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    中國(guó)不同類型草地土壤呼吸研究現(xiàn)狀

    2015-06-20 03:57:22王丹陳永金
    安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年13期
    關(guān)鍵詞:草甸草地速率

    王丹,陳永金

    (聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東聊城 252059)

    土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過(guò)程,嚴(yán)格意義上講是指未擾動(dòng)土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用,是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)向大氣釋放CO2的主要途徑,約占全球碳交換量的25%,在生物圈和大氣圈碳交換中起著關(guān)鍵作用[1]。土壤呼吸分為自養(yǎng)型呼吸(根呼吸)和異養(yǎng)型呼吸(微生物和動(dòng)物呼吸)。它由3個(gè)生物學(xué)過(guò)程(土壤微生物呼吸、根呼吸、土壤動(dòng)物呼吸)和1個(gè)非生物學(xué)過(guò)程(含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用)組成,是大氣CO2的重要來(lái)源[1]。土壤呼吸是全球碳循環(huán)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)[2-3]。據(jù)估計(jì),陸地生態(tài)系統(tǒng)每年與大氣圈之間的碳交換量約120 Pg。

    草地是對(duì)CO2增加和全球變暖反應(yīng)最明顯的生態(tài)系統(tǒng)之一,約占陸地總面積的25%[4]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型,其貯存的碳總量為266.3 Pg,占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量的12.7%[4]。我國(guó)草地廣泛分布于東北的西部、內(nèi)蒙古、西北荒漠地區(qū)的山地和青藏高原一帶,橫亙于30°~50°N之間,主要分布于黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、青海、新疆、陜西、河北、山西和四川等12個(gè)省區(qū)。當(dāng)前,中國(guó)草原土壤呼吸的研究主要集中在東北平原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原[5]。土壤呼吸是生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)的重要環(huán)節(jié),對(duì)維系生態(tài)群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定有著重要的意義。草地土壤呼吸作為陸地土壤呼吸的重要組成部分和全球碳循環(huán)的流通途徑,對(duì)其進(jìn)行研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

    中國(guó)草地土壤呼吸研究始于19世紀(jì)末,與世界草地土壤呼吸研究工作相比晚了近一個(gè)世紀(jì)。我國(guó)的草地土壤呼吸研究主要集中在東北、內(nèi)蒙古及甘肅三個(gè)省的草原地區(qū)。研究的主要內(nèi)容是土壤呼吸不同時(shí)間段動(dòng)態(tài)的觀測(cè)、影響土壤呼吸變化的因子、不同條件下草地土壤呼吸異同對(duì)比及不同土壤呼吸類型的貢獻(xiàn)區(qū)分等[6]。

    1 草地土壤呼吸測(cè)量方法

    對(duì)將近20年中國(guó)學(xué)者們對(duì)草地土壤呼吸所使用的測(cè)量方法進(jìn)行總結(jié)歸納。由表1可知,測(cè)定草地土壤呼吸最常用的方法是靜態(tài)氣室法[7]。一般認(rèn)為,動(dòng)態(tài)法能較好地反映土壤呼吸的真實(shí)速率,但是動(dòng)態(tài)箱法對(duì)氣室內(nèi)外的壓力差很敏感,操作要求較高,因此限制了它的使用。靜態(tài)法能夠同時(shí)進(jìn)行多重復(fù)測(cè)定。對(duì)于測(cè)定空間變異性很大的土壤呼吸,靜態(tài)法具有很大的優(yōu)點(diǎn)[8],但是它會(huì)對(duì)測(cè)量地區(qū)的土壤呼吸產(chǎn)生人為干擾,而且其測(cè)量的面積也相對(duì)較小。此外,建立參數(shù)模型或機(jī)理模型,并且據(jù)此推算土壤呼吸值是研究生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要方法[9]。

