毛白杨树干呼吸及其温度敏感性季节变化特征

树干呼吸(E_s)是森林生态系统碳循环过程的重要组成部分,深入理解树干呼吸过程对未来气候变暖的响应及反馈机制有助于更加精确地估算森林生态系统碳储量。为揭示毛白杨树干呼吸及其温度敏感性的昼夜变化和季节动态规律,利用Li-Cor6400便携式光合作用测定系统及其配套使用的土壤呼吸测量气室(LI-6400-09)对冀南平原区毛白杨的树干呼吸和树干温度实施为期1年的连续监测。结果表明:(1)在生长季,毛白杨树干呼吸与树干温度之间在晚上呈现正相关的关系(R~2=0.88);相反,两者在白天为负相关的关系(R~2=0.96)。(2)整个观测期内,毛白杨树干呼吸和树干温度均呈现"钟形"的变化曲线,树干呼吸与树干温度之间存在着较好的指数函数关系(R~2=0.93),且树干呼吸的温度敏感性系数(Q_(10))为2.62;不同季节毛白杨树干呼吸的Q_(10)存在差异,生长季的Q_(10)(1.95)明显低于非生长季(3.00),表明生长呼吸和维持呼吸对温度的响应也并不相同。(3)温度矫正后的毛白杨树干呼吸(R_(15))在昼夜和季节尺度上均存在明显的变异,即夜晚的R_(15)显著高于白天(P0.01),生长季的R_(15)明显高于非生长季(P0.05);树干可溶性糖含量与生长季的R_(15)存在较好的相关性(R~2=0.52),而非生长季的R_(15)却主要受到树干淀粉含量的影响。研究结果表明,在生长季,毛白杨树干呼吸的在日变化主要受到温度的影响,而在季节尺度上Q_(10)的变异则与树干呼吸中维持呼吸所占比例及树干中非结构性碳水化合物(可溶性糖和淀粉)的含量及类型紧密相关。     

温带4种针叶树种春、秋季节树干维持呼吸的日动态

揭示树干维持呼吸(RM)的时间变化特征及其调控因子有助于理解树木碳代谢过程及其对环境变化的响应和构建森林碳循环机理模型。采用红外气体分析法原位测定东北东部山区4个针叶树种(红松、红皮云杉、樟子松和兴安落叶松)的春、秋季节RM日动态及其影响因子。结果表明:秋季和春季4个树种RM日变化多随树干温度(TW)而变化,但RM峰值大小和出现时间以及日变化幅度因树种和季节而异。TW解释了RM(除春季樟子松外)变异性的50%以上,但RM对TW响应滞后1.5 h(春季樟子松为3 h)。将RM标准化到TW为10℃(R10)时发现,秋季R10波动在0.54μmol CO2m-2s-1(兴安落叶松)—0.78μmol CO2m-2s-1(红皮云杉)之间,而春季R10则波动在0.87μmol CO2m-2s-1(红松)—1.10μmol CO2m-2s-1(樟子松)之间,前者平均低于后者约40%。然而,各树种秋季和春季RM的Q10值差异不显著(P0.05),波动在1.52(樟子松)—1.82(红皮云杉)之间。秋季和春季所有树种的R10与树木胸径(DBH)之间均呈显著的正相关关系(P0.05),而Q10与DBH则多呈负相关关系(P0.05),表明DBH可作为估测这些针叶树种RM的参数之一。     

