黄土高原小麦田土壤呼吸对强降雨的响应

全球气候变化的可能后果之一是干旱频繁,强降雨增多。土壤呼吸是全球碳循环的关键组成部分,探讨强降雨对土壤呼吸的影响,有助于预知在全球变化背景下,土壤CO2排放的可能反馈机制。然而,由于测定技术限制,目前在降雨前后,对土壤呼吸进行原位、全天候、高频率测定的研究尚不够深入。研究选取黄土高原半干旱区小麦田土壤为研究对象,采用全自动多通量箱系统,对降雨前后的土壤呼吸及环境因子在原位置进行了全天候连续监测,分析了3次强降雨前后的土壤呼吸变化。结果表明,（1）强降雨对土壤呼吸促进还是抑制取决于雨前、雨中、以及雨后的土壤水分状态。土壤水分相对亏缺条件下的强降雨促进土壤呼吸,降雨结束后土壤呼吸的平均水平是降雨发生前的1．5—2倍;湿季的强降雨整体上抑制土壤呼吸,降雨过程中观测到呼吸波谷,雨中及雨后土壤呼吸分别下降了约33％和15％。（2）土壤呼吸与土壤水分之间存在二次曲线关系,此关系同时受土壤水分状况和温度的影响。当土壤由干旱和水分相对亏缺状态过渡到湿润时,上述二次曲线关系可靠;当土壤水分充裕时,该二次曲线关系减弱。在于湿交替情况下,二次曲线拐点是土壤呼吸因土壤水分增加而受到抑制的临界点,并且当温度升高时,该临界点相应升高。（3）温度和水分共同影响土壤呼吸。在土壤水分相对亏缺时,水分的增加是影响土壤呼吸的关键因子,温度对土壤呼吸的影响处于相对次要的位置;在水分充裕时,温度是影响土壤呼吸的关键因子,水分的增加会抑制土壤呼吸,但其对土壤呼吸变化的影响相对弱化。     

干湿交替格局下黄土高原小麦田土壤呼吸的温湿度模型

全球气候变化的直接后果是气温升高,同时还可能引起强降雨增多和干旱频发,形成干湿交替的格局.土壤呼吸在全球变化过程中发挥着重要作用.以黄土高原沟壑区小麦田土壤为研究对象,采用3个全自动多通量箱以及相应的气象监测系统,对土壤呼吸和环境因子全天候连续测定,利用已有的单因子模型、双因子模型对测定的土壤呼吸与气温和湿度的关系进行了拟合,通过优化,根据实际情况提出E-Q(exponential-quadratic)模型.结果表明:(1)干湿交替格局下,基于气温的单因子模型(指数模型,幂函数模型和线性模型)不适合模拟土壤呼吸;(2)基于土壤湿度的单因子模型中,二次曲线模型最适合模拟干湿交替格局下土壤呼吸的响应情况;(3)基于气温和土壤湿度的双因子模型中,E-Q模型SR=aebT(c+dW+fW2)g,既能反映土壤呼吸随气温的正向指数变化,又能表现土壤湿度对土壤呼吸的双向调节作用,解释了土壤呼吸73.05%的变化情况,比其他双因子模型和单因子模型更能有效描述干湿交替情况下土壤呼吸对气温和土壤湿度协同变化的响应特征.     

黄土高原四种人工植物群落土壤呼吸季节变化及其影响因子

以黄土高原侧柏、柠条、沙棘和油松人工植物群落为对象,土壤呼吸日动态和季节变化及其与环境因子之间的关系,结果表明:4种植物群落土壤呼吸速率具有典型的日变化和季节变化模式, 4种群落中,以侧柏6月土壤呼吸日变幅最大,沙棘6月土壤呼吸日变幅最小,大部分群落不同月份最大土壤呼吸与最小土壤呼吸倍数在1.1～1.6之间.4种群落中,以柠条土壤呼吸季节变幅最大,侧柏最小,最大土壤呼吸与最小土壤呼吸的倍数为1.5～2.2倍之间.同一植物类型土壤呼吸具有明显的季节变化特征,其具体变化趋势因植物类型而异.4种植物群落土壤呼吸速率与土壤和大气温度以及土壤含水量的关系在不同季节表现为不同的关系,其中侧柏和柠条土壤呼吸与土壤温度均呈乘幂关系,与大气温度为指数关系.沙棘土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为乘幂关系,油松土壤呼吸与土壤温度和大气温度均为线性关系.这表明土壤呼吸与土壤和大气温度之间的关系及其紧密程度因植被类型而异.综合分析表明,同一气候区相同环境因子对不同植物群落土壤呼吸的影响作用不同,且因其自身具有明显的季节变化,从而导致对土壤呼吸的调控作用也具有明显的季节变异模式.     

