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    黃土丘陵區(qū)不同土地利用類(lèi)型土壤呼吸及其與溫度和水分的關(guān)系

    2018-03-29 03:07:38賈志清董彥麗陳天林
    水土保持通報(bào) 2018年1期
    關(guān)鍵詞:沙打旺土壤溫度紅豆

    馬 濤, 賈志清, 周 波, 張 峰, 董彥麗, 陳天林

    (1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京 100091; 2.甘肅省水土保持科學(xué)研究所,甘肅 蘭州 730020; 3.西安理工大學(xué), 陜西 西安 710048; 4.甘肅省水利廳水土保持局, 甘肅 蘭州 730000)

    陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳平衡和碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用。一方面,植被通過(guò)光合作用吸收大量的碳進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng);另一方面,土壤中的碳通過(guò)呼吸作用又以CO2的形式釋放到大氣中。這兩條途徑是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。土壤呼吸作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的第二大通量,是導(dǎo)致全球氣候變化的關(guān)鍵性生態(tài)學(xué)過(guò)程[1]。每年因土壤呼吸產(chǎn)生的CO2約占大氣中CO2總量的10%[2]。因此,土壤呼吸速率的微小變化都可能引起大氣中CO2濃度的明顯改變。在研究全球尺度的碳收支平衡時(shí),土壤CO2的釋放特征引起了人們極大關(guān)注。中國(guó)“十三五”規(guī)劃提出推動(dòng)低碳循環(huán)發(fā)展,主動(dòng)控制碳排放,牢固樹(shù)立綠色的生產(chǎn)方式和生活方式,使低碳水平上升,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善。鑒于此,對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究將是今后生態(tài)學(xué)研究的重要命題。

    黃土丘陵溝壑區(qū)屬典型的生態(tài)脆弱區(qū),特有的地形地貌、土壤和氣候條件使該區(qū)水土流失問(wèn)題突出,嚴(yán)重制約了區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來(lái),開(kāi)展的以退耕還林(草)為主的植被恢復(fù)工程遏制了當(dāng)?shù)貒?yán)重的水土流失,也改變了生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)。目前,在該區(qū)開(kāi)展的土壤呼吸研究多以森林[3-5]和農(nóng)田[6]生態(tài)系統(tǒng)為主,也有對(duì)坡面侵蝕程度[7]和坡位[8-9]土壤呼吸研究的報(bào)道,對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)而言主要以探尋退耕后植被恢復(fù)、演替過(guò)程中土壤呼吸變化規(guī)律[10-11]為主,對(duì)單一牧草(苜蓿)不同刈割時(shí)間處理下的土壤呼吸差異研究[12]也見(jiàn)有報(bào)道。

    本研究擬選取蘭州市小青山水土保持科技示范園5種土地利用類(lèi)型,分析土壤呼吸日、季變化特征及其與溫度、水分的關(guān)系,以期為揭示本區(qū)域不同立地類(lèi)型C循環(huán)特征奠定基礎(chǔ),為當(dāng)?shù)赝恋乩门c管理提供科學(xué)依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況

    蘭州市小青山水土保持科技示范園位于甘肅省蘭州市,地理位置103°56′37″E,36°01′40″N,屬黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū),地貌類(lèi)型以梁狀黃土丘陵為主,地勢(shì)西南高,東北低,海拔1 544.5~1 847.5 m。研究區(qū)屬北溫帶半干旱大陸性氣候,年均降水量329.7 mm,蒸發(fā)量1 377.2 mm,年平均氣溫6.6 ℃,平均風(fēng)速0.9 m/s,最大凍土深103.0 cm;土壤類(lèi)型以灰鈣土為主,有機(jī)質(zhì)含量0.5%~1.5%,pH值為8~9,土壤容重1.1~1.4;植被屬半干旱草原植被類(lèi)型,天然植被稀疏,以人工植被為主,主要樹(shù)種有松、柏、槐、柳、云杉、月季、牡丹、榆葉梅、紫葉李、連翹等;草種有早熟禾、黑麥草等。