川西贡嘎山峨眉冷杉成熟林生态系统CO2通量特征

成熟森林的碳收支对陆地生态系统碳循环研究具有重要意义。目前,我国关于西南亚高山暗针叶林成熟林碳通量的研究还相对较少,尚不明确对碳循环的作用。以涡度相关技术为基础,对川西贡嘎山东坡峨眉冷杉成熟林生态系统尺度的CO_2通量进行长期定位观测。利用2015年6月至2016年5月观测数据,分析了峨眉冷杉成熟林净生态系统CO_2交换量(NEE)、生态系统呼吸(Re)和总生态系统生产力(GPP)的季节变异特征及其源汇状况,并结合环境因子,分析CO_2通量的主要控制因子。结果表明:(1)峨眉冷杉成熟林NEE具有明显的日变化特征,呈现"U"形变化,白天为负值,夜间为正值,中午前后CO_2通量达到最大;各月间日平均NEE变化差异显著,NEE峰值最大出现在2015年6月(-0.64 mg CO_2m~(-2)s~(-1)),峰值最小出现在2016年1月(-0.08 mg CO_2m~(-2)s~(-1));日平均NEE由正值变为负值的时间夏季最早,冬季最晚,NEE由负值变为正值的时间冬季最早,夏季最晚。(2)峨眉冷杉成熟林NEE、Re和GPP具有明显的月变化。2015年6月和12月NEE分别达到最大值(-46.02 g C m~(-2)月~(-1))和最小值(-1.42 g C m~(-2)月~(-1));Re呈现单峰变化,最大和最小值分别出现在2015年6月(84.78 g C m~(-2)月~(-1))和2016年1月(12.82 g C m~(-2)月~(-1));GPP最大值和最小值分别出现在2015年6月(130.81 g C m~(-2)月~(-1))与2016年1月(16.15 g C m~(-2)月~(-1))。(3)空气温度(T_a)、5 cm土壤温度(T_(s5))和光合有效辐射(PAR)是影响峨眉冷杉成熟林CO_2通量的主要环境因子。T_a与CO_2通量呈指数相关(R~2=0.5283,P0.01);白天CO_2通量与PAR显著相关(R~2=0.4373,P0.01);夜晚CO_2通量与T_(s5)显著相关(R~2=0.4717,P0.01)。(4)全年NEE、Re和GPP分别为-241.87、564.81 g C m~(-2)和806.68 g C m~(-2),表明川西贡嘎山峨眉冷杉成熟林具有较强的碳汇功能。     

西双版纳热带季节雨林优势树种树干呼吸特征

 采用红外气体分析法（IRGA）原位监测了西双版纳热带季节雨林11种优势树种树干呼吸速率、1 cm深树干温度以及林内空气变化情况。研究发 现,11种优势树种的树干呼吸具有相同的季节规律,并且雨季均大于干季时的树干呼吸。树种间树干呼吸速率差异显著,在0. 823～2.727 μmol&;#8226;m^-2&;#8226;s^-1。树干1.3 m处所测南北方向树干呼吸无显著性差异。树干呼吸与树干温度显著相关(0.552<0.92),呈良好的自然指数回归关 系,Q₁₀值为1.90～3.03。20 ℃时各树种的RT（总树干呼吸）速率为0.771～2.570μmol&;#8226;m^-2&;#8226;s^-1。     

中度火干扰对兴安落叶松林土壤呼吸的影响

通过测定中度火干扰后塔河地区兴安落叶松(Larix gmelinii)林生长季土壤呼吸(R_s),并进一步探究火干扰后影响土壤呼吸变化的主要环境因子。选择在塔河林业局火烧4年后兴安落叶松林中度火烧迹地设置样地,选择临近未过火区域设置对照样地。土壤呼吸通量用LI-8100进行测量,土壤异养呼吸(R_h)采用壕沟法进行测量。火烧迹地与未火烧对照样地生长季土壤呼吸速率平均值分别为(3.67±1.03)μmol CO_2m~(-2)s~(-1),(4.21±1.25)μmol CO_2m~(-2)s~(-1)。火烧迹地土壤呼吸速率显著降低(P0.05)。生长季土壤呼吸组分的动态变化表明,土壤呼吸速率的降低是因为土壤自养呼吸(R_a)显著降低导致的(P0.05)。温度是控制这一地区生长季土壤呼吸变化的主要环境因子。与对照样地相比,火烧迹地土壤呼吸的变化与土壤温度具有更强的相关性。塔河地区兴安落叶松林火烧迹地和未火烧对照样地Q_(10)分别为5.85±1.06,4.25±1.19,火干扰后Q_(10)显著增加(P0.05)。研究结果表明:在全球气候变化的背景下火干扰后中国塔河地区兴安落叶松林生态系统对温度的变化更为敏感。本研究结果将为研究中国塔河地区火干扰后碳循环变化提供数据支持。     