    2 草地土壤呼吸的影響因素

    2.1 自然因素

    2.1.1 溫度。溫度是影響草地土壤呼吸的主要因素。由表2可知,影響土壤呼吸的溫度包括土壤溫度和大氣溫度。溫度與土壤呼吸一般呈正相關(guān)關(guān)系,即土壤呼吸速率隨著溫度的變化而變化。這是因?yàn)橥寥篮粑械母臀⑸锖粑际且蕾囉跍囟鹊纳锘顒?dòng)。在東北地區(qū),黑河流域山區(qū)生長(zhǎng)季牧坡草地[9]、松嫩平原西部洮兒河流域下游的草甸草原[10]的土壤呼吸速率與溫度均呈顯著指數(shù)關(guān)系。東北松嫩平原腰井子自然保護(hù)區(qū)草甸草原的地溫能夠解釋土壤呼吸速率的87%[11]。在內(nèi)蒙古地區(qū),呼倫貝爾貝加爾針茅草甸草原[12]、錫林河流域典型溫帶草原[13]及針茅草屬草地[14]的土壤呼吸速率與溫度之間呈指數(shù)關(guān)系,而錫林河地區(qū)非生長(zhǎng)季干旱草地(羊草草原、針茅屬草原)土壤呼吸與溫度呈線性關(guān)系[14],烏蘭察布地區(qū)短花針茅荒漠草原土壤呼吸速率與0~10 cm土壤溫度呈顯著二次回歸關(guān)系[15]。在青藏高寒區(qū),高寒草甸[16]、高寒金露梅灌叢草甸[17]的土壤呼吸與溫度呈顯著的指數(shù)關(guān)系。此外,山西云頂山亞高山草甸地區(qū)的土壤呼吸與土壤溫度呈一次線性關(guān)系[18],亞熱帶地區(qū)溝葉結(jié)縷草坪的土壤呼吸與土壤溫度呈指數(shù)關(guān)系[19]。

    表2 溫度與草地土壤呼吸關(guān)系統(tǒng)計(jì)

    2.1.2 水分。水分是影響草地土壤呼吸的又一重要因子。由表3可知,在一定范圍內(nèi),土壤呼吸隨著水分增加而增加,但是在極端的水分條件下,土壤呼吸作用反而受到抑制。測(cè)得的土壤呼吸一般為土壤孔隙中CO2等氣體的通量。當(dāng)水分過(guò)多時(shí)土壤孔隙被水分所填充,占據(jù)原先貯存氣體的空間,勢(shì)必減少測(cè)得的土壤呼吸通量;當(dāng)水分過(guò)少時(shí),土壤中的根呼吸和微生物呼吸將受到抑制[21],也會(huì)減少測(cè)得的土壤呼吸通量。在生長(zhǎng)季尺度上,水分與土壤呼吸速率的相關(guān)性最強(qiáng)[20];在日尺度上,水分對(duì)土壤呼吸的激發(fā)效應(yīng)表現(xiàn)在次日土壤呼吸的升高,抑制效應(yīng)表現(xiàn)在當(dāng)日土壤呼吸速率的下降[22]。在東北地區(qū),黑河流域的土壤呼吸速率與土壤土壤含水量呈顯著乘冪關(guān)系[9],而松嫩平原羊草群落的土壤呼吸與土壤0~10 cm含水量呈一次線性關(guān)系[10]。在內(nèi)蒙古地區(qū),呼倫貝爾貝加爾針茅草甸草原土壤呼吸速率與土壤含水量呈指數(shù)-乘冪模關(guān)系[23],克氏針茅草原土壤呼吸速率與土壤水分之間呈顯著對(duì)數(shù)關(guān)系[6],而錫林河地區(qū)干旱草地生長(zhǎng)季土壤呼吸速率與土壤含水量呈線性關(guān)系[17]。

