塔克拉瑪干沙漠腹地冬季土壤呼吸及其驅動因子

劉躍輝, 艾力·買買提依明, 楊 帆, 楊興華, 何 清

1 新疆大學， 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002 3 塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站, 塔中 841000 4 南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044

塔克拉瑪干沙漠腹地冬季土壤呼吸及其驅動因子

劉躍輝1,2,3, 艾力·買買提依明2,3,4,*, 楊 帆2,3, 楊興華2,3, 何 清2,3

1 新疆大學， 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002 3 塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站, 塔中 841000 4 南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044

利用Li-8150系統(tǒng)測定了塔克拉瑪干沙漠腹地冬季(1月)土壤呼吸，分析了環(huán)境驅動因子對極端干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的影響。結果表明：(1)冬季土壤呼吸日變化呈現(xiàn)出顯著的單峰曲線，土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在12:00，為0.0684μmol CO2m-2s-1，凌晨04:00附近出現(xiàn)最小值，為-0.0473μmol CO2m-2s-1；(2)土壤呼吸速率與各層氣溫，0cm地表溫度均存在著極其顯著或顯著的線性關系，且都具有正相關性；(3)土壤呼吸速率與5cm土壤濕度存在著較為明顯的線性關系，該層濕度能夠解釋土壤呼吸的69.5%；(4)0cm地表溫度對土壤呼吸貢獻最大，其次是5cm土壤濕度；(5)以0cm地表溫度、5cm土壤濕度為變量，通過多元回歸分析表明：土壤溫度-濕度構成的多變量模型能夠解釋大于86.9%的土壤呼吸變化情況；(6)研究時段內土壤呼吸速率的平均值是-1.45mg CO2m-2h-1。

塔克拉瑪干沙漠; 土壤呼吸; 溫度; 土壤濕度

土壤呼吸是指土壤與大氣交換二氧化碳的過程，嚴格意義上講是指未擾動土壤中產(chǎn)生的CO2的所有代謝作用，包括3個生物學過程(土壤微生物呼吸、根系呼吸和土壤動物呼吸)和一個非生物學過程，即含碳礦物質的化學氧化作用等生物學和非生物學過程[1]。據(jù)統(tǒng)計，全球土壤碳庫量為1300—2000Pg C，占到全球碳儲存總量的67%[2]。土壤呼吸是從土壤碳庫中釋放碳，是大氣碳庫的4倍[3]，因此，土壤呼吸的微小變化就能強烈地影響并且改變大氣CO2濃度的平衡，進而影響區(qū)域及全球碳循環(huán)的過程[4-5]。為了預測土壤呼吸對區(qū)域及全球氣候變化響應而導致的相應碳循環(huán)的變化，很有必要進一步對土壤呼吸進行更加深入的研究。

塔克拉瑪干沙漠是我國乃至全球自然生態(tài)系統(tǒng)人類活動最少的地區(qū)之一，它具有北半球中緯度典型的溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)，這一特殊區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)碳交換過程對于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳平衡無疑起著極其重要的作用。同時，沙漠區(qū)域具有極端的環(huán)境條件，土壤含水量少、有機質含量低且易受氣候變化影響而發(fā)生明顯變異[6-7]。由于土壤呼吸對環(huán)境變化高度敏感性，使土壤呼吸成為量化荒漠生態(tài)進程的指標之一[8]。近年來，國內外針對沙漠區(qū)域土壤呼吸的研究已經(jīng)取得了一些進展，Luske等[9]認為沙漠土壤碳庫初始值通常極小，僅略高于檢測限，與其他類型土壤相比之下更有可能作為碳的匯。Thomas等[10]在非洲南部的卡拉哈里沙漠進行土壤呼吸觀測試驗時，指出沙漠土壤在微生物作用下吸收CO2，并進一步研究了溫度、降水脈沖及生物結皮蓋度對土壤呼吸速率的影響[11]。謝靜霞等[12]對古爾班通古特沙漠土壤呼吸速率進行分析，發(fā)現(xiàn)荒漠鹽堿土吸收大量CO2，有研究發(fā)現(xiàn)土壤無機過程可以很好地解釋這一現(xiàn)象[13]。李玉強等通過分析科爾沁沙地的土壤呼吸速率，得出從流動沙丘、半固定沙丘到固定沙丘的平均土壤呼吸速率依次增大，同時指出了土壤呼吸速率與氣溫變化的關系[14]。張麗華等[15]深入研究了典型溫帶荒漠中溫度和土壤濕度對土壤呼吸速率的影響。然而，關于流動沙漠腹地土壤呼吸的變化規(guī)律及非生物因素對其產(chǎn)生的影響仍尚未見報道。

