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.     

玉米农田土壤呼吸作用的空间异质性及其根系呼吸作用的贡献

基于4月底到9月底东北地区玉米农田土壤呼吸作用全生长季的观测,阐明了土壤呼吸作用的空间异质性特征,综合分析了水热因子、土壤性质、根系生物量及其测定位置对土壤呼吸作用空间异质性的影响,并对生长季中根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行了估算。结果表明,在植株尺度上,土壤呼吸作用存在着明显的空间异质性,较高的土壤呼吸速率通常出现在靠近玉米植株的地方。根系生物量的分布格局是影响土壤呼吸作用空间异质性的关键因素。在空间尺度上,土壤呼吸作用与根系生物量呈显著的线性关系,而土壤湿度、土壤有机质、全氮和碳氮比对土壤呼吸作用空间异质性的影响并不显著。通过建立土壤呼吸作用与玉米根系生物量的回归方程,对根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例进行了间接估算。玉米生长季中,根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在43．1％～63．6％之间波动,均值为54．5％。     

松嫩平原西部草甸草原5种典型植物群落土壤呼吸的时空动态

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组分, 由于受到生物因子与非生物因子的共同作用, 土壤碳排放量在时间和空间尺度上都具有一定的变异性。为弄清松嫩平原西部草甸草原植物群落土壤呼吸作用的时空动态变化及其影响因子, 以典型植被碱蓬(Suaeda glauca)、虎尾草(Chloris virgata)、碱茅(Puccinellia distans)、芦苇(Phragmites australis)、羊草(Leymus chinensis)群落为研究对象, 采用LI-6400土壤呼吸测定系统对该生态系统2011-2012年植物生长季内土壤呼吸作用进行了监测。结果表明: 土壤温度可以解释土壤呼吸作用变异的53%-82%, 是影响该生态系统土壤碳排放时间变异的主要因素。土壤水分并未对土壤呼吸作用时间变异产生明显的影响。不同植物群落的土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)有所差异, Q₁₀为2.0-6.7。生长季内, 5种植物群落的土壤累积碳排放量的平均值为316.6 g C·m^-2。生长季内土壤碳累积排放量与植被地上生物量、土壤有机碳含量、平均土壤温度显著正相关, 与平均土壤含水量、pH值、土壤电导率及交换性钠百分比呈负相关关系。土壤的微气候、植被的地上生物量及土壤性质的差异是土壤碳排放空间变异的主要影响因素。     

中国农田生态系统土壤呼吸作用研究与展望

 农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,占全球陆地面积的10.5%,其CO₂排放量占人为温室气体排放量的21%～25%;由于农田生态系统 受到强烈的人为干扰,因此农田生态系统土壤呼吸作用及其影响因素对准确评估陆地生态系统碳收支具有重要的意义。中国是个有悠久历史的 农业大国,不仅为农田土壤作用的研究提供了天然的实验室, 而且中国农田土壤呼吸作用的研究对全球的碳循环研究及碳收支准确评估具有非 常重要的示范与指导意义。该文综述了近10年来中国农田生态系统土壤呼吸作用研究进展,指出水热因子、作物生物学特性和农业管理活动是 造成中国农田生态系统土壤呼吸作用时空变异 的主要因素;作物根系呼吸作用占土壤作用的比例在13%～77.2%之间,存在极大的不确定性;合 理施肥、秸秆还田和免耕有助于农田生态系统土壤呼吸作用减排和固碳。指出了中国农田生态系统土壤呼吸作用拟重点加强不同区域典型农田 生态系统土壤呼吸作用的比较、空间异质性、影响因素模拟及减排对策等方面的研究。     

中国草原土壤呼吸作用研究进展

中国草原面积约占国土面积的40%, 且大都位于生态脆弱区, 对气候和环境变化十分敏感, 在未来大气CO₂调控中有着重要的作用。为增进对中国草原土壤呼吸作用的理解, 该文综述了近10年来中国草原土壤呼吸作用的最新研究进展, 指出中国草原土壤呼吸作用的研究主要集中在东北平原、内蒙古高原和青藏高原。草原土壤呼吸作用日动态的主导控制因子是温度, 季节动态的主导控制因子可以是温度、水分或二者的交互作用, 取决于研究地点的限制性环境因子, 而年际动态的主导控制因子为水分。草原土壤呼吸作用还存在着巨大的空间变异, 年降水和土壤全氮含量是不同类型草原土壤呼吸作用空间异质性的主导控制因子。土壤呼吸作用对全球变化的响应比较复杂, 取决于各因子之间相互影响的贡献。现有的土壤呼吸作用模型大多只考虑了水热因子, 很少包含土壤因子和生物因子及其协同作用的影响。在此基础上, 指出未来中国草原土壤呼吸作用拟加强的研究重点: 1)温带荒漠草原土壤呼吸作用研究; 2)非生长季土壤呼吸作用研究; 3)多时空尺度草原土壤呼吸作用的比较研究; 4)草原土壤呼吸作用过程模拟研究; 5)草原土壤呼吸作用的遥感监测评估研究。     