天山中部天山云杉林土壤种子库年际变化

通过定点采样,采用萌发法对天山中部天山云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey.)近熟林(101-120a)和成熟林(121-160a) 2004-2011年(8a)土壤种子库物种组成、种子密度的年际变化和不同间隔年限土壤种子库物种组成的相似性进行了分析.结果表明:(1)土壤种子库中共萌发鉴定出种子植物87种,隶属29科70属,其中乔木种子植物2种,灌木种子植物2种,草本种子植物83种,土壤种子库中草本植物种子密度远远大于木本植物种子密度;8个采样年份土壤种子库恒有种仅有6种;(2)土壤种子库种子密度及其中天山云杉种子密度存在巨大的年际变动,且不具有同步性;土壤种子库种子密度最大(2009年)值为(953.75±66.12)粒/m2,最小(2008年)值为(186.50±20.37)粒/m2,其中天山云杉种子密度最高(2006年)达到(584.50±53.58)粒/m2,最低(2005年)仅有(0.25±0.26)粒/m2;(3)天山云杉林土壤种子库年际间物种组成的相似性不高,Czekanowski相似系数均值仅为0.344,并随间隔年限的增加呈现减小—增大—减小的变化趋势.天山云杉林土壤种子库物种组成和种子密度稳定性差,年际间相差悬殊,物种组成的相似性不高,种子库中天山云杉种子密度主要受其种子库采样前一年天山云杉结实丰歉的影响,属间断型.土壤种子库年际变化特征可为天山森林的更新恢复和可持续经营提供科学依据.     

田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征

明确土壤基础呼吸的季节和年际变化及其影响因素,对了解土壤有机碳的变化机理具有重要的意义。在长武农田生态系统国家野外科学观测研究站,本研究依托其长期（始于1984年）的裸地处理,于2009—2011年,利用Li—8100系统（Li—COR, Lincoln, NE, USA）监测了土壤呼吸、土壤水分和土壤温度,研究田间条件下土壤基础呼吸的年际和季节间变化及其与环境变量之间的关系。裸地土壤呼吸具有显著地季节和年际变异特性。2009年土壤呼吸速率波动于0.62—1.83mol?m-2?s-1,平均为1.16 mol?m-2?s-1;2010年土壤呼吸的变化范围为0.30—1.46 mol?m-2?s-1,均值为0.92 mol?m-2?s-1;2011年则为0.06—1.68 mol?m-2?s-1和0.88 mol?m-2?s-1。2009到2011的三年期间裸地土壤呼吸的年累积量依次为282、234和230 g CO2—C m-2。裸地土壤呼吸与土壤温度呈显著指数关系,而与土壤水分呈显著一元二次方程关系。土壤温度和土壤水分共同控制土壤呼吸的变化。试验期间,土壤呼吸累积量与试验期间降水总量相反,但与年均气温无关。在裸地处理上,因土壤呼吸年流失有机碳达到2.5 Mg CO2—C ha-1。     

黄土高原典型植物根际对土壤微生物生物量碳、氮、磷和基础呼吸的影响

选择黄土高原7种典型植物的根际与非根际土壤为研究对象,对土壤的养分含量、微生物生物量碳、氮、磷和基础呼吸的影响进行了初步研究。结果表明,7种不同植物根际土壤与非根际土壤的养分含量、微生物生物量和基础呼吸均存在显著差异;除冷蒿的土壤微生物生物量磷以外,其他各种植物的根际土壤的养分含量、微生物生物量和基础呼吸均比非根际土壤的高;土壤有机碳、全氮与土壤微生物生物量碳、氮及基础呼吸之间均具有极显著或显著相关关系,表明了土壤微生物生物量碳、氮可以作为判断土壤肥力状况的生物学指标,同时也可为提高土壤肥力水平和土壤培肥效果提供依据。     

