松嫩平原西部盐碱化生态系统土壤呼吸特征及土壤CO2无机通量研究

来源 :中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:w4444w4444
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土壤呼吸是土壤中有机碳的主要排放过程,是影响土壤碳库和大气碳库动态变化的重要因素,每年因土壤呼吸而排放的碳为50-75P g,其轻微的变动将会导致空气中CO2浓度的明显改变。干旱、半干旱区的生态系统占全球陆地面积的1/3,其土壤无机碳库是仅次于海洋和土壤有机碳库的第三大碳库,在全球碳循环过程中的作用不容忽视。相对较低的土壤有机碳含量,使该区域土壤CO2通量对气候变化最为敏感。松嫩平原西部是世界三大盐碱化土壤分布区之一,也是我国重要的草甸草原。本研究以中国科学院大安碱地生态试验站为研究平台,以碱斑地、碱蓬、虎尾草、碱茅、羊草、芦苇群落为研究对象,通过野外原位监测和室内模拟控制实验,研究了植物生长季内该盐碱化生态系统土壤呼吸作用的时空动态及其影响因子;还初步探索了盐碱化土壤CO2无机通量影响因子及其机理。主要研究结果如下:(1)盐碱化生态系统中碱斑地和5种植物群落覆盖下土壤呼吸作用具有明显的日动态和季节动态。土壤呼吸的日动态表现为明显的单峰曲线,峰值出现在11:00-15:00,谷值出现在21:00-1:00或者黎明前。生长季内,碱斑地和碱蓬群落在夜晚经常出现CO2负通量现象。5种植物群落的季节动态与土壤温度的变化趋势一致。从5月初开始,土壤温度逐渐升高,5种植物群落的土壤呼吸速率随之增加(0.05-2.51μmol m-2s-1);在7月土壤温度较高时,5种群落土壤呼吸速率达到高峰(1.0-5.09μmol m-2s-1);8月后期随着气温的下降,土壤呼吸速率也迅速减小;到10月,土壤呼吸作用日均值达到最小值(0.02-1.51μmol m-2s-1)。碱斑地的土壤呼吸季节动态并没有明显的变化规律,其土壤CO2通量最小值(-0.1μmolm-2s-1)出现在9月,最大值(0.95μmol m-2s-1)出现在7月。(2)影响6种样地土壤呼吸作用时间变异的最主要温度因子为近地表空气温度,其次是土壤10cm温度。该两层土壤温度可以解释土壤呼吸速率季节变化的32%-85%。土壤呼吸温度敏感性Q10值具有明显的季节变化特征,虎尾草、碱茅、羊草和芦苇群落土壤呼吸Q10值春季为2.47-4.03(5月),在夏季降至最低值1.81-2.90(8月),之后逐渐上升至最高值3.45-4.54(10月)。温度是影响土壤呼吸温度敏感性时间变异的主要因素。6种样地类型之间的土壤呼吸温度敏感性Q10值也存在显著差异,碱斑地、碱蓬群落和虎尾草群落的Q10值显著高于其它3个群落,6种样地间土壤呼吸温度敏感性的空间变异为42.60%。(3)在不同的降雨年份,土壤含水量对土壤呼吸作用的影响不同。2011年研究区域降雨量较少,土壤含水量较低,土壤含水量增加对土壤呼吸具有促进作用;在降雨量较多的2012年,较高的土壤含水量对土壤呼吸产生抑制作用。盐碱化生态系统6种样地类型土壤呼吸最适宜含水量为22%-30%,接近于其田间持水量。土壤温度和土壤含水量对土壤呼吸作用的影响具有交互作用(p<0.01);然而,综合土壤温度与土壤水分的双因子方程(R2=0.34-0.81)没有显著的增强环境因子对土壤呼吸的模拟效果。(4)在生长季内,碱斑地、碱蓬、虎尾草、碱茅、羊草及芦苇群落的累积CO2-C排放量分别为16.65±0.61、74.7±9.8、265.68±11.5、272.3±2.3、432.1±11.18和498.4±10.87g C m-2,平均值为255.97±74.85g C m-2。6种样地间土壤累积CO2碳排放量的空间变异系数为73.02%。土壤碳累积排放量与植被地上生物量、土壤有机碳、平均土壤温度显著正相关,与平均土壤水分、pH、土壤电导率及交换性钠百分比成负相关关系。土壤的微气候、植被的地上生物量及土壤性质的差异是其土壤碳排放空间变异的主要影响因素。植被的地上生物量是预测该生态系统土壤CO2-C通量的最佳因子。(5)在灭菌条件下,碱斑地、虎尾草、碱茅和羊草样地的土壤均表现出CO2负通量现象,该现象为无机的、非生物过程,为盐碱土的无机CO2通量。盐碱土壤CO2无机通量与土壤温度和土壤湿度负相关,与土壤的EC、pH正相关。土壤溶液中可溶性无机碳库大小的变化引起的CO2在盐碱土壤中溢出和溶解过程可能是盐碱土存在CO2无机通量的原因。研究结果为全球陆地生态系统碳循环提供了松嫩平原西部盐碱化生态系统碳通量的基础数据,同时为全球“碳失汇”现象提供新的线索和依据。
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