    2 材料與方法

    選取科技示范園標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)紅豆草、苜蓿、撂荒地,梯田苜蓿、沙打旺共5個(gè)樣地,徑流小區(qū)和梯田修建于2011年,徑流小區(qū)坡度35°。每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)測(cè)量環(huán)作為重復(fù),徑流小區(qū)樣地測(cè)量環(huán)按S型布置,梯田測(cè)量環(huán)隨機(jī)布置,進(jìn)行土壤呼吸速率測(cè)定。將PVC土壤測(cè)量環(huán)(內(nèi)徑20 cm)于測(cè)定前1 d打入土中6—8 cm,出露地表5—6 cm,將測(cè)量環(huán)內(nèi)植被自土壤表層剪除干凈,盡量做到不破壞地表原狀土。測(cè)定時(shí)每個(gè)測(cè)量環(huán)分別測(cè)量2次,取平均值計(jì)為測(cè)量時(shí)間點(diǎn)該環(huán)的土壤呼吸速率值,3個(gè)測(cè)量環(huán)測(cè)量結(jié)果的平均值記為測(cè)量時(shí)間點(diǎn)測(cè)量樣地的土壤呼吸速率。每個(gè)測(cè)定周期24 h,9∶00開(kāi)始,次日7∶00結(jié)束。具體為:9∶00—17∶00每2 h測(cè)定1次,17∶00至次日7∶00每3 h測(cè)定1次,共計(jì)10次。季節(jié)變化測(cè)定為秋季(2014年11月)、冬季(2015年1月)、春季(2015年3月)、夏季(2015年7月)。

    2.1 土壤呼吸速率測(cè)定

    土壤呼吸速率采用LI-8100土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定,呼吸室為便攜式呼吸室8 100~103。測(cè)定土壤碳通量的同時(shí),用LI-8100自帶的溫度探針和土壤水分探頭同步測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)附近土壤溫度(5 cm)和土壤含水量,利用氣溫計(jì)同步觀測(cè)地表溫度。

    2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

    試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007整理分析并繪圖,采用SPSS 21.0完成相關(guān)性分析,檢驗(yàn)土壤碳通量與溫度、土壤含水量之間單因素和雙因素的擬合程度。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 土壤呼吸速率日變化

    各樣地土壤呼吸速率與溫度日變化見(jiàn)圖1。

    圖1 土壤呼吸速率與溫度日變化特征

    由圖1可知,春、夏、秋、冬4季各樣地土壤呼吸速率日變化規(guī)律基本一致,均表現(xiàn)為晝高夜低的單峰型曲線,與溫度的變化趨勢(shì)一致。自上午9∶00開(kāi)始,土壤呼吸速率逐漸增大,冬季在11∶00達(dá)到最大值,春、夏、秋3季在13∶00—15∶00達(dá)到最大值,之后土壤呼吸速率逐漸減小,次日5∶00—7∶00出現(xiàn)最小值??梢钥闯?,土壤呼吸速率在4季的日變化趨勢(shì)基本與溫度保持同步,僅在冬季呼吸速率最大值較溫度提前出現(xiàn)。相比地表溫度,土壤溫度(5 cm)變化平緩、穩(wěn)定。

    春季各樣地日均土壤呼吸速率大小排序?yàn)椋荷炒蛲?梯田)>苜蓿(梯田)>苜蓿>紅豆草>撂荒地,其值分別為1.77,1.76,1.56,1.28,0.56 μmol/(m2·s)。經(jīng)多重分析,沙打旺(梯田)與苜蓿(梯田)、紅豆草與苜蓿之間差異不顯著(p>0.05),其他地類(lèi)兩兩之間差異均顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅大小依次為撂荒地>苜蓿>紅豆草>苜蓿(梯田)>沙打旺(梯田),其值分別為99.78%,44.34%,40.98%,35.02%和25.40%。

    夏季日均土壤呼吸速率表現(xiàn)為沙打旺(梯田)最大,其值為5.34 μmol/(m2·s);撂荒地最小,其值為1.91 μmol/(m2·s)。多重分析比較可知,苜蓿(梯田)與苜蓿之間差異不顯著(p>0.05),其他地類(lèi)之間差異均顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅在55.30%~100.75%,表現(xiàn)為撂荒地最大,紅豆草最小。

    秋季各樣地日均土壤呼吸速率表現(xiàn)為:沙打旺(梯田)>苜蓿>紅豆草>苜蓿(梯田)>撂荒地,其值分別為1.38,0.87,0.83,0.51,0.36 μmol/(m2·s)。經(jīng)多重分析比較,苜蓿與紅豆草、撂荒地與苜蓿(梯田)之間差異不顯著(p>0.05),其他地類(lèi)之間差異顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅表現(xiàn)為撂荒地>苜蓿(梯田)>沙打旺(梯田)>苜蓿>紅豆草,其值分別為183.17%,132.13%,88.59%,81.17%和64.52%。

    冬季各樣地日均土壤呼吸速率在0.25~0.60 μmol/(m2·s)之間,沙打旺(梯田)最大,撂荒地最小。多重分析比較可知,沙打旺(梯田)與其他各地類(lèi)之間差異均顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅在96.36%~206.48%,其中:撂荒地最大,沙打旺(梯田)最小。