黄土高原水蚀风蚀交错带不同土地利用类型土壤呼吸季节变化及其环境驱动

以黄土高原水蚀风蚀交错区神木县六道沟小流域为研究区,采用动态密闭气室法对植物生长季节（2007年5～10月）5种土地利用方式的土壤呼吸速率进行了测定,并结合水热因子,对不同土地利用方式间土壤呼吸速率的差异性以及其和温度、含水量之间的关系进行了分析。结果表明：5种土地利用类型土壤呼吸速率季节性变化均呈现单峰型曲线,与气温变化趋势一致,其7、8月份土壤呼吸速率均显著高于其它月份（P〈0.05）;生长季节土壤CO2平均释放速率顺序为：长芒草地〉苜蓿地〉柠条地〉农地〉沙柳地,草地在生长前期和旺盛期土壤呼吸强度均显著高于农地和灌木林地;除沙柳地和苜蓿地以外,在土壤呼吸与所有温度指标的关系中,与10cm深度的土壤温度相关性最好,且除沙柳地外,其它4种土地利用类型均与之达到显著相关;农地土壤呼吸对温度的响应最敏感（Q10值为2.20）,除沙柳地（Q10值为1.48）外,其它4种土地利用类型Q10值均在2.0左右,接近于全球Q10的平均水平;通过Van’t Hoff模型估算,2007年植物整个生长季节（5～10月份）,5种土地利用类型土壤呼吸量从高到低依次为：苜蓿地259gC·m^-2,长芒草地236gC·m^-2,柠条地226gC·m^-2,农地170gC·m^-2,沙柳地94gC·m^-2;水分对农地和沙柳地的土壤呼吸影响不大;长芒草地、柠条地和苜蓿地土壤呼吸的双变量模型关系显著（P〈0.05）,比相应的单变量模型更好地解释了土壤呼吸变异。     

生物炭对间作体系中刨花润楠生长及土壤养分年际变化的影响

为探究生物炭对刨花润楠(Machilus pauhoi)的促生及土壤保肥的长期效应,以刨花润楠-梅叶冬青(Ilex latifolia)间作系统为研究对象,开展田间小区试验,研究0 kg(CK)、1.2 kg(T1)、2.4 kg(T2)、和4.8 kg(T3)4个生物炭用量对2015—2017年间刨花润楠生长动态及土壤养分含量年际变化的影响。结果表明:移栽前期,刨花润楠生长较慢,但16月后生长速度加快。生物炭可促进刨花润楠株高、叶长及叶宽的生长,但不同用量间差异不显著;与对照相比,T1、T2和T3处理下刨花润楠地上部干重分别增加35.71%、59.02%和31.81%,地下部干重分别增加28.02%、39.69%和20.52%;3个年份生物炭处理下0—15 cm和15—30 cm土层pH、有机质和速效钾含量均高于对照,且均随着生物炭施用量的增加而增加;生物炭处理下土壤全氮、全磷、全钾含量均略有提高。施用生物炭后,2015年和2016年0—15 cm土层碱解氮含量降低,2017年则有所增加,但影响不显著(P0.05)。15—30 cm土层碱解氮含量变化不明显;生物炭对2015年0—15 cm土层有效磷含量的影响不显著,到2016年和2017年则增加其含量,且T1和T3处理下效应最显著。生物炭可增加15—30 cm土层有效磷含量,但到后期(2017年)效应不显著(P0.05)。总体看来,不同处理下土壤各养分含量均表现为0—15 cm15—30 cm,2015年2016年2017年。刨花润楠生物量与0—15 cm土壤养分含量间存在显著正相关性,各养分含量间也存在正相关关系。适量生物炭(T2)处理促生保肥效应最佳,且具有长效性。     

