白桦次生林土壤呼吸特征范文

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《现代农业杂志》2014年第七期

一、材料与方法

1.试验设计试验共设置了3个10米×20米的试验样地。设为3个重复。于2013年5月起，在植物生长季内(5~9月)的每个月月初与月末8:00~11:00测定1次土壤呼吸，每月中旬为昼夜24h观测，每4h测定1次土壤呼吸，观测土壤呼吸的夏季日进程。测定土壤碳通量的同时，在Collar附近选取3个位置，用LI8100自带的5厘米TDR土壤水分速测仪和10厘米土壤温度传感器分别测定土壤5厘米含水量和土壤10厘米温度。

2.数据分析数据处理使用SPSS17.0(SPSSInc.,Chicago，USA)软件。采用相关性分析和曲线拟合回归分析对相应指标的相关性进行分析，并建立指数回归方程。本研究土壤呼吸与相关因子的关系采用以下模型进行分析比较:(1)与温度的关系采用单因素指数模型为：y=aebx（1）其中y为土壤呼吸速率μmol•m-2s-1，a和b为参数，b为土壤温度反应系数，x为土壤(10cm)温度(°C)。(2)土壤呼吸与土壤温度的关系采用单因素线性模型：y=aW+b（2）其中y为土壤呼吸速率μmol•m-2s-1，a和b为参数，a为土壤呼吸对土壤水分的敏感系数，W为表层土壤(5厘米)质量含水率。(3)土壤温度和湿度对土壤呼吸的综合影响采用两个双因素线性模型：y=aebtWc（3）式中y为土壤呼吸速率μmol•m-2s-1，t为土壤(10厘米)温度(°C)，a为t=0°C时的土壤呼吸速率，b为温度反应系数，C为待定参数。(4)土壤呼吸温度敏感性Q10值：Q10=e10b（4）Q10为土壤呼吸温度敏感性，b为土壤温度反应系数(经与温度的关系采用单因素指数模型参数b得出)。

二、结果与分析

1.土壤呼吸日动态土壤呼吸包括微生物的呼吸、根系的呼吸和地下动物的呼吸三个生物过程，以及一个非生物过程：即在高温条件下的化学氧化过程。表1为白桦次生林土壤呼吸速率5~8月中旬昼夜动态变化，5、6、7和8月中旬日平均土壤呼吸速率值分别为：1.78、3.63、4.38和4.90μmol•m-2s-1，不同月份中旬土壤呼吸日平均速率大小为8月（4.90±0.08μmol•m-2s-1）>7月（4.38±0.26μmol•m-2s-1）>6月（3.63±0.12μmol•m-2s-1）>5月（1.78±0.07μmol•m-2s-1），日均土壤呼吸速率随月份逐渐上升，且各月份中旬日均土壤呼吸速率存在明显差异性。7、8月最大值分别为5.00和5.28μmol•m-2s-1，且最大值都出现在12:00；5、6月最大值分别为：2.25和3.96μmol•m-2s-1,，且最大值都出现在16:00。5、7月最小值分别为1.48和4.03μmol•m-2s-1，且最小值都出现在00:00；6、8月最小值分别为：3.22和4.61μmol•m-2s-1,且最小值都出现在20:00。白桦次生林土壤温度5~8月中旬昼夜动态变化，5、6、7和8月中旬日平均土壤温度值分别为：6.53、8.87、13.98和12.99℃，不同月份中旬土壤日平均温度大小为7月（13.98±0.17℃）>8月（12.99±0.25℃）>6月（8.87±0.88℃）>5月（6.53±0.29℃），日均土壤温度随月份逐渐上升，7月中旬日均土壤温度达到最大值，而8月中旬日均土壤温度开始呈下降趋势，且各月份日均土壤温度存在明显差异性。白桦次生林土壤湿度5~8月中旬昼夜动态变化，5、6、7和8月中旬土壤日平均湿度分别为：39.47%、41.35%、48.30%和37.98%，不同月中旬土壤日平均湿度大小为7月（48.30±2.54%）>6月（41.35±2.68%）>5月（39.47±1.33）>8月（37.98±2.90%），土壤日均湿度无明显变化规律，5、6和8月份之间土壤日均湿度无明显差异性，而7月中旬与5、6和8月份中旬之间土壤日均湿度存在明显差异性。