北京典型树种木质组织碳释放速率温度敏感性的时间变化规律和铅锤分异特征

采用红外气体分析法(IRGA)于2014年1—12月原位测定了北京市4个典型树种(国槐Sophora japonica,旱柳Salix matsudana,华北落叶松Larix principis-rupprechtii和侧柏Platycladus orientalis)在不同高度上的木质组织CO_2通量速率(E_(CO_2)),旨在比较不同树种间E_(CO_2)及其温度敏感性(Q_(10))的时间变化规律和铅锤分异特征。研究结果显示:(1)4个树种的E_(CO_2)均表现为单峰型季节变化规律,生长月份内的E_(CO_2)显著高于非生长月份,温度和枝干的径向生长是影响E_(CO_2)季节变化的主要因素;(2)E_(CO_2)对温度的敏感性在夏季月份明显降低,且出现明显的垂直分异:Q_(10)随测量高度的增加而增加,呈现出非连续的阶梯分布;(3)在日间尺度上,阔叶树种E_(CO_2)对温度的感性系数Q_(10)出现昼夜不对称现象,晚上Q_(10)明显升高。准确量化E_(CO_2)的时间变化规律和铅锤分异特征,细化不同时间尺度下E_(CO_2)对温度的响应特征,成为准确估算木质组织碳排放的前提条件。     

模拟氮沉降对石栎和苦槠幼苗土壤呼吸的影响

用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统测定模拟氮沉降4种不同处理水平(0、60、120\,240 kg · hm^-2 · a^-1)下石栎(Lithocarpus glabra)和苦槠(Castanopsis sclerophylla)幼苗的土壤呼吸速率及土壤温度、含水量对其土壤呼吸的影响。结果表明,氮沉降对土壤呼吸的影响根据施氮水平和幼苗的种类不同而异。低氮(60 kg · hm^-2 · a^-1)处理下石栎和苦槠的土壤呼吸速率平均值分别为(4.014±0.812)μmol · m^-2 · s^-1和(5.170±0.689)μmol · m^-2 · s^-1,比对照组(0 kg · hm^-2 · a^-1)土壤呼吸速率平均值(3.802±0.948)μmol · m^-2 · s^-1和(3.557±0.906)μmol · m^-2 · s^-1分别高5%和45%;两树种在中、高氮处理下均出现对土壤呼吸明显的抑制。其中石栎中、高氮实验组的土壤呼吸速率分别为(2.653±0.681)μmol · m^-2 · s^-1、(2.592±0.736)μmol · m^-2 · s^-1, 比对照组低27%和29%。苦槠中、高氮实验组的土壤呼吸速率为(3.563±0.402)μmol · m^-2 · s^-1、(3.466±0.994)μmol · m^-2 · s^-1, 比对照组低7%和8%;石栎在高氮(240 kg · hm^-2 · a^-1)处理水平下,其土壤呼吸速率同10cm土壤温度之间呈现显著的指数关系(R²=0.811,P=0.001),而在低、中氮实验均未发现有明显指数关系。苦槠各处理水平下其土壤呼吸与土壤温度之间均未发现有明显的指数关系;在土壤呼吸与5cm土壤含水量的相关性方面,仅有苦槠高氮实验组表现出明显的二次方程关系(R²=0.722),而其低、中氮实验组及石栎各实验组均未有明显的相关性;与单因素(温度、含水量)拟合它们与土壤呼吸速率的方程相比,多元回归分析得到的土壤呼吸速率同土壤温度和含水量之间的拟合方程在P=0.05水平上能更好地解释土壤呼吸的变化情况。石栎和苦槠在氮沉降处理下的土壤呼吸温度系数Q₁₀值分别为2.29、1.95、1.59和1.46、1.41、1.76,同对照组2.64和1.78相比,均有明显降低,且两者Q₁₀值的变化分别呈递减和先减小后增大的趋势,表明氮沉降是影响石栎和苦槠土壤CO₂通量的一个重要因素。     

