等方面。关于土壤微生物呼吸热适应性的争议可能是由研究方法、微生物物种及环境条件的差异引起的。根据对已有研究的分析,认为土壤微生物呼吸的热适应性是真实存在的,未来的研究可进一步探索土壤微生物呼吸的热适应性机理,深入研究环境和全球变化对土壤微生物呼吸的热适应性影响,定量评估土壤微生物呼吸的热适应性对陆地生态系统反馈过程的影响。     

Effects of three years of soil warming and shading on the rate of soil respiration: substrate availability and not thermal acclimation mediates observed response

In a number of recent field studies, the positive response of soil respiration to warming has been shown to decline over time. The two main differing hypotheses proposed to explain these results are: (1) soil microbial respiration acclimates to the increased temperature, and (2) substrate availability within the soil decreases with warming so reducing the rate of soil respiration. To investigate the relative merits of these two hypotheses, soil samples (both intact cores and sieved samples) from a 3-year grassland soil-warming and shading experiment were incubated for 4 weeks at three different temperatures under constant laboratory conditions. We tested the hypothesis that sieving the soils would reduce differences in substrate availability between warmed and control plot samples and would therefore result in similar respiration rates if microbial activity had not acclimated to soil warming. In addition, to further test the effect of substrate availability, we compared the respiration rates of soils taken from shaded and unshaded plots. Both soil warming and shading significantly reduced respiration rates in the intact cores, especially under higher incubation temperatures. However, sieving the soil greatly reduced these differences suggesting that substrate availability, and not microbial acclimation to the higher temperatures, played the dominant role in determining the response of heterotrophic soil respiration to warming. The effect of shading appeared to be mediated by reduced plant productivity affecting substrate availability within the soil and hence microbial activity. Given the lack of evidence for thermal acclimation of microbial respiration, there remains the potential for prolonged carbon losses from soils in response to warming.     

短期施氮肥降低杉木幼林土壤的根系和微生物呼吸

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要过程。在人工林生态系统中, 施肥不仅能提高人工林的生产力和固碳能力, 而且还会对土壤呼吸产生影响。为阐明施氮肥对人工林土壤总呼吸、根系和微生物呼吸的影响, 在中亚热带地区的湖南会同, 以5年生杉木(Cunninghamia lanceolata)幼林为研究对象, 施氮肥1年后, 利用LI-8100对土壤呼吸进行为期12个月的野外原位定点观测。结果发现: 施氮肥使土壤总呼吸、根系呼吸和微生物呼吸分别降低了22.7%、19.6%和23.5%; 土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)为1.81-2.04, 施肥使土壤微生物呼吸的Q₁₀值从对照的2.04降低为1.84, 但土壤总呼吸的Q₁₀值没有发生显著变化; 施肥没有改变土壤呼吸的季节变化, 在双因素模型中, 土壤温度和含水量可以解释土壤呼吸季节变化的69.9%-79.7%。研究表明施氮肥能降低中亚热带地区杉木人工林土壤有机碳分解对温度升高的响应, 在全球变暖背景下有利于增加土壤有机碳储量。     

Short-term nitrogen fertilization decreased root and microbial respiration in a young Cunninghamia lanceolata plantation

Aims As the primary pathway for CO₂ emission from terrestrial ecosystems to the atmosphere, soil respiration is estimated to be 80 Pg C·a^-1 to 100 Pg C·a^-1, equivalent to 10 fold of fossil fuel emissions. As an important management practice in plantation forests, fertilization does not only increase primary production but also affects soil respiration. To investigate how nitrogen (N) fertilization affects total soil, root and microbial respiration, a N fertilization experiment was conducted in a five-year-old Cunninghamia lanceolata plantation in Huitong, Hunan Province, located in the subtropical region. MethodsOne year after fertilization, soil respiration was monitored monthly by LI-8100 from July 2013 to June 2014. Soil temperature and water content (0-5 cm soil depth) were also measured simultaneously. Available soil nutrients, fine root biomass and microbial communities were analyzed in June 2013. Important findings Total soil, root and microbial respiration rates were 22.7%, 19.6%, and 23.5% lower in the fertilized plots than in the unfertilized plots, respectively. The temperature sensitivity (Q₁₀) of soil respiration ranged from 1.81 to 2.04, and the Q₁₀ value of microbial respiration decreased from 2.04 in the unfertilized plots to 1.84 in the fertilized plots. However, neither the Q₁₀ value nor the patterns of total soil respiration were affected by N fertilization. In the two-factor model, soil temperature and moisture accounted for 69.9%-79.7% of the seasonal variations in soil respiration. These results suggest that N fertilization reduces the response of soil organic carbon decomposition to temperature change and may contribute to the increase of soil carbon storage under global warming in subtropical plantations.