锌厂Pb污染农田小麦根际与非根际土壤酶活性特征研究

土壤酶是一种生物催化剂 ,它们参与土壤系统中诸多重要代谢过程 ,即土壤发生与发育、土壤肥力的形成、土壤净化等。土壤酶活性反映了土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向。研究表明 ,耕作土壤酶活性与土壤肥力、作物营养利用效率显著相关[1～ 4 ,10 ] 。土壤酶活性易受环境中物理、化学和生物的影响 ,环境污染条件下土壤酶活性变化很大 ,因此 ,土壤酶活性在一定程度上可以反映出环境状况。某些污染物的存在能抑制土壤酶活性 ,例如脲酶与磷酸酶活性对某些重金属很敏感[5] 。这使得土壤酶学研究在环境科学研究中的应用成为可能 ,但国内…     

辽宁碱蓬根际土壤真菌多样性的季节变化及其耐盐性

采用稀释平板法和形态学鉴定法进行了辽宁碱蓬(Suaeda liaotungensis)根际土壤真菌的分离鉴定及季节、盐度对真菌多样性的影响分析。结果表明:春、夏、秋、冬四季辽宁碱蓬根际土壤中的真菌菌落数分别为6410、4180、5730和3340,种类分别为6属13种、9属16种、11属31种、6属12种,共分离鉴定出13属42种真菌;其根际土壤真菌的多样性指数、丰富度指数和均匀度指数,从大到小的次序均为秋夏春冬,3种指数均在秋季达到峰值;多样性指数和丰富度指数差异较大,均匀度指数波动较小,春季和冬季的均匀度指数相近。辽宁碱蓬根际土壤真菌种类明显多于无植被土壤,是无植被土壤的7倍,多样性指数和均匀度指数分别是无植被土壤的4—8倍和1—1.2倍;其根际土壤真菌优势种群包括青霉属(Penicillium)、葡萄穗霉属(Stachybotrys)、枝孢属(Cladosporium)、木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)和镰孢属(Fusarium);4个季节的优势菌不尽相同,但均有一个共同的优势菌属青霉属。以Na Cl浓度梯度法制造盐胁迫生境,检测辽宁碱蓬根际土壤真菌对盐胁迫的响应,结果表明:60%左右的菌种能耐受5%以下盐度、15%左右的菌种能耐10%—20%盐度;筛选出了6株高度耐盐菌:细交链孢霉、草酸青霉、产黄青霉、烟曲霉、细极链格孢和赭曲霉,其中最高耐盐菌种赭曲霉可耐20%盐度。创新之处在于以盐度和季节为变量检测辽宁碱蓬根际土壤真菌的种群构成,为其深入研究奠定了理论基础。     

黄土旱塬区不同覆盖措施对冬小麦农田土壤呼吸的影响

采用田间试验研究了黄土旱塬区不同覆盖措施下的冬小麦农田土壤呼吸日变化和季节变化特征.试验包括4个处理：作物生育期秸秆覆盖600 kg·hm^-2（M₆₀₀）、秸秆覆盖300 kg·hm^-2（M₃₀₀）、地膜覆盖（PM）和无覆盖处理（CK）.结果表明：冬小麦农田土壤呼吸速率从播种至返青之前呈下降趋势,处理间没有显著差异;越冬后土壤呼吸速率迅速提高,至拔节期最高.与CK相比,3个覆盖处理在越冬至成熟期间均显著促进了土壤CO₂的释放,其中PM与其他处理间的差异达到极显著水平.全生育期M₆₀₀和M₃₀₀处理土壤呼吸速率平均分别为1.47和1.52 μmol CO₂·m^-2·s^-1,较CK（1.38 μmol CO₂·m^-2·s^-1）分别提高了6.6%和10.2%;PM处理土壤呼吸速率平均为3.63 μmol CO₂·m^-2·s^-1,较CK提高了163%.CK处理土壤呼吸日变化呈单峰曲线,峰值出现在12：00左右,秸秆覆盖后峰值时间推迟到14：00左右;PM处理土壤呼吸日变化特征在拔节期与对照相似,在成熟期则呈双峰曲线,峰值分别出现在12：00和16：00左右.土壤呼吸速率与土壤温度和土壤水分分别呈指数和抛物线式相关.     