    2.1.3 其他自然因素。對(duì)草地土壤呼吸有影響的另一因子是植物的物候期。杜睿等[24]對(duì)內(nèi)蒙古草原CO2通量進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)在植物生長(zhǎng)旺盛期,土壤-植被系統(tǒng)白天吸收、夜間向大氣排放CO2;在植物生長(zhǎng)前、后期,白天以吸收、排放兩種形式,夜間以排放的形式進(jìn)行與大氣的CO2交換;到生長(zhǎng)末期,草地晝夜均以排放為主要交換方式,但排放量明顯降低。生長(zhǎng)季溫度是影響土壤呼吸的主要因子[25],而非生長(zhǎng)季土壤溫度和土壤水分共同對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響[26]。也有研究表明,在生長(zhǎng)初期和末期土壤呼吸速率的限制因子主要為總輻射,而在生長(zhǎng)中期控制因子則為氣溫和土壤含水量[6]。

    表3 水分與草地土壤呼吸關(guān)系統(tǒng)計(jì)

    土壤質(zhì)地也會(huì)對(duì)土壤呼吸作用產(chǎn)生影響。土壤顆粒的大小決定土壤表面積的大小,進(jìn)而影響土粒表面吸附及與離子交換的能力[27]。土壤質(zhì)地通過(guò)影響土壤通透性和土壤含水量,進(jìn)而間接影響土壤的呼吸速率[28]。在亞高山草甸地區(qū)的土壤呼吸影響因子中,土壤有機(jī)碳對(duì)土壤呼吸空間分布的影響要遠(yuǎn)大于土壤溫度和水分的影響[18]。

    由于地形不同,土壤的溫度、濕度、植被狀況等不同,從而土壤呼吸也隨之發(fā)生改變。黃土高原地區(qū)草地土壤呼吸速率的日動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為西南坡草地波動(dòng)幅度大于東北坡,日均土壤呼吸和日總呼吸量表現(xiàn)為西南坡小于東北坡。這證明同一地區(qū)不同地形間的土壤呼吸速率不同[29]。

    土壤的鹽堿度通過(guò)影響土壤微生物的數(shù)量、活性以及土壤酶活性,間接影響土壤呼吸的強(qiáng)度[30]。土壤呼吸速率與土壤pH之間的關(guān)系表現(xiàn)為土壤pH升高會(huì)增加土壤微生物異質(zhì)性,從而增加土壤呼吸強(qiáng)度。在松嫩平原地區(qū),土壤鹽堿度與土壤呼吸碳排放量的關(guān)系表現(xiàn)為土壤鹽分含量的增加會(huì)明顯抑制土壤CO2的排放量[10]。

    另外,磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響。東北沈陽(yáng)地區(qū)的棕壤和草甸土經(jīng)過(guò)磁處理后,土壤呼吸強(qiáng)度顯著增加[30]。土壤呼吸速率的變化與磁場(chǎng)強(qiáng)度、土壤類型和磁處理時(shí)的土壤水分條件等有很大關(guān)系。

    2.2 人為因素 放牧是影響草地土壤呼吸的重要人為因素之一。放牧?xí)p少土壤中水分含量,降低土壤濕度,間接影響土壤呼吸的排放量[31]。放牧強(qiáng)度的增加會(huì)使土壤容重增大,空隙和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)一步減少,從而導(dǎo)致土壤環(huán)境中生物量的減少,最終造成草地退化、土壤呼吸速率降低[25,32]。另外,放牧還會(huì)顯著降低土壤呼吸強(qiáng)度和溫度敏感性[31,33]。內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原地區(qū)的自由放牧行為導(dǎo)致該地草原土壤呼吸的溫度敏感性不同程度的降低[22]。

    開(kāi)墾是影響草地土壤呼吸的另一重要因素。不同形式的開(kāi)墾對(duì)土壤呼吸會(huì)產(chǎn)生不同的影響。內(nèi)蒙古草原地區(qū)的長(zhǎng)期開(kāi)墾會(huì)造成嚴(yán)重的土壤風(fēng)蝕,降低土壤的呼吸通量。若將長(zhǎng)期開(kāi)墾的耕地恢復(fù)為天然草地,土壤和植物根系將會(huì)有較大的固碳潛力[34]。但是,也有研究證明,將天然的草場(chǎng)開(kāi)墾種植小麥以后,土壤呼吸量有所增加[35]。

