草地土壤呼吸速率影響因素研究現(xiàn)狀

段少榮 于美佳 盛基峰 李垚 韓艷英 葉彥輝

(西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院/西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室，西藏 林芝 860000)

一般來說，林地與草地生態(tài)系統(tǒng)在土壤呼吸速率方面需要結(jié)合植物生長季內(nèi)的明顯單峰曲線型日變化、月變化進(jìn)行分析。在夏季其林地土壤呼吸速率最大值將達(dá)到2.43μmol·m-2·s-1，其中，草地土壤生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率明顯高于林地土壤，全天候呼出CO2，植物生長季內(nèi)林地和草地土壤呼吸速率都與土壤溫度變化趨勢相似，且二者具有顯著的正相關(guān)性關(guān)系，土壤含水量也會有所變化。

1 草地土壤呼吸速率的相關(guān)問題概述

草地土壤擁有多孔隙介質(zhì)，其所儲存的氣體成分包括CO2、O2、N2O等，在土壤吸附大量氣體分子的過程中，土壤氣體成分有所變化，形成了生物化學(xué)反應(yīng)，并保證土壤氣體在土壤中有效擴散。在土壤陸地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)中，其有機碳總體儲量達(dá)到最高2000Pg，每年通過土壤呼吸向大氣中直接釋放CO2約占到生物圈排放總量的20%～38%。在精確測定土壤呼吸速率過程中，需要開展不同區(qū)域、不同土壤呼吸程度的優(yōu)化土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)機制，建立能量轉(zhuǎn)化分析機制，滿足全球陸地生態(tài)碳循環(huán)系統(tǒng)，結(jié)合全球氣候變化潛在效應(yīng)優(yōu)化科學(xué)依據(jù)，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析機制。

在國內(nèi)，各個自然保護(hù)區(qū)都具有自身完整的林分布區(qū)，建立重要生態(tài)屏障，結(jié)合原始植物生態(tài)系統(tǒng)建立完整垂直帶譜，配合陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化相應(yīng)問題進(jìn)行分析，建立理想實驗研究區(qū)域，構(gòu)建一套完整的森林生態(tài)系統(tǒng)主體。在對自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)研究過程中，也需要分析林分物種多樣性，形成有效群落格局。在深入研究森林生態(tài)與草地生態(tài)系統(tǒng)過程中，應(yīng)該優(yōu)化系統(tǒng)與大氣之間的相互作用，為構(gòu)建陸地、大氣相互作用系統(tǒng)奠定良好基礎(chǔ)[1]。

2 B自然保護(hù)區(qū)草地土壤呼吸速率實驗研究方法

2.1 B自然保護(hù)區(qū)研究基本概況

B自然保護(hù)區(qū)位于我國西北部，土地總面積為21.98萬hm2，林區(qū)整體氣候寒冷濕潤，冬季漫長寒冷，年平均氣溫為-0.2℃，氣溫在0℃以下的時間長達(dá)5～7個月，土壤凍結(jié)深度達(dá)到2～3m。該區(qū)域具有特殊的自然景觀與植被類型，在氣候、土壤、生物分布方面具有明顯垂直帶譜，且完好保存了泰加林類型，林分密度達(dá)到1440株·hm-2。

2.2 B自然保護(hù)區(qū)草地土壤呼吸速率實驗研究方法

B自然保護(hù)區(qū)針對草地土壤采取了呼吸率實驗研究方法，結(jié)合土壤呼吸日動態(tài)測定開路式8通道土壤通量測量系統(tǒng)，其中，采用2個呼吸氣室對林地、草地土壤呼吸速率日動態(tài)進(jìn)行全天候連續(xù)自動監(jiān)測分析，每日進(jìn)行24時次。利用測量室內(nèi)CO2濃度變化來推算室內(nèi)所覆蓋樣地的土壤CO2釋放與吸收速率。為有效保證推算結(jié)果正確，保證測量室內(nèi)外濃度梯度管理到位，同時對氣壓、土壤溫濕度數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分析，有效觀測實驗過程中從每年5—9月展開草地土壤呼吸速率實驗研究[2]。