温带落叶阔叶林地表鞘翅目成虫小尺度空间格局动态分析

土壤动物空间格局是格局—过程以及生物多样性维持机制研究的重要基础,目前小尺度空间土壤动物空间格局动态特征仍不清楚。基于地统计空间分析方法,以鞘翅目成虫为研究对象,研究帽儿山温带落叶阔叶林小尺度空间(5m)地表鞘翅目成虫群落及类群的空间格局动态特征。结果表明:4次调查共捕获鞘翅目成虫11科、29类、1021只个体,调查月份鞘翅目成虫群落具有较强的时空变异性;Moran'sⅠ系数表明鞘翅目成虫群落和类群具有复杂的正的空间自相关性,其空间异质性可用球状、指数、高斯和线性模型进行拟合。这种空间异质性具有一定的时间变化特征,且这种空间分异是由随机性因素单一调控或结构性因素和随机性因素共同调控的结果;类群之间在多种尺度上表现为复杂的以负相关居多的空间关联性,这种空间关联性的形成主要是结构性因素或随机性因素单一调控的结果。本实验表明地表鞘翅目成虫群落在小尺度空间具有明显的空间异质性特征,这种空间异质性时间变异性较明显。     

基于地理探测器的河南省植被NDVI时空变化及驱动力分析

植被作为陆地生态系统的主体,能够有效反映全球或区域尺度下的生态环境变化状况。分析植被覆盖时空动态变化特征及驱动力因素,对区域生态系统可持续发展具有重要意义。本文利用归一化植被指数(NDVI)作为指标,研究2000—2019年河南省植被时空动态变化特征,基于地理探测器模型分析河南省植被的空间异质性及其驱动力,并通过Hurst指数分析植被的未来趋势。结果表明：2000—2019年河南省NDVI整体呈现波动上升趋势,增长速度为0.016 10 a^-1,其中2009—2019年增长速度减缓并出现减小趋势;土壤类型、土地利用类型、GDP和人口密度4类因子对NDVI空间分布的影响程度最大;单一因子影响力均低于任两个因子的交互解释力,其中,自然和人为因子的交互作用对NDVI空间分布有明显的影响;由Hurst指数分析发现,河南省未来NDVI变化呈现反可持续性特征,Hurst指数<0.5区域占整个研究区域的植被覆盖度百分比为58.3%,整个研究区未来主要呈现下降趋势。     

丰林典型阔叶红松林地表鞘翅目成虫空间异质性及其与环境因子的空间关联性

土壤动物群落空间异质性及其与环境因子的空间作用关系, 是揭示土壤生态系统格局与过程及生物多样性维持机制的重要基础。作者于2015年生长季节(8月)、寒冷季节(10月)在丰林典型阔叶红松林动态监测样地内, 采用陷阱法调查地表鞘翅目成虫群落, 基于地统计空间分析方法, 揭示步甲科和隐翅虫科群落个体数和物种数及优势种的空间格局, 并分析这些空间格局与土壤含水量和地形因子的空间关联性。两次采样共捕获步甲科成虫26种617只, 隐翅虫科19种222只。8月群落个体数和物种数表现为中等变异, 10月为强变异, 群落组成在两个月间具有显著差异。生长季节(8月)和寒冷季节(10月)步甲科和隐翅虫科群落多表现为中等的空间自相关性, 空间分异由随机性因素和结构性因素共同决定。单个物种的个体数多具有中等的空间异质性特征, 且其空间分异主要由随机性因素和结构性因素共同调控。生长季节群落的个体数、物种数和优势种个体数多形成斑块和孔隙镶嵌分布的空间格局。物种之间及物种与环境因子之间多为复杂的空间关联性, 这些关联性主要受到结构性因素或随机性因素的单一调控。典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA)结果表明, 8月土壤含水量对步甲科和隐翅虫科物种分布影响显著, 10月凹凸度对步甲科分布影响显著, 海拔对隐翅虫科分布具有显著影响。本研究表明地表步甲科和隐翅虫科在生长季节形成明显的空间格局而在寒冷季节空间格局不明显, 为不同尺度地表土壤动物空间异质性和生物多样性维持机制研究提供了理论基础。     

