內(nèi)蒙古錫林河流域針茅屬草地土壤呼吸的季節(jié)變化

內(nèi)蒙古錫林河流域針茅屬草地土壤呼吸的季節(jié)變化

土壤呼吸是世界碳循環(huán)中最重要的碳通量之一，也是土壤碳的主要輸出形式。目前已有的研究表明,不同生物群區(qū)(Biomes)之間土壤呼吸往往存在較大差異內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國溫帶草原的主要分布區(qū).以針茅屬植物為建群種所組成的草原群落是中國內(nèi)蒙古地帶性草原植被的主體,也是歐亞大陸草原區(qū)最典型的地帶性植物群落,其分布面積最廣,內(nèi)蒙古區(qū)域內(nèi)總面積達(dá)2309.88×10本研究在我國內(nèi)蒙古溫帶草原區(qū)選擇了分布面積較廣、具有廣泛代表性的三類針茅屬草地群落(克氏針茅草原、大針茅草原與貝加爾針茅草原)作為主要研究對象,利用靜態(tài)暗箱法對土壤呼吸的時空變化特征進(jìn)行了連續(xù)三年的野外對比研究(非生長季也進(jìn)行觀測),并對其主要驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行了初步了探討.重點(diǎn)包括:(1)三類針茅屬草地土壤呼吸季節(jié)變化動態(tài)及年際比較;(2)三類針茅屬草地生長季與年土壤呼吸總量的計(jì)算與比較;(3)不同針茅屬草地群落土壤呼吸變化對水熱因子變化的響應(yīng)程度分析.1一般區(qū)域圖和研究方法1.1草地氣候變化研究區(qū)選擇在內(nèi)蒙古高原的錫林河流域.該流域位于內(nèi)蒙古高原東部(43°26′～44°39′N,115°32′～117°12′E),是我國重要的畜牧業(yè)基地,同時也是聯(lián)合國教科文組織認(rèn)定的國際生物圈保護(hù)區(qū)之一.由于本地區(qū)在氣候上處于東亞季風(fēng)影響的末端,因此對氣候的變化十分敏感,是目前IGBP(InternationalGeosphere-BiosphereProgram)全球變化研究中國東北陸地樣帶草原部分的核心區(qū)域1.2氣體、土壤樣品的采集與分析方法2005年1月～2007年12月,在所選三個試驗(yàn)樣地利用靜態(tài)暗箱法采集氣體樣品.采樣箱用8mm厚黑色有機(jī)玻璃制成,箱體尺寸為50cm(長)×45cm(寬)×30cm(高).箱外貼錫箔反光膜,目的是避免由于太陽輻射而使箱內(nèi)氣溫升高過快及其對土壤呼吸作用產(chǎn)生的促進(jìn)效應(yīng).對于暗箱法觀測土壤呼吸通量的有效性,相關(guān)文獻(xiàn)均有報道本試驗(yàn)中,采樣頻率在生長季為隔周采樣一次,非生長季為1個月1次.每次氣體采集三個樣地在相對一致的時間采樣,采樣時間多選擇在上午9～10時左右(研究表明,此時段采樣基本上能代表一天的平均狀況土壤樣品采集與氣體采集同步.每次利用土鉆法分3個層次采集(0~10,10~20,20~30cm),每個土壤樣品取同層次10鉆土樣的混合樣.樣品采集后,經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)和過篩(過100目篩)處理后,分別利用重鉻酸鉀氧化-外加熱法以及凱氏定氮法測定土壤樣品中的有機(jī)碳與全氮含量1.3溫度與水分利用干濕表2.在每次氣體樣品采集的同時,同步采集大氣溫度,0,5和10cm地溫,箱內(nèi)溫度和土壤水分等環(huán)境數(shù)據(jù).其中,氣溫利用DHM2型通風(fēng)干濕表測定,箱內(nèi)溫度以及0,5和10cm地溫利用溫度傳感器結(jié)合北京師范大學(xué)司南儀器廠生產(chǎn)的SN2602型數(shù)字測溫儀(溫度范圍-199.9～50℃,測量準(zhǔn)確度為0.2℃,讀數(shù)分辨率為0.1℃)測定,土壤表層水分利用烘干法測得.1.4數(shù)據(jù)分析方法土壤呼吸速率的計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[32].對土壤呼吸速率的統(tǒng)計(jì)分析(Pearson相關(guān)分析、獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)以及曲線估計(jì))主要利用SPSS11.0軟件包完成;文中圖件利用Excel2003繪制.