土壤CO2浓度的动态观测、模拟和应用

土壤CO₂浓度不仅是地上、地下生物活动的反映,其变化对未来大气CO₂浓度和气候变化也有重要影响.本文综述了国内外土壤CO₂浓度的原位测定方法及其优缺点,分析了不同时(昼夜、几天、季节、年际)空(剖面、立地、景观)尺度上土壤CO₂浓度的变化规律和影响因素,概括了现有土壤CO₂浓度的模拟模型和发展态势,并总结了土壤CO₂浓度梯度法在土壤呼吸研究中的应用和限制因素.最后展望了未来有待研究的4个领域：1)研发适于恶劣土壤环境(如淹水、石质土)的土壤CO₂气体采集、测定技术;2)探讨土壤CO₂浓度对天气变化的响应及其调控机理;3)加强土壤CO₂浓度空间异质性的研究;4)扩大通量梯度法在热带、亚热带土壤呼吸测定中的应用.     

川西亚高山林区三种土地利用方式下土壤呼吸动态及组分区分

采用动态密闭气室法(IRGA)对川西亚高山林区云杉(Picea likiangensisvar.balfouriana)人工林、农地和冷杉(Abiesfaxoniana)原始林的土壤呼吸日变化及季节变化进行了测定,计算了土壤呼吸3个组分的值。结果表明,(1)云杉人工林中根系呼吸占林地总呼吸的22%,冷杉原始林为29%;(2)土壤呼吸速率的日变化和季节变化均与10cm地温的变化相一致;(3)由于本地区土壤水分不是限制因子,因此温度成为影响土壤释放CO2的最关键因素,云杉人工林矿质土壤呼吸随温度变化的Q10值为2.44,农地为1.82,冷杉原始林为2.73;(4)云杉人工林年呼吸CO2总量为43.93t.hm-2.a-1,其中72%来自于矿质土壤排放,6%来自于枯落物分解;农地年呼吸CO2总量为26.07t.hm-2.a-1,主要来自矿质土壤;冷杉原始林年呼吸CO2总量为33.95t.hm-2.a-1,其中61%来自于矿质土壤排放,10%来自于枯落物分解。     

不同生长期盆栽大豆的土壤呼吸昼夜变化及其影响因子

通过盆栽试验 ,用静态箱法采样 ,气相色谱测定样品 CO2 浓度 ,分别在大豆开花期、结荚期和鼓粒期测定土壤呼吸速率 ,研究大豆不同生长期土壤呼吸的昼夜变化规律及其主要影响因素。在结荚期灌水后测定土壤呼吸速率 ,以研究水分对土壤呼吸昼夜变化的影响。结果表明在大豆不同生长期中 ,土壤呼吸均具有明显的昼夜变化规律 ,且均呈单峰曲线型 ,峰值出现在 12 :0 0到 16 :0 0之间。6 :0 0～ 18:0 0的 CO2 排放占总排放的 6 1%～ 6 9% ,昼夜平均土壤呼吸速率最接近于 18:0 0～ 2 1:0 0之间的速率。如果忽略大豆生长对土壤有机质分解的激发效应 ,大豆根际呼吸占总土壤呼吸的 85 %～ 96 %。裸土土壤呼吸与温度呈极显著的指数和线性相关 ,种大豆的土壤呼吸与温度的关系因生长期而异 ,鼓粒期的相关性最好 ,结荚期最差。这些都说明大豆生长和生长阶段影响土壤呼吸及其与温度的关系。灌水后使大豆土壤呼吸昼夜变化增强 ,平均土壤呼吸速率增大。由此可见植物生长时期、温度和水分是影响土壤呼吸昼夜变化的主要因素     