本文以塔克拉瑪干沙漠腹地土壤為研究對象，探討了流動沙漠腹地冬季土壤呼吸速率的日變化特征，分析了土壤呼吸速率與環(huán)境驅動因子之間的相互關系，比較了土壤呼吸速率對氣溫、土壤溫度以及土壤濕度的響應程度，通過認識和了解極端干旱沙漠區(qū)土壤呼吸速率的基本特征，為區(qū)域及全球碳循環(huán)研究提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國氣象局塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站西側2.2km沙壟下方平緩自然沙丘上的塔中A站(38°58′ N, 83°38′ E, 海拔1093m)，該站地處塔克拉瑪干沙漠腹地塔里木油田塔中4油田作業(yè)區(qū)北側，是目前世界上唯一深入流動沙漠腹地200km以上的大氣環(huán)境觀測試驗站。該地區(qū)屬于典型的極端干旱區(qū)荒漠氣候，夏季高溫炎熱，冬季嚴寒干冷。根據(jù)塔中氣象站1997年—2012年歷年各月氣溫和降水量平均值的統(tǒng)計資料，該地區(qū)年平均氣溫12.0℃，夏季7月最熱，平均氣溫為28.4℃，冬季1月最冷，平均溫度為-10.0℃。冬季時段多年平均氣溫為-6.8℃，且無穩(wěn)定積雪。年平均降水量為24.3mm，主要集中在5—8月，占全年降水量的89%左右，年平均蒸發(fā)量約為3800mm。觀測場地平坦開闊，下墊面為平緩自然流沙面，植被蓋度為零，且冬季土壤沒有水分凍結[16]，主要觀測項目有風、溫、濕梯度，多層土壤溫濕度，土壤熱通量，以及輻射分量等常規(guī)氣象要素。

圖1 研究區(qū)(塔中A站)位置及10m梯度常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1 The observation station at Tazhong near the highway from the desert marginal zone is 229 kmThe locations of Tazhong A and Tazhong B are around the Tazhong station shown in the top left

2 研究方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 研究方法

圖2 Li-8150土壤碳通量測定系統(tǒng)Fig.2 Li-8150 Soil CO2 efflux system

利用Li-8150(型號:LI-COR, Lincoln, NE, USA)系統(tǒng)測定塔克拉瑪干沙漠腹地塔中的土壤呼吸日變化動態(tài)。選擇塔中A站平緩自然流沙面(無任何植被覆蓋)進行野外測定(圖2)，測定前一天將橫截面積為371.8cm2，高度10cm的圓柱形PVC土壤環(huán)嵌入土壤中，嵌入深度約7cm。經(jīng)過24h平衡后，土壤呼吸速率恢復至土壤環(huán)放置前水平，從而避免了由于安置氣室對土壤局部擾動造成短期內土壤呼吸速率波動。

觀測日期從2013年1月17日16:06至2013年2月1日07:44(地方時,下同)，在同一時段重復測定4次，共獲得有效數(shù)據(jù)1408組，將同一時段通量數(shù)據(jù)進行小時平均，獲取小時平均數(shù)據(jù)352組。在測定土壤呼吸速率的同時，利用塔中A站10m梯度常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)測定了氣溫、土壤溫度和土壤濕度，其儀器型號見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析在Excel 2013和SPSS 21.0軟件中完成，采用SigmaPlot 12.5作圖。土壤呼吸(Rs, μmol CO2m-2s-1)和氣溫、土壤溫度(T, ℃)，土壤濕度(M,%)之間的關系采用線性回歸程序分析：

Rs=b0+b1T

(1)

