內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地和小麥生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化

內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地和小麥生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化

co植被氣候。另外,土地利用變化是影響陸地碳源和碳匯變化的主要因素之一,一方面土地利用直接改變了生態(tài)系統(tǒng)的類型,從而改變了生態(tài)系統(tǒng)的NPP量及相應(yīng)的土壤有機(jī)碳的輸入。另一方面,由于土地利用潛在改變了土壤的理化屬性,從而改變了土壤呼吸對(duì)溫度響應(yīng)的敏感度,反過(guò)來(lái)又會(huì)間接影響氣候變暖條件下土壤有機(jī)碳釋放的強(qiáng)度,從而影響土壤碳儲(chǔ)量的變化(周濤和史培軍,2006)。田洪艷等(2001)在草原上選擇不同開(kāi)墾年限的農(nóng)田進(jìn)行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),隨開(kāi)墾年限的增加天然植被積累的土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)多年耕種逐漸被消耗,土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少。據(jù)1998年統(tǒng)計(jì),全球范圍內(nèi)草地開(kāi)墾成農(nóng)田導(dǎo)致1cm深土層內(nèi)的土壤碳損失20%~30%位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟南部的多倫縣,地處渾善達(dá)克沙地南緣,總面積3773km1研究場(chǎng)所和方法1.1蘇集山510年研究地點(diǎn)設(shè)在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)——多倫縣十三里灘的克氏針茅草地生態(tài)系統(tǒng)。地理范圍為115°50′~116°55′E,41°46′~42°39′N。低山丘陵地貌,海拔在1150~1800m之間。屬于中溫帶半干旱大陸性氣候,四季分明,冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng),無(wú)霜期短(100d左右),年均氣溫為1.6℃,最暖月(7月)平均氣溫為18.7℃,最冷月(1月)平均氣溫為-18.3℃,≥10℃積溫為1917.9℃,氣溫年較差和日較差較大,日照充分。年均降水量為385.5mm,多集中于6~8月,且降水年際變率極大(陳佐忠,1988)。土壤主要為栗鈣土,土壤0~20cm深的有機(jī)質(zhì)含量為1.14%±0.15%,土壤全氮含量為0.14%±0.01%,容重約為(1.40±0.04)g·cm與其相距不到100m處是耕作六、七十年的農(nóng)田,一般該地區(qū)的農(nóng)作物一年一茬,多在4~5月播種,8~9月收獲。主要農(nóng)作物是小麥(Triticumaestivum)、莜麥(Avenanuda)和蕎麥(Fagopyrumesculentum),少量黍子(Setariaitalica)和玉米(Zeamays)等。本研究選取主要農(nóng)作物——小麥田為研究對(duì)比對(duì)象,其土壤0~20cm深的有機(jī)質(zhì)含量為1.33%±0.06%,土壤全氮含量為0.15%±0.01%,土壤容重約為(1.20±0.03)g·cm1.2土壤氣體交換測(cè)定分別在克氏針茅草地生態(tài)系統(tǒng)和小麥田生態(tài)系統(tǒng)各選取5個(gè)0.5m×0.5m的樣方,共10個(gè),每個(gè)樣方都在測(cè)定前兩周安裝同化箱基座(0.5m×0.5m),基座高8cm,插入土壤約5cm深。測(cè)定群落氣體交換測(cè)定裝置主要包括透明同化箱(透光度在90%以上)、紅外線分析儀Li-840(美國(guó)Licor公司)、氣泵(12V)、電池和筆記本電腦。透明同化箱大小為0.5m×0.5m×0.5m,里面安裝了兩個(gè)風(fēng)扇以混合均勻箱內(nèi)的氣體,同時(shí)還安裝了一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)以檢測(cè)箱內(nèi)的溫度。此系統(tǒng)為閉路系統(tǒng),箱內(nèi)的氣體由氣泵抽到紅外線分析儀Li-840進(jìn)行大氣CO大氣溫度(Ta)、光輻射(PAR)、土壤溫度(Ts)等環(huán)境因子的數(shù)據(jù)由中美碳聯(lián)盟(USCCC)的氣象站提供。1.3地上生物量lai的測(cè)定2006年從生長(zhǎng)季開(kāi)始采用樣方收割法進(jìn)行葉面積指數(shù)和生物量數(shù)據(jù)的測(cè)定和收集,直至生長(zhǎng)季結(jié)束。在每個(gè)樣地取4個(gè)0.5m×0.5m大小的樣方,地上部分全部收獲,區(qū)分死的和活的,并挑出所有綠色葉子,通過(guò)葉面積儀(Li-3050A,美國(guó)Licor公司)進(jìn)行掃描得出所有綠色葉的葉面積然后除以樣方面積即為L(zhǎng)AI;將所有地上活的樣品在65℃烘干,稱重得出地上生物量。草地生態(tài)系統(tǒng)的測(cè)定頻次是每?jī)芍?