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荒漠對毛烏素沙地土壤呼吸及碳固持的影響

土壤呼吸約占生態(tài)系統(tǒng)呼吸的60.90%,是世界碳循環(huán)中最大的碳通量之一,在控制區(qū)域和全球碳循環(huán)中起著非常重要的作用。土壤呼吸的微變化對co2的濃度變化有著顯著的影響。因此,深入理解不同區(qū)域的土壤呼吸對于預(yù)測區(qū)域及全球碳循環(huán)十分關(guān)鍵。占全球陸地總面積30%—40%的干旱土地在全球碳循環(huán)過程中占有十分重要的地位,但干旱區(qū)嚴(yán)酷的自然條件和頻繁的人為干擾使得原本敏感、脆弱的生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重退化。研究表明,人類干擾強度增加導(dǎo)致的土地退化/荒漠化是土壤有機碳向大氣加速釋放的主要原因,尤其對于干旱、半干旱區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)而言,非持續(xù)的土地利用方式加速了碳素由土壤向大氣釋放的過程。目前,土地荒漠化影響著全球約36億hm2的土地。我國荒漠化土地約占國土面積的27.2%,是世界上受荒漠化影響最嚴(yán)重的國家之一。位于內(nèi)蒙古高原的毛烏素沙地曾是水草豐美的草地,但由于不合理的開墾和過度放牧引起了嚴(yán)重的草地沙化,已成為我國荒漠化的中心區(qū)域之一。隨著荒漠化的發(fā)展,植物群落發(fā)生逆行演替,從固定沙地到半固定沙地再到流動沙地,植物群落的種類組成、蓋度、生物量、土壤理化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化,因而可能導(dǎo)致土壤呼吸速率及生態(tài)系統(tǒng)碳固持發(fā)生重大變化。近年來,關(guān)于荒漠化草地的碳循環(huán)研究已有一些報道,Huenneke等認(rèn)為草地荒漠化導(dǎo)致草地凈生產(chǎn)力下降,Jackson等研究發(fā)現(xiàn),草地退化導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量出現(xiàn)不同程度的降低,Jin等指出降雨對半干旱地區(qū)土壤呼吸具有促進作用,張麗華等研究了準(zhǔn)噶爾盆地荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的基本特征,趙哈林、李玉強探討了沙漠化對科爾沁沙地土壤呼吸及碳平衡的影響,但目前對草地荒漠化過程中土壤呼吸及碳平衡的變化規(guī)律及其環(huán)境控制機制的認(rèn)識仍不夠全面,因此對干旱、半干旱區(qū)廣大范圍內(nèi)由于荒漠化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)碳庫損失缺乏準(zhǔn)確估計,反之,對于該區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)后對碳固持的貢獻亦難以進行準(zhǔn)確評估,因而有必要進行深入研究。鑒于此,本文選取毛烏素沙地荒漠化主要階段的植物群落作為研究對象,測定草地荒漠化不同階段土壤呼吸和相應(yīng)植物群落地上及地下生物量的變化,揭示該區(qū)荒漠化不同階段土壤呼吸的變化規(guī)律及其環(huán)境控制機制,分析荒漠化對毛烏素沙地土壤呼吸及碳固持的影響,提出減緩毛烏素沙地荒漠化草地碳固持降低的應(yīng)對措施。1學(xué)習(xí)方法1.1土壤類型及礦質(zhì)元素研究區(qū)地處鄂爾多斯市伊金霍洛旗南部的毛烏素沙地,年平均溫度為6.3℃,年均降水為346mm,主要集中在7、8、9月,≥10℃積溫為2754℃。