式中,b0、b1分別是從回歸分析中估算的擬合參數(shù)；T表示氣溫、土壤溫度(℃)；M為土壤濕度(%)。

其次，采用以下線性和非線性方程分別擬合Rs與T、M間的關系：

Rs=a+bT+cM

(2)

Rs=a+bT+cM+d(TM)

(3)

式中,a、b、c、d分別是從回歸分析中估算的擬合參數(shù)；方程(3)中引入了新的變量TM。

表1 塔中A站10m梯度觀測系統(tǒng)所用部分儀器

3 結果與分析

3.1 土壤呼吸的日變化過程

塔克拉瑪干沙漠腹地塔中冬季(1月)土壤呼吸速率日變化動態(tài)如圖3所示，可以看出，沙漠腹地冬季土壤呼吸速率日變化呈現(xiàn)出顯著的單峰曲線(誤差線顯示5%的正負潛在誤差量)。土壤呼吸速率最大值為0.0684μmol CO2m-2s-1，出現(xiàn)在12:00，之后土壤呼吸速率受到抑制，呈下降趨勢，緊接著在凌晨04:00附近出現(xiàn)最小值，為-0.0473μmol CO2m-2s-1。觀測期間土壤呼吸速率變化范圍為-0.0875—0.1175μmol CO2m-2s-1(以小時平均計算)，平均速率為-0.00915μmol CO2m-2s-1，相當于-1.45mg CO2m-2h-1。其中，白天時段(10:00—17:00)土壤呼吸速率為正值，其余時段(18:00—09:00)均為負值，在夜間時段(22:00—06:00)，土壤呼吸速率變化平穩(wěn)，基本維持在(-0.0425±0.00095)μmol CO2m-2s-1。此外，在將每小時的土壤呼吸量換算為每天的土壤呼吸量時，可以簡單地處理為：(小時平均的土壤呼吸量)×24，從而得到每天的土壤呼吸量約為34.80mg CO2m-2d-1。

圖3 觀測期間塔克拉瑪干沙漠腹地塔中冬季(1月)土壤呼吸速率的日變化Fig.3 Diurnal variation of soil respiration rate over the hinterland of Taklimakan desert during the study period

3.2 土壤呼吸和溫度的關系

在干旱區(qū)，溫度是調節(jié)和控制許多生態(tài)學進程的關鍵性因素，同時也是影響土壤呼吸速率的決定性因子之一[17]。采用土壤呼吸速率與0cm地表溫度、2m處氣溫連續(xù)15d觀測的小時平均數(shù)據(jù)，分析地表溫度和氣溫與土壤呼吸速率的日變化動態(tài)過程，結果見圖4。從圖4可知：0cm地表溫度與土壤呼吸速率的晝夜變化趨勢較為一致，0cm地表溫度最高(低)值分別比土壤呼吸速率最大(小)值延遲1h和3h出現(xiàn)。其中，夜間時段(22:00—07:00)，0cm地表溫度波動范圍在-16.2—-11.8℃，對應的土壤呼吸速率變化較為穩(wěn)定。2m高處氣溫與地表溫度變化過程相似，但其最高(低)值均比對應的土壤呼吸速率最大(小)值延遲3h出現(xiàn) (圖4)。

通過線性方程分別擬合土壤呼吸速率與距地表0.5、2m處氣溫以及0、10、20、40cm土壤溫度，在95%的置信區(qū)間內，采用決定系數(shù)R2解釋土壤呼吸的變異量，結果見表2。土壤呼吸速率和氣溫、0cm地表溫度間的擬合關系均較好，也就是說線性方程能很好地描述土壤呼吸對氣溫、0cm地表溫度的響應。0cm地表溫度與土壤呼吸速率間具有顯著的線性正相關關系(圖4)，決定系數(shù)R2為0.863，然而，在10、20、40cm土壤溫度中卻沒有得到明顯的擬合關系，結合表2可知，溫度對土壤呼吸的貢獻程度隨著土壤深度的遞增而明顯減弱，在10、20、40cm土壤深度處對土壤呼吸的貢獻幾乎可以忽略，這表明溫度對土壤呼吸速率的影響主要局限在土壤表面，土壤呼吸對0cm土壤溫度的響應敏感程度明顯高于其他各層土壤溫度。

