科尔沁沙地农田生态系统土壤呼吸与碳平衡特征

摘要

土壤呼吸关系到全球气候变化、陆地生态系统碳循环和碳平衡、陆地生态系统的结构与功能,土壤呼吸作用的微小变动将对全球碳循环产生显著影响。农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,是人类活动最活跃的生态系统,其碳源/汇强度、碳储量及减源增汇技术与对策成为目前碳循环研究领域的焦点问题,农田生态系统对碳的固定能力将可能对全球因人类经济活动产生的碳排放具有巨大的补偿潜力。因此,本研究以处于我国北方农牧交错带东端的科尔沁沙地典型玉米农田生态系统为研究对象,于2012年和2013年两个生长季(5月~9月),通过测定玉米农田不同组分土壤呼吸速率(总呼吸、异养呼吸、自养呼吸)及垄上和垄间土壤呼吸速率,分析土壤呼吸速率的日动态和季节动态特征及其影响因子,并估算了玉米农田生态系统生长季的碳平衡,以期为我国农田生态系统碳循环和碳平衡研究提供―点‖上的基础数据。主要研究结果如下:
　　(1)科尔沁沙地典型玉米农田土壤呼吸速率日动态呈单峰曲线,具有明显的昼夜变化特征,最大值一般出现在14:00~18:00,最小值一般出现在2:00~6:00;土壤呼吸速率的日平均变化范围为1.49~12.69μmolCO2·m-2·s-1,生长季均值为5.08μmolCO2·m-2·s-1。
　　(2)科尔沁沙地典型玉米农田土壤呼吸速率季节动态在两个生长季表现出差异性。2012年由于6月中旬的强降雨表现为双峰曲线,2013年表现为单峰曲线。最大值均出现在玉米生长旺盛期7月,最小值均出现在玉米幼苗期5月。
　　(3)土壤呼吸速率的日动态和季节动态变化与大气温度和土壤温度变化的一致性较高。2012年土壤呼吸速率的季节动态与相关温度可以用指数模型很好的描述。但土壤呼吸速率与不同温度之间的相关显著程度存在差异,相关系数R2的大小顺序依次为:近地表气温>10 cm土壤温度>大气温度>15 cm土壤温度>5 cm土壤温度,土壤呼吸速率与近地表气温的相关性最强。Q10值大小顺序依次为:15 cm土壤温度(4.44)>10 cm土壤温度(3.74)>大气温度(3.42)>5 cm土壤温度(3.39)>近地表空气温度(3.10),土壤呼吸速率对15 cm土壤温度的变化最为敏感。2013年土壤呼吸速率日动态与相关温度之间可用指数、二次、三次和线性等多种模型拟合,但季节动态上未与温度呈显著拟合关系。
　　(4)生物因子对土壤呼吸的季节变化起着重要作用,地下根系生物量(M)与土壤呼吸速率(RS)可用三次方程拟合:RS=5.454(E-6)M3-0.002M2-0.23 M-0.354(R2=0.880,P<0.05)。
　　(5)日动态和季节动态中垄上土壤呼吸速率均大于垄间土壤呼吸速率,两者之间存在显著的线性关系( P<0.05),均可用一次、二次和三次方程拟合(P<0.05)。2012年和2013年垄上土壤呼吸速率最大可分别解释垄间土壤呼吸速率99.8％和98.6%的变异。
　　(6)2013年土壤异养和自养呼吸速率与温度的拟合均未表现出显著曲线拟合性。2012年土壤总呼吸、异养和自养呼吸速率基于近地表空气温度的温度敏感性指数Q10分别为3.10、2.08和4.35,即:RA> RS> RH。2012年RS和RH之间存在显著差异(P<0.05),而 RS与 RA之间不存在显著差异(P>0.05),RH和RA之间也不存在显著差异(P>0.05)。2013年RS、RH和RA之间均不存在显著差异(P>0.05)。
　　(7)2012年和2013年两个生长季土壤异养和自养呼吸速率占土壤总呼吸速率的比例有较大差异,两个生长季RA占RS的季节变化范围分别为28%~72%和1%~66%,最大值均出现在玉米生长旺盛期。生长季 RH占 RS的均值分别为44.4%和59.0%。两个生长季RA占RS平均百分比为47.6%。
　　(8)土壤呼吸影响因子主成分分析表明科尔沁沙地玉米农田生态系统土壤呼吸速率是由多种因子共同作用决定的,而温度和水分是影响土壤呼吸速率的主导因子。
　　(9)科尔沁沙地典型农田生态系统在生长季属于碳汇,2012年和2013年碳的净固存量分别为996.4和961.9 g C·m-2·生长季-1。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究动态

第二章 研究内容、研究目标和方法

2.1 研究目标

2.2 研究内容

2.3 研究方法

第三章 结果与分析

3.1 农田土壤呼吸速率日变化

3.2 农田土壤呼吸速率季节动态

3.3 土壤呼吸速率影响因素的主成分分析

3.4 玉米农田生态系统生长季碳平衡估计

第四章 讨论

4.1 不同地区农田生态系统土壤呼吸速率

4.2 土壤呼吸的环境因子影响因素

4.3 土壤呼吸速率与叶面积指数、地上/地下生物量的关系

4.4 垄上与垄间土壤呼吸

4.5 农田生态系统土壤自养呼吸对土壤总呼吸的贡献

4.6 农田生态系统的碳汇

第五章 结论

第六章 存在的问题及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果