地帶性植被為半干旱本氏針茅(Stipabungeana)草原,目前僅零星分布在梁地的上部,半灌木油蒿(Artemisiaordosica)群落是風(fēng)沙土上最普遍的植被類型。沙地植被通常分為流動沙地、半固定沙地、固定沙地3個階段,考慮到本氏針茅在毛烏素沙地的地帶性分布,選擇固定沙地本氏針茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)、流動沙地1年生植物群落(AL)代表毛烏素沙地荒漠化程度逐漸增加的系列進行研究。各類型群落組成特征詳見文獻。本氏針茅群落分布的土壤類型為栗鈣土或淡栗鈣土,油蒿群落則發(fā)育在風(fēng)沙土之上。流動沙地的土壤質(zhì)地較粗,礦質(zhì)顆粒的粒徑集中于105—420μm,而在被油蒿群落固定的沙地上,土壤質(zhì)地很細(xì),粒徑小于105μm的礦質(zhì)顆粒顯著增加。本氏針茅群落、油蒿群落、流動沙地在0—30cm土層土壤有機碳含量分別為3.19、3.42、3.13mg/g;土壤全氮含量分別為1.19、1.98、1.83mg/g;土壤pH分別為8.86、8.92、8.81。1.2測定油蒿的日變化本研究使用LI-8100土壤碳通量測量系統(tǒng)(LI-COR-8100)測定土壤呼吸速率。在固定沙地本氏針茅群落和流動沙地一年生植物群落等異質(zhì)性較小的群落內(nèi)隨機固定3個土壤PVC環(huán)(直徑20cm,高11cm),而在異質(zhì)性較大的油蒿群落內(nèi)選擇中等大小的油蒿剪掉地上部分,分別在剪掉生長油蒿的部位、距離剪掉油蒿植株較近的空地、兩株剪掉油蒿的中間區(qū)域固定3個PVC環(huán)。所有測定均在24h前,剪掉植株地上部分,盡可能不擾動地面凋落物,將土壤環(huán)直接插入土壤。測定時間分別為2009年5月10—13日、6月19—23日、7月19—23日、8月17—20日、9月13—16日,從早7點到晚18點,每隔1h測定1次。同時每月對每個群落進行1次晝夜測定,間隔時間約10min,用于校正土壤呼吸的日均值。土壤溫濕度由LI-8100分析儀自帶的溫、濕度探頭測定,測定土壤深度為10cm,用于分析土壤呼吸速率和土壤溫濕度的關(guān)系。1.3仿真測定生物量的測定使用收獲法,測定時間與土壤呼吸同步。對于草本植物群落如本氏針茅群落和流動沙地1年生植物群落,調(diào)查5個1m×1m的樣方,記錄物種數(shù)、高度、蓋度、株叢數(shù)、并測定生物量;對于半灌木群落如油蒿群落,調(diào)查5個5m×5m的樣方,記錄油蒿的冠幅、高度、蓋度、株叢數(shù)等,對樣方內(nèi)的全部植物刈割稱重,大樣方內(nèi)做3個1m×1m的草本樣方用于記錄草本植物的種類。同時,每次測定時收集樣方內(nèi)的凋落物量,各時期生物量增加量與凋落物增加量的累加即可作為當(dāng)年生物量(生產(chǎn)力)。地下生物量的測定與地上生物量測定同步。取樣深度為50cm,分0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—40cm、40—50cm進行分層測定。對于草本植物群落在測量地上生物量的樣方內(nèi)分層挖取10cm×10cm×10cm的土體;對于半灌木群落在測量地上生物量的樣方內(nèi)分層挖取50cm×50cm×10cm土體。在實驗室內(nèi)洗根,并分細(xì)根(直徑≤2.0mm)和粗根(直徑>2.0mm),于85℃烘干48h后稱重。與此同時,在生長季利用ECH2O土壤水分測定探頭對不同植物群落進行土壤溫濕度的長期觀測,觀測深度為5,10,20,30,40cm。1.4土壤溫度與土壤水分的關(guān)系使用SPSS17.0進行數(shù)據(jù)分析。