次,而小麥生態(tài)系統(tǒng)在生長(zhǎng)高峰期測(cè)定的頻次是1周1次。2結(jié)果2.1構(gòu)建不確定差別兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)相距不到200m,因此兩個(gè)樣地之間的Ta和PAR幾乎沒(méi)差別(圖1)。在整個(gè)測(cè)定階段,除在測(cè)定初期和末期Ta相對(duì)較低外(平均15℃以下),其余時(shí)期Ta比較恒定,保持在20℃左右,同時(shí)大氣有效光輻射PAR在800~1400μmol·m2.2最大上生物量的季節(jié)動(dòng)態(tài)草地生態(tài)系統(tǒng)的地上生物量(BA)自進(jìn)入生長(zhǎng)季(5月)就開(kāi)始一直線性增加至DOY221到最大(213.7g·m從7月中旬(DOY192)開(kāi)始,分別對(duì)兩個(gè)樣地的地上生物量進(jìn)行了細(xì)分:綠色葉片、枯葉、莖和生殖穗(表1)?？梢钥闯?最大綠葉生物量時(shí)期也正是LAI最高點(diǎn);之后,綠葉的生物量開(kāi)始下降,草地從DOY234開(kāi)始下降,小麥田從DOY207開(kāi)始下降。這時(shí)枯葉的生物量開(kāi)始增加,草地的枯葉到末期DOY266達(dá)到最大(34.7g),而小麥田的枯葉到DOY228就達(dá)到了最大(88.0g),之后有減少的趨勢(shì)。對(duì)于兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),當(dāng)?shù)厣仙锪孔畲髸r(shí),莖的生物量也最大。草地生態(tài)系統(tǒng)的生殖穗的最高值發(fā)生在生物量最大值,而小麥田的生殖穗的最高值發(fā)生在生長(zhǎng)期末期。2.3兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)群落的氣體交換季節(jié)變化2.3.1兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的nbe兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的NEE有明顯的季節(jié)變化(圖3a)。草地生態(tài)系統(tǒng)的NEE由生長(zhǎng)初期的-1.71μmolCO兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)相比,在生長(zhǎng)初期的NEE沒(méi)有顯著差異;至6月下旬(DOY177)小麥田的NEE(-8.89μmolCO2.3.2兩個(gè)群落的呼吸季節(jié)變化兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的群落呼吸(TER)也有明顯的季節(jié)變化(圖3b)。草地生態(tài)系統(tǒng)的TER由生長(zhǎng)初期的5.65μmolCO2.4兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)群落立法特征在DOY169,對(duì)兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)分別進(jìn)行了群落氣體交換日變化的測(cè)定,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的群落氣體交換日變化趨勢(shì)相同,數(shù)值上也沒(méi)有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(圖4)。群落初級(jí)同化速率(PA)的最高值都出現(xiàn)在9:00左右,而TER的最高值都發(fā)生在12:00左右,NEE在12:00左右明顯受到抑制。兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的TER的日變化很接近;草地生態(tài)系統(tǒng)的PA上午低于小麥田的PA,而下午兩者基本接近;因而草地生態(tài)系統(tǒng)的NEE上午低于小麥田的NEE。并且在中午當(dāng)NEE受到抑制后,下午草地生態(tài)系統(tǒng)的NEE恢復(fù)的力度大于小麥田(圖4a)。2.5兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)群落氣體交換的影響運(yùn)用多元逐步回歸分析發(fā)現(xiàn),生物因子(葉面積指數(shù)LAI、地上生物量BA)和非生物因子(土壤含水量VWC和土壤溫度Ts)中,只有LAI對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的凈氣體交換NEE有顯著性影響(R2.5.1兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的nee和lai之間的關(guān)系草地生態(tài)系統(tǒng)的NEE與LAI有顯著的線性關(guān)系(R2.5.2ter與ts的關(guān)系兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)TER均隨Ts的升高而增加(圖6);草地生態(tài)系統(tǒng)TER與Ts有顯著的線性關(guān)系(R兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)TER均隨VWC的升高而增加(圖7);草地生態(tài)系統(tǒng)TER與VWC有顯著的線性關(guān)系(R3討論3.1植物光照和干旱脅迫的季節(jié)和生長(zhǎng)策略在本研究中,盡管整個(gè)生長(zhǎng)季里PAR的日最大值出現(xiàn)在正中午,但兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的NEE的最高值出現(xiàn)在上午。