圖4 觀測期間沙漠腹地土壤呼吸速率與0cm地表溫度、2m處氣溫的關系Fig.4 The relationship between soil respiration rate and soil temperature at 0cm, air temperature at 2m height over the hinterland of Taklimakan desert during the study period

表2 觀測期間沙漠腹地土壤呼吸速率與氣溫、土壤溫度間的回歸分析*

3.3 土壤呼吸和土壤濕度的關系

通過分析沙漠腹地冬季土壤呼吸速率與5cm土壤濕度的關系后發(fā)現(xiàn)，5cm土壤濕度波動范圍相對很小且波動范圍窄，僅為0.023%—0.028%，與對應的土壤呼吸速率日變化趨勢相似，即同樣表現(xiàn)為明顯的晝夜變化波動，且土壤呼吸速率最大值先于土壤濕度2h出現(xiàn)(圖5)。此外，回歸分析結果發(fā)現(xiàn)，在95%的置信區(qū)間內，沙漠腹地土壤呼吸速率與5cm土壤濕度存在著顯著的線性正相關關系(圖5)，對應的回歸方程為：y=25.538x-0.681，決定系數(shù)R2為0.695(Sig.<0.001)。

土壤呼吸速率對土壤濕度的微量變化響應敏感。圖5可知，當5cm土壤濕度在0.0245%時，土壤呼吸速率僅為-0.0425μmol CO2m-2s-1，土壤濕度增加到0.0269%，此時土壤呼吸速率達到最大，為0.0684μmol CO2m-2s-1。不難看出，隨著土壤濕度的輕微改變，土壤呼吸速率由負轉正，顯然土壤呼吸在吸收和釋放CO2間發(fā)生了轉化，這表明5cm土壤濕度微量變化對極端干旱沙漠區(qū)土壤呼吸有較大影響。

圖5 觀測期間土壤呼吸速率與土壤濕度變化關系Fig.5 Relationship between soil respiration rate and soil moisture at 5cm depth changes during the study period

3.4 土壤呼吸與溫度、土壤濕度的協(xié)同關系

沙漠地區(qū)降水量極少，土壤濕度大小與土壤溫度變化有一定關系。研究表明，較為干旱荒漠區(qū)的土壤呼吸主要受溫度和土壤濕度的共同調控[18]，二者之間可能存在較為復雜的變化機制。以2m處氣溫，0cm地表溫度，5cm土壤濕度為變量，采用線性回歸中的逐步回歸分析方法，在95%的置信區(qū)間內，分析上述土壤呼吸速率與上述變量之間的關系，結果見表3。然后通過方程(3)分析土壤呼吸速率與0cm地表溫度和5cm土壤濕度之間的關系，分析結果表明該方程可用于描述土壤呼吸速率受地表溫度和土壤濕度的協(xié)同影響且相應的回歸方程達到顯著水平(Sig.<0.001)。兩個方程擬合結果基本接近，得出的多變量模型可以解釋土壤呼吸86.9%以上的變化情況。

表3 觀測期間沙漠腹地土壤呼吸速率與溫度、土壤濕度的多元分析結果*

4 討論

本次觀測試驗時間相對較短。因此，對試驗資料能否代表整個冬季的情況從氣候差異角度進行了分析。試驗期間，空氣溫度平均值在-7.5℃左右，這與塔中氣象站1997年—2012年冬季多年平均溫度-6.8℃較為接近，因此認為試驗期間的所測得的數(shù)據(jù)能夠代表整個冬季土壤呼吸的變化特征。