降雨量改变对常绿阔叶林干旱和湿润季节土壤呼吸的影响

通过野外原位试验,研究降雨量改变对华西雨屏区常绿阔叶林干旱和湿润季节土壤呼吸速率的影响。采用LI-8100土壤碳通量分析系统(LI-COR Inc.,USA)测定干旱和湿润季节对照(CK)、增雨10%(LA)、增雨5%(TA)、减雨10%(LR)、减雨20%(MR)、减雨50%(HR)6个处理水平的土壤呼吸速率,并通过回归方程分析温度和湿度与土壤呼吸速率间的关系。结果表明:湿润季节土壤呼吸速率高于干旱季节,HR处理对干旱季节土壤呼吸速率影响较大,而LA处理对湿润季节土壤呼吸速率的影响较大。TA和LR处理使土壤呼吸的温度敏感性增加,而HR、LA和MR处理使土壤呼吸的温度敏感性降低,干旱季节Q10值高于湿润季节。各处理湿润季节土壤微生物量碳氮含量显著高于干旱季节,HR、MR和LA处理减少土壤微生物生物量碳、氮的含量,而TA和LR处理增加土壤微生物生物量碳、氮的含量。与湿润季节相比,干旱季节土壤水分对土壤呼吸速率的影响较大;而与土壤温度相比,土壤水分对土壤呼吸速率的影响较小。在降雨量改变的背景下,华西雨屏区常绿阔叶林无论是干旱还是湿润季节,适当增雨和减雨都会促进土壤呼吸速率,而较高量的增雨和减雨会抑制土壤呼吸速率。     

植被类型变化对长白山森林土壤碳矿化及其温度敏感性的影响

土壤有机质是陆地生态系统最大的碳库,土壤有机质分解速率及其温度敏感性对生态系统碳循环及其碳汇功能具有重要影响。为揭示植被类型变化对森林土壤有机质分解的影响,以长白山针阔混交林的原生林和次生林为研究对象,分别将土壤在不同水分(30%、60%和90%土壤饱和含水量(SSM))和不同温度(5、10、15、20、25和30 ℃)下培养,在为期56 d的培养期内分9次测定土壤碳矿化速率。实验结果表明:植被类型、培养温度和水分对土壤碳矿化速率具有显著影响,且三者间存在显著的交互效应(P < 0.001)。次生林土壤碳矿化累积量显著高于原生林(P < 0.05),在90% SSM和温度30 ℃培养状况下分别为346.41 μgC/g和241.01 μgC/g。包含温度和水分的双因素模型可很好地拟合土壤碳矿化速率的变化,温度和水分可共同解释土壤碳矿化速率的82.7%-95.9%变异。次生林土壤碳矿化温度敏感性(Q₁₀)显著高于原生林;水分对温度敏感性的影响较复杂,次生林在60% SSM最高,而原生林在90% SSM最高。总之,原生林遭砍伐后将会加速土壤有机质的分解,从而降低土壤有机质含量;另外,根据Q₁₀值可以预测次生林土壤有机质的分解速率对全球变暖反映更明显。     

