渭北旱塬农田土壤呼吸温度敏感性变化特征

摘要

土壤呼吸温度敏感性 (Q10)是指温度每升高10℃时土壤呼吸速率增长的倍数，为研究气候变化条件下陆地生态系统碳循环与气候变化反馈关系的关键参数。了解Q10值的变化及其影响因素不仅有助于了解陆地生态系统碳循环特征，而且有助于深入了解陆地生态系统碳循环与气候变化的反馈关系。 本研究依托“陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站” (简称“长武站”)进行，试验选取不同作物类型 (冬小麦Triticum aestivum L和春玉米Zea maysL)；不同肥料种类，包括不施肥 (CK)，单施氮肥 (160 kg N ha–1)和氮磷肥配施 (160 kg N ha–1和39 kg P ha–1)；不同施肥用量 (0 ~ 180 kg N ha–1)；典型粮田和盛果期果园 (Malus domestica Borkh)为研究对象。测定指标主要包括土壤呼吸速率、土壤温度、土壤水分、土壤有机碳 (SOC)、土壤全氮 (TN)、土壤微生物量碳 (SMBC)、土壤可溶性碳 (DOC)、细根生物量、地上部生物量、光合作用速率、细菌群落结构组成、土壤酶活性等。基于2011 ~ 2016年田间原位监测和室内试验分析，开展以下四个方面的研究：1)不同作物类型下土壤呼吸速率及其温度敏感性变化特征；2) 不同施肥措施下土壤呼吸速率及其温度敏感性变化特征；3) 粮田和果园土壤呼吸速率及其温度敏感性变化特征；4) 环境因子、植被生长、微生物群落结构、活性及其与土壤呼吸速率和温度敏感性的联系。主要结果如下： 1)作物类型显著影响土壤呼吸速率及其温度敏感性 (p<0.05)。春玉米土壤呼吸速率较冬小麦土壤呼吸速率高20% (1.85 vs. 1.54 μmol m?2s?1)，土壤呼吸温度敏感性较冬小麦土壤呼吸温度敏感性高 36% (2.49vs. 1.83)。春玉米籽粒产量和地上部生物量分别是冬小麦籽粒产量和地上部生物量的的3倍 (8.90vs. 2.93 t ha?1)和2.4倍 (16.96vs. 7.17 t ha?1)，春玉米细根生物量较冬小麦细根生物量高36% (2.30vs. 1.70 t ha?1)。 2)肥料种类显著影响土壤呼吸速率及其温度敏感性 (p<0.05)。N和N+P均提高了土壤呼吸速率：CK处理土壤呼吸速率平均为1.15μmol m?2 s?1，与之相比，N处理土壤呼吸速率提高18% (1.35μmol m?2 s?1)，N+P处理提高48% (1.69μmol m?2 s?1)。与施肥提高土壤呼吸速率相反，施肥降低了土壤呼吸温度敏感性，CK，N和N+P处理Q10值分别为1.57，1.44和1.46。 3)施肥量 (氮)显著提高土壤呼吸速率 (p<0.05)，且随着施氮量的增加而增强。与 N0相比(1.21 μmol m?2 s?1)，N45、N90、N135和 N180平均土壤呼吸速率分别增加25%、31%、44%和40%。施氮降低日尺度和年尺度的土壤呼吸温度敏感性。日尺度土壤呼吸温度敏感性主要受光合作用影响，年尺度土壤呼吸温度敏感性与土壤C/N，根系C/N以及细菌群落结构的变化有关。 4) 粮田 (冬小麦)和果园土地利用方式下土壤呼吸速率及其温度敏感性具有相反的变化趋势：果园土壤呼吸速率较粮田土壤呼吸速率高12% (2.01vs.1.80 μmol m?2s?1)，但果园土壤呼吸温度敏感性较粮田土壤呼吸温度敏感性降低15% (1.41vs.1.63)。果园中β-葡萄糖苷酶和纤维素酶活性均高于粮田中β-葡萄糖酶和纤维素酶活性，分别高出15%(44.92vs.39.09 nmol h?1g?1)和22% (21.39vs.17.50 nmol h?1g?1)。果园中变形菌门相对丰度高于粮田中相对丰度 (26%)，放线菌和酸杆菌相对丰度低于粮田中相对丰度，分别降低18%和36%。 5) 土壤呼吸速率与根系生物量，SMBC，DOC，光合速率呈显著正相关关系 (p<0.05)。土壤呼吸温度敏感性与底物质量 (C/N)和细菌群落结构的变化有关。土壤呼吸温度敏感性随C/N降低而下降。酸杆菌门，放线菌门和变形菌门是土壤中三大优势菌种，对土壤呼吸速率和土壤呼吸温度敏感性产生影响。 农田的管理措施 (作物类型、肥料投入等) 显著影响土壤呼吸温度敏感性。未来气候变化条件下，不能忽视土地利用方式变化，农业管理措施等人为活动对陆地生态系统碳平衡和大气CO2浓度变化的影响。在陆地生态系统和气候系统作用模型中也应充分考虑农田管理措施的变化，以便准确估算气候变化条件下陆地土壤碳源、汇能力的及其程度。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 选题背景及意义

1.2 土壤呼吸温度敏感性的组成

1.3 土壤呼吸温度敏感性的不确定性

1.4 土壤呼吸温度敏感性的影响因素

1.5 农田生态系统中土壤呼吸温度敏感性的变化

1.6 测定方法和尺度对土壤呼吸温度敏感性的影响

1.7 农田生态系统中有待深入研究的问题

第二章 研究内容与研究方法

2.1 研究区概况

2.2 研究目标

2.3 研究内容

2.4 研究思路与技术路线

2.5 主要测定指标和方法

2.6 数据处理与统计分析

第三章 作物类型对土壤呼吸及其温度敏感性的影响

3.1引言

3.2材料方法

3.3结果

3.4 讨论

3.5 结论

第四章 典型肥料种类对土壤呼吸及其温度敏感性的影响

4.1 引言

4.2 材料方法

4.3 结果

4.4 讨论

4.5 结论

第五章 典型农田施氮量对土壤呼吸及其温度敏感性的影响

5.1 引言

5.2 材料方法

5.3 结果

5.4 讨论

5.5 结论

第六章 粮田与果园土壤呼吸及其温度敏感性变化特征

6.1 引言

6.2. 材料方法

6.3 结果

6.4 讨论

6.5 结论

第七章 细菌对土壤呼吸温度敏感性的影响

7.1 引言

7.2 细菌群落结构对土壤呼吸及其温度敏感性的影响

7.3 结论

第八章 结论与展望

8.1 主要研究结论

8.2 研究创新点

8.3 展望

参考文献

致谢

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