對塔克拉瑪干沙漠腹地冬季土壤呼吸日變化的研究結果表明，土壤呼吸速率觀測值均非常小且變化范圍較窄，這是由沙漠腹地極端的環(huán)境條件所決定，主要表現(xiàn)為土壤中微生物類群、數(shù)量及其分布相對較少[19]且有機質非常貧乏[20]，缺少根系呼吸造成的[3]。這一現(xiàn)象還可能與微生物活動的溫度臨界值有關，這是因為微生物在沙漠土壤表層分布密度較高[21]，而90%的微生物活動發(fā)生在土壤0—15cm深度[22]，低于這個溫度臨界值，會使土壤酶活性和一系列生化反應速率受到抑制[23]，無機過程相對減弱，從而造成土壤呼吸作用相應地弱化。王忠媛等[24]研究表明在土壤類型一定時，土壤無機CO2通量主要受溫度控制，夜晚低溫有利于土壤無機過程吸收CO2，而白天溫度較高則有利于CO2釋放，這能較好地解釋沙漠腹地夜間為明顯CO2匯，白天為CO2源的現(xiàn)象。有研究認為，在非凍結的土壤水分情況下(-10℃)，有土壤呼吸過程存在[25]，甚至在-20℃以下，仍能檢測到土壤呼吸發(fā)生[26]，這一結果在本文對沙漠腹地冬季土壤呼吸的研究中得到進一步證實。由于冬季觀測到的土壤呼吸速率很小[27-28]，很長一段時間都認為冬季土壤呼吸可以忽略[25,29]，但有研究發(fā)現(xiàn)，冬季土壤呼吸可以占到全年土壤呼吸的很大比例[30-31]，是全年碳收支的重要組成部分[32]，并能顯著影響生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡[33]。本文得出塔克拉瑪干沙漠腹地每天的呼吸量為34.80mg CO2m-2d-1，也證明了上述觀點，但是與Suzuki[34]、Nobrega[35]、Wang[36]等對極地苔原和森林冬季土壤呼吸釋放CO2的研究結果相反，這很可能與沙漠土壤為流沙面，缺少植被覆蓋有關。

試驗期間，土壤呼吸時間變化對0cm地表溫度的響應程度明顯高于土壤其他各層溫度，這與張麗華[15]、黃湘[37]、Osozawa[38]等人對半干旱區(qū)和干旱區(qū)土壤呼吸的研究結果相似。另外，在古爾班通古特沙漠進行的研究表明，0cm地表溫度能很好地解釋土壤呼吸的日變異[39]，周洪華等[40]對干旱區(qū)不同土地利用方式下土壤呼吸日變異的研究表明，其土壤呼吸與氣溫，0cm地表溫度均存在著顯著的相關性，這與本文的研究報道相一致。

許多研究證明，土壤呼吸與溫度之間存在指數(shù)相關[41-45]。然而，在本研究中，通過監(jiān)測和分析塔中冬季土壤呼吸的日變化動態(tài)，發(fā)現(xiàn)各層氣溫與0cm地表溫度對土壤呼吸速率日變化的影響幾乎都可以用線性方程來表示，即線性方程就可以很好地描述土壤呼吸對上述變量的響應，這表明在沙漠腹地溫度對土壤呼吸速率日變化的影響是極其明顯的，其中0cm地表溫度是影響土壤呼吸速率的主要環(huán)境因子(R2=0.863)。研究顯示，不同的生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸速率與土壤濕度間存在著正相關、負相關或不相關關系[46]，本文的研究報道得出極端干旱沙漠區(qū)冬季土壤呼吸與5cm土壤濕度呈顯著正相關，這一結果與黃湘等[37]的研究結果相近，但與張麗華等[15]在干旱荒漠區(qū)土壤呼吸中的研究結論相反。構建的土壤濕度線性模型能解釋土壤呼吸日變化的69.5%，這說明在極端干旱沙漠區(qū)，土壤濕度同樣是限制土壤呼吸的重要環(huán)境因子之一。本文得出土壤溫度-土壤濕度組成的多變量模型可以解釋大于86.9%的土壤呼吸變化情況。研究結果表明，土壤溫度和濕度都是影響沙漠區(qū)土壤呼吸速率的重要因素，且土壤溫度對土壤呼吸的貢獻要大于土壤濕度，但這一結果與Luo等認為在沙漠中土壤呼吸受土壤濕度的影響最大[3]的報道相反，因此有必要在后續(xù)的研究中針對這一現(xiàn)象展開長期觀測。

5 結論

(1)塔克拉瑪干沙漠腹地冬季土壤呼吸日變化呈現(xiàn)出顯著的單峰曲線。土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在12:00，最小值出現(xiàn)在凌晨04:00附近。

