不同生态系统土壤呼吸与环境因子的关系研究

用LI-COR-6400便携式光合作用仪连接6400-09土壤叶室,对山西太原地区和丹麦哥本哈根地区不同生态系统的土壤呼吸进行了研究,其目的是:1)研究两个地区不同生态系统土壤呼吸的季节变化,了解两个区域不同生态系统土壤呼吸的差异;2)估计两个区域不同生态系统的土壤呼吸总量;3)量化不同生态系统中不同土地利用方式土壤呼吸的空间变化规律;4)研究两个区域不同土地利用方式的土壤呼吸时、空变化与土壤温度、土壤水分等环境因子之间的关系。 论文分为5章。第1章为引言,第2-5章为主要研究内容。第2章以研究自然生态系统（森林、灌丛、草地等）条件下的土壤呼吸规律为目的,在太原天龙山国家自然保护区范围内对11个样地（不同位置、不同植被、不同立地条件）的土壤呼吸与环境因子关系进行了两年的研究;第3章以农业生态系统为研究对象,对4种土地利用类型的土壤呼吸与环境因子关系进行了为期一年的研究;第4章的研究对象仍然是农业生态系统,但是研究以比较中、小尺度农田与其他利用类型土壤呼吸的空间异质特点为主要目的,研究两个尺度下土壤呼吸的空间变化;第5章以丹麦哥本哈根地区的农业生态系统（农作物和牧草地等）为研究对象,比较了4种土地利用方式的土壤呼吸及其与土壤温度、水分的关系以及较大尺度的土壤呼吸空间变化特征。主要研究结果如下: 1)太原天龙山地区的土壤呼吸具有明显的季节变化特点,冬、春季较低,夏秋季较高,11个样地土壤呼吸的季节变化与天数的关系均可用高斯3参数方程表示。2005年4-12月（部分样地为5-12月）样地1到样地11土壤呼吸的平均值分别为:3.92,4.66,4.40,3.01,3.70,3.88,4.00,4.72,5.21,4.52,2.57μmol CO2 m-2s-1;2006年11个样地的土壤呼吸平均值分别为:2.33,2.96,1.93,2.35,2.70,2.89,2.79,3.39,3.08,3.23,1.83μmol CO2 m-2 s-1。2005年和2006年11个样地的土壤呼吸总平均值分别为3.92和2.68μmol CO2 m-2 s-1。 对大多数样地而言,土壤呼吸与10 cm深度土壤温度的关系显著。土壤呼吸与土壤温度之间的关系可用直线、指数和Lloyd & Taylor方程表达。土壤温度可以解释土壤呼吸变化的28-88%。土壤受干旱胁迫时,土壤温度的作用明显降低。土壤呼吸与0-10 cm深度土壤水分的关系次之,可用直线或指数关系表达。标准化后的土壤呼吸与土壤水分的相关性增加,土壤水分可解释土壤呼吸变化的比例在15-71%。土壤温度较低时,土壤水分的作用亦明显减小。大多数时段土壤温度和土壤水分对土壤呼吸的作用同时存在。但是,土壤温度和土壤水分对土壤呼吸的影响在11个样地不完全相同,在土壤持水能力较差的样地,土壤水分对土壤呼吸的作用大于土壤温度的作用。与单因子模型相比,把土壤水分和土壤温度结合在一起的复合模型可以更好的预测土壤呼吸。土壤温度和土壤水分一起可解释土壤呼吸变化的55-86%。 11个样地土壤呼吸的温度敏感性指数(Q10)和土壤温度10℃时的基础土壤呼吸值(R10)不同,2005年Q10值从1.80到4.94,2006年Q10值从1.78到5.91;R10在1.47-4.75μmol CO2 m12s-1之间。Q10、R10的平均值分别为3.14和3.54μmol CO2 m-2s-1,在其他研究者报道的范围之内。11个样地的年土壤呼吸总量在654.9-1440.5 gC m-2（2005年）,581.2-1075.3 g C m-2（2006年）之间。2005年和2006年天龙山自然生态系统11个样地的土壤呼吸总量平均值分别为1068.6和850 g C m-2。 2)太原盆地4种农田生态系统的土壤呼吸同样具有明显的季节变化特征,最小值出现在1、2、3以及11、12月份,在1μmol CO2 m-2 s-1附近,最大值超过10μmol CO2 m-2 s-1,主要出现在夏季的7、8月份。受环境因子影响,土壤呼吸具有明显的波动特点,尤其是在夏季。4种土地利用方式土壤呼吸的加权平均值分别为,柠条林地3.54±2.61μmol CO2 m-2 s-1,草地4.43±3.99μmol CO2 m-2s-1,药材地3.95±3.58μmol CO2m-2s-1,玉米地3.84±4-2.93μmol CO2 m-2s-1。4种土地利用条件下土壤呼吸均值差异不显著。土壤呼吸与土壤温度的直线关系、指数关系以及Lloyd& Taylor函数关系均达显著水平,但是各拟合方程得到的R2值不同,直线型R2值最低,Lloyd & Taylor函数的R2值最高。