黑河流域中游玉米农田生态系统土壤呼吸动态特征研究

摘要

关于生态系统碳循环问题的深入研究已是生态与环境科学学科的关注热点。农田生态系统是人为活动最频繁、对人类各种耕作措施最敏感的生态系统,更是研究碳收支平衡的重要内容。因此,研究作物-土壤-大气间源、汇、流的动态变化,对探索改善农田碳循环的途径起着十分关键的作用。本研究以黑河流域中游张掖地区为研究对象区域,以玉米农田、青椒菜地和苹果果园为研究对象,以美国LI-COR8100设备为土壤呼吸测量仪器,重点研究不同生长周期尺度下各个农田生态系统的土壤呼吸及其组分变异情况;阐明不同农田生态系统的土壤呼吸与温度因子相变化与适应规律;对玉米农田与青椒菜地、苹果果园土壤呼吸驱动变异机制进行比较。主要研究结论如下:
　　揭示了在生长季以及各个周期中玉米农田土壤呼吸及其组分变化规律。不同观测站点的玉米农田土壤呼吸速率在整个试验过程中均呈现波动式单峰曲线,3个站点的最低值不约而同的出现在6月6日,最高值出现在7月14日。3个站点的平均碳排量均表现出在玉米生长季中EFS时期碳排量最高,然后是 SES和 FHS。生长季中土壤呼吸组分中总异氧呼吸略大于纯土壤呼吸,总异氧呼吸与总土壤呼吸变化曲线较一致,而纯土壤呼吸则呈现随着玉米生长的周期逐步递减的趋势。自7月1日后,EFS和FHS时期土壤总呼吸组分中根系呼吸占绝大多数的比重。
　　比较了不同作物类型的土壤呼吸变化特征。青椒、苹果、玉米地的土壤呼吸速率最低值和最高值分别出现在6月6日和7月14日,其中最高值却以玉米田地最为突出。裸地由于没有植被覆盖,其土壤呼吸速率曲线在均值2.01μmol/m2/s左右呈现波动曲线。土壤呼吸速率的变化幅度分别为青椒(102％)最大、玉米(88％)次之、苹果(79％)再次之、以及裸地(59％)最小,将苹果林地转变为玉米、青椒田地后,会导致显著的土壤呼吸速率变化。玉米地土壤碳通量在各个生长期均为最大,苹果与青椒地土壤碳通量只在FHS时期有不同,其他生长期呼吸速率也较为接近。在整个生长季中土壤平均呼吸速率:玉米>苹果>青椒>裸地。
　　明确了玉米田地温湿度变化特征,以及与土壤呼吸的相关关系。EC5站点玉米地土壤温度生长季期间呈现递减曲线,期间温度以6月11日最高,为25.0℃,之后波动性下降至9月13日达到最低点12.1℃。而土壤湿度生长季期间持续变化曲线表现为每月末土壤湿度激增,整个生长季土壤湿度峰值出现在6月25日,湿度达到46.5％。土壤温度强烈的作用于土壤CO2的排放,两者之间呈现显著的正相关关系,4cm土壤温度可以解释75.6％-91.7％的玉米农田生长季土壤的碳排放规律。而土壤湿度却未能反应出二者之间存在显著的相关关系。
　　利用Q10指数分析并比较了不同生长周期和土壤温度尺度下土壤呼吸的温度敏感性。EC3与EC5在各个数据上都较为接近,但由于土壤平均湿度较低,EC14却是整个生长季中3个站点中拟合度最高、10℃时土壤呼吸拟合值最大,同时Q10值却最小的一个特殊站点。EC5站点SES、EFS、FHS时期土壤呼吸温度敏感性分别为在生长季初期最大、后期次之、中期最小。在不考虑土壤湿度的情况下,3个站点土壤呼吸与土壤4cm温度在低温时的拟合效果明显高于温度较高的时候,并呈现出Q10高温时较低而低温时较高的特点,表明在低温时土壤呼吸对温度的响应变化敏感。
　　综合多因子评价Q10函数可靠性。在大尺度上对全球碳平衡估测上主要是通过Q10模型来推算的,而许多模型对土壤呼吸的分析均使用常数Q10并没有反映出土壤呼吸对温度与湿度变化的适应性,所以使得利用Q10模拟计算时会造成明显偏差。因此,本研究认为Q10参数值的精确化对准确估计生态系统碳平衡显得尤为重要,将Q10值作为一个固定的常数带入生态模型进行估测或推算的结果并不符合真实情况,而需要通过利用温湿度修正的Q10值后再进行推算将会大大提高生态模型的模拟精度。

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1 研究背景

1.1 土壤呼吸与农田生态系统碳循环

1.2 土壤呼吸研究进展

1.3 主要研究内容

1.4 研究目标

1.5 技术路线

2 研究材料与方法

2.1 研究区域及实验场地

2.2 研究方法

3 玉米农田生长季土壤呼吸及影响因子变化特征

3.1 玉米农田总土壤呼吸变化特征

3.2 玉米农田土壤温湿度变化特征

3.3 玉米农田土壤呼吸各组分组成特征

3.4 玉米农田土壤呼吸变化特征与温度影响因子关系

4 青椒田地、苹果林地、裸地生长季土壤呼吸变化特征与玉米田对比

5 玉米田土壤呼吸温度敏感性分析

5.1 土壤呼吸温度敏感性

5.2 土壤呼吸Q10函数评价

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表论文