采用方差分析比較4個群落類型,不同月份之間的土壤呼吸速率。采用指數(shù)模型分析土壤呼吸速率和土壤溫度月變化的關(guān)系,采用一元線性回歸模型分析土壤呼吸速率和土壤濕度月變化的關(guān)系,方程如下:式中,Rs為土壤呼吸速率(mg·m-2·h-1),a,b,c,d為擬合參數(shù),T10指10cm深度的土壤溫度(℃),Q10為土壤呼吸速率的溫度敏感性指數(shù),指某一土壤溫度時的土壤呼吸速率值與低于該溫度10℃以下的土壤呼吸速率值之比,W10指10cm深度的土壤體積含水量。利用方程(4)分析土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤水分的關(guān)系:式中,a,b,c,d均為擬合參數(shù)。并利用ECH2O土壤水分測定探頭在生長季長期觀測的溫濕度數(shù)據(jù)和方程(4)推算出4個植物群落在生長季的土壤呼吸碳釋放量。計算4個植物群落不同月份的土壤呼吸晝夜均值和日均值的比率,用來校正4個植物群落各月土壤呼吸的日均值,獲得晝夜平均土壤呼吸速率。采用一元線性回歸方程分析晝夜土壤呼吸速率與根系生物量的關(guān)系,并假定根系生物量為零時的土壤呼吸速率為最小土壤微生物呼吸,根系呼吸速率可通過土壤呼吸速率和微生物呼吸速率之差計算得到,進而估算土壤呼吸不同組分的相對貢獻量。采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)表示生態(tài)系統(tǒng)的碳固持情況,方程如下:式中,NPP表示生態(tài)系統(tǒng)的凈第一性生產(chǎn)力,并由干物質(zhì)量乘以0.48轉(zhuǎn)換為碳量,Rm表示土壤微生物呼吸碳量,NEP為大氣與生態(tài)系統(tǒng)的凈碳交換。2結(jié)果2.1日呼吸速率固定沙地本氏針茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)和流動沙地1年生草本植物群落(AL)各月土壤呼吸速率的日變化特點隨月份變化,同一月份不同群落類型又有各自的特點:5月,土壤呼吸速率最低值出現(xiàn)在18:00,最大值出現(xiàn)在9:00—10:00;日均值由大到小依次為:FA、FS、SFA、AL。6月,土壤呼吸速率的最大值出現(xiàn)在11:00—13:00,最小值出現(xiàn)在7:00;日變幅和日均值由大到小依次為:FA、FS、SFA、AL。7、8月,FS、FA、SFA土壤呼吸最大值出現(xiàn)在13:00—15:00,最低值出現(xiàn)在7:00;土壤呼吸速率日變幅和日均值由大到小依次為FA、FS、SFA、AL。9月,最大值出現(xiàn)在11:00—13:00,最小值出現(xiàn)在7:00。土壤呼吸速率日變幅和日均值由大到小依次為:FS、FA、AL、SFA。在7:00—11:00,FS和FA的土壤呼吸速率的大小和日變化趨勢相近,FS土壤呼吸速率的日均值高于FA;AL的土壤呼吸速率日變化規(guī)律與SFA相似。流動沙地植物群落(AL)在整個生長季內(nèi)土壤呼吸速率的日變幅較小,較穩(wěn)定地波動在11.2—22.2mg·m-2·h-1之間(圖1)。2.2月變化的月是相對的。在15月至7月本氏針茅群落、固定沙地油蒿群落和半固定沙地油蒿群落土壤呼吸速率均表現(xiàn)出明顯的月變化,且有著相似的變化規(guī)律,即5月最低,之后逐漸升高,到7月達到最大值,隨后逐漸降低。流動沙地土壤呼吸速率的月變化不明顯。生長季(除9月外)平均土壤呼吸速率由大到小依次為:FA、FS、SFA、AL(P<0.05)(表1)。2.3土壤濕度對呼吸季節(jié)變化的敏感性對于FS、FA、SFA、AL而言,土壤呼吸速率的月變化與土壤溫度(T10)存在顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。