NEE日變化的這種不對(duì)稱分布與Li等(2005)在蒙古典型干旱草原的研究結(jié)果相似。近中午和午后期間由于高溫限制了酶活性以及在強(qiáng)光下較高的VPD導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,生態(tài)系統(tǒng)的碳同化作用受到限制。由于午間的強(qiáng)光和高溫,半干旱地區(qū)許多植物發(fā)生光合作用的午間抑制是非常普遍的一種現(xiàn)象(Matosetal.,1998;Zhang&Gao,1999;Fuetal.,2006),也是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制,是一種生存策略(Chavesetal.,2002)。然而,TER的日變化與NEE的日變化不同,最高值出現(xiàn)在中午,和溫度有較好的相關(guān)。此外,在中午當(dāng)NEE受到抑制后,下午草地生態(tài)系統(tǒng)的NEE恢復(fù)能力大于小麥田,說(shuō)明草地生態(tài)系統(tǒng)的植被與農(nóng)作物相比對(duì)干旱脅迫有一定的抗性或耐性。干旱半干旱地區(qū)的植被對(duì)干旱脅迫的耐性現(xiàn)象是比較常見(jiàn)的(Gratani&Varone,2004;Matosetal.,2004;Chenetal.,2006),這是植物長(zhǎng)期適應(yīng)本地環(huán)境的結(jié)果,有利于植物的生存(Ni&Pallardy,1991)。生長(zhǎng)季測(cè)定期間,草地生態(tài)系統(tǒng)平均群落凈氣體交換NEE為-5.33μmolCO在生長(zhǎng)季測(cè)定期間小麥田的平均群落凈氣體交換NEE為-7.66μmolCO3.2兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)群落氣體交換的季節(jié)變化和土壤溫度的變化影響草地NEE主要是LAI。NEE隨LAI的增加而線性增加,86%NEE的變化可以用LAI來(lái)解釋這跟很多研究結(jié)果類似。Li等(2005)對(duì)蒙古典型草原的研究發(fā)現(xiàn)NEE與LAI呈線性關(guān)系,并且26%的NEE的變化能被LAI的變化所解釋。Dugas等(1999)曾研究發(fā)現(xiàn)大豆田由于較高的LAI,使得其白天生態(tài)系統(tǒng)的凈碳通量遠(yuǎn)超過(guò)了百慕大草地和典型草原的凈碳通量。對(duì)于我們研究的小麥田生態(tài)系統(tǒng),在整個(gè)生長(zhǎng)季也因高的LAI而使其平均NEE高于草地的平均群落凈氣體交換。但在生長(zhǎng)中后期(LAI>0.5),草地生態(tài)系統(tǒng)NEE隨LAI的變化較小麥田的敏感(圖5),這應(yīng)該跟小麥的生長(zhǎng)特性有關(guān),即生長(zhǎng)快,生長(zhǎng)期短,且大部分時(shí)間用于莖和生殖穗的生長(zhǎng)(表1)。很多研究表明,溫度和水分是控制陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的重要環(huán)境因子(Zhaetal.,2004;Xu&Baldocchi,2004;Lietal.,2005))。兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)TER均隨土壤溫度、土壤含水量的升高而線性增加,并且發(fā)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)的TER對(duì)土壤溫度的敏感性稍高于小麥田,這可能跟生長(zhǎng)旺季小麥田的土壤含水量相對(duì)較低有關(guān)(草地生態(tài)系統(tǒng)的VWC平均比小麥生態(tài)系統(tǒng)VWC高出5%左右,圖1)。有報(bào)道指出農(nóng)作物用水的99%是通過(guò)蒸騰而散失的(張永強(qiáng)等,2002),這是由于農(nóng)作物有較強(qiáng)的光合作用,使得冠層對(duì)CO4生態(tài)系統(tǒng)碳量的變化在干旱半干旱區(qū)域,通過(guò)同化箱式法觀測(cè)對(duì)比研究生長(zhǎng)季草地生態(tài)系統(tǒng)和小麥田生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)NEE的變化有明顯的日和季節(jié)規(guī)律,LAI是決定該區(qū)域NEE的主要因子。盡管小麥田因LAI高,作物生長(zhǎng)快,生長(zhǎng)期間整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)群落平均氣體凈交換量比草地的高,但因其生長(zhǎng)期短,并且到生長(zhǎng)結(jié)束后,大部分的生物量會(huì)被農(nóng)民收獲,因而凈存留在該生態(tài)系統(tǒng)的碳量減少了。草地生態(tài)系統(tǒng)的綠色LAI從生長(zhǎng)季初(DOY119)的0.03線性增加到旺季的0.97