苏干湖湿地植被覆盖度时空变化格局

植被覆盖度是反映群落外貌特征和影响植被生态系统稳定性的重要因子,其时空异质性演化规律研究有助于认识湿地群落的结构功能及其环境响应机制。采用湿地群落学调查和遥感技术相结合的方法,分析了苏干湖内陆盐沼湿地近30年植被覆盖度的时空变化及其影响因素。结果表明:像元二分模型在内陆盐沼湿地植被覆盖度研究方面具有较高的模拟精度;苏干湖湿地的植被覆盖度在1987—2017年间总体呈上升趋势,年际增幅为0.162%/5a,与气温和降水呈正相关关系;在空间上植被覆盖度与地下水位埋深呈正相关,与土壤全盐量呈负相关,但不同等级植被覆盖度与地下水位埋深、土壤全盐量间的相关性各有差异。苏干湖湿地植被覆盖度受地下水位埋深、土壤全盐量空间异质性的影响,呈现出斑块状镶嵌分布。     

塔里木河下游土壤水分与植被时空变化特征

运用变异系数、Pearson相关和回归的方法,分析了塔里木河下游2002-2006年土壤水分的时空变化和植被的分布,以及二者之间的相互关系。结果表明:土壤含水率水平空间分布随离水源地距离增加而降低,垂直分布随土层深度的增加而增加;0-60cm土壤含水率变异性最小,属中等变异性;60cm以下土壤含水量变异性增大,属强变异性;土壤含水率的时间变化受生态输水量和持续时间的制约。土壤含水率与植被的时空分布具有同步性;植被特征指数与80-280cm土壤含水率显著相关,且二者与地下水埋深均呈现极显著负相关,说明60cm以下的土壤含水率显著影响植被的生长和分布,而且地下水位是影响土壤水分和植被时空变异的主要因素。     

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。     

哀牢山中山湿性常绿阔叶林土壤呼吸季节和昼夜变化特征及影响因子比较

 由于受到多种生物和非生物因素的影响,土壤呼吸在不同时间尺度上的动态变化可能不一致。对不同时间尺度的土壤呼吸动态变化的研究有助 于深入了解土壤呼吸变化的机理,也有利于精确推算土壤碳的排放。采用红外CO₂分析法测定哀牢山中山湿性常绿阔叶林季节间(2004年4月～ 2005年3月)和昼夜间 (2004年7、9和11月及2005年1、3和5月共6次)的土壤呼吸。哀牢山中山湿性常绿阔叶林中土壤呼吸的季节变化显著,其中 湿季(5～10月)的土壤呼吸高于干季(11月～翌年4月),全年土壤呼吸的平均值为0.442 g CO₂&;#8226;m^－2&;#8226;h^－1。6 次测定的土壤呼吸日变化模式并不 相同,7和9月、翌年1和3月夜间土壤呼吸大于昼间土壤呼吸,11月和翌年5月则相反;5、7和9月昼夜间的土壤呼吸最大值与最小值的差异比11 月、翌年1和3月的测定结果大。季节间土壤呼吸与土壤温度(p=0.000)和土壤含水量(p=0. 007) 均有显著的指数相关,土壤温度可以解释土壤 呼吸变化的56.1％,土壤含水量可以解释土壤呼吸变化的11.1％。不同季节测定的土壤呼吸日变化与土壤温度、气温和土壤含水量则没有显著 的指数相关。由土壤呼吸与土壤温度拟合的指数方程计算Q₁₀值,在温度为 5.9～16.6 ℃内,全年土壤呼吸的Q₁₀值为4.53,在温度为5.9～ 11.0 ℃内,干季土壤呼吸的Q₁₀值为7.17,在温度为10.3～16.6 ℃内,湿季土壤呼吸的Q₁₀值为2.34。在不同时间尺度上,生物和非生物因素 对哀牢山中山湿性常绿阔叶林的土壤呼吸表现出不同的影响。土壤呼吸的季节变化主要受非生物因子温度和水分变化的调控,而土壤呼吸的昼 夜变化则可能主要受植物的生理活动周期性等生物因素的影响。通过温度的指数函数关系,用土壤呼吸的瞬时值来推算土壤呼吸的日通量和年 通量时,需要考虑温度和水分外的其它生物因子的影响。     

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.     

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.     

Biological Soil Crust Microsites Are the Main Contributor to Soil Respiration in a Semiarid Ecosystem

Biological soil crusts (BSCs) are a key biotic component of dryland ecosystems worldwide. However, most studies carried out to date on carbon (C) fluxes in these ecosystems, such as soil respiration, have neglected them. We conducted a 3.5-year field experiment to evaluate the spatio-temporal heterogeneity of soil respiration in a semiarid Stipa tenacissima steppe and to assess the contribution of BSC-dominated areas to the annual soil respiration of the whole ecosystem. We selected the six most frequent microsites in the study area: Stipa tussocks (ST), Retama sphaerocarpa shrubs (RS), and open areas with very low (<5% BSC cover, BS), low, medium and high cover of well-developed BSCs. Soil respiration rates did not differ among BSC-dominated microsites but were significantly higher and lower than those found in BS and ST microsites, respectively. A model using soil temperature and soil moisture accounted for over 85% of the temporal variation in soil respiration throughout the studied period. Using this model, we estimated a range of 240.4–322.6 g C m⁻² y⁻¹ released by soil respiration at our study area. Vegetated (ST and RS) and BSC-dominated microsites accounted for 37 and 42% of this amount, respectively. Our results indicate that accounting for the spatial heterogeneity in soil respiration induced by BSCs is crucial to provide accurate estimations of this flux at the ecosystem level. They also highlight that BSC-dominated areas are the main contributor to the total C released by soil respiration and, therefore, must be considered when estimating C budgets in drylands.     