2.土壤呼吸月动态特征土壤作为一个地球上巨大的碳库在陆地碳收支中存在重要作用。气候变化引起生态过程、土壤养分和植物生理等一系列变化的同时对土壤呼吸也产生了影响，因此土壤呼吸速率在多数生态系统中随季节也存在比较明显的变化规律。对白桦次生林的土壤呼吸速率测量表明，土壤呼吸速率存在明显月变化规律性，即与植被物候期的变化规律相同。观测结果见图，土壤呼吸速率季节月动态变化呈波动性单峰曲线，由图可知，6月到7月中旬土壤呼吸速率总体呈波动性上升趋势，在7月末8月初土壤呼吸速率达到较高水平，8月末9月开始呈下降趋势，且降幅明显。本研究区所属中温带季风气候区，水、热交替现象明显，在一个生长季内，环境因子、植物物候期、温度与降雨的变化，必将引起土壤含水量、土壤碳储量、植物第一性生产力等因子的随之变化，由此进一步引起土壤呼吸速率的变化。6月大气温度开始回升，随之土壤温度上升，植物发芽并开始生长，土壤生物也开始活动，土壤呼吸速率开始呈上升趋势，直到夏季的7月份达到最高值（7月29日，4.61μmol•m-2s-1），此时土壤呼吸速率维持在较高水平，9月气温下降，植物出现落叶枯萎现象，植物的水分供给困难，根的吸收作用减弱，影响植物的光合作用和蒸腾作用，进而抑制植物根系的呼吸作用，土壤微生物活动减弱，此时土壤呼吸速率维持在较低水平（9月25日，1.55μmol•m-2s-1）。

3.土壤温度、湿度与土壤呼吸的关系土壤温度与土壤呼吸拥有相同的动态特征。通过回归方法进行统计分析，结果表明土壤呼吸速率与土壤温度之间，具有极显著的指数函数关系。土壤温度能解释土壤呼吸变化的78.82%，其土壤呼吸温度敏感性系数Q10值为2.43。经线性方程模拟分析，得出土壤呼吸速率与土壤湿度之间不具有显著线性函数关系。土壤湿度仅能解释土壤呼吸变化的2.18%。本研究采用比较有效的幂指函数模型进行模拟，同时考虑土壤温度和土壤湿度的效应，可以解释土壤呼吸变化80.3%。结果表明双因素回归模型模拟效果优于单因素模型。

三、结论与讨论

1.本研究中，白桦次生林各月中旬日土壤呼吸动态表现为：8月（4.90±0.08μmol•m-2s-1）>7月（4.38±0.26μmol•m-2s-1）>6月（3.63±0.12μmol•m-2s-1）>5月（1.78±0.07μmol•m-2s-1），日均土壤呼吸速率随月份逐渐上升，且各月份中旬日均土壤呼吸速率存在明显差异性。

2.对白桦次生林的土壤呼吸速率测量表明，土壤呼吸速率存在明显月变化规律性，即与太阳辐射的月变化基本是同步。总的来说趋势呈波动性单峰曲线。观测结果表明，土壤呼吸速率季节月动态变化呈波动性单峰曲线，6月到7月中旬土壤呼吸速率总体呈波动性上升趋势，在7月末8月初土壤呼吸速率达到较高水平，8月末9月开始呈下降趋势，且降幅明显。

3.用单因素指数方程对土壤呼吸与土壤温度的关系进行了拟合方程，函数关系为：y=1.4263e0.0887x，R2=0.7882，（P<0.001），表明土壤温度是影响土壤呼吸速率的主导因子，且与温度呈极显著的正指数相关关系。

4.土壤湿度也是调控土壤呼吸动态的主要因素，适宜的土壤水分是生物进行各项生理活动的保证。用单因素线性方程对土壤呼吸与土壤湿度的关系进行线性拟合，方程式为：y=3.1654+0.0250X，R2=0.0218，(P=0.2730)；本实验中土壤呼吸与土壤水分无显著相关性。土壤湿度仅能解释土壤呼吸变化的2.18%。

5.研究结果表明白桦次生林土壤温度敏感性Q10值为2.43，明显高于全球土壤Q10的平均值（1.57），但低于我国森林土壤Q10平均值2.65。

6.土壤呼吸一般有土壤湿度与土壤温度共同起作用。本文结合土壤温度、土壤湿度共同解释了不同处理土壤呼吸速率季节变化的。用双因素幂指函数方程对土壤呼吸与土壤湿度的关系进行了拟合方程，为y=0.354e0.108tW0.285，R2=0.803，（P<0.001）；本文结果得出土壤温度与土壤湿度共同解释了土壤呼吸速率变化的80.3%。结果表明双因素回归模型模拟效果优于单因素模型。

作者：邱睿魏江生单位：内蒙古农业大学生态环境学院