高寒沙区生物土壤结皮覆盖土壤碳释放动态

生物土壤结皮广泛分布于荒漠生态系统，能够通过自身的呼吸作用影响土壤碳释放以及区域碳循环过程。本研究在具有典型高寒沙区气候特征的青藏高原东北部（青海共和盆地），以广泛分布于人工植被恢复区的藻类和藓类结皮为研究对象，裸地为对照，观测了裸地与两种类型生物土壤结皮去除和覆盖土壤碳释放速率的日动态和生长季动态规律，探讨生物土壤结皮对土壤碳释放量的影响。结果表明：生物土壤结皮去除和覆盖土壤碳释放速率日动态和生长季动态特征与裸地一致，均呈“单峰”曲线。生物土壤结皮覆盖土壤的日最大碳释放速率出现于13:00左右，裸地与去除结皮土壤的日峰值均出现于15:00左右，生物土壤结皮的存在使土壤碳释放速率的日峰值出现时间提前2h左右，各观测类型生长季内碳释放速率最大值均出现在8月。在相对干旱年份（2017），藻类和苔藓结皮覆盖导致土壤碳释放量分别增加了22.07%和85.61%，其中，藻类和苔藓结皮层碳释放量占增加量的67.60%和25.76%；而在相对湿润年份（2018），藻类和苔藓结皮覆盖导致土壤碳释放量分别增加了139.37%和290.53%，二者结皮层碳释放量分别占增加量的69.09%和45.59%，生物土壤结皮发育促进了土壤的碳释放。温度对土壤碳释放变化的贡献率为48.89%，是高寒沙区土壤碳释放日动态变化的关键驱动因子。因此，在核算荒漠生态系统碳交换过程中，应充分考虑各区域不同类型生物土壤结皮对土壤碳释放产生的影响。     

毛乌素沙地生物结皮覆盖区土壤水分收支变化特征

探究半干旱生态系统生物土壤结皮对土壤水文过程的影响,并量化生物结皮覆盖下土壤水分收支状况,可为荒漠地区植被恢复与重建提供理论依据。本研究基于2018—2020年生长季(5—10月)对毛乌素沙地不同类型生物结皮(如藻类和苔藓)覆盖区土壤水分的连续观测,以裸沙为对照,分析了生物结皮对0～40 cm土壤水分收支的影响。结果表明: 与裸沙相比,藻类结皮和苔藓结皮显著降低了降雨对40 cm以下土壤水分的补充,增加了土壤水分的蒸发损失。在相对湿润年份(2018年),裸沙和不同类型生物结皮覆盖土壤的水分支出量(渗漏量+蒸发量)均低于降雨量,土壤水分状况为收入;在相对干旱年份(2019和2020年),藻类结皮和苔藓结皮覆盖土壤的水分支出量高于降雨量,土壤水分产生亏缺,但是裸沙相反。可见,生物结皮导致其下覆0～40 cm土壤水分收支不平衡,在相对干旱年份出现了水分亏缺,这可能驱动该区域植被群落向浅根系植物演替。     

模拟增温对荒漠生物土壤结皮-土壤系统CO2、CH4和N2O通量的影响

目前, 有关增温条件下荒漠生物土壤结皮(BSCs)-土壤系统与大气之间主要温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)通量变化的研究十分匮乏, 以致很难准确地评估荒漠生态系统温室气体通量对气候变暖的响应与反馈的方向和程度。该文选择腾格里沙漠东南缘天然植被区由藻类、藓类以及二者混生的3种类型的BSCs覆盖土壤为研究对象, 以开顶式生长室(OTC)为增温方式模拟全球变暖, 采用静态箱-气相色谱法探究了2012年7月至2013年6月增温和不增温处理下CO₂、CH₄和N₂O通量的变化特征。结果表明: 增温和结皮类型对CO₂、CH₄和N₂O通量没有显著影响。采样日期、结皮类型与采样日期, 以及增温与结皮类型和采样日期的互作显著影响CO₂和CH₄通量, 增温和采样日期互作显著影响CH₄通量。BSCs-土壤系统的CO₂、CH₄和N₂O年通量及其增温潜能在增温和不增温处理下的差异均不显著。CO₂通量与5 cm深度的土壤温度呈显著的指数正相关关系, 与10 cm深度的土壤湿度呈线性正相关关系; 藓类、混生结皮的CH₄通量与5 cm深度的土壤温度和10 cm深度的土壤湿度均呈显著的线性负相关关系; 3种结皮类型的N₂O通量与5 cm深度的土壤温度均无相关关系, 藓类结皮的N₂O通量与10 cm深度的土壤湿度呈显著的线性负相关关系。藓类结皮的CO₂和CH₄在增温和不增温两种处理下的通量差异与5 cm深度的土壤温度差异呈显著的负线性相关, 藻类结皮N₂O的通量差异与温度差异呈近似正相关关系(p = 0.051)。以上结果说明: 在全球变暖的背景下, 荒漠BSCs-土壤系统主要温室气体通量不会有明显的变化, 意味着荒漠生态系统温室气体的排放可能对气候变暖没有明显的 反馈。     

