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.     

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。     

玉米地土壤呼吸作用对土壤温度和生物因子协同作用的响应

基于2005年玉米(Zea mays)生长季土壤呼吸作用及其影响因子的动态观测资料,分析了玉米地土壤呼吸作用的日和季动态及其对土壤温度和生物因子协同作用的响应。结果表明,玉米地土壤呼吸作用的日变化为不对称的单峰型,其最小值和最大值分别出现在6∶00~7∶00和13∶00左右;玉米生长季中,土壤呼吸速率波动较大,其均值为3.16 μmol CO₂·m^-2·s^-1,最大值为4.87 μmol CO₂·m^-2·s^-1,出现在7月28日,最小值为1.32 μmol CO₂·m^-2·s^-1,出现在5月4日。在土壤呼吸作用日变化中,土壤呼吸速率(SR)与10 cm深度土壤温度(T)呈显著的线性关系:SR=αT+β。在整个生长季节,玉米净初级生产力(NPP)与直线斜率(α)呈显著正相关,生物量(B)也明显影响直线的截距(β)。基于此,建立了玉米地土壤呼吸作用动态模型SR=(aNPP+b)T+cB²+dB+e。土壤呼吸作用季节变化的大部分(97%)可以由土壤温度、NPP和生物量的季节变化来解释。当仅考虑土壤温度对土壤呼吸作用的影响时,指数方程会过大或过小地估计了土壤呼吸强度。该文的结果强调了生物因子在土壤呼吸作用季节变化中的重要作用,同时指出土壤呼吸作用模型不仅要考虑土壤温度的影响,在生物因子影响土壤呼吸作用的温度敏感性时,还应该把生物因子纳入模型。     

神农架海拔梯度上4种典型森林的土壤呼吸组分及其对温度的敏感性

量化森林土壤呼吸及其组分对温度的响应对准确评估未来气候变化背景下陆地生态系统的碳平衡极其重要。该文通过对神农架海拔梯度上常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林以及亚高山针叶林4种典型森林土壤呼吸的研究发现: 4种森林类型的年平均土壤呼吸速率和年平均异养呼吸速率分别为1.63、1.79、1.74、1.35 μmol CO₂·m^-2·s^-1和1.13、1.12、1.12、0.80 μmol CO₂·m^-2·s^-1。该地区的土壤呼吸及其组分呈现出明显的季节动态, 夏季最高, 冬季最低。4种森林类型中, 阔叶林的土壤呼吸显著高于针叶林, 但阔叶林之间的土壤呼吸差异不显著。土壤温度是影响土壤呼吸及其组分的主要因素, 二者呈显著的指数关系; 土壤含水量与土壤呼吸之间没有显著的相关关系。4种典型森林土壤呼吸的Q₁₀值分别为2.38、2.68、2.99和4.24, 随海拔的升高土壤呼吸对温度的敏感性增强, Q₁₀值随海拔的升高而增加。     

干旱区杨树、榆树人工防护林地土壤CO2释放通量研究

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分。随着全球气候变暖趋势逐渐明显, 土壤呼吸的时空变异及其对温度变化的响应已成为生态学研究的重要内容之一。利用LI-8100自动土壤CO₂通量测量系统, 连续两年生长季测定了准噶尔盆地新垦绿洲杨树(Populus sp.)、榆树(Ulmus pumila)人工防护林地土壤呼吸的时间动态, 并分析了土壤水热因子及光合作用对土壤呼吸的影响。研究结果表明: 两种林分土壤呼吸日变化波动呈现一定的不规则性; 季节变化表现为明显的单峰格局。杨树林地土壤呼吸速率显著高于榆树林地, 生长季平均土壤呼吸速率分别为3.71和1.82 μmol CO₂·m^-2·s^-1。两种林分土壤呼吸的季节变化与气温、不同深度层次土壤温度间均呈显著的指数相关, 而与土壤含水量之间相关不显著。50和35 cm土壤温度可以分别解释两种林分土壤呼吸时间变化的78.5%和64.4%, 与土壤温度和含水量的共同解释率接近。林分间土壤呼吸速率差异受到林木生长状况、光合作用及土壤盐分等的影响。研究结果初步阐明了准噶尔盆地干旱区典型绿洲防护林植被土壤呼吸的季节动态特征及主要影响因子, 为进一步揭示该区域林地土壤碳循环特点提供了一定的理论基础。     