就實驗研究方法而言，主要選擇2個相對平坦的典型樣地地塊(面積為5m×5m)，專門對不被植被土壤表面設(shè)立全天連續(xù)自動監(jiān)測氣室。自動監(jiān)測氣室要設(shè)置于山地草地之上，同時選擇自然植被——早熟禾等建立土壤集中分布格局。將其它氣室設(shè)置于林地內(nèi)，選擇多種優(yōu)勢樹種如西伯利亞落葉松、云杉、冷杉等建立優(yōu)勢樹種森林生態(tài)系統(tǒng)，優(yōu)化集中分布土地研究對象。為有效規(guī)避測定時基座嵌入不同，需要對其土壤擾動所造成的短期內(nèi)土壤呼吸速率波動問題進(jìn)行分析，保證提前2d分析土壤呼吸速率波動，優(yōu)化橫截面積達(dá)到400cm2以上，同時將高度控制在10cm左右，有效測定基座，保證嵌入2個觀測樣地，結(jié)合實施過程分析測定基座。對于減少土壤環(huán)對于土壤的鎮(zhèn)壓作用非常有效。在充分考慮到凋落物厚度與表層根系分布內(nèi)容時，需要插入土壤測定基座深度約為6.0cm左右，對減少測定基座對植被根系的破壞是非常到位的。即要保持土壤環(huán)能夠在整個測定期間始終保持位置不變。在完整等待48h平衡以后，需要保證土壤呼吸速率，建立土壤呼吸氣室，同時安裝多個測定基座?？紤]到B自然保護(hù)區(qū)的土壤呼吸作用相對較弱，降水較多，為保證測量精度分析測量前分析器的全面校正過程，同時設(shè)置呼吸氣室抽取氣體，保證其氣體抽取穩(wěn)定時間控制在45～50s范圍內(nèi)。在整點展開輪流測定山地草地，優(yōu)化林地土壤呼吸過程中，需要測定土壤呼吸過程，配合儀器自帶土壤溫度對含水量傳感器、山地草地與林地的土層土壤(0～5cm)平均溫度、含水量傳感器進(jìn)行分析，保證測量后抽氣時間控制為30s，保證土壤呼吸2次平均值分析機制。測定土壤呼吸的同時優(yōu)化儀器自帶土壤溫度、含水量等，進(jìn)行同步測定。

在數(shù)據(jù)處理過程中，B自然保護(hù)區(qū)主要結(jié)合實驗數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計分析繪圖，對植被土壤呼吸、土壤溫度以及土壤含水量的相關(guān)回歸展開分析。結(jié)合未擾動土壤中所產(chǎn)生的CO2代謝作用分析植物根系呼吸機制，建立非生物學(xué)過程。保證生物學(xué)角度分析建立主導(dǎo)環(huán)境因子，結(jié)合土壤有機質(zhì)含量進(jìn)行分析，了解其中的pH、溫度、水分、有效養(yǎng)分含量變化，其對土壤呼吸作用強度方面的影響相對較大，也會對土壤呼吸作用強度變化產(chǎn)生一定影響，客觀反映相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容。在影響根系呼吸諸多因子過程中優(yōu)化土壤質(zhì)地、風(fēng)速環(huán)境因子，改變土壤CO2排放速度[3]。

2.3 B自然保護(hù)區(qū)草地土壤呼吸速率影響因素分析

B自然保護(hù)區(qū)的草地土壤呼吸速率在某種程度上產(chǎn)生了諸多影響因素，具體表現(xiàn)為以下幾點。

2.3.1 對不同植被類型土壤呼吸速率日變化的影響

在針對不同植被類型土壤呼吸速率日變化的影響進(jìn)行分析時，應(yīng)結(jié)合相同坡向、坡度、不同植被類型展開分析。在每年5—8月土壤呼吸速率日變化觀測數(shù)據(jù)分析過程中，了解草地與林地土壤呼吸速率日變化曲線，得出變化曲線分析趨勢，整體來看，其表現(xiàn)為單峰曲線。在植被類型土壤呼吸速率曲線波峰分析過程中，應(yīng)該將分析時間段控制在每日17∶00—18∶00，而波谷時間范圍則控制在09∶00—10∶00。在日變化分析過程中，需要結(jié)合區(qū)域地理位置影響分析土壤呼吸速率變化，了解林地差異問題。在土壤呼吸速率日變化過程中需要了解B自然保護(hù)區(qū)中人工林土壤表面CO2排放通量，分析晝夜變化呈單峰狀態(tài)，將其土壤表面CO2排放通量最大值時間控制在每日19∶00—22∶00，能夠?qū)Σ煌中屯寥篮粑鼤r空變異情況與研究結(jié)果進(jìn)行分析。

就B自然保護(hù)區(qū)5—8月不同月份土壤的呼吸速率日平均值來看，其草地土壤呼吸速率從大到小依次為7月>8月>5月>6月，林地從大到小依次為7月>8月>6月>5月。整個觀測時間林地土壤呼吸速率日平均值最小值大于草地土壤呼吸速率日平均最大值，保證配對樣本T檢驗到位，發(fā)現(xiàn)觀測值中所存在的明顯差異，顯示P<0.01?？紤]到林地內(nèi)存在長期落葉使得林地土壤有機質(zhì)含量明顯高于草地，所以林地土壤呼吸速率也明顯高于草地土壤，林地土壤呼吸速率值顯著提升?？傮w來看，B自然保護(hù)區(qū)7月的氣溫明顯高于其它3個月，這就造成了上述影響結(jié)果[4]。

