黄土丘陵区不同土地利用土壤呼吸及其碳来源研究

摘要

土壤呼吸释放的CO2是全球温室气体的重要组成部分，对全球气候变化有着深刻的影响。随着黄上高原地区生态文明建设推进，该区域土地利用状况发生变化，随之发生改变的水热因子条件、凋落物覆盖状况间接的影响了土壤呼吸对大气CO2的贡献，因此，研究不同土地利用土壤呼吸及其碳来源对于估算生态建设对该区域的碳平衡的影响具有重要意义。本研究在黄土丘陵区选择5种土地利用方式的土壤作为研究对象，结合野外动态监测及室内实验的方法，分析旱季和雨季不同土地利用下土壤呼吸速率变化特征及凋落物覆盖对土壤呼吸CO2释放的影响，揭示土壤呼吸过程中的碳释放规律，并通过稳定碳同位素技术定量计算土壤呼吸各碳来源的贡献比例。取得的主要结论有： (1)不同土地利用下，土壤呼吸速率口变化的规律基本一致，均呈现单峰变化趋势，低峰和高峰值分别出现在2:00-5:00及11:00-14:00。旱季土壤呼吸速率的日均值表现为：灌木林地＞坡耕地＞林地＞果园＞草地；雨季：草地＞林地＞灌木林地＞坡耕地＞果园。各土地利用在雨季的土壤呼吸速率日均值(0.14～6.51 u mol m-2s-1)显著高于旱季(0.13～1.33u mol m-2s-1)。 (2)表层5cm的土壤温度和土壤水分是影响土壤呼吸速率的重要水热因子，土壤呼吸速率与土壤温度(5cm)呈显著正相关(P＜0.05)，与土壤水分(5cm)呈显著负相关(P＜0.05)，且土壤呼吸速率与温度、水分拟合的双因子模型优于单因子模型，土壤温度、水分交互影响着土壤呼吸。旱季不同土地利用的土壤温度对土壤呼吸日变化的解释度(44.30％～69.20％)高于土壤水分(7.50％～41.30％)，二者对土壤呼吸的共同解释度更高(56.50％～70.00％);雨季土壤呼吸速率的温度敏感性指数比较高，土壤的温度、水分对呼吸日变化的解释度均高于旱季。 (3)凋落物覆盖导致各土地利用下土壤呼吸速率和呼吸对温度的敏感性发生改变，明显削弱了土壤呼吸与土壤水分之问的响应。旱季，凋落物覆盖导致土壤呼吸增加，使呼吸与水热因子复合模型拟合R2值增高，其对林地土壤呼吸的贡献最高(40.45％)，灌木林次之(33.89％)，草地最小(22.71％);雨季，凋落物对草地土壤呼吸的贡献率为正(21.88％)，但对灌木林地和林地的贡献率为负，分别为-21.49％和-21.60％，凋落物的“屏蔽效应”导致呼吸与水热因子复合模型拟合R2值降低。 (4)不同土地利用土壤呼吸释放CO2的δ13C值有明显的昼夜周期变化，白天δ13C较夜间富集。旱季，土壤呼吸释放CO2的δ13C值变化范围在-27.24‰～-23.08‰之间，日均值表现为林地＞灌木林地＞草地＞果园＞坡耕地；雨季，其值变化范围在-27.98‰～-23.35‰，日均值则表现为灌木林地＞草地＞林地＞果园＞坡耕地。雨季土壤呼吸释放CO2的δ13C值较旱季偏负，且日变异系数较小，δ13C的离散程度小。 (5)通过稳定碳同位素技术，明确了土壤呼吸碳源的贡献率。坡耕地和果园的土壤呼吸碳源主要来源于根系，贡献比例在73.79％～93.76％之间，土壤微生物的贡献比例较小，为6.24％～26.21％；草地、灌木林地和林地土壤呼吸释放的碳主要来源于凋落物的贡献率，为47.77％～68.14％。

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