其中,AL土壤呼吸速率與T10呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(圖2)。FS、FA、SFA、AL的Q10值分別為5.87、5.05、4.02、0.64,隨著荒漠化程度的加重,Q10值逐漸降低,表明荒漠化程度的增加使得土壤呼吸速率對土壤溫度季節(jié)變化的敏感性逐漸降低。對于FS、FA、SFA、AL而言,土壤濕度對土壤呼吸速率月變化的解釋量隨荒漠化程度的加重而逐漸降低。對于FS、FA而言,Rs和W10呈顯著正相關(guān)(P<0.01),土壤濕度是限制固定沙地植物群落土壤呼吸的重要因子,隨土壤濕度的增加,土壤呼吸線性增加;對于SFA而言,Rs隨土壤濕度的增加而線性增加,但未達到顯著水平;而沙化嚴(yán)重的流動沙地植物群落的土壤呼吸速率對土壤濕度(W10)月變化的敏感性較小(表2),僅隨土壤濕度的增加而有輕微增加。土壤呼吸速率與W10、T10的回歸分析表明:Rs與W10、T10的復(fù)合模型與單因素方程相比,R2值有不同程度的提高,土壤溫度和土壤濕度可以解釋土壤呼吸月變化的69%—87%,因而可以利用Rs與W10、T10的復(fù)合模型來估算生長季土壤呼吸的碳釋放量(表3)。2.4根系生物量對呼吸速率的影響根系生物量與土壤呼吸速率具有較為一致的變化規(guī)律,土壤呼吸速率與根系生物量的線性回歸分析顯示土壤呼吸速率與根系生物量呈極顯著的線性關(guān)系,二者的相關(guān)性隨著荒漠化程度的加重而增大,表明根系生物量對土壤呼吸速率的影響增大(表4)。根據(jù)土壤呼吸速率(Rs)與根系生物量(Br)的回歸方程所確定的土壤微生物呼吸速率在FS、FA、SFA依次減小,根系呼吸在土壤呼吸中所占比例逐漸增大。流動沙地微生物呼吸速率最低,僅為7.49mg·m-2·h-1,但是在土壤呼吸中所占的比例卻最高,達54.14%。隨著荒漠化程度的加重,根系呼吸和微生物呼吸都不同程度的降低(表5)。2.5凈生產(chǎn)力由碳匯向碳源轉(zhuǎn)變主要生長季(5—9月)固定沙地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力為正,半固定沙地和流動沙地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力為負(fù),表明隨荒漠化程度的加重,生態(tài)系統(tǒng)逐漸由碳匯向碳源轉(zhuǎn)變。其次,本氏針茅群落的NEP顯著高于油蒿群落,是較油蒿群落更高的碳匯(表6)。3討論3.1土壤溫度的月變化土壤呼吸速率主要由溫度、濕度、光合產(chǎn)物生產(chǎn)的共同作用所驅(qū)動,主要控制因子隨生態(tài)系統(tǒng)類型和氣候類型不同而有所不同。在中國溫帶干旱、半干旱草地,土壤水分狀況是調(diào)節(jié)微生物生物量、微生物呼吸過程及其對氣候變化響應(yīng)的重要因素,是影響土壤呼吸強度的主要因子。本研究中土壤濕度是影響固定沙地植物群落(FS和FA)土壤呼吸速率月變化的主要因子之一,在相對干旱的5月,土壤濕度的限制作用尤為明顯,干旱脅迫在一定程度上降低了土壤呼吸速率對土壤溫度的響應(yīng),這與李玉強等在科爾沁沙地的研究結(jié)果是一致的。對于SFA和AL,土壤呼吸速率的月變化與土壤濕度的相關(guān)性較小且不顯著。相對于FS和FA,SFA和AL表層土壤質(zhì)地較粗,持水力較低,0—10cm土層中土壤含水量低且土壤含水量的季節(jié)變率較小,這可能是導(dǎo)致SFA和AL土壤呼吸速率月變化與土壤濕度不存在顯著相關(guān)性的主要原因。