2.3.2 對不同植被類型土壤溫度日變化的影響

針對不同植被類型對土壤溫度日變化影響內(nèi)容進(jìn)行分析，通過溫度調(diào)節(jié)控制生態(tài)學(xué)過程中的諸多關(guān)鍵因素，結(jié)合影響土壤呼吸的決定性因子內(nèi)容。在定點測量過程中，B自然保護(hù)區(qū)的溫度條件在一定程度上影響了總土壤呼吸速率，形成諸多主要影響因子，但這些因子并非唯一控制因子，主要通過對土壤微生物的有效代謝，保證植物根系生長影響過程有效調(diào)控土壤呼吸作用。在研究過程中，需要結(jié)合土壤中CO2釋放過程來分析日變化趨勢與土壤溫度變化趨勢，了解二者之間相互一致性。結(jié)合同一坡度、坡向分析草地與林地在5—8月0～5cm土層土壤中平均溫度，分析晝夜變化曲線形成總體單峰曲線線型。一般來說，其波峰呈現(xiàn)出18∶00左右的波谷分析機制，優(yōu)化調(diào)整草地、林地在0～5cm土層平均溫度背景下土壤的呼吸速率變化，確保變化曲線相互接近，了解二者之間所存在的顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。在R2值分析過程中要調(diào)整到最大值，這就綜合說明了土壤CO2在釋放的晝夜變化趨勢背景下其土壤溫度變化趨勢也具有較高一致性。在發(fā)現(xiàn)土壤溫度較好解釋農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)過程中，要了解二者之間的土壤呼吸差異，分析B自然保護(hù)區(qū)土壤呼吸速率的影響，了解其動態(tài)峰值控制在7月，結(jié)合耕作措施有效改變土壤溫度，對旱作農(nóng)田中的CO2排放影響作用進(jìn)行分析，了解其中所存在的矛盾問題。就草地0～5cm土層土壤溫度分析來看，其土壤呼吸速率日呈現(xiàn)出巨大變化趨勢，結(jié)合日后隨土壤溫度快速上升問題來分析土壤溫度變化，結(jié)合最大值同一時段問題進(jìn)行分析。在分析B自然保護(hù)區(qū)土壤溫度與植被類型土壤溫度變化過程中，應(yīng)該了解到其二者指標(biāo)之間是呈現(xiàn)顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系的，需要結(jié)合研究結(jié)果一致性展開分析，結(jié)合二者指數(shù)模型與分析林地土壤呼吸速率日動態(tài)變化機制，了解在0～5cm表層中土壤溫度的晝夜波動趨勢變化，并分析相應(yīng)吻合機制。在分析二者顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)過程中，需要對B自然保護(hù)區(qū)的林地下墊面0～5cm表層土壤溫度進(jìn)行調(diào)溫效果分析，了解線性和指數(shù)模型，建立二者之間有效相關(guān)關(guān)系。

2.3.3 對不同植被類型土壤含水量日變化的影響

在分析土壤水分過程中，需要了解植被生長、根系分布、微生物活性內(nèi)容，建立土壤呼吸密切相關(guān)生物因子分析機制，優(yōu)化其控制作用。在基于不同生態(tài)系統(tǒng)土壤水分與呼吸之間分析正相關(guān)關(guān)系過程中，應(yīng)該確保呼吸間存在正相關(guān)與負(fù)相關(guān)甚至是不相關(guān)關(guān)系。同時土壤濕度對土壤呼吸解釋率較土壤溫度高，分析B自然保護(hù)區(qū)土壤呼吸作用與土壤濕度相關(guān)性不大，了解降雨量過大所造成的土壤孔隙度變小情況，如此也能影響土壤呼吸作用活躍度。要結(jié)合林地土壤平均含水量展開分析并排序，含水量從大到小依次為5月>6月>8月>7月，其與草地土壤表面5月上旬積雪全部融化有關(guān)。草地、林地土壤含水量與呼吸速率也存在相關(guān)性不明顯問題[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，在深入分析自然保護(hù)區(qū)林地草地土壤呼吸速率差異性變化，了解其影響因素過程中需要結(jié)合具體案例展開具體分析?；诓煌脖活愋蛯ν寥老嗤脖簧L季進(jìn)行分析，結(jié)合土壤呼吸速率之間所存在差異進(jìn)行分析，深入研究林地土壤呼吸速率，將其最大值控制在2.45μmol·m-2·s-1，結(jié)合林地土壤呼吸速率分析其顯著高于草地土壤呼吸速率的最大值。應(yīng)結(jié)合B自然保護(hù)區(qū)草地與林地2種植被土壤CO2釋放過程分析日變化趨勢，形成0～5cm土壤土層平均溫度變化，了解溫度變化趨勢，了解二者之間的顯著相關(guān)性關(guān)系，形成單峰拋物線型，保證其峰值控制在18∶00—22∶00范圍內(nèi)，其月動態(tài)峰值大約控制在6—7月。在研究B自然保護(hù)區(qū)草地與林地土壤溫度與土壤含水量變化過程中需要結(jié)合土壤含水量變化趨勢展開分析，結(jié)合植被生長季變化趨勢大體與土壤溫度相似值進(jìn)行分析，對土壤含水量類似趨勢進(jìn)行分析。結(jié)合相關(guān)分析機制發(fā)現(xiàn)，還需要對草地、林地土壤的含水量與土壤呼吸速率進(jìn)行分析，研究2大指標(biāo)間的相關(guān)性，結(jié)果為2大指標(biāo)間的相關(guān)性并不明顯。