不同降雨量年份鄂尔多斯高原油蒿灌丛生态系统碳交换特征

采用涡度相关技术对欠雨年(2011年)和丰雨年(2012年)鄂尔多斯高原油蒿灌丛生态系统CO₂交换量特征及其影响因子进行研究.结果表明: 在两个不同降雨量年份,油蒿灌丛生态系统CO₂交换量日动态根据CO₂吸收峰值的出现分为两种模式,即单峰型和双峰型;2011年生长季内CO₂通量共出现3个明显的吸收峰值和3个释放峰值,2012年生长季内CO₂交换量出现4个吸收峰值和1个释放峰值;2011年6-9月,油蒿灌丛生态系统表现为弱的碳汇,10月转变为碳源;2012年整个生长季,油蒿灌丛生态系统均呈现为碳汇.丰雨年比欠雨年生长季的油蒿灌丛生态系统固碳量增加了268.90 mg CO₂·m^-2·s^-1;在日尺度上,生态系统CO₂交换量受光合有效辐射的控制,在生长季尺度上,非生物因素(降雨量、土壤含水量)和生物因素(生态系统净初级生产力)共同制约油蒿灌丛生态系统CO₂交换量的变化.     

生物结皮-土壤呼吸对冬季低温及模拟增温的响应

以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮和藻-地衣结皮-土壤为研究对象,利用开顶式生长室(OTC),采用Li-8150系统连续测定了冬季(2015年11月—2016年1月)低温环境下两类结皮-土壤呼吸的变化,分析了低温及模拟增温对两类结皮-土壤呼吸的影响.结果表明: 观测期内,藓类结皮、藻-地衣结皮-土壤呼吸速率分别为-0.052～0.418、-0.032～0.493 μmol·m^-2·s^-1,且藓类结皮显著高于藻-地衣结皮-土壤系统.不同类型结皮-土壤呼吸速率与5 cm土壤温度和土壤体积含水量均呈显著线性正相关,增温主要是通过加速土壤水分蒸散而抑制生物结皮-土壤呼吸速率.在整个观测期,藓类结皮-土壤系统累计排放9.90 g C·m^-2,显著高于藻-地衣结皮-土壤系统的7.00 g C·m^-2.研究区生物结皮-土壤系统冬季累计排放7.40 g C·m^-2,是该荒漠生态系统全年碳收支的重要组成部分.     

腾格里沙漠东南缘生物结皮土壤呼吸对水热因子变化的响应

生物结皮土壤呼吸是干旱区碳循环的重要参与者,是了解荒漠生态系统碳循环的重要过程之一,但有关生物结皮土壤呼吸对水热因子的响应还存在许多不确定性,难以在区域尺度上准确评估生物结皮土壤系统碳排放对水热因子变化的响应及反馈方向和程度。该文以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类和藻-地衣结皮土壤为研究对象,利用开顶式生长室模拟增温,采用全自动土壤碳通量测定系统研究了模拟增温及降水格局变化对不同类型生物结皮土壤呼吸的影响。结果表明:观测期间(2016年4月1日到7月31日),不同自然降水事件下(降水量在0.3–30.0 mm间),藓类结皮土壤呼吸速率在–0.16–4.69μmol·m~(–2)·s~(–1)之间变动,藻-地衣结皮土壤呼吸速率在–0.21–5.72μmol·m~(–2)·s~(–1)之间变动。藓类结皮土壤呼吸速率平均为1.09μmol·m~(–2)·s~(–1),高于藻-地衣结皮土壤呼吸速率的0.94μmol·m~(–2)·s~(–1),是藻-地衣结皮土壤呼吸速率的1.2倍。生物结皮土壤呼吸在不同的降水事件下具有明显的时空异质性,且生物结皮土壤呼吸速率与降水量有显著正相关关系。对照下两类结皮土壤呼吸速率平均为1.24μmol·m~(–2)·s~(–1),增温条件下为0.79μmol·m~(–2)·s~(–1),增温显著降低了其呼吸速率,增温主要是通过加速土壤水分的散失而降低两类结皮土壤呼吸。大多数情况下,土壤温度和生物结皮土壤呼吸呈现类似的单峰曲线,但土壤温度峰值出现的时间滞后于生物结皮土壤呼吸峰值出现的时间,滞后时间一般为2 h。     

黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响

生物结皮是土壤表面具有光合活性的致密复合层,是土 气界面CO₂通量的影响因子之一.本文采用改进的Li-8100土壤碳通量测量系统,研究了黄土丘陵区退耕地上不同演替阶段生物结皮对土壤CO₂通量的影响.结果表明: 光照条件下,生物结皮土壤CO₂通量较除去生物结皮显著下降,其中藻结皮和藓结皮分别下降了92%和305%;生物结皮对土壤CO₂通量的降低程度与其生物组成和生物量有关,深色藻结皮和藓结皮土壤CO₂通量较裸地分别降低了141%和484%.生物结皮土壤CO₂通量的日变化呈降低-升高-降低的趋势,而裸地CO₂通量日变化趋势为单峰曲线,藻结皮、藓结皮的碳吸收峰值分别出现在8:00和9:00前后,其CO₂通量分别为0.13和-1.02 μmol CO₂·m^-2·s^-1;藻结皮24 h CO₂通量排放总量较裸地增加7.7%,而藓结皮减少了29.6%.生物结皮对土壤CO₂通量的影响显著,在评价退耕地土壤碳循环时,应考虑生物结皮的影响.     

内蒙古黑岱沟露天煤矿植被恢复区生物土壤结皮的固氮潜力

氮素限制在陆地生态系统中普遍存在,在干旱受损生态系统中表现得尤为明显.生物土壤结皮是干旱、半干旱区受损生态系统植被恢复过程中的重要组成部分和氮源贡献者.以黑岱沟露天煤矿植被恢复区广泛分布的两类典型生物土壤结皮(藻类结皮和藓类结皮)为研究对象,通过野外调查采集样品,在实验室条件下测定了两类结皮的固氮活性,分析了其固氮活性对水热因子的响应特征及其与草本、结皮盖度的关系.结果表明：不同演替阶段人工植被及相邻撂荒地和天然植被下生物土壤结皮的固氮活性在9～150 μmol C₂H₄·m^-2·h^-1,藻类结皮(平均为77 μmol C₂H₄·m^-2·h^-1)显著高于藓类结皮(17 μmol C₂H₄·m^-2·h^-1).人工植被区3种常见植被类型下藻类和藓类结皮固氮活性均表现为“灌-草型”显著高于“乔-灌型”和“乔-灌-草型”.藻类和藓类结皮的固氮活性与样品相对含水量(10%～100%)和培养温度(5～45 ℃)均呈显著的二次函数关系,其固氮活性随水分、温度升高均呈先上升后下降的趋势,分别在60%和80%相对含水量时达到最大固氮速率,其最适固氮温度均为25 ℃.藻类结皮固氮活性与草本盖度呈显著的二次函数关系,草本盖度超过20%时固氮活性开始降低,藓类结皮固氮活性与草本植物盖度呈显著负相关.两类结皮固氮活性与其盖度均呈显著的正相关关系,随结皮盖度增加其固氮活性显著升高.露天煤矿植被恢复区两类生物土壤结皮固氮活性差异主要由结皮组成生物体即隐花植物的差异所致,不同植被类型下的水热差异及不同植被演替阶段草本、结皮盖度的差异是影响生物土壤结皮氮固定的关键因子,生物土壤结皮在人工植被区的拓殖发育及其氮输入是系统健康发展的重要标志.     

