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随着社会各界对大气CO2浓度增加引起的全球气候变化日益关注,陆地生态系统与大气间CO2交换通量的研究越来越受到重视,陆地生态系统中的碳主要储存在土壤中,通过土壤呼吸的过程以CO2的形式排入大气。土地利用变化引起的陆地生态系统有机碳库的CO2排放一直被认为是影响大气CO2浓度变化的重要人类活动。全球估计,目前土地利用变化每年向大气中排放1.4 Pg C,约为化石燃料燃烧和水泥生产的CO2排放量(7.2 Pg C)的20%。研究土地利用变化引起的陆地生态系统碳循环变化是全球气候变化研究的重要内容。
在我国黄土高原地区,小麦田是一种主要的传统农田生态系统,但近30年来,由于经济发展和技术进步,苹果园的大范围推广,土地利用类型正在大规模的从农田向苹果园转变,形成了农田果园镶嵌的土地利用格局。这种土地利用变化在带来丰厚的经济收入的同时,也会对陆地生态系统碳循环,包括土壤呼吸产生一定的影响。研究这种影响将对评价土地利用变化的生态环境效应和制定陆地生态系统固碳措施提供科学依据。
本研究利用自行开发的多通道自动通量箱系统,对黄土高原两种主要的土地利用类型小麦田和苹果园的土壤呼吸进行了3年的连续原位监测,以期通过高频的土壤呼吸过程监测揭示土壤呼吸机理,评价黄土高原土地利用改变对土壤碳释放的影响,结果表明:
1、小麦田土壤呼吸在2005、2006、2007年分别为7633.86Kg C/ha、6862.68KgC/ha、7378.11Kg C/ha。苹果园土壤呼吸在2005,2006,2007年分别为4438.98Kg C/ha,4233.27 Kg C/ha,4339.21 Kg C/ha。小麦田平均比苹果园多释放38%～42%碳。
2、6～9份是小麦田和苹果园土壤呼吸释放的碳的量最多的时段。小麦田和苹果园土壤在6～9月分别释放出了全年碳的61～67%和51～58%。
3、小麦田土壤呼吸基于气温、10cm土壤温度和20cm土壤温度的Q10值分别是2.86、2.88、2.96;苹果园土壤呼吸基于气温、10cm土壤温度和20cm土壤温度的Q10值分别是1.78、2.01、2.10。小麦田土壤呼吸的温度敏感性比苹果园土壤呼吸的温度敏感性大41～61%。
4、相对于苹果园土壤,小麦田土壤呼吸对降雨更敏感。用土壤呼吸和降雨量之间的线性关系式的斜率表征土壤呼吸的降水敏感性,小麦田是苹果园1.96～3.21倍。
5、强降雨既能促进土壤呼吸,也能抑制土壤呼吸,取决于降雨前后的土壤水分状态。干旱和土壤水分相对亏缺时的强降雨总体上促进土壤呼吸。土壤呼吸在降雨结束后逐渐增强,约2～3d后逐渐达到高峰;土壤水分充足时的强降雨,整体上抑制土壤呼吸,降雨结束后土壤呼吸水平比降雨前低,并且在降雨过程中有明显的呼吸低谷。
6、在土壤干湿交替状况下,既能体现土壤呼吸随温度指数增加,又能反映土壤水分对土壤呼吸双向调节作用的E-Q模型比温度或水分的单因子模型更能恰当拟合土壤呼吸的温度湿度协同变化。
7、小麦田的耕作能够明显促进土壤呼吸。耕作后的平均土壤呼吸约是耕作前的2.49～2.90倍。同时,耕作明显提高了土壤呼吸的温度和湿度敏感性,耕作后温度敏感性能够增加了22～32%,土壤湿度敏感性是耕作前的2.14～3.59倍。
总之,苹果园土壤呼吸小于小麦田土壤,苹果园的温度敏感性、降水敏感性都比小麦田小,可以推论,农田到苹果园的土地利用变化有利于土壤有机碳的积累和稳定。