干旱年份沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)凈CO2通量年變化特征

牛亞毅，李玉強(qiáng)，王旭洋，龔相文，羅永清，田德宇

(1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

草地是全球主要自然群系中面積最大的一類，其中溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)占全球自然植被的32%[1]。近年來有關(guān)草地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)得到了快速的發(fā)展。很多研究發(fā)現(xiàn)草地是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的碳匯[2-8]，例如溫帶和熱帶草地每年吸收0.5 Pg碳[5]，青藏高原人工草地不同年際間凈固碳量的范圍為129～513 g·m-2·年-1[6]，內(nèi)蒙古羊草(Leymuschinensis)草地年CO2凈吸收量為126～195 g·m-2[8]。亦有研究表明草地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支趨于平衡[2,7]，例如美國(guó)德克薩斯州牧草草地的CO2凈吸收量為0[2]。也有研究發(fā)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)在年尺度上表現(xiàn)為碳源，例如溫帶半干旱草地和青海三江源退化草地的年CO2釋放量分別為482[9]和30 g·m-2[6]。世界天然草地生態(tài)系統(tǒng)中的80%處于中緯度干旱半干旱地區(qū)，往往受到水分條件的限制，相對(duì)于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)而言，其碳循環(huán)過程對(duì)降水(強(qiáng)度、次數(shù)和時(shí)間分布)變化的響應(yīng)更為敏感，它所表現(xiàn)的弱源或者弱匯特征在降水的擾動(dòng)下容易發(fā)生方向性的逆轉(zhuǎn)，從而使得碳的源/匯功能表現(xiàn)出極大的不確定性[10]，因此各研究區(qū)得出結(jié)論也不盡一致。

沙質(zhì)草地是我國(guó)北方干旱半干旱區(qū)重要的土地資源，近年來，由于氣候變化和人為干擾等因素的影響使得該區(qū)域土地沙漠化日趨嚴(yán)重[11]，造成植被與土壤碳的流失[12]；加之干旱半干旱地區(qū)降水條件的限制，可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?。?duì)沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量動(dòng)態(tài)和碳收支狀況的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和研究，有助于確定沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)的源/匯狀況，為區(qū)域尺度碳收支的核算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。本研究以地處我國(guó)北方半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶的科爾沁沙質(zhì)草地為研究對(duì)象，基于連續(xù)兩年的碳通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過認(rèn)識(shí)沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)凈CO2交換量(NEE)在不同時(shí)間尺度的變化特征及其對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)規(guī)律，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部科爾沁沙地的奈曼旗境內(nèi)，依托中國(guó)科學(xué)院奈曼沙漠化研究站(42°55′ N，120°42′ E，海拔345 m)開展試驗(yàn)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱氣候，年均溫6.4 ℃，≥10 ℃的年積溫為3000～3400 ℃；多年平均降水量360 mm左右[13]；無霜期151 d，年均潛在蒸發(fā)量1972.8 mm；年平均風(fēng)速為3.5 m·s-1，大風(fēng)日數(shù)20～60 d。地帶性土壤為沙質(zhì)栗鈣土，但在風(fēng)蝕作用下多已退化為風(fēng)沙土。

1.2 樣地類型

研究樣地為科爾沁典型的沙質(zhì)草地，地勢(shì)平坦，植被較為均一，2015和2016年生長(zhǎng)高峰期(8月)的植物生物量如表1所列(地下生物量采樣深度為30 cm)。表層0～20 cm平均土壤有機(jī)碳含量為1.27 g·kg-1，全氮含量為0.21 g·kg-1，pH值為7.42，電導(dǎo)率為16.04 μS·cm-1；土壤粗砂(0.10～2.00 mm)含量為92.76%，細(xì)砂(0.05～0.10 mm)含量為3.28%，粘粉粒(<0.05 mm)含量為3.96%。主要優(yōu)勢(shì)植物有狗尾草(Setariaviridis)、豬毛菜(Salsolacollina)和五星蒿(Bassiadasyphylla)等。

表1 2015和2016年生長(zhǎng)高峰期植物生物量Table 1 The plant biomass during peak growth periods in 2015 and 2016 (g·m-2)

1.3 生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)