Response of terrestrial carbon uptake to climate interannual variability in China

The interest in national terrestrial ecosystem carbon budgets has been increasing because the Kyoto Protocol has included some terrestrial carbon sinks in a legally binding framework for controlling greenhouse gases emissions. Accurate quantification of the terrestrial carbon sink must account the interannual variations associated with climate variability and change. This study used a process‐based biogeochemical model and a remote sensing‐based production efficiency model to estimate the variations in net primary production (NPP), soil heterotrophic respiration (HR), and net ecosystem production (NEP) caused by climate variability and atmospheric CO₂ increases in China during the period 1981–2000. The results show that China's terrestrial NPP varied between 2.86 and 3.37 Gt C yr^?1 with a growth rate of 0.32% year^?1 and HR varied between 2.89 and 3.21 Gt C yr^?1 with a growth rate of 0.40% year^?1 in the period 1981–1998. Whereas the increases in HR were related mainly to warming, the increases in NPP were attributed to increases in precipitation and atmospheric CO₂. Net ecosystem production (NEP) varied between ?0.32 and 0.25 Gt C yr^?1 with a mean value of 0.07 Gt C yr^?1, leading to carbon accumulation of 0.79 Gt in vegetation and 0.43 Gt in soils during the period. To the interannual variations in NEP changes in NPP contributed more than HR in arid northern China but less in moist southern China. NEP had no a statistically significant trend, but the mean annual NEP for the 1990s was lower than for the 1980s as the increases in NEP in southern China were offset by the decreases in northern China. These estimates indicate that China's terrestrial ecosystems were taking up carbon but the capacity was undermined by the ongoing climate change. The estimated NEP related to climate variation and atmospheric CO₂ increases may account for from 40 to 80% to the total terrestrial carbon sink in China.     

Source components and interannual variability of soil CO2 efflux under experimental warming and clipping in a grassland ecosystem

Partitioning soil CO₂ efflux into autotrophic (R_A) and heterotrophic (R_H) components is crucial for understanding their differential responses to climate change. We conducted a long‐term experiment (2000–2005) to investigate effects of warming 2°C and yearly clipping on soil CO₂ efflux and its components (i.e. R_A and R_H) in a tallgrass prairie ecosystem. Interannual variability of these fluxes was also examined. Deep collars (70 cm) were inserted into soil to measure R_H. R_A was quantified as the difference between soil CO₂ efflux and R_H. Warming treatment significantly stimulated soil CO₂ efflux and its components (i.e. R_A and R_H) in most years. In contrast, yearly clipping significantly reduced soil CO₂ efflux only in the last 2 years, although it decreased R_H in every year of the study. Temperature sensitivity (i.e. apparent Q₁₀ values) of soil CO₂ efflux was slightly lower under warming (P>0.05) and reduced considerably by clipping (P<0.05) compared with that in the control. On average over the 4 years, R_H accounted for approximately 65% of soil CO₂ efflux with a range from 58% to 73% in the four treatments. Over seasons, the contribution of R_H to soil CO₂ efflux reached a maximum in winter (∼90%) and a minimum in summer (∼35%). Annual soil CO₂ efflux did not vary substantially among years as precipitation did. The interannual variability of soil CO₂ efflux may be mainly caused by precipitation distribution and summer severe drought. Our results suggest that the effects of warming and yearly clipping on soil CO₂ efflux and its components did not result in significant changes in R_H or R_A contribution, and rainfall timing may be more important in determining interannual variability of soil CO₂ efflux than the amount of annual precipitation.     

