论文部分内容阅读
全球变化是当前最受关注的科学问题之一,人类活动干扰下的陆地生态系统碳循环过程是该领域研究的热点问题。土壤呼吸是碳循环中的重要环节,土壤呼吸组分区分是土壤呼吸研究的核心问题,但精确、原位区分土壤呼吸组分仍是一个难点。由于自然和人类活动的综合影响,黄土高原已成为世界水土流失最严重的区域之一。上世纪末,国家在该区域实施了退耕还林还草工程,但截至目前,有关退耕还草工程对该生态系统固碳潜力及其碳源/汇强度和分布影响的研究还较少。本研究以黄土高原退耕逾20年的草地和传统耕作农田为对象,通过4年的野外调查和室内试验,改进了区分土壤呼吸组分的方法,测定了草地与农田系统土壤呼吸组分的动态特征以及净初级生产力和土壤碳库的变化,分析研究了影响土壤有机碳和无机碳转化的因素,确定了土壤呼吸各组分与环境和生物因子的关系,量化了系统的碳收支及其影响机制,以期为深入理解土地利用方式对生态系统碳源/汇功能的影响和退耕还草工程的固碳效应的评价提供科学依据。主要研究结果如下：1.在壕沟法的基础上,创建了“多处理交替测定,分别建模计算”的方法区分并系统地量化了草地和农田系统微生物呼吸(Rm)和根呼吸(Rr),同时考虑了冬季和夜间土壤呼吸组分的变化。农田系统(谷子)的研究表明,土壤总呼吸(Rt)和Rm的日变化趋势一致,最高值出现在13：00-15：00,最低值出现在3：00-6：00,其日变化规律主要受土壤温度影响；而Rr最高值出现在0：00-3：00,最低值出现在11：00-13：00,其日变化主要受植物光合作用影响。Rt,Rm和Rr的日平均值接近于9：00的测定值。在季节尺度上,Rm主要受土壤温度(T)和土壤水分(M)的共同影响,其相关方程为：Rm=-0.020+0.024 T+0.013 M.(r2=0.83,P<0.001)。Rr与植物叶面积指数(LAI)显著相关,其相关方程为：Rr=0.160+0.454LAI.(r2=0.85,P<0.05).根呼吸比例(Rr/Rt)白天低、夜晚高,且表现出显著的季节变化。Rr/Rt日平均值接近于9：00的测定值,在整个生长季变幅为22.3%-86.6%,平均值为67.3%。2.连续2年,应用改进的壕沟法区分了围封草地Rm和Rr,并通过测定土壤中CO2的产生率和扩散率,应用分析模型对Rr和Rm结果进行校正。结果显示,草地中Rm和Rr的日变化和季节变化规律与农田相同,Rm的日变化主要受土壤温度的影响,而Rr主要受植物光合作用的影响。季节尺度上,土壤温度和水分与Rm显著相关,方程为：Rm=-0.024+0.027 T+0.022 M(r2=0.76,P<0.001),而植物物候期是影响Rr季节变化的主要因素。草地Rr/Rt的日变化也呈现白天低、夜晚高的规律。两年的结果表明,Rr/Rt从3月到11月变幅平均为14.8%-62.8%,整个生长季平均值为41.7%,全年平均值为41.9%。两年间降水格局的不同没有改变全年的Rr/Rt。分析模型的校正结果显示,在该区应用壕沟法区分呼吸组分会导致Rr被低估4.2%,Rr/Rt被低估1.8%。3.对比研究了围封与放牧对土壤呼吸组分的影响。放牧草地围封3年后,表层土壤有机碳(SOC)和土壤微生物量碳(SMBC)显著增加(P<0.05),进而导致Rm在多数季节显著升高,且Rm对温度的响应更加敏感。2008年,围封草地Rm年累积量为165.9 g C m-2,放牧草地为116.1 g C m-2。整个生长季,围封草地Rr平均为0.374μmolCO2m-2s-1,较放牧草地(0.309μmol CO2m-2s-1)高21.0%,围封草地根系生物量也显著高于放牧草地。4.对比分析了草地与农田系统0-200 cm土层土壤碳的分布格局及碳库特征。结果表明：0-20 cm土层土壤全碳(TC)含量草地显著高于农田,围封草地显著高于放牧草地(P<0.05)。农田系统10 cm以下各土层SOC含量均高于草地,而20-80 cm土层,草地土壤无机碳(SIC)含量显著高于农田(P<0.05)。各样地100cm以上土层SOC和SIC之间呈负相关。0-200 cm土层SOC贮量两农田的平均值为9.68×103g C m-2,比围封草地(7.12×103g C m-2)和放牧草地(6.83×103g Cm-2)分别高36.2%和41.9%(P<0.05)；0-200 cm土层SIC贮量草地显著高于农田,其贮量为：围封草地(5.49×104g C m-2)>放牧草地(5.30×104g C m-2)>农田(5.04×104 g C m-2)。围封和放牧草地较农田分别高8.9%和5.1%,围封草地较放牧草地高3.6%。农作物收获将一部分Ca和Mg带出土壤,导致农田Ca和Mg贮量降低,可能是导致农田无机碳淀积过程弱于草地的主要原因。另外,草地土壤较高的微生物碳含量和CO2浓度也有利于有机碳的分解和无机碳的淀积。退耕24年后的草地在持续放牧条件下土壤全碳贮量(5.99×104g C m-2)与农田(6.04×104g C m-2)相比没有显著差异,而放牧草地围封5年后土壤全碳贮量(6.21×104g C m-2)显著增加3.6%。5.采用阶段累积法、峰值法和极差法测定了草地NPP,并对传统耕作方式下的农田和退耕20余年的草地系统碳平衡进行了连续4年的比较研究。结果表明,阶段累积法较峰值法和极差法对草地NPP的估算更为准确,其对围封和放牧草地的估算值分别是峰值法与极差法的1.3与5.3倍和1.5与6.2倍。该区退耕后的草地与传统耕作的农田均为碳汇,围封草地和中度放牧草地年固碳量分别为95.5和96.4g C m-2,农田系统年净固碳量为35.8g C m-2,草地固碳量约为农田的2.7倍,退耕还草有利于陆地生态系统对大气CO2的固存。