溫度敏感性系數(shù)Q2結(jié)果與分析2.1土壤呼吸季節(jié)變化圖1(a)～(c)為2005年～2007年三類針茅屬草原土壤呼吸速率的季節(jié)變化動態(tài).從圖1可以看出,三類草原土壤呼吸速率表現(xiàn)出類似的季節(jié)變化規(guī)律.各草地群落土壤呼吸速率均在每年的3月份隨著氣溫的升高逐漸上升,4月中下旬至6月上升較快,6月中旬至8月下旬始終保持較高的呼吸速率,但期間也存在較大波動.8月下旬土壤呼吸速率開始逐漸下降,之后始終保持較低的數(shù)值,呼吸速率最低值多出現(xiàn)在氣溫較低的12月或1月,個別年份出現(xiàn)在2月,且12月～2月土壤覆雪期出現(xiàn)土壤對CO2.2類針茅屬草原土壤呼吸生長季及年排放總量比較利用土壤呼吸速率隨時間的變化曲線與時間軸間進(jìn)行積分求面積的方法,我們分別計(jì)算了三類草原不同年份土壤年呼吸量、生長季呼吸總量(表4).2005年～2007年貝加爾針茅草原土壤年呼吸總量約為223.62～299.24gC·m此外,利用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析了三類草地3年土壤呼吸速率均值間的差異顯著性(表4).無論是全年還是僅就生長季而言,除2006年外,其他兩個年份貝加爾針茅草原土壤呼吸速率均值均顯著高于克氏針茅草原(α<0.05,Two-tailed),但差異顯著的這兩個年份兩類草原非生長季土壤呼吸差異并不顯著(α>0.05),由此可以推斷,兩類草原土壤呼吸速率的差異更多地是源于生長季內(nèi)土壤呼吸強(qiáng)度的差異.而貝加爾針茅草原與大針茅草原以及大針茅草原與克氏針茅草原間3個年份全年、生長季、非生長季土壤呼吸速率均值間差異均不顯著(α>0.05).2.3三種類型的針茅對土壤水熱因素變化的響應(yīng)機(jī)制分析土壤呼吸與溫度、水分條件的量化關(guān)系是深入了解土壤呼吸主要驅(qū)動機(jī)制,正確建立相關(guān)預(yù)測模型的核心數(shù)據(jù)2.3.1不同針茅草原土壤呼吸溫度模型表5的相關(guān)分析結(jié)果表明,溫度是全年時間尺度下影響不同針茅屬草原土壤呼吸變化的主要環(huán)境因子.由于目前模擬土壤呼吸與溫度變化關(guān)系的模型以指數(shù)模型應(yīng)用最為廣泛,也最受到認(rèn)可.基于此,本研究利用三年同期呼吸數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行了溫度與土壤呼吸的指數(shù)擬合,并計(jì)算了基于不同溫度指標(biāo)的Q利用指數(shù)模型模擬三類針茅草原土壤呼吸與溫度的關(guān)系均具有較好的擬合度,方程擬合均達(dá)到極顯著水平(α<0.01)(表7).其中,貝加爾針茅與克氏針茅草原以10cm地溫與土壤呼吸的擬合度最高,大針茅草原以5cm地溫?cái)M合度最高,與相關(guān)分析結(jié)果相吻合.三類草原擬合方程的最佳擬合度R2.3.2對3年生長季呼吸速率的模型分析從表6可以看出,在生長季,尤其是在氣溫與地溫大于10℃時段(5月下旬～9月下旬),三種草地群落土壤呼吸均與0~10cm土壤含水量顯著相關(guān),而與溫度的相關(guān)性較弱.利用3年生長季呼吸速率與同期水分測定數(shù)據(jù)的平均值對三類草原中兩者的關(guān)系分別進(jìn)行了擬合,并比較了線性、對數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)模型等多種擬合形式,發(fā)現(xiàn)各草地類型均以線性模型的擬合效果最好(圖3),其擬合度(R3討論和結(jié)論3.1土壤呼吸的空間和時間的變化研究基于全年觀測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的2005～2007年三類針茅屬草原土壤年呼吸量變動范圍為110～300gC·m3.2生長季內(nèi)土壤溫度差異較大,降低了土壤水分的限制,降低了土壤水分的自變量,降低了土壤水分的自變量。在土壤呼吸在生長季內(nèi),三種草地類型土壤呼吸對于水分變化均較對溫度變化的響應(yīng)更加敏感.這是因?yàn)?生長季內(nèi)大部分時段溫度均處于土壤呼吸的適宜溫度范圍,而水分則與之相反.由于試驗(yàn)區(qū)處在溫帶半干旱氣候帶,土壤水分長期處于較低的水平,其中,貝加爾針茅草原與大針茅草原3年土壤表