黄土和风沙土藓结皮土壤呼吸对模拟降雨的响应

生物结皮土壤呼吸是干旱和半干旱生态系统碳循环的重要组成部分,但目前其对降雨的响应规律尚不明确。针对黄土高原黄土和风沙土上发育的藓结皮,分别进行2、4、6、10、20、30、40 mm的模拟降雨,并使用便携式土壤碳通量分析仪测定雨前和雨后藓结皮的呼吸速率,对比分析降雨量对藓结皮呼吸速率的影响;同时,在40 mm降雨后的0—24 h连续测定藓结皮的呼吸速率变化,分析藓结皮呼吸速率随雨后历时的变化规律。结果显示,7种降雨量后两种土壤上藓结皮的呼吸速率均显著升高,黄土上藓结皮呼吸速度的增幅为2.89—6.38倍,风沙土上藓结皮呼吸速率的增幅为0.73—4.38倍。0—6 mm降雨中,两种土壤上藓结皮的呼吸速率均随降雨量增加而迅速升高,二者成显著线性正相关关系;6—40 mm降雨中,黄土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而缓慢升高,但风沙土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而快速降低。两种土壤上藓结皮的呼吸速率随雨后历时表现出相似的变化规律,即雨后迅速升高、之后逐渐降低,并在24 h左右回归到雨前水平;但黄土上藓结皮的呼吸速率在雨后即刻达到峰值,而风沙土上藓结皮的呼吸速率在雨后30 min左右方达到峰值。黄土上藓结皮的呼吸速率一致高于风沙土上的藓结皮,前者在不同降雨量和雨后历时中平均比后者高150.0%和59.6%。此外,藓结皮呼吸速率与表层土壤含水量存有显著相关关系,在含水量较低(小于约4%)时二者显著正相关,在含水量较高(大于约4%)时二者对于黄土上藓结皮为正相关、对于风沙土上藓结皮为负相关。研究表明,黄土高原藓结皮土壤呼吸对降雨响应快速而直接,但其响应规律对于黄土和风沙土上的藓结皮是不同的,总体而言黄土上藓结皮对降雨的响应更为持久有效。     

植被年际变化对蒸散发影响的模拟研究

利用通用陆面模式(CLM3.0)及其植被动力学模式(DGVM)研究植被覆盖度(FC)和叶面积指数(LAI)的年际变化对全球蒸散发的影响。设计两套实验方案,其植被的FC和LAI的气候态相同,但一套实验中植被的FC和LAI有年际变化,而对照实验中则没有。结果表明:(1)在草、灌木、树占优势的地区植被FC年际变化依次减小;LAI年际变化较大的地区集中在草和灌木覆盖的地区,在落叶林地区,春秋两季植被LAI的年际变化也较大。(2)全球树占优势的大部分地区,植被的年际变化使得年平均蒸散发和地表蒸发增加、冠层蒸发和蒸腾减少;而在灌木和草覆盖区,变化则大致相反。(3)低纬度地区蒸散发季节循环变化比较明显,而北半球中纬度地区,蒸散发变化明显区随着纬度增加而在时间上向后推延。(4)FC和LAI年际变化较大时,蒸散发及地表蒸发降低,而蒸腾增加;这些差异随FC和LAI年际变化的增加而增加。单点分析进一步表明植被年际变化不仅改变蒸散发的多年平均值,同时改变其分量间的相对比例。     

黄土旱塬裸地土壤呼吸特征及其影响因子

于中国科学院长武生态试验站(始于1984年),采用动态密闭气室法(Li-8100,USA)于2008年3月至2009年3月监测了裸地土壤呼吸日变化、季节变化以及0-60cm土层的温度和含水量,研究了裸地土壤呼吸的日变化、季节变化特征及其与土壤温度和含水量之间的关系。结果表明:裸地土壤呼吸四季的日变化和季节变化均呈单峰型曲线,与气温变化趋势一致;日变化峰值出现在14:00左右或16:00左右,最低值出现在0:00左右或者6:00左右;季节变化表现为夏季最高,冬季最低,春秋季无明显差异,年平均呼吸速率为0.94μmolCO₂·m^-2·s^-1。土壤呼吸与温度具有极显著(P<0.01)的正相关关系,且可以用R_s=ae^bx形式的指数函数很好地拟合,其中与5cm深度的土壤温度相关性最好。水分对土壤呼吸的影响复杂。裸地土壤呼吸的双变量模型关系显著(P<0.01),比相应的单变量模型更好地解释了土壤呼吸变异。