施氮对青藏高原东缘窄叶鲜卑花灌丛土壤呼吸的影响

开展土壤呼吸对大气氮沉降增加的响应研究对预测陆地生态系统碳循环具有重要意义。采用外施氮肥模拟氮沉降,结合壕沟法分离土壤呼吸组分,研究青藏高原东缘主要的灌丛类型——窄叶鲜卑花(Sibiraea angustata)灌丛土壤呼吸对不同施氮水平(N0(对照)、N2、N5和N10分别相当于0、2、5和10 g N m-2a-1浓度的氮沉降)的短期响应。结果表明:试验期间(2012年5—10月份),(1)土壤呼吸呈现明显的季节变化,施氮对生长季土壤总呼吸、异养呼吸无显著影响,而对自养呼吸有显著的抑制作用(P0.05)。(2)土壤呼吸也存在显著的日变化,施氮对一天中土壤总呼吸及其组分均有显著影响(P0.001)。总体上,施氮促进了土壤总呼吸、异养呼吸,而抑制了自养呼吸。(3)施氮对土壤总呼吸、异养呼吸平均每月排放CO2通量无显著影响,而对自养呼吸平均每月排放CO2通量有显著的抑制作用(P0.05),并在不同月份对土壤呼吸及其组分的影响不同。(4)土壤总呼吸、异养呼吸与地下5 cm土壤温度之间具有较好的指数关系(P0.001),而与土壤含水量相关性较弱。关于土壤呼吸各组分对大气氮沉降响应差异的机理有待进一步研究。     

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。     

东北东部森林生态系统土壤呼吸组分的分离量化

对森林生态系统的土壤呼吸组分进行分离和量化,确定不同组分CO2释放速率的控制因子,是估测局域和区域森林生态系统碳平衡研究中必不可少的内容。采用挖壕法和红外气体分析法测定无根和有根样地的土壤表面CO2通量(RS),确定东北东部6种典型森林生态系统RS中异养呼吸(RH)和根系自养呼吸(RA)的贡献量及其影响因子。具体研究目标包括:(1)量化各种生态系统的RH及其与主要环境影响因子的关系;(2)量化各种生态系统RS中根系呼吸贡献率(RC)的季节动态;(3)比较6种森林生态系统RH和RA的年通量。土壤温度、土壤含水量及其交互作用显著地影响森林生态系统的RH(R2=0.465~0.788),但其影响程度因森林生态系统类型而异。硬阔叶林和落叶松人工林的RH主要受土壤温度控制,其他生态系统RH受土壤温度和含水量的联合影响。各个森林生态系统类型的RC变化范围依次为:硬阔叶林32.40%~51.44%;杨桦林39.72%~46.65%;杂木林17.94%~47.74%;蒙古栎林34.31%~37.36%;红松人工林33.78%~37.02%;落叶松人工林14.39%~35.75%。每个生态系统类型RH年通量都显著高于RA年通量,其变化范围分别为337~540 gC.m-2.a-1和88~331 gC.m-2.a-1。不同生态系统间的RH和RA也存在着显著性差异。     

西天目山毛竹林土壤呼吸特征及其影响因子

毛竹(Phyllostachys edulis)是中国南方重要的森林资源,在区域碳平衡中扮演重要的作用。研究毛竹林土壤呼吸特征及影响因子有助于了解其土壤CO2释放过程的关键驱动因子,为进一步揭示毛竹林土壤碳循环特点提供科学依据。以浙江省西天目山自然保护区毛竹林为研究对象,利用LI-Cor8100开路式土壤碳通量测量系统测定(2007年5、8、11月,2008年1、3月)土壤呼吸速率及环境因子,同时取0—20 cm土层土样测定土壤酶活性,结果表明:(1)毛竹林土壤呼吸具有典型的日动态和季节变化模式,日动态变化较为平缓,土壤呼吸的季节变化较为显著(P0.05),最大值(5.99μmol.m-2.s-1)出现在2007年8月,最小值(1.08μmol.m-2.s-1)出现在2008年1月。(2)回归方程表明,土壤呼吸与土壤5 cm温度呈极显著的指数相关关系(P0.001),与土壤体积含水量相关性较弱(P0.05),与近地面大气温度和CO2浓度分别呈极显著的指数相关关系(P0.001)和显著的线性相关关系(P0.05)。(3)相关分析表明,土壤尿酶、蔗糖酶、纤维素酶活性与土壤呼吸均呈正相关,其中纤维素酶活性达到显著水平。综合分析表明毛竹林土壤温度是调控土壤呼吸季节变化的主要驱动因子,近地面大气环境及土壤酶活性的变化也对其产生不容忽视的影响。     