短期增温对贡嘎山峨眉冷杉幼苗生长及其CNP化学计量学特征的影响

2009年5月至10月,在中国科学院贡嘎山高山森林生态系统观测站附近,采用红外灯加热人工模拟气候变暖研究了增温对峨眉冷杉(Abies fabiri (Mast) Craib)幼苗生长和养分及其化学计量特征的影响。由于红外灯的增温作用,在幼苗的整个生长季节,增温样地地表下5 cm、10 cm、20 cm处土温平均高于对照样地5.04 ℃、4.81 ℃、4.35 ℃,而土壤含水量则分别降低了7.03%、6.10%、6.40%;地表20 cm处空气温度相比对照样地上升了1.12 ℃,而空气相对湿度则降低了6.30%。除茎重比外,增温处理降低了峨眉冷杉幼苗的根长、基径、株高、总生物量、根重比、叶重比、根冠比和比叶面积。经方差分析发现,增温处理后幼苗根、茎和叶的C平均含量与对照差异性均不显著(P>0.05),其中除茎的提高了2.76%外,根和叶分别降低了7.15%和2.29%;N平均含量除茎显著降低之外(P<0.05),根、叶分别提高了9.78%和5.70%;幼苗根、茎、叶的P平均含量均低于对照11.97%、10.69%和2.99%,并且根和茎与对照存在显著性差异(P<0.05)。增温处理后幼苗根、茎、叶各器官的C︰N、C︰P 、N︰P与对照均不存在显著性差异(P>0.05),其中C︰P均大于对照,而C︰N和N︰P与对照相比,均有不同程度的减小;C︰N、N︰P和C︰P的平均值(标准差)大小顺序依次为茎(92.594.92)>根(61.891.65)>叶(60.813.23)、叶(4.990.22)>根(4.440.58)>茎(3.640.10)和茎(336.358.70)>叶(302.854.49)>根(274.865.27)。实验结果表明：增温对幼苗生长和生物量积累具有明显的限制作用,对叶片生长的阻碍作用尤为突出;增温改变了幼苗根茎叶的CNP含量及其化学计量比格局;在养分供应上,增温和对照处理下幼苗生长均受N素限制。     

遮光对杉木幼苗树干表面CO2通量的影响

树干表面CO_2通量是森林生态系统碳收支的重要组成部分,对全球碳平衡产生重要影响。近年来,全球变化导致植物光合产物供应发生改变,这将影响树干表面CO_2通量。然而,关于光合产物供应如何影响树干表面CO_2通量的机理仍不清楚。以盆栽杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗为研究对象,采用遮光方法减少光合产物供应,通过自制呼吸气室,使用Li-8100测定树干表面CO_2通量,并结合树干可溶性糖、淀粉和非结构性碳及树干温度等数据分析遮光对树干表面CO_2通量的影响。结果表明:遮光后树干可溶性糖、淀粉和非结构性碳含量分别显著下降了55.0%、78.9%和64.3%。遮光处理阶段树干表面CO_2通量平均下降39.9%,且下降幅度随着遮光时间的延长而增加;此外,遮光降低了树干表面CO_2通量的温度敏感性。恢复光照后,树干表面CO_2通量、树干可溶性糖、淀粉和非结构性碳含量以及树干温度均恢复至对照水平。可见,光合产物供应变化对树干表面CO_2通量具有调控作用,而且能够通过调控树干表面CO_2通量对温度变化的响应对全球碳循环产生重要影响。     

杉木人工林不同深度土壤CO2通量

土壤CO₂通量具有明显的时间和空间变异性。土壤温度和含水量是影响土壤CO₂通量的重要因素,同时,不同深度的土壤CO₂通量对温度和含水量变化的响应差异较大,因此,研究土壤CO₂通量和影响因素随土壤深度的变化,对于准确评估土壤碳排放具有重要意义。选择福建三明杉木人工林(Cunninghamia lanceolata)作为研究对象,利用非散射红外CO₂浓度探头和Li-8100开路式土壤碳通量系统,并使用Fick扩散法计算了0-60cm深度土壤CO₂的通量,结果表明:(1)5种扩散模型计算的表层(5cm)CO₂通量与Li-8100测量结果均具有显著相关性(P<0.01),Moldrup气体扩散模型计算结果较好。(2)土壤CO₂浓度随深度的增加而升高,但60cm深度以下土壤CO₂浓度开始降低;不同深度土壤CO₂浓度的日变化均呈现单峰型;0-60cm土壤CO₂通量日通量均值变化范围为0.54-2.17μmol m^-2 s^-1;(3)指数拟合分析显示,5、10cm和60cm深度处土壤CO₂通量与温度具有显著相关性,Q₁₀值分别为1.35、2.01和4.95。不同深度土壤含水量与CO₂通量的相关性不显著。     