研究發(fā)現(xiàn),FS、FA和SFA的土壤呼吸速率與土壤溫度呈正相關(guān),這與李玉強等在科爾沁沙地的研究結(jié)果是一致的。根據(jù)土壤呼吸速率與土壤溫度的月變化計算所得的Q10值隨荒漠化程度的加重而減小,即土壤呼吸速率對溫度的敏感性隨荒漠化的加重而減小。流動沙地植物群落生長季的土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)。隨荒漠化程度的加重,干旱脅迫會在一定程度上降低土壤呼吸速率對土壤溫度的響應(yīng),土壤濕度的限制作用可能是導(dǎo)致土壤呼吸速率的溫度敏感性降低,土壤呼吸速率與土壤溫度在流動沙地呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系的重要原因。3.2森林植被對土壤呼吸的影響毛烏素沙地荒漠化過程中物種數(shù)顯著減少,植被蓋度降低,群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,地上生物量、根系生物量均顯著降低,土壤含水量下降,地表輻射增強,環(huán)境因子的變化勢必會影響土壤呼吸的變化。本研究表明毛烏素沙地在荒漠化過程中,生長季平均土壤呼吸速率和土壤呼吸速率日變幅和月變幅由大到小依次為:FA、FS、SFA、AL,隨荒漠化程度的加重而顯著降低,相對于FS,SFA和AL的平均土壤呼吸速率降低了45.3%和82.6%,這與趙哈林等在科爾沁沙地的研究結(jié)果類似,荒漠化的加劇使得沙地的日均土壤呼吸速率顯著降低,也導(dǎo)致土壤呼吸速率對環(huán)境條件日變化和季節(jié)變化的敏感性降低。根系呼吸和微生物呼吸是土壤呼吸的主要組成部分,毛烏素沙地荒漠化過程中,根系呼吸和微生物呼吸都出現(xiàn)不同程度的降低:(1)荒漠化過程中,細(xì)菌、真菌及微生物總量表現(xiàn)為固定沙地>半固定沙地>流動半流動沙丘。其中,固定沙地、半固定沙地的微生物總量分別是流動半流動沙丘的3.03倍、2.20倍。微生物數(shù)量和活力的顯著降低反映了土壤物質(zhì)的代謝強度減弱,從而導(dǎo)致土壤微生物呼吸減小;(2)微生物呼吸與土壤有機碳含量呈線性正相關(guān)關(guān)系,以風(fēng)沙活動為主要特征的土地荒漠化可以導(dǎo)致土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分大量流失,進而影響土壤中的生物數(shù)量和活性,這也是導(dǎo)致微生物呼吸下降的重要原因;(3)根系呼吸和微生物呼吸都依賴于初級生產(chǎn)力,荒漠化過程導(dǎo)致植物群落地上生物量和根系生物量以及生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力顯著降低,勢必會導(dǎo)致根系呼吸降低;(4)土壤濕度是影響土壤呼吸的重要因子。草地荒漠化過程中,隨群落蓋度逐漸減小,土壤質(zhì)地和機械組成發(fā)生變化,沙粒含量增加,有機質(zhì)含量減少,土壤持水力下降,0—10cm土層中土壤含水量明顯減小,從而導(dǎo)致土壤呼吸下降。土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要生物學(xué)指標(biāo),在一定程度上反映了土壤的氧化和轉(zhuǎn)化能力。毛烏素沙地荒漠化不同階段土壤呼吸速率顯著降低,表明毛烏素沙地土壤物質(zhì)的代謝強度降低,土壤質(zhì)量和健康狀況惡化。3.3荒荒地治理對碳儲量的影響土壤碳庫是受人類活動影響較大的碳庫,同時也是對大氣碳庫影響最大的碳庫之一,土壤碳庫對于大氣碳庫是碳“源”還是碳“匯”主要取決于土地利用方式

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