Temporal-spatial variation and controls of soil respiration in different primary succession stages on glacier forehead in gongga mountain, china

Soil respiration (SR) is an important process in the global carbon cycle. It is difficult to estimate SR emission accurately because of its temporal and spatial variability. Primary forest succession on Glacier forehead provides the ideal environment for examining the temporal-spatial variation and controlling factors of SR. However, relevant studies on SR are relatively scarce, and variations, as well as controlling factors, remain uncertain in this kind of region. In this study, we used a static chamber system to measure SR in six sites which represent different stages of forest succession on forehead of a temperate glacier in Gongga Mountain, China. Our results showed that there was substantial temporal (coefficient of variation (CV) ranged from 39.3% to 73.9%) and spatial (CV ranged from 12.3% to 88.6%) variation in SR. Soil temperature (ST) at 5 cm depth was the major controlling factor of temporal variation in all six sites. Spatial variation in SR was mainly caused by differences in plant biomass and Total N among the six sites. Moreover, soil moisture (SM), microbial biomass carbon (MBC), soil organic carbon (SOC), pH and bulk density could influence SR by directly or indirectly affecting plant biomass and Total N. Q(10) values (ranged from 2.1 to 4.7) increased along the forest succession, and the mean value (3.3) was larger than that of temperate ecosystems, which indicated a general tendency towards higher-Q(10) in colder ecosystems than in warmer ecosystems. Our findings provided valuable information for understanding temporal-spatial variation and controlling factors of SR.     

Landscape- and field-scale control of spatial variation of soil properties in Mediterranean montane meadows

Soil properties of terrestrial ecosystems are controlled by a variety of factors that operate at different scales. We tested the role of abiotic and biotic factors that potentially influence spatial gradients of total ion content, acidity, carbon, total nitrogen, and total phosphorous in topsoil. We studied a network of Mediterranean montane meadows that spans a 2000-m altitudinal gradient. The analyzed factors were grouped into two spatial scales: a landscape scale (climate and land form) and a field scale (topography, soil texture, soil moisture, and plant community composition). Total ion content and acidity are the major and independent variation trends of soil geochemistry. Soil acidity, carbon, and nitrogen increased along the altitudinal gradient whereas there was no relationship between total ion content and phosphorous and elevation. Climate had no direct influence on the analyzed gradients; all effects of climate were indirect through plant community composition and/or soil moisture. The results point to three types of models that explain the gradients of soil chemical composition: (1) a predominantly biotic control of carbon and nitrogen, (2) a predominantly abiotic control of acidity, and (3) a combined biotic and abiotic control of total ionic content. No direct or indirect effects explained the gradient of phosphorous. In our study region (central Spain), climate is predicted to turn more arid and soils will lose moisture. According to our models, this will result in less acid and fertile soils, and any change in plant community composition will modify gradients of soil carbon, nitrogen, total ion content, and acidity.     

农牧交错区不同植物群落土壤呼吸的日动态观测与测定方法比较

 采用动态密闭气室法（IRGA）对农牧交错区10种植物群落最大生物量时期的土壤呼吸日动态进行了测定,并将该方法得到的土壤日呼吸速率与碱液吸收法（AA）进行了比较。结果表明：1）10个群落土壤呼吸的昼夜变化比较明显,均为单峰型曲线,主要受土壤温度的驱动,但同时也受到当日降水情况和云量、风速等气象因子的较大影响。因此,这些群落土壤呼吸日动态的一致性较差,规律性并不明显。2）用碱液吸收法和动态密闭气室法测定的10个群落的土壤呼吸速率变化范围分别为394～894 mg C·m-2·d-1和313～2043 mg C·m-2·d-1,其中碱液吸收法测定结果平均为动态气室法的67.5%,明显低于动态密闭气室法。3）两种测定方法具有很好的相关性,R2为0.873 9。本研究中发现,在土壤呼吸速率低的情况下,两种方法的测定结果十分接近甚至碱液吸收法测定结果稍大于动态密闭气室法,而在土壤呼吸速率较高的情况下,动态密闭气室法测定结果则显著高于碱液吸收法。上述结果与国内外同类研究的结果高度一致,从而为校正以往采用碱液吸收法在该区域的测定结果提供了可靠依据。