在没有土壤水分胁迫的条件下（土壤水分大于田间持水量的1/3为标准）,土壤温度可以解释土壤呼吸变化的比重（%）柠条林地、草地、药材地和玉米地分别为,直线:40,23,33,29;指数方程:56,45,62,41;Lloyd & Taylor函数:60,56,69,44。 与天龙山地区的结果相比,在农田生态系统中土壤水分对土壤呼吸有较大影响。土壤呼吸与土壤水分的直线关系好于指数关系。但是将土壤呼吸标准化到10℃时的土壤呼吸与土壤水分的关系分析表明,直线方程和指数方程的R2值差异不大,分别在37-64%和39-61%之间。同样,用土壤温度和土壤水分的混合模型（双变量模型）预测土壤呼吸的准确性增加,土壤温度和土壤水分可以解释土壤呼吸变化的52-82%,明显大于单因子模型的R2值。 6、8和10月份3次24 h的土壤呼吸测定表明,4种土地利用方式的土壤呼吸均具有较明显的日变化特点,最大值出现在11:00-15:00之间,最低值在凌晨6:00左右。土壤呼吸的日变化与土壤温度的日变化的关系多数情况下不显著。8:00-12:00的土壤呼吸的平均值比24小时土壤呼吸的平均值大10%。用我们1-12月份共33次的测定数据计算,柠条地、草地、药材地、玉米地的年土壤呼吸总量依次为:1227、1732、1509和1477 g C m-2。5-10月份土壤呼吸总量分别为柠条地996.3 gC m-2,草地1361.1 g C m-2,药材地1300.7 g C m-2)和玉米地1191.4 g C m-2。 3)无论在区域尺度上还是在观测小区尺度上,土壤呼吸均存在明显的空间变化。2005年7月和10月份两次对太原盆地北部区域42个样地（其中玉米地23个,其他地类19个）的土壤呼吸测定结果表明,土壤呼吸具有明显的空间变化特点,变异系数在25-50%;土壤呼吸的空间变化与土壤温度和土壤水分的关系只是在土壤水分差异较大的7月份显著。在观测小区尺度内3个样地的2次测定（9月和11月份）中,3个样地土壤呼吸的变异系数都较大,9月份分别为21,32和39%,11月份分别为40,46和58%。9月份的变异系数小于11月的变异系数,但是9月份土壤呼吸的平均值和标准差显著大于11月。小区尺度内土壤呼吸与土壤温度和土壤水分的关系的相关性较差。对于土壤呼吸空间变异的原因仍有待进一步研究。 4)丹麦农业生态系统的土壤呼吸同样具有明显的季节变化特点,夏季土壤呼吸较高、春冬季较低,土壤呼吸最低值在2月为0.22μmol CO2 m-2 s-1,最大值在7月份为5.77μmol CO2 m-2 s-1;与太原地区的土壤呼吸的季节变化相一致。土壤呼吸随日期变化的关系同样可以用高斯3参数方程表达。冬小麦地1-12月土壤呼吸18次测定的平均值为2.21±1.45μmol CO2 m-2 s-1;4-10月为2.39±1.50μmol CO2 m-2 s-1,小于天龙山地区的土壤呼吸平均值,接近于天龙山裸地的土壤呼吸平均值。在没有土壤水分胁迫情况下的土壤呼吸与土壤温度的关系非常明显,土壤温度可以解释土壤呼吸变化的68%。冬小麦地1-12月土壤CO2释放量为655.5 g C m-2a-1。 4-12月4种土地利用方式的土壤呼吸测定结果分别为:冬小麦地2.71±1.74μmol CO2 m-2 s-1,休闲草地3.90±2.47μmol CO2 m-2 s-1,牧草地2.65±1.24μmol CO2m-2 s-1,花草地1.54±0.91μmol CO2 m-2 s-1;4个样地土壤呼吸与土壤温度的关系显著,土壤温度可以解释土壤呼吸变化的比重分别为75%,82%,86%和45%;土壤呼吸的温度敏感性指数(Q10)分别为3.16,2.87,2.04和2.09;土壤温度10℃时的基础土壤呼吸值(R10)分别为2.02,3.53,2.11和1.23μmol CO2 m-2 s-1,用Lloyd&Taylor函数计算的4个样地的R10值分别为2.32,3.88,2.16和1.22μmol CO2 m-2 s-1。1-12月冬小麦地、休闲草地、牧草地和花草地的土壤CO2释放量分别为655.5、1129、835.4和374.6 g C m-2。用4个样地的全部数据计算得到的Q10、R10值分别为2.37和2.32μmol CO2 m-2 s-1。Q10和R10值均接近于我们在太原天龙山地区大多数样地的计算结果。本地区土壤呼吸同样存在明显的空间变化,8月份3天测定的冬小麦和草地土壤呼吸的变异系数从30%到70%,草地的变异系数小于冬小麦地的土壤呼吸的变异系数。