高寒沙区生物土壤结皮覆盖土壤碳通量对模拟降水的响应

生物土壤结皮作为干旱半干旱地区重要的地表覆盖类型和景观特征之一,其自身具备的光合与呼吸能力对荒漠生态系统地表与大气界面中的碳交换与循环产生了重要影响。水分是干旱半干旱地区许多生态过程中的主要限制因子,能够影响生物土壤结皮的光合与呼吸过程,进而影响生物土壤结皮覆盖土壤的碳通量规律。针对高寒沙区藓类和藻类结皮为主的生物土壤结皮覆盖土壤,设置了1、2、5、10mm以及0(对照)的模拟降水梯度,利用LI-8100土壤碳通量测定系统,对模拟降水后结皮覆盖土壤的碳通量进行测定,以探讨不同结皮种类和不同强度降水对碳通量的影响。结果表明:(1)降水对生物土壤结皮覆盖土壤的净碳通量、暗呼吸均有激发作用,使碳通量在极短时间内到达峰值且与对照差异显著,但各降水量之间差异不显著。两种不同结皮覆盖类型相比,藓类结皮覆盖土壤在降水后的碳通量峰值和受降水激发的有效时间均显著高于藻类结皮。(2)两种结皮覆盖土壤在模拟降水后的48h累积碳释放随降水量的增加而增加且与对照差异显著。同时藓类结皮覆盖土壤累计碳释放显著高于藻类结皮覆盖土壤。(3)两种生物土壤结皮覆盖土壤的碳通量和土壤水分体现出显著的相关性,净碳通量和暗呼吸均随水分的增加而增加。因此,在降水条件下生物土壤结皮覆盖土壤表现出明显的碳源效应,其碳通量以及碳释放量都有显著的改变,在研究干旱半干旱地区碳交换规律时应该考虑不同生物结皮的覆盖和降水事件的影响。     

库布齐沙漠东部不同生物结皮发育阶段土壤温室气体通量

以流动沙地为对照,采用时空替代法分析库布齐沙漠东部固定沙地上不同发育阶段生物结皮藻类结皮和地衣结皮土壤温室气体通量特征及其与环境因子之间的关系,研究生物结皮发育对荒漠土壤温室气体通量的影响.结果表明: 荒漠土壤CO₂排放通量大小为地衣结皮(128.5 mg·m^-2·h^-1)>藻结皮(70.2 mg·m^-2·h^-1)>流动沙地(48.2 mg·m^-2·h^-1),CH₄吸收通量大小为地衣结皮(30.4 μg·m^-2·h^-1)>藻结皮(21.2 μg·m^-2·h^-1)>流动沙地(18.2 μg·m^-2·h^-1),N₂O排放通量大小为地衣结皮(6.6 μg·m^-2·h^-1)>藻结皮(5.4 μg·m^-2·h^-1)>流动沙地(2.5 μg·m^-2·h^-1).CO₂排放具有明显的季节变化,生长季显著大于非生长季;CH₄和N₂O季节变化差异不显著,前者生长季吸收大于非生长季,后者非生长季排放大于生长季.土壤有机碳和全氮含量、土壤微生物数量均是影响温室气体通量的重要因素,环境水热因子是影响土壤CO₂排放的关键因子,但CH₄和N₂O通量对水热因子的变化不敏感.随着植被恢复和生物结皮发育,荒漠土壤温室气体累积通量的不断增大导致其百年尺度的全球增温潜势亦显著提高,依次为地衣结皮(1135.7 g CO₂-e·m^-2·a^-1)>藻结皮(626.5 g CO₂-e·m^-2·a^-1) >流动沙地(422.7 g CO₂-e·m^-2·a^-1).     

库布齐东缘沙漠化逆转过程中土壤呼吸及其温度敏感性变化

为研究沙漠化逆转过程对土壤呼吸速率(R_s)及其温度敏感性(Q₁₀)的影响,在库布齐沙漠东缘选取流动沙地、半固定沙地、藻结皮固定沙地、地衣结皮固定沙地和苔藓结皮固定沙地5个不同逆转阶段,采用静态暗箱-气相色谱法测定不同阶段样地R_s并计算Q₁₀,并同步分析环境因子对R_s的影响。结果表明: 随沙地固定和植被演替,R_s逐渐增大,表现为苔藓结皮固定沙地(0.78 μmol·m^-2·s^-1)>地衣结皮固定沙地(0.67 μmol·m^-2·s^-1)>藻结皮固定沙地(0.46 μmol·m^-2·s^-1)>半固定沙地(0.42 μmol·m^-2·s^-1)>流动沙地(0.29 μmol·m^-2·s^-1),且R_s均为生长季大于非生长季。Q₁₀值规律相反,为流动沙地(3.28)>半固定沙地(2.93)>藻结皮固定沙地(2.54)>地衣结皮固定沙地(1.91)>苔藓结皮固定沙地(1.84),且均为非生长季大于生长季。5个阶段样地R_s与土壤温度均呈显著正相关,但仅流动沙地和半固定沙地R_s与土壤含水量呈正相关,其余3种固定沙地R_s与土壤含水量无相关性。R_s与土壤全氮、有机碳、容重、孔隙度、细菌数量、放线菌数量及真菌数量均显著相关。在沙漠化逆转过程中,土壤碳氮含量及微生物群落数量的增加、土壤质地的改善、植物生物量的积累可显著增强土壤呼吸并降低其温度敏感性,是改变荒漠土壤碳循环格局的主要驱动力,同时也可明显改变水分因子对土壤呼吸的影响程度。     