(2)土壤呼吸速率與0cm地表溫度呈顯著的線性正相關(R2=0.863)，研究表明，0cm地表溫度是影響土壤呼吸速率的決定性環(huán)境驅動因子。

(3)土壤呼吸速率與5cm土壤濕度間存在著明顯的線性關系(R2=0.695)，這表明在極端干旱荒漠區(qū)，淺層土壤濕度是制約土壤呼吸速率的重要環(huán)境因子之一。

(4)沙漠腹地土壤從大氣中凈吸收CO2的量約為34.80mg CO2m-2d-1，研究表明，沙漠腹地為明顯的碳匯。

致謝：野外觀測實驗得到中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所吉春容副研究員和鄒陳助理研究員的指導，特此致謝。

[1] Singh J S, Gupta S R. Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems. The Botanical Review, 1977, 43(4):449-528.

[2] Jenkinson D S, Adams D E, Wild A. Model estimates of CO2emissions from soil in response to global warming. Nature, 1991, 351(6324):304-306.

[3] 駱亦其, 周旭輝. 土壤呼吸與環(huán)境. 姜麗芬, 曲來葉, 周玉梅, 溫逸馨, 譯. 北京:高等教育出版社, 2007:18-21.

[4] Kirschbaum M U F. The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C storage. Soil Biology and Biochemistry, 1995, 27(6):753-760.

[5] Giardina C P, Ryan M G. Evidence that decomposition rates of organic carbon in mineral soil do not vary with temperature. Nature, 2000, 404(6780):858-861.

[6] Noy-Meir I. Structure and function of desert ecosystems. Israel Journal of Botany, 1979, 28(1):1-19.

[7] West N E, Stark J M, Johnson D W, Abrams M M, Wight J R, Heggem D, Peck S. Effects of climatic change on the edaphic features of arid and semiarid lands of western North America. Arid Soil Research and Rehabilitation, 1994, 8(4):307-351.

[8] Xu L K, Baldocchi D D, Tang J W. How soil moisture, rain pulses, and growth alter the response of ecosystem respiration to temperature. Global Biogeochemical Cycles, 2004, 18(4), doi:10.1029/2004GB002281.

[9] Luske B, van der Kamp J. Carbon sequestration potential of reclaimed desert soils in Egypt. Louis Bolk Institute & Soil and More International, 2009.

[10] Thomas A D, Hoon S R. Carbon dioxide fluxes from biologically-crusted Kalahari Sands after simulated wetting. Journal of Arid Environments, 2010, 74(1):131-139.

[11] Thomas A D, Hoon S R, Dougill A J. Soil respiration at five sites along the Kalahari Transect:effects of temperature, precipitation pulses and biological soil crust cover. Geoderma, 2011, 167-168:284-294.

[12] Xie J X, Li Y, Zhai C X, Li C H, Lan Z D. CO2absorption by alkaline soils and its implication to the global carbon cycle. Environmental Geology, 2009, 56(5):953-961.

[13] Ma J, Wang Z Y, Stevenson B A, Zheng X J, Li Y. An inorganic CO2diffusion and dissolution process explains negative CO2fluxes in saline/alkaline soils. Scientific Reports, 2013, 3, doi:10.1038/srep02025.

[14] 李玉強, 趙哈林, 趙學勇, 張銅會, 劉新平. 科爾沁沙地夏秋(6-9月)季不同類型沙丘土壤呼吸對氣溫變化的響應. 中國沙漠, 2008, 28(2):249-254.

[15] 張麗華, 陳亞寧, 李衛(wèi)紅, 趙銳鋒, 葛洪濤. 干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸. 生態(tài)學報, 2008, 28(5):1911-1922.

[16] 李江風. 塔克拉瑪干沙漠和周邊山區(qū)天氣氣候. 北京:科學出版社, 2003:219-219.

[17] 王新源, 李玉霖, 趙學勇, 毛偉, 崔奪, 曲浩, 連杰, 羅永清. 干旱半干旱區(qū)不同環(huán)境因素對土壤呼吸影響研究進展. 生態(tài)學報, 2012, 32(15):4890-4901.

[18] Wildung R E, Garland T R, Buschbom R L. The interdependent effects of soil temperature and water content on soil respiration rate and plant root decomposition in arid grassland soils. Soil Biology and Biochemistry, 1975, 7(6):373-378.