    3.2 土壤呼吸速率季節(jié)變化

    各樣地土壤呼吸速率均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征(圖2)。夏季土壤呼吸速率最高,春季和秋季次之,冬季最低。

    對(duì)比各季節(jié)土壤呼吸速率特征可知,夏季土壤呼吸速率晝夜變幅大,而春、秋、冬3季土壤呼吸速率表現(xiàn)穩(wěn)定。各樣地年均土壤呼吸速率表現(xiàn)為:沙打旺(梯田) 2.27 μmol/(m2·s)>紅豆草1.79 μmol/(m2·s)>苜蓿1.77 μmol/(m2·s)>苜蓿(梯田)1.62 μmol/(m2·s)>撂荒地0.77 μmol/(m2·s)。

    圖2 土壤呼吸速率季節(jié)變化特征

    通過(guò)對(duì)各樣地4季間多重分析比較可知(表1),沙打旺(梯田)除春、秋兩季間土壤呼吸速率差異不顯著(p>0.05)外,其他季節(jié)間差異均顯著(p<0.05);苜蓿(梯田)和苜蓿地除秋、冬兩季間土壤呼吸速率差異不顯著(p>0.05)外,其他季節(jié)間差異均顯著(p<0.05);紅豆草春、夏、秋、冬4季土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05);撂荒地夏季土壤呼吸速率與春、秋、冬3季土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)。

    表1 土壤呼吸速率方差分析 μmol/(m2·s)

    注:同行不同大寫(xiě)字母表示同一地類(lèi)不同季節(jié)土壤呼吸速率差異顯著;同列不同小寫(xiě)字母表示各季節(jié)不同地類(lèi)之間土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)。

    3.3 土壤呼吸速率與溫度、水分的關(guān)系

    3.3.1 土壤呼吸速率與溫度的關(guān)系 各樣地土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)均呈現(xiàn)較好的指數(shù)關(guān)系,由圖3—4可知,土壤呼吸速率與地表溫度的相關(guān)系數(shù)R2在0.741 1(紅豆草)~0.832 8(苜蓿)之間;土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)的R2范圍為0.687 0(撂荒地)~0.882 4(苜蓿(梯田))。除撂荒地外,各樣地土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)的相關(guān)度均高于其與地表溫度的相關(guān)度。相關(guān)分析可知,土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著(p<0.05)。

    Q10值表示土壤呼吸對(duì)溫度響應(yīng)的敏感程度,本研究采用土壤呼吸速率(y)與土壤溫度(5 cm)(Ts)之間的指數(shù)方程,利用公式Q10=e10×β1計(jì)算土壤呼吸Q10值,其中:β1是土壤呼吸速率的溫度指數(shù)曲線方程中y=β0eβ1 Ts的溫度反應(yīng)系數(shù),β0為0 ℃時(shí)的土壤呼吸速率。結(jié)果顯示,苜蓿(梯田)的Q10值最大(3.00),以下依次為紅豆草(2.18)、苜蓿(2.17)、撂荒地(2.02),沙打旺(梯田)的Q10值最小,為1.94。

    3.3.2 土壤呼吸速率與土壤水分的關(guān)系 將土壤呼吸速率與土壤體積含水量進(jìn)行線性方程擬合(圖5),結(jié)果顯示:土壤呼吸速率與土壤含水量之間的線性相關(guān)均不顯著(p>0.05),土壤含水量?jī)H可以解釋土壤呼吸速率變化的0.47%(苜蓿)~9.27%(撂荒地)。

    3.3.3 土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)、水分的關(guān)系 選擇土壤溫度(5 cm)和土壤含水量作為變量,對(duì)土壤呼吸速率做多元線性回歸分析(表2)。結(jié)果表明,各樣地土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)和土壤含水量的交互作用具有很好的相關(guān)性,均達(dá)到顯著水平(p<0.01)?;貧w模型可共同解釋土壤呼吸變異的63.60%~80.60%。

    圖3 土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系

    圖4 土壤呼吸速率與地表溫度的關(guān)系

    圖5 土壤呼吸速率與土壤含水量的關(guān)系

    土地類(lèi)型線性回歸方程R2P沙打旺(梯田)y=-0.109+0.147T+0.068W0.71700.00苜蓿(梯田)y=0.070+0.128T+0.017W0.80600.00苜蓿y=0.108+0.119T+0.023W0.68300.00紅豆草y=-0.374+0.123T+0.062W0.67400.00撂荒地y=-0.219+0.047T+0.038W0.63600.00