环境和生物因子对黄河三角洲滨海湿地净生态系统CO2交换的影响

通过涡度相关和微气象观测技术,对黄河三角洲滨海湿地净生态系统CO₂交换(NEE)以及环境、生物因子进行了观测,探究湿地NEE变化规律及环境和生物因子对NEE的影响. 结果表明: 在日尺度上,生长季NEE呈明显“U”型曲线,非生长季变幅较小;在季节尺度上,NEE生长季波动较大,表现为碳汇,非生长季波动较小,表现为碳源;在年尺度上,滨海湿地生态系统表现为碳汇,总净固碳量为-247 g C·m^-2. 白天NEE主要受控于光合有效辐射(PAR),且生态系统表观量子产量(α)与白天生态系统呼吸(R_eco,d)均于8月达到最大值,最大光合速率(A_max)于7月达到最大值;夜间NEE随气温(T_a)呈指数增加趋势,生态系统的温度敏感系数(Q₁₀)为2.5,且土壤含水量(SWC)越高,Q₁₀值越大.非生长季NEE只与净辐射(R_n)呈显著的线性负相关,与其他环境因子无显著相关关系.生长季NEE与R_n、T_a、土壤10 cm温度(T_{s 10})等环境因子以及叶面积指数(LAI)呈显著的线性负相关,但与地上生物量(AGB)无显著相关关系.多元回归分析表明,R_n和LAI对生长季NEE的协同影响达到52%.     

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。     

松嫩平原西部草甸草原典型植物群落土壤呼吸动态及影响因素

以松嫩平原西部草甸草原中典型植物虎尾草、碱茅、芦苇和羊草群落为对象,分析了4种植被群落土壤呼吸速率日动态和季节动态及其影响因素,以及土壤盐碱度与土壤呼吸碳排放量的关系.结果表明： 4种植物群落的土壤呼吸速率日变化均呈明显的单峰曲线,峰值出现在11:00-15:00,而谷值大多出现在21:00-1:00或3:00-5:00;4种植被群落土壤呼吸速率的季节变化趋势一致,7、8月的土壤呼吸速率(3.21~4.84 μmol CO₂·m^-2·s^-1)最高,10月最低(0.46~1.51 μmol CO₂·m^-2·s^-1);各群落土壤呼吸速率与土壤和近地表大气温度之间呈极显著相关关系,其中,虎尾草群落的土壤呼吸速率与土壤表层含水量极显著相关,芦苇和羊草群落土壤呼吸速率与近地表的相对湿度显著相关.土壤盐分含量明显抑制了土壤CO₂排放量,土壤pH、电导率和土壤交换性钠可以解释该草甸草原土壤呼吸空间变异的87%～91%.     

施氮处理下植物光合对沙质草地土壤呼吸的调控作用

本研究以科尔沁沙质草地为对象,探讨施氮对沙质草地土壤CO₂排放影响的光合调控机制.结果表明: 施氮可通过增加地上植物光合改变输送到地下的光合同化产物数量,进而对土壤呼吸速率产生调控作用.植物光合速率与土壤呼吸速率呈显著正相关,施氮后二者拟合函数斜率由0.236降至0.161,拟合方程截距差值(0.51 μmol·m^-2·s^-1)与施氮后夜间土壤呼吸速率提升值(0.52 μmol·m^-2·s^-1)相近.5—10月,施氮后光合速率改变值(比率)与土壤呼吸变化值(比率)呈显著正相关,偏相关分析显示,施氮后光合速率的改变值是影响土壤呼吸速率变化的有效解释因素(P<0.05).夜间土壤呼吸速率变化仍与地上植被活动存在重要联系,日均生态系统总光合是影响夜间土壤呼吸速率变化(ΔR_s)的重要因素(P<0.01).植物光合而非温度条件是影响施氮后土壤呼吸速率变化的主要因素,因而,结合植物光合的同化产物控制途径为施氮对土壤呼吸影响机制研究提供新的重要补充.     

三江源区不同退化程度高寒草原土壤呼吸特征

为了研究高寒草原退化对土壤呼吸的影响, 对三江源区不同退化程度的高寒草原土壤呼吸进行了测定, 分析了土壤呼吸与生物量、土壤温度以及土壤湿度的相关性, 结果表明: 1)不同退化程度的高寒草原土壤呼吸均表现出一定的月动态, 这种月动态在不同退化程度间各有不同。2)高寒草原在退化演替序列上生长季平均土壤呼吸速率呈先增加后降低的变化趋势, 其中在中度退化程度下达到最高值((2.46 ± 0.27) μmol·m^-2·s^-1), 显著高于未退化((1.92 ± 0.11) μmol·m^-2·s^-1)和重度退化((1.30 ± 0.16) μmol·m^-2·s^-1)水平(p < 0.01), 与轻度退化((2.22 ± 0.19) μmol·m^-2·s^-1)无显著差异(p > 0.05), 重度退化程度下呼吸速率显著低于其他退化水平(p < 0.01)。3)地上生物量和土壤呼吸存在极显著线性正相关关系(p = 0.004), 而地下生物量与土壤呼吸的相关性不很显著(p = 0.056)。4)除重度退化外, 未退化、轻度退化和中度退化高寒草原土壤呼吸与土壤温度显著正相关; 土壤呼吸与土壤湿度的二项式拟合方程在轻度退化程度下达到显著水平(p < 0.05), 而在未退化、中度退化和重度退化程度下均达到极显著水平(p < 0.01)。     