[19] 顧峰雪, 文啟凱, 潘伯榮, 楊玉鎖. 塔克拉瑪干沙漠腹地人工植被下土壤微生物的初步研究. 生物多樣性, 2000, 8(3):297-303.

[20] Rosenberg N J. 小氣候:生物環(huán)境. 何章起, 施魯懷, 譯. 北京:科學出版社, 1982.

[21] Cable J M, Ogle K, Tyler A P, Pavao-Zuckerman M A, Huxman T E. Woody plant encroachment impacts on soil carbon and microbial processes:results from a hierarchical Bayesian analysis of soil incubation data. Plant and Soil, 2009, 320(1/2):153-167.

[22] Fierer N, Schimel J P. A proposed mechanism for the pulse in carbon dioxide production commonly observed following the rapid rewetting of a dry soil. Soil Science Society of America Journal, 2003, 67(3):798-805.

[23] Schimel J P, Clein J S. Microbial response to freeze-thaw cycles in tundra and taiga soils. Soil Biology and Biochemistry, 1996, 28(8):1061-1066.

[24] 王忠媛, 謝江波, 王玉剛, 李彥. 鹽堿土土壤無機CO2通量與土壤鹽堿屬性的關系. 生態(tài)學雜志, 2013, 32(10):2552-2558.

[25] Fahnestock J T, Jones M H, Brooks P D, Walker D A, Welker J M. Winter and early spring CO2efflux from tundra communities of northern Alaska. Journal of Geophysical Research, 1998, 103(D22):29023-29027.

[26] Panikov N S, Flanagan P W, Oechel W C, Mastepanov M A, Christensen T R. Microbial activity in soils frozen to below -39℃. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(4):785-794.

[27] King J S, Hanson P J, Bernhardt E, DeAngelis P, Norby R J, Pregitzer K S. A multiyear synthesis of soil respiration responses to elevated atmospheric CO2from four forest FACE experiments. Global Change Biology, 2004, 10(6):1027-1042.

[28] Parsons A N, Barrett J E, Wall D H, Virginia R A. Soil carbon dioxide flux in Antarctic dry valley ecosystems. Ecosystems, 2004, 7(3):286-295.

[29] 方精云, 王娓. 作為地下過程的土壤呼吸:我們理解了多少?. 植物生態(tài)學報, 2007, 31(3):345-347.

[30] Jones H G. The ecology of snow-covered systems:a brief overview of nutrient cycling and life in the cold. Hydrological Processes, 1999, 13(14-15):2135-2147.

[31] Monson R K, Lipson D L, Burns S P, Turnipseed A A, Delany A C, Williams M W, Schmidt S K. Winter forest soil respiration controlled by climate and microbial community composition. Nature, 2006, 439(7077):711-714.

[32] Mast M A, Wickland K P, Striegl R T, Clow D W. Winter fluxes of CO2and CH4from subalpine soils in Rocky Mountain National Park, Colorado. Global Biogeochemical Cycles, 1998, 12(4):607-620.

[33] Hubbard R M, Ryan M G, Elder K, Rhoades C C. Seasonal patterns in soil surface CO2flux under snow cover in 50 and 300 year old subalpine forests. Biogeochemistry, 2005, 73(1):93-107.

[34] Suzuki S, Ishizuka S, Kitamura K, Yamanoi K, Nakai Y. Continuous estimation of winter carbon dioxide efflux from the snow surface in a deciduous broadleaf forest. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 2006, 111(D17), doi:10.1029/2005JD006595.

[35] Nobrega S, Grogan P. Deeper snow enhances winter respiration from both plant-associated and bulk soil carbon pools in birch hummock tundra. Ecosystems, 2007, 10(3):419-431.

[36] Wang W, Peng S S, Wang T, Fang J Y. Winter soil CO2efflux and its contribution to annual soil respiration in different ecosystems of a forest-steppe ecotone, north China. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(3):451-458.

[37] 黃湘, 李衛(wèi)紅, 陳亞寧, 馬建新. 塔里木河下游荒漠河岸林群落土壤呼吸及其影響因子. 生態(tài)學報, 2007, 27(5):1951-1959.