    注:T為溫度;W為土壤水分含量。

    4 討論與結(jié)論

    4.1 討 論

    本研究結(jié)果表明,各樣地土壤呼吸速率日變化均表現(xiàn)為晝高夜低的單峰型曲線,研究結(jié)果與陜西省安塞縣混播草地土壤呼吸日變化特征[13]一致。土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量和肥力性狀的重要生物學(xué)指標(biāo),4個(gè)季度中,沙打旺(梯田)日均土壤呼吸速率均最大,而撂荒地均最小。多重分析比較結(jié)果顯示,沙打旺(梯田)、撂荒地基本表現(xiàn)為與其他各地類(lèi)之間差異顯著(p<0.05),說(shuō)明裸露地表在恢復(fù)植被的過(guò)程中,土壤環(huán)境質(zhì)量顯著提升。各樣地中,改造成梯田的地類(lèi)日均土壤呼吸速率總體表現(xiàn)為大于徑流小區(qū)(坡地)的,可能與梯田的水熱條件好于坡地有關(guān),當(dāng)然,種植的植物種類(lèi)不同,表現(xiàn)亦存在差異。各樣地中,撂荒地的土壤呼吸速率日變幅最大,為99.78%~206.48%,主要由于地表植物可減少到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射,緩和了地表和土壤溫度的變化幅度,其土壤呼吸速率表現(xiàn)為相對(duì)平緩的趨勢(shì),而裸露地表缺少攔擋,環(huán)境能量直接到達(dá)地面,使得土壤呼吸速率變幅相對(duì)劇烈。

    土壤呼吸具有明顯的季節(jié)性變化。本研究結(jié)果顯示,各樣地土壤呼吸速率均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征,夏季最高,春季和秋季次之,冬季最低,與謝慧慧等[14]和齊麗彬等[15]的研究結(jié)果一致。夏季與春、秋、冬3個(gè)季節(jié)土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05),原因?yàn)橄募就寥浪疅釛l件優(yōu)越,土壤生物活性高,植物處于旺盛生長(zhǎng)階段,促使土壤以較快的速度排放CO2,而本文研究對(duì)象是生長(zhǎng)量相對(duì)較小的草類(lèi),因此其他3個(gè)季節(jié)之間差異較小。

    溫度是調(diào)節(jié)和控制許多生態(tài)學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵因素,同時(shí)也是影響土壤碳通量的決定性因子之一[16]。本研究結(jié)果顯示,土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(p<0.05),與土壤含水量之間線性相關(guān)不顯著(p>0.05),與許浩等[11]對(duì)寧夏彭陽(yáng)退耕苜蓿、農(nóng)田和天然草地的研究結(jié)果一致。本研究中,各樣地土壤溫度(5 cm)Q10值在1.94~3.00之間,與陳吉等[13]的研究結(jié)果基本相同,在陸地生態(tài)系統(tǒng)Q10值(1.3~5.6)[17]范圍內(nèi)。

    土壤溫度和水分不僅單獨(dú)對(duì)土壤呼吸起作用,通常在自然環(huán)境中,土壤呼吸往往受二者共同作用。本研究結(jié)果顯示,土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)和土壤含水量的交互作用顯著相關(guān)(p<0.01),與李學(xué)章等[18]和齊麗彬等[15]的研究結(jié)果一致。

    4.2 結(jié) 論

    (1) 各樣地土壤呼吸速率日變化均表現(xiàn)為晝高夜低的單峰型曲線,與溫度的變化趨勢(shì)一致。冬季在11∶00達(dá)到最大值,春、夏、秋3季在13∶00—15∶00達(dá)到最大值,5∶00—7∶00出現(xiàn)最小值。沙打旺(梯田)年均土壤呼吸速率最大2.27 μmol/(m2·s),是最小值撂荒地的2.95倍。

    (2) 各樣地土壤呼吸速率均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征,夏季最高,春季和秋季次之,冬季最低,夏季土壤呼吸速率為冬季的7.75~15.94倍。夏季與春、秋、冬3季土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)。

    (3) 土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(p<0.05)。除撂荒地外,各樣地土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)的相關(guān)度均高于其與地表溫度的相關(guān)度。各樣地土壤溫度(5 cm)Q10值介于1.94~3.00。

    (4) 土壤呼吸速率與土壤含水量之間線性相關(guān)不顯著(p>0.05)。其與土壤溫度(5 cm)和土壤含水量的交互作用顯著相關(guān)(p<0.01)?;貧w模型解釋土壤呼吸變異的63.60%~80.60%。

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