對(duì)渦動(dòng)相關(guān)法觀測(cè)到的10 Hz原始湍流數(shù)據(jù)運(yùn)用Logger Net軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換(TOB1)，然后利用美國(guó)Li-cor公司研發(fā)的EddyPro軟件進(jìn)行系列校正計(jì)算，包括異常值和野點(diǎn)剔除、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)修正、頻率損失修正、超聲虛溫修正、空氣密度效應(yīng)修正等基本質(zhì)量控制，初步得到間隔為30 min的通量數(shù)據(jù)，然后依據(jù)下列原則進(jìn)一步剔除異常數(shù)據(jù)：1)剔除降水期間的數(shù)據(jù)；2)根據(jù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除異常突出數(shù)據(jù)，由原始時(shí)間序列x求相鄰點(diǎn)之差Δx的總體標(biāo)準(zhǔn)差(σΔx)，逐點(diǎn)檢查，如某點(diǎn)Δx≥3σΔx，則為野點(diǎn)值，若連續(xù)6點(diǎn)都符合以上判斷，則不做野點(diǎn)值處理；3)利用凈輻射(Rn)小于1 W·m-2判斷出夜間數(shù)據(jù)，對(duì)夜間數(shù)據(jù)，用一個(gè)給定的臨界閾值μc*加以檢驗(yàn)，當(dāng)μ*<μc*時(shí)，則剔除該通量數(shù)據(jù)，μc*一般的取值范圍為0.10～0.20 m·s-1，本研究取0.10 m·s-1。通過上述質(zhì)量控制后，對(duì)缺失的CO2通量數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)：對(duì)于缺失小于2 h的數(shù)據(jù)采用線性內(nèi)插法，缺失大于2 h的數(shù)據(jù)采用平均日變化法(夜間以7 d為周期，白天以14 d為周期)[15]，最后得到以30 min為間隔，連續(xù)的、質(zhì)量可靠的數(shù)據(jù)集。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，NEE與環(huán)境因子(空氣溫度、5 cm土壤溫度、5 cm土壤體積含水量)之間的關(guān)系用皮爾遜相關(guān)法進(jìn)行分析。采用Microsoft Excel 2010軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子變化

溫度和降水均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化(圖1a)。2015和2016年空氣溫度(Ta)日均值的變化范圍分別為-17.64～27.81 ℃和-26.02～30.29 ℃；最低月(1月)平均氣溫分別為-14.66和-10.02 ℃，最高月(7月)平均氣溫分別為23.23和24.15 ℃。年均溫2015年(7.80 ℃)稍高于2016年(7.25 ℃)。5 cm土壤溫度(Ts)日均值的變化范圍分別為-14.55～29.69 ℃和-18.07～31.36 ℃，1月的平均溫度分別為-8.86和-13.67 ℃，7月的平均溫度分別為26.56和27.49 ℃；Ts全年均值2015和2016年分別為9.51和9.39 ℃。

2015和2016年降水總量分別為212.3和277.2 mm(圖1b)，均明顯低于該地區(qū)歷史多年平均降水量(360 mm)；降水頻率2015年(70次)低于2016年(85次)；降水分配主要集中在植物生長(zhǎng)期5-9月(>80%)。5 cm土壤體積含水量(SWC)：2015年的最低值(1.66%)出現(xiàn)在1月，最高值(7.07%)出現(xiàn)在9月；2016年的最低值(1.73%)出現(xiàn)在12月，最高值(8.81%)出現(xiàn)在5月；年均值分別為3.37%和3.77%。

圖1 空氣溫度(Ta)、5 cm土壤溫度(Ts)、5 cm土壤體積含水量(SWC)和日降水量(PPT)的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variation of air temperature (Ta), soil temperature at 5 cm depth (Ts), soil water content at 5 cm depth (SWC) and precipitation (PPT) in sandy grassland ecosystem

2.2 沙質(zhì)草地NEE日變化

2015和2016年，沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)最大日均CO2吸收速率分別為-6.68(6月20日)和-9.58 g·m-2·d-1(7月14日)，最大日均CO2釋放速率分別為5.69(9月19日)和5.21 g·m-2·d-1(9月18日)，年日平均NEE分別為0.30和0.20 g·m-2·d-1(圖2)。

圖2 2015和2016年生態(tài)系統(tǒng)凈CO2交換量(NEE)逐日變化Fig.2 Variation of diurnal net ecosystem CO2 exchange (NEE) during 2015 and 2016

2.3 沙質(zhì)草地NEE月動(dòng)態(tài)

從不同年份逐月總量來看(圖3)，2015和2016年生長(zhǎng)季(5-9月)沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為凈碳吸收，吸收總量分別為120.54和139.83 g·m-2；最大月分別在6和7月，凈吸收量為74.96和103.58 g·m-2。非生長(zhǎng)季均表現(xiàn)為碳排放，排放總量分別為230.33和212.82 g·m-2；最大月均出現(xiàn)在9月，排放量分別為88.36和78.13 g·m-2。從年際尺度凈CO2通量來看，沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)兩年均表現(xiàn)為大氣CO2的源，2015年碳釋放量(109.79 g·m-2·年-1)高于2016年(72.99 g·m-2·年-1)。

圖3 2015和2016年生態(tài)系統(tǒng)凈CO2交換量(NEE)月變化Fig.3 Variation of monthly net ecosystem CO2 exchange (NEE) during 2015 and 2016

2.4 NEE與環(huán)境因子之間的關(guān)系

以生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季為周期，分年度對(duì)NEE與環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明NEE與環(huán)境因子(Ta、Ts和SWC)之間總體上存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(表2),除2015年非生長(zhǎng)季的Ta和2016年非生長(zhǎng)季的SWC與NEE之間的相關(guān)性不顯著外(P>0.05)，其余時(shí)段NEE與環(huán)境因子均表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明隨著溫度和濕度的增加，生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的能力增加。

表2 NEE與環(huán)境因子之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 2 The Pearson’s correlation coefficients between NEE and environment factors

注：**表示相關(guān)系數(shù)通過0.01顯著性檢驗(yàn)；*表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)。Ta：空氣溫度；Ts：5 cm土壤溫度; SWC：5 cm土壤體積含水量。

Note: **The correlation coefficient was tested by 0.01 significance test；*The correlation coefficient was tested by 0.05 significance test. Ta： Air temperature；Ts： Soil temperature at 5 cm depth; SWC： Soil water content at 5 cm depth.