[38] Osozawa S, Hasegawa S. Diel and seasonal changes in carbon dioxide concentration and flux in an Andisol. Soil Science, 1995, 160(2):117-124.

[39] Su Y G, Wu L, Zhou Z B, Liu Y B, Zhang Y M. Carbon flux in deserts depends on soil cover type:A case study in the Gurbantunggute desert, North China. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 58:332-340.

[40] 周洪華, 李衛(wèi)紅, 楊余輝, 曹志超, 李稚. 干旱區(qū)不同土地利用方式下土壤呼吸日變化差異及影響因素. 地理科學, 2011, 31(2):190-196.

[41] van′t Hoff J H. études de dynamique chimique. Amsterdam:Frederik Muller and Co., 1884.

[42] Wiant H V. Influence of temperature on the rate of soil respiration. Journal of Forestry, 1967, 65(7):489-490.

[43] Kucera C L, Kirkham D R. Soil respiration studies in tallgrass prairie in Missouri. Ecology, 1971, 52(5):912-915.

[44] Grace J, Rayment M. Respiration in the balance. Nature, 2000, 404(6780):819-820.

[45] Buchmann N. Biotic and abiotic factors controlling soil respiration rates inPiceaabiesstands. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(11-12):1625-1635.

[46] Reth S, Reichstein M, Falge E. The effect of soil water content, soil temperature, soil pH-value and the root mass on soil CO2efflux-A modified model. Plant and Soil, 2005, 268(1):21-23.

Environmental factors driving winter soil respiration in the hinterland of the Taklimakan Desert, China

LIU Yuehui1,2,3, ALI Mamtimin2,3,4,*, YANG Fan2,3, YANG Xinghua2,3, HE Qing2,3

1CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Urumqi830002,China3TaklimakanDesertAtmosphereandEnvironmentStation,Tazhong841000,China4CollegeofAppliedMeteorology,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China

In order to analyze the environmental drivers of soil respiration in an extreme arid desert ecosystem, we measured diurnal variation in winter soil respiration at Tazhong, a hinterland of Taklimakan Desert in northwest China. Regression analysis was performed with SPSS 21.0. We observed that:(1) Diurnal variation in winter soil respiration showed a single peak at 12:00 noon (local time), after which soil respiration began to decrease, reaching a minimum value at around 4:00 a.m. (2) Soil respiration and the air temperature at each height tested (0.5 m, 2 m) were significantly and positively correlated. Air temperature at 2 m was able to explain 67.8% of the diurnal variation in soil respiration. (3) Soil temperature at 0 cm, modeled by linear equations, was able to explain 86.3% of the diurnal variation in soil respiration, demonstrating that this process is more sensitive to temperature at 0 cm than at any other soil layer (10 cm, 20 cm, 40 cm). (4) Soil respiration exhibited a positive linear correlation with soil moisture at a depth of 5 cm. When linear regression analysis was used to model the relationship between these variables, the fitted linear model explained 69.5% of the diurnal variation in soil respiration, demonstrating that, in the extreme arid desert ecosystem, this shallow layer of moisture exerts a large effect on soil respiration. (5) The greatest contributors to soil respiration were soil temperature at a depth of 0 cm, followed by soil moisture at 5 cm. (6) Multiple regression analyses showed that a multi-variable model of temperature and soil moisture explains 86.9% of the diurnal variation in soil respiration, which is not significantly better than a single-variable model. (7) For winter soil respiration, the daily average rate of CO2absorption was -1.45mg CO2m-2h-1.

Taklimakan desert; soil respiration; temperature; soil moisture

國家自然科學基金(41175140); 公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201306066)

2014-04-22; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版日期:

日期:2014-12-18

10.5846/stxb201404220795

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ali@idm.cn

劉躍輝, 艾力·買買提依明, 楊帆, 楊興華, 何清.塔克拉瑪干沙漠腹地冬季土壤呼吸及其驅動因子.生態(tài)學報,2015,35(20):6711-6719.

Liu Y H, Ali Mamtimin, Yang F, Yang X H, He Q.Environmental factors driving winter soil respiration in the hinterland of the Taklimakan Desert, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6711-6719.