基于稳定碳同位素的北京西山侧柏林生态系统呼吸区分

基于稳定碳同位素对北京西山侧柏林生态系统呼吸进行定量拆分,能够为该地区森林生态系统碳交换研究奠定基础。本研究采用光谱技术对森林不同高度处CO₂浓度和δ¹³C值进行连续观测,同时采用土壤气室和枝条气室测定地下呼吸和地上呼吸的δ¹³C值,求得生态系统呼吸各组分比例。结合土壤呼吸通量的测定,实现对生态系呼吸的定量区分。结果表明: 森林生态系统各呼吸组分夜间δ¹³C值呈波动变化,植物地上呼吸δ¹³C值变化范围为-31.74‰～-23.33‰,土壤地下呼吸δ¹³C值变化范围为-32.11‰～-27.74‰,生态系统呼吸δ¹³C值介于二者之间。夜间平均土壤呼吸通量为1.70 μmol·m^-2·s^-1,占生态系统总呼吸的47%～91%;夜间地上呼吸量的平均值为0.72 μmol·m^-2·s^-1,对生态系统总呼吸的贡献较小。由同位素混合模型推算求得的日间呼吸变异大于温度响应模型的结果,其平均值分别为2.31和2.28 μmol·m^-2·s^-1。     

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).     

北京山区不同植被类型的土壤呼吸特征及其温度敏感性

土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分,是生态系统碳循环研究中的热点问题.土壤呼吸温度敏感性(Q₁₀)是估算土壤呼吸对全球变暖的反馈参数,研究不同植被类型的Q₁₀对评估森林生态系统碳收支具有重要意义.本研究以北京山区典型植被类型侧柏、油松和栓皮栎为研究对象,通过测定生长季内3种植被类型的土壤理化性质、土壤水热因素以及土壤呼吸速率(R_s)的变化,探究不同植被类型下的土壤呼吸特征及温度敏感性.结果表明:3种主要植被类型的R_s在生长季内与土壤温度、湿度的变化趋势相似,均呈现先升高后降低的单峰变化,R_s在4月初最低(0.45 μmol·m^-2·s^-1),随后逐渐增大,在7月初达到峰值(3.95 μmol·m^-2·s^-1),然后逐渐降低,3种植被类型的R_s和Q₁₀值均存在显著差异.土壤温度和湿度是土壤呼吸的重要影响因素,两者与R_s拟合的回归模型可以解析土壤呼吸速率48.1%～56.7%的变化.北京山区的Q₁₀值在2.05～3.19,在同一植被类型下,Q₁₀值与土壤有机碳含量呈显著负相关(R²>0.9),植被类型、海拔和土壤有机碳含量是造成不同植被类型Q₁₀值差异的重要原因.     

基于冠层塔吊原位测定长白山温带阔叶红松原始林群落主要树种的光合特征

为了更好地理解温带阔叶红松原始林群落主要树种的生理生态学特征,为森林生态系统碳动态的模拟预测提供基础数据,本研究依托中国科学院长白山森林生态系统定位站,首次利用冠层塔吊原位测定了阔叶红松原始林群落4个主要树种成熟大树的CO₂响应曲线,并利用FvCB模型计算了一些重要的光合生理参数.结果表明: 红松的光合速率(A)、最大羧化速率(V_{c max})和气孔导度(g_s)均最小,而其气孔对光合的限制性(L_s)最大.水曲柳、蒙古栎和紫椴这3个阔叶树种的光合特征也存在显著差异.基于叶片面积的V_{c max}大小顺序为:水曲柳(83.2 μmol·m^-2·s^-1)、蒙古栎(89.3 μmol·m^-2·s^-1)>紫椴(68.4 μmol·m^-2·s^-1)、红松(68.8 μmol·m^-2·s^-1)(P<0.05),而基于叶片质量的V_{c max}大小顺序为:水曲柳(1.36 μmol·g^-1·s^-1)>蒙古栎(1.03 μmol·g^-1·s^-1)>紫椴(0.90 μmol·g^-1·s^-1)>红松(0.42 μmol·g^-1·s^-1)(P<0.05).7—9月,水曲柳和蒙古栎的A值显著降低,而紫椴和红松的A值变化不显著;所有树种V_{c max}都随季节发生显著下降.在温带阔叶红松林生态系统碳动态的模拟预测中,应该考虑V_{c max}的季节变化.     

模拟增雨对巴里坤湖干涸湖底沉积物CO2通量的影响

明确湖泊沉积物碳过程对气候变化的响应,是全面了解湖泊生态系统碳收支的重要环节.为探究未来降雨增加对沉积物碳通量的影响,本研究以新疆哈密巴里坤盐湖干涸湖底原状沉积物为对象,基于1960年以来新疆哈密地区降雨量增加速率(4mm.10a-1)以及植物生长季多年降雨量分布特征,以2016年生长季(5-10月)降雨量(86 mm...     

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。