【摘要】：土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣圈釋放CO2的主要源，指示著土壤中異養(yǎng)微生物活性和土壤有機碳礦化速率，其時空變化直接影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。土壤呼吸涉及碳循環(huán)中復(fù)雜的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)過程，對環(huán)境變化程度響應(yīng)各異，至今還存在很多不確定因素。因此，揭示晝、夜間土壤呼吸的時空動態(tài)變化特征及其驅(qū)動機制有助于加深我們對土壤呼吸變化機理的了解，為準(zhǔn)確估算土壤碳排放以及碳循環(huán)機制對全球變化的響應(yīng)提供參考。目前，在亞熱帶亞高山地區(qū)森林和草甸土壤呼吸的研究工作相對欠缺，尤其是夜間土壤呼吸更為少見。為此，本研究選擇青藏高原東南緣的亞高山川滇高山櫟灌叢和草甸為研究對象，旨在為該區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供理論基礎(chǔ)。 川滇高山櫟灌叢群落是該類型中面積最大且分布于高海拔高山峽谷地帶的典型地帶性植被，具有重要的生態(tài)水文功能。亞高山草甸是高寒草甸的一種類型，也是川西地區(qū)的一種主要植被類型。本研究在川西巴郎山，沿海拔梯度(2551、3091和3549m)布設(shè)了土壤呼吸實驗樣地。于2010年9月至2011年12月用LI-8100A土壤碳通量自動測量系統(tǒng)測定了土壤呼吸速率及其環(huán)境因子，，并于2010年12月在相應(yīng)樣地土壤5cm深處布設(shè)一套土壤溫度和水分的自動記錄儀。同時在2010年11月、2011年4月、8月和11月采集土壤并分析土壤活性有機碳和氮素含量。旨在探明川滇高山櫟群落晝夜土壤呼吸的時空格局及其影響因素，結(jié)果表明： (1)巴郎山川滇高山櫟群落原始林地土壤異養(yǎng)(RH)和根呼吸(RR)速率均具有明顯季節(jié)變化趨勢。整個觀測期，晝、夜間RH的均值分別為1.57±1.06和1.13±0.96μmol m-2s-1，RR分別為0.60±0.61和0.47±0.41μmol m-2s-1；川滇高山櫟群落晝間RH和RR的年均累積量顯著高于夜間；土壤溫度、土壤含水量是晝間和夜間的RH和RR的主要限制因子。累積土壤總呼吸和RH與0~30cm土壤微生物生物量氮、易氧化有機碳和輕組有機碳顯著相關(guān)；RR與易氧化有機碳顯著相關(guān)，但與細(xì)根生物量(根徑0.5cm)相關(guān)性不顯著。 (2)觀測期內(nèi)各原始群落林地中，異養(yǎng)呼吸和土壤總呼吸的溫度敏感性(Q10)均表現(xiàn)為晝間溫度敏感性低于夜間。整個群落晝間異養(yǎng)呼吸和土壤總呼吸的Q10值分別為3.77±0.25(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)和4.51±0.41，夜間分別為4.96±0.45和5.28±0.79。 (3)不同海拔川滇高山櫟原始群落晝間土壤表面CO2通量總體趨勢與地下5cm處土壤溫度的季節(jié)變化一致，均出現(xiàn)晝高夜低現(xiàn)象，且生長季節(jié)顯著高于非生長季節(jié)；土壤溫度、土壤含水量及其交互作用是影響土壤表面CO2通量的主要環(huán)境因子，其構(gòu)建的模型解釋了川滇高山櫟群落晝、夜間土壤表面CO2通量變異的83.2%和96.6%；溫度敏感性指標(biāo)(Q10)的分析顯示，該區(qū)生長季節(jié)的Q10值明顯低于非生長季節(jié)，且夜間高于晝間。各海拔梯度川滇高山櫟群落全年的Q10值晝間為4.35~4.48，夜間為5.37~6.42。累積CO2通量與土壤微生物生物量氮和易氧化有機碳顯著相關(guān)(P0.05)，而與輕組有機碳呈弱相關(guān)。土壤表面CO2通量的年累積量為371.08~951.55Cm-2yr-1(平均為684.75Cm-2yr-1)，其中非生長季節(jié)的累積通量是生長季節(jié)的0.244倍，而夜間CO2通量對年積累量的貢獻率為39.82%~44.60%(平均為42.46%)。