The concentration and efflux of tree stem CO2 and the role of xylem sap flow

The accurate assessment of actual tree stem respiration and its relation with temperature plays a considerable role in investigating the forest carbon cycle. An increasing number of research reports have indicated that tree stem respiration determined with the commonlyapplied chamber gas exchange measuring system does not follow expectations regarding temperature relationships. This method is based on the nowadays widely-accepted theory that the respired CO₂ in a tree stem would all diffuse outward into the atmosphere. However, it neglects partial CO₂ that is dissolved in the xylem sap and is carried away by the transpirational stream. Scientists have started to realize that the respired CO₂ measured with the chamber gas exchange method is only a portion of the total stem respiration (CO₂ efflux), while the other portion, which is sometimes very substantial in quantity (thought to occupy maybe 15%–75% of the total stem respiration), is transported to the upper part of the stem and to the canopy by sap flow. This suggests that the CO₂ produced by respiration is re-allocated within the stem. Accordingly, the change in CO₂ efflux could be reflected in the rates of sap flow in addition to its dependence on temperature. Proper methods and instruments are required to quantify the internal and external CO₂ fluxes in the trunk and their interaction with related environmental factors.     

大气CO2浓度及温度升高对高山灌木鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)生长及抗氧化系统的影响

以CO_2浓度及温度升高为主要标志的全球气候变化将对我国西北地区脆弱的生态系统产生重要影响。利用环境控制实验研究CO_2浓度倍增(eCO_2, C_1:400μmol/mol和C_2:800μmol/mol)和温度升高(eT, T_1:20℃/10℃和T_2:23℃/13℃)对高山灌木鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)生长及抗氧化系统的影响。结果表明:eCO_2和eT表现出相反的生长和生理效应,eT对幼苗生长的影响要大于eCO_2对其的影响。eT使幼苗的总生物量、净光合速率(NAR)和相对生长速率(RGR)降低;但可促进地上部分生长,叶生物量比及叶面积比增加。eCO_2可减缓或补偿由eT引起的总生物量、NAR和RGR的降低,并促进地下部分生长。对抗氧化系统来说,eT使得超氧化歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)及抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性降低,还原型谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(ASA)含量降低;eCO_2只增加常温下SOD酶活性,并使GSH、ASA整体水平提高。结论:温度升高和CO_2浓度倍增没有协同促进鬼箭锦鸡儿幼苗的生长和光合能力。温度升高将对幼苗生长和抗氧化系统产生不利影响,eCO_2可促进生长并可能通过抗氧剂含量增加来缓解氧化胁迫。因此,未来气候变化,尤其是温度升高将会对高寒区植物产生较大影响,CO_2浓度增加可缓解增温的不利影响。     

Gas exchange of Ginkgo biloba leaves at different CO2 concentration levels

One and a half year-old Ginkgo saplings were grown for 2 years in 7 litre pots with medium fertile soil at ambient air CO₂ concentration and at 700 μmol mol⁻¹ CO₂ in temperature and humidity-controlled cabinets standing in the field. In the middle of the 2nd season of CO₂ enrichment, CO₂ exchange and transpiration in response to CO₂ concentration was measured with a mini-cuvette system. In addition, the same measurements were conducted in the crown of one 60-year-old tree in the field. Number of leaves/tree was enhanced by elevated CO₂ and specific leaf area decreased significantly.CO₂ compensation points were reached at 75–84 μmol mol⁻¹ CO₂. Gas exchange of Ginkgo saplings reacted more intensively upon CO₂ than those of the adult Ginkgo. On an average, stomatal conductance decreased by 30% as CO₂ concentration increased from 30 to 1000 μmol mol⁻¹ CO₂. Water use efficiency of net photosynthesis was positively correlated with CO₂ concentration levels. Saturation of net photosynthesis and lowest level of stomatal conductance was reached by the leaves of Ginkgo saplings at >1000 μmol mol⁻¹ CO₂. Acclimation of leaf net CO₂ assimilation to the elevated CO₂ concentration at growth occurred after 2 years of exposure. Maximum of net CO₂ assimilation was 56% higher at ambient air CO₂ concentration than at 700 μmol mol⁻¹ CO₂.