Temperature and moisture sensitivities of CO2 efflux from lowland and alpine meadow soils

Aims This study was conducted to (i) determine if soil CO₂ efflux is more sensitive to temperature changes in alpine areas than in lowland grasslands, (ii) examine the effects of temperature and moisture on soil respiration, and (iii) evaluate the potential for change in soil carbon storage in response to global warming in different grasslands in East Asia.Methods We collected soil samples from two different temperate grasslands, an alpine meadow on the Qinghai-Tibetan plateau, China, and a lowland grassland in Tsukuba, Japan. The CO₂ emission rate was then measured for these soil samples after they were incubated at 25°C and 60% of the water holding capacity for 7 days.Important findings (i)?The soil respiration rate was more sensitive to temperature change in the alpine soil than in the lowland soil. The average Q 10 was 7.6 for the alpine meadow soil but only 5.9 for the lowland soil. The increased sensitivity appears to be due, at least in part, to the soil organic carbon content and/or soil carbon to nitrogen ratio, especially in the surface layer. (ii) The relationship between the CO₂ emission rate and the soil moisture content revealed that the alpine meadow had a more clear response than the lowland soil. (iii) This study suggests that changes in soil moisture and soil temperature may have larger impacts on soil CO₂ efflux in the alpine meadow than in the lowland grassland evaluated here.     

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。     

呼伦贝尔地区贝加尔针茅草甸草原土壤CO2排放特征

采用Li-8150多通道土壤碳通量自动观测系统,于2009年6月—2010年6月对呼伦贝尔地区贝加尔针茅草甸草原土壤呼吸进行连续野外观测,分析该地区土壤CO₂通量排放特征.结果表明: 生长季内贝加尔针茅草甸草原土壤呼吸日动态呈单峰曲线,最高值出现在13:00—15:00,最低值出现在5:00—6:00,土壤呼吸呈明显的季节变化,与土壤温度和土壤含水量季节动态相吻合.土壤呼吸与各层土壤温度和土壤含水量关系可以用线性模型和指数-乘幂模型来表示;土壤呼吸与各层土壤温度呈显著的指数回归关系,Q₁₀变化范围分别为1.68～2.14和3.03～3.60,非生长季土壤温度对土壤呼吸的影响更为显著;生长季内土壤呼吸与10 cm土壤含水量呈显著正相关.2009和2010年土壤CO₂年排放量分别为488.47和507.20 g C·m^-2·a^-1,生长季排放量约占年排放量的90%.     

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%.     

Soil respiration associated with plant succession at the meadow steppes in Songnen Plain,Northeast China

Aims Soil CO₂ emission from steppes is affected by soil properties and vegetation in different successional stages. Primary and secondary succession of plants frequently occurred at the meadow steppe in Songnen Plain, Northeast China, which indicates the large uncertainty associated with CO₂ emission in this environment. This study aims to investigate the temporal variations of soil respiration (Rs) and the effect of plant succession on cumulative soil CO₂ emission during the growing season.Methods Using a LI-6400 soil CO₂ flux system, Rs of five vegetation types which represented different stages of plant succession in meadow steppes of Songnen Plain, China, was investigated during the growing seasons of 2011 and 2012.Important findings Soil temperature (Ts) was the dominant controlling factor of Rs, which could explain ~64% of the change in CO₂ fluxes. The Q 10 values of Rs were ranged from 2.0 to 6.7, showing a decreasing trend with the plant successional stages. The cumulative CO₂ emission increased with the degree of vegetation succession and it averaged to 316±6g C m ?2 (ranges: 74.8±6.7 to 516.5±11.4g C m ?2) during the growing season. The magnitude of soil CO₂ emission during the growing season was positively correlated with aboveground plant biomass, soil organic carbon content and mean soil water content, while negatively linked to mean Ts, pH, electrical conductivity and exchangeable sodium percentages. The results implied that soil CO₂ emission increased with the development of plant communities toward more advanced stages. Our findings provided valuable information for understanding the variations of CO₂ emission in the process of vegetation succession.