3 討論

本研究中沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)2015和2016年碳吸收速率的日均最大值分別為6.68和9.58 g·m-2·d-1,與西藏當(dāng)雄草原化嵩草(Kobresiamyosuroides)草甸(7.43 g·m-2·d-1)[16]和蒙古國(guó)干旱草原(8.44 g·m-2·d-1)[17]相當(dāng)，稍低于三江源退化高寒草地(11.01 g·m-2·d-1)、三江源人工草地(10.64 g·m-2·d-1)[6]和海北高寒草甸(11.74 g·m-2·d-1)[18]，但遠(yuǎn)低于加拿大濕草地(18.35 g·m-2·d-1)[19]和美國(guó)的奧克拉馬高原草原(36.70 g·m-2·d-1)[20]。

在日尺度上，兩個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)均出現(xiàn)了NEE為正值(即碳排放)的情形(圖2)。對(duì)應(yīng)圖1b可知，NEE為正的日期均出現(xiàn)在降水發(fā)生后，生長(zhǎng)季發(fā)生于半干旱地區(qū)的陣發(fā)式降水能夠強(qiáng)烈地激發(fā)土壤中CO2的釋放量[21-23]，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)CO2的日排放量超過固定量，因而NEE表現(xiàn)為正值。而在非生長(zhǎng)季NEE出現(xiàn)負(fù)值(即碳吸收)的情形，其原因可能是冬季環(huán)境溫度低，土壤呼吸微弱，但是CO2在水中的溶解度隨溫度下降而升高，此時(shí)土壤孔隙中的CO2易被土壤水分吸收而積聚在凍土層中，大氣中的CO2濃度因高于土壤孔隙中的CO2濃度而向土壤擴(kuò)散[24]，表現(xiàn)為碳吸收。

本研究中沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)季凈碳吸收量(2015和2016年分別為120.54和139.83 g·m-2)低于以往類似的研究結(jié)果，例如內(nèi)蒙古錫林浩特羊草草原為183.50～249.56 g·m-2[25]、海北高寒灌叢為500.00～611.00 g·m-2[1]、北美大草原為279.00～345.00 g·m-2[18]。同樣，本研究中兩個(gè)非生長(zhǎng)季日平均CO2凈釋放速率(分別為1.62和1.47 g·m-2·d-1)相對(duì)較低，例如海北高寒灌叢為1.82～2.05 g·m-2·d-1[1]、美國(guó)堪薩斯州的高桿草大草原為3.00 g·m-2·d-1[7]。

生態(tài)系統(tǒng)碳通量受生物、非生物等諸多因子的影響，即使是同一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)不同年際間碳收支也存在很大的波動(dòng)。例如三江源退化高寒草甸在相鄰年際間分別表現(xiàn)為弱碳源和弱碳匯[6]；吉林通榆退化草原也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，該生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)碳釋放的年份降水異常偏少，日均凈碳交換速率較低且生長(zhǎng)季凈碳吸收過程較短[25]；內(nèi)蒙古典型草原在濕潤(rùn)年呈弱碳匯，而在干旱年迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚碵26]。水分的虧缺一方面會(huì)嚴(yán)重的抑制草地生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力；另一方面影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，在降水減少情況下，植物的光合速率和蒸騰速率會(huì)下降[6]，而且干旱可以導(dǎo)致植物生長(zhǎng)期縮短，從而引起系統(tǒng)向碳源方向轉(zhuǎn)變[20,27]。本研究中連續(xù)兩年的觀測(cè)表明在年際尺度上沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳源，其根本原因在于降水偏少，但要充分認(rèn)識(shí)該類型生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯功能特征變化對(duì)于降水的響應(yīng)規(guī)律及機(jī)制，需要更長(zhǎng)時(shí)間序列上的連續(xù)觀測(cè)。

4 結(jié)論

沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)日均碳通量變化幅度較小，2015和2016年最大CO2吸收速率分別為-6.68和-9.58 g·m-2·d-1，最大日CO2釋放速率分別為5.69和5.21 g·m-2·d-1。

沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)在相對(duì)干旱的年份表現(xiàn)為碳源，2015和2016年凈碳釋放量分別為109.79和72.99 g·m-2·年-1。

總體而言，NEE與空氣溫度、土壤溫度及土壤含水量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著環(huán)境溫度和水分的增加，生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的能力增強(qiáng)。

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