CO_2浓度升高和N沉降对中亚热带森林土壤呼吸的短期影响

大气CO2浓度升高和N沉降持续增加已是不争的事实,影响着森林生态系统碳循环。为深入了解CO2浓度升高和N沉降增加对中亚热带森林土壤碳循环的共同影响,本研究通过模拟CO2浓度升高和N沉降增加,利用Li-Cor 8100测定了土壤呼吸1年的变化。结果表明:CO2浓度升高和N沉降显著促进了土壤呼吸,其单独处理的土壤呼吸速率分别比对照高24.4%和27.9%(P0.01);CO2浓度升高和N沉降同时作用下,土壤呼吸速率比对照高46.5%(P0.01)。表明,N沉降和CO2浓度升高对土壤呼吸的促进作用存在非加和效应。相关性分析显示,土壤呼吸与土壤温度呈显著正相关,而与土壤含水量呈负相关。CO2浓度升高和N沉降增加改变了土壤呼吸的温度敏感性。CO2浓度升高略微增加了土壤呼吸的温度敏感性,而N沉降则降低了土壤呼吸的温度敏感性。因此,在全球CO2浓度升高和N沉降增加的背景下,中亚热带森林土壤有机碳向大气中的排放可能会增加,但有机碳分解对环境温度变化的敏感性降低。     

海南岛尖峰岭热带山地雨林土壤和凋落物呼吸研究

采用 CI-30 1 PS红外 CO2 测定系统对海南岛尖峰岭热带山地雨林土壤和凋落物的呼吸进行测定结果表明 ,原始林土壤呼吸速率昼夜变化表现为多峰曲线 ,最高峰在 2 0 :0 0 ,在 1 2 :0 0和 4 :0 0～ 6 :0 0出现 2个次高峰 ,平均呼吸速率为1 0 .6 85 3μmol· m- 2· s- 1;更新林土壤呼吸速率变化大 ,平均为 1 4 .75 36 μmol· m- 2· s- 1,高峰主要在 1 3:0 0和 2 :0 0 ;凋落物分解过程在林地 CO2 排放总量中贡献很少 ,仅占 1 .74 1 %～ 2 .831 % ;原始林凋落物 CO2 排放量明显比更新林大 ,而各层的排放比例不一样 ,原始林是 b层 (半分解凋落物及腐殖质层 ) >a层 (未分解凋落物层 ) ,更新林是 b层相似文献   

CO2倍增条件下长白赤松幼苗土壤CO2廓线的动态

采用固定在土壤中的气井系统,监测土壤剖面的CO2动态及其与长白赤松 (Pinus sylvestris var. sylvestriformis (Takenouchi) Cheng et C. D. Chu) 幼苗根系发展之间的关系.实验研究共设4种CO2处理,分别是环境CO2浓度,无苗;CO2为700 μmol/mol,无苗;环境CO2浓度,有苗;CO2为700 μmol/mol,有苗.通过对土壤剖面CO2气体的同步采集与分析表明:土壤CO2廓线与幼苗根系的生物活性密切相关.在土壤表面及壤土和沙土的边界层中,根系分布密集,根系的呼吸作用对那两个土层CO2贡献大;随着幼苗的季节生长,与环境CO2浓度比较,CO2倍增将导致土壤剖面上CO2浓度最大区域由表面向壤土和沙土边界层的转移.本文采用的气井系统提供了一种对土壤无破坏、经济、简单并且能够用于监测幼苗地下过程的廓线研究方法.