    施肥也會(huì)對(duì)土壤呼吸造成影響。有研究者在對(duì)施肥和未施肥農(nóng)田CO2的通量進(jìn)行比較后,發(fā)現(xiàn)施肥后土壤呼吸速率增加[36]。對(duì)青藏高寒區(qū)高寒草甸進(jìn)行多形態(tài)、低劑量的增氮控制后,地上生物量和土壤CO2排放通量發(fā)生顯著增加[37]。這也證明施氮將會(huì)增加土壤的呼吸速率。

    刈割也是影響土壤呼吸的因素。在華北平原地區(qū),刈割會(huì)降低土壤呼吸速率。這可能是由刈割后土壤呼吸中的根呼吸速率下降以及植物根際環(huán)境變化引起的[38]。對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)羊草草原進(jìn)行刈割,會(huì)減少草原土壤中的含水量,導(dǎo)致土壤呼吸速率的改變[39]。

    3 結(jié)論與展望

    (1)我國(guó)草原土壤呼吸的研究主要集中在東北平原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原三大地區(qū)。這與我國(guó)草原分布集中在這些地區(qū)密切相關(guān)。在東北平原地區(qū),土壤呼吸速率與溫度呈指數(shù)關(guān)系,與水分呈乘冪和一次線性關(guān)系。在內(nèi)蒙古草原地區(qū),土壤呼吸速率與溫度呈指數(shù)、線性和二次回歸關(guān)系,與水分呈指數(shù)-乘冪、對(duì)數(shù)和線性關(guān)系。在青藏高寒區(qū),土壤呼吸速率與溫度呈指數(shù)關(guān)系。另外,人為干擾形式中放牧、刈割會(huì)降低土壤的呼吸速率,而開(kāi)墾和施肥一般來(lái)說(shuō)會(huì)增加土壤呼吸強(qiáng)度。

    (2)土壤中的根系和微生物所釋放的CO2多集中在土壤孔隙中,然后從孔隙中逐漸釋放到大氣中,而我們測(cè)得的CO2通量并非是真正的、實(shí)時(shí)的土壤呼吸,而是蓄集在土壤孔隙中的CO2釋放出來(lái)的結(jié)果[40]。因此,通過(guò)測(cè)定土壤呼吸還不能準(zhǔn)確地解釋土壤的生物過(guò)程。

    (3)測(cè)定土壤呼吸的方法需要改進(jìn)。雖然測(cè)定草地土壤呼吸有很多的方法可供選擇,但各種測(cè)量方法所包含的CO2源不盡相同,測(cè)得的結(jié)果幾乎沒(méi)有可比性,較難獲取更大時(shí)空尺度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[41]。

    (4)根呼吸與微生物呼吸的區(qū)分是長(zhǎng)期以來(lái)土壤呼吸研究的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。在利用根生物量回歸法對(duì)內(nèi)蒙古錫林河流域羊草草原根呼吸和土壤微生物呼吸的研究表明[42],在土壤呼吸中僅微生物呼吸對(duì)大氣CO2濃度的變化有貢獻(xiàn),而根的貢獻(xiàn)和因根系而引起的土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的變化極大地限制了使用土壤總呼吸來(lái)確定土壤的碳源或碳匯功能的可信度[40]。

    (5)土壤呼吸的研究領(lǐng)域需要擴(kuò)大。我國(guó)的草地土壤呼吸研究主要集中在東北、內(nèi)蒙古及甘肅地區(qū),并且通過(guò)大量研究已獲得相當(dāng)多的點(diǎn)數(shù)據(jù),因此需要將土壤呼吸研究領(lǐng)域外推到一個(gè)更高、更廣的層次。

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