如果僅用晝間數(shù)據(jù)擬合的模型估測年累積CO2通量，在非生長季節(jié)會高估12.96%，生長季節(jié)高估3.19%。綜合分析表明，在不同時間尺度上，生物和非生物因素對川滇高山櫟群落土壤表面CO2通量的影響程度不同，土壤表面CO2通量的季節(jié)變化主要受溫度和水分變化的調(diào)控外，還可能受到底物供給狀況的影響。為了較為客觀地推算土壤表面CO2通量的日通量和年通量，在構(gòu)建土壤呼吸模型時，除了考慮對該地區(qū)土壤水熱條件的綜合效應(yīng)及土壤活性有機碳組分的庫容量外，還應(yīng)考慮其它非生物因子的影響，并需加強夜間土壤表面CO2通量監(jiān)測。 (4)火燒跡地川滇高山櫟群落與其對照群落中土壤總呼吸(RS)和異養(yǎng)呼吸(RH)呈現(xiàn)顯著的相似“拋物線”變化趨勢，表現(xiàn)為生長季節(jié)最高，非生長季節(jié)最低的變化格局，且火燒跡地群落在非生長季節(jié)的RS和RH均顯著高于對照群落，而生長季節(jié)則低于對照群落；兩種群落RS和RH在生長和非生長季節(jié)以及整個觀測期內(nèi)均與土壤5cm溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)，而與土壤水分含量則表現(xiàn)為在非生長季節(jié)和整個觀測期內(nèi)呈顯著的冪函數(shù)相關(guān)，但土壤溫度和水分含量構(gòu)建的雙因素模型可更好地解釋RS和RH的時間變異。不同季節(jié)火燒跡地RS和RH的Q10值均低于對照群落，整個觀測期內(nèi)火燒跡地群落RS和RH的Q10分別為3.56和3.00，對照群落分別為5.33和4.23；兩群落土壤輕組有機碳(FLOC)、顆粒有機碳(POC)和硝態(tài)氮(NO3-N)與RS和RH的時間變異呈顯著線性相關(guān)；非生長季節(jié)火燒跡地群落RS和RH顯著高于對照群落，生長季節(jié)低于對照群落但未表現(xiàn)出顯著水平；火燒跡地群落RS和RH年累積通量分別為768.23和655.60gCm-2yr-1，分別比對照群落低13.57%和高20.59%�？偟膩碚f，火干擾改變了土壤地表溫濕度及土壤底物有機碳氮素的供給水平等因素，進而影響到群落RS和RH。 (5)環(huán)割造成川滇高山櫟群落的土壤總呼吸在不同時間尺度上均不同程度地低于未環(huán)割群落，即在生長季節(jié)和非生長季節(jié)比未環(huán)割群落分別約降低了10.6%和16.5%；整個觀測期內(nèi)，平均降低了11.96%。 (6)川西亞高山草甸晝、夜間土壤呼吸的變化格局不同，晝間呈雙峰型，夜間呈拋物線型；整個觀測期(4~11月)內(nèi)，夜間土壤呼吸占總土壤呼吸的46.79%，其中草盛期(6~9月)的晝、夜土壤呼吸占有較大比例，與同海拔的川滇高山櫟群落比較，草甸晝、夜間土壤呼吸速率分別高4.7%和20.5%；整個觀測期草甸晝、夜間的Q10值分別為3.90和3.74。研究結(jié)果說明，采用晝、夜間土壤呼吸的瞬時值來推算土壤呼吸的季節(jié)通量和年通量時，需加大夜間土壤呼吸的測定。 此外，觀測發(fā)現(xiàn)，巴郎山陽坡(東南坡)川滇高山櫟群落林地5cm處土壤月平均溫度，海拔升高100m的遞減速率為0.22℃。但在非生長季節(jié)發(fā)現(xiàn)，海拔3091m處原始林地5cm土壤溫度顯著最低(比與之相鄰的火燒跡地群落林地土壤溫度低2.41℃，比海拔3549m和2551m處林地土壤溫度地分別低2.28℃和2.74℃)；生長季節(jié)則呈現(xiàn)出隨海拔升高而降低。這說明在進行構(gòu)建土壤呼吸模型時，應(yīng)當(dāng)考慮植被覆蓋差異引發(fā)土壤溫度變化的因素。 綜上所述，為較為精確的預(yù)測亞高山川滇高山櫟群落和草甸土壤表面CO2通量，需加強非生長季節(jié)和夜間土壤呼吸測定。同時還應(yīng)考慮除了晝、夜間土壤溫度和土壤水分外，還應(yīng)考慮土壤底物(主要是土壤活性有機碳、氮庫)的供給狀況及地形條件和它生態(tài)因子的綜合影響。
【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：S812.2;S714

【參考文獻】

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