内蒙古农牧交错区典型草地和农田生态系统碳通量的研究

摘要

涡度相关技术是唯一能直接测定大气与植被间CO2通量的标准方法。随着全球变化研究的深入，人类活动干扰下陆地生态系统碳通量研究越来越受到关注，对草地生态系统的研究更是备受关注。本研究选择位于内蒙古典型的农牧交错区——多伦县的典型克氏针茅草地和被开垦的农田为研究对象，利用涡度相关技术，结合各环境因子，在不同时间尺度上探讨了控制内蒙古草地生态系统碳通量可能的生理机制。利用一年多净生态系统CO2气体交换(NEE)通量的观测，量化了这个地区草地生态系统的碳储备量，并进一步阐明了开垦对该区域生态系统物质能量流动的影响。我们还利用Keeling同位素曲线与微气象技术相结合的方法把生态系统夜间呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸；同时利用同化箱式法，把草地生态系统白天群落呼吸进行了区分，进一步了解了不同生态过程对净碳通量的贡献。
　　 结果表明，控制该地区生态系统碳通量主要的环境因子是土壤含水量(VWC)和温度。两个生态系统的植被叶面积指数(LAI)和生物量在非干旱季都要高于干旱季，因而两个生态系统在非干旱季不同环境因子的不同梯度下的NEEmax都比干旱季的要高。两个生态系统NEE的最大日变幅和日最大值在非旱季与旱季十分接近，说明即使土壤水分有所改善，但由于这个地区贫瘠的土壤限制了生态系统的净碳交换量而使这两个生态系统的固碳能力依旧不高。无论是旱季还是非旱季，草地生态系统呼吸的温度敏感系数Q10都随土壤含水量的增加而增加，这除了水分的促进作用外，另外就是生长旺季根生物量的增加。而在两个生长季里农田生态系统的Q10都随土壤含水量的变化不是很规则，这主要是因为农作改变了植被类型和土壤的物理结构从而引起生态系统微环境、微生物活性以及根生物量的改变，结果影响生态系统呼吸对温度的敏感性。
　　 在连续两个生长季里，两个生态系统碳通量随季节的变化都有明显的日变化，7月份的日变化最大，而且农田生态系统的NEE日变幅大于草地生态系统NEE的日变幅。两个生态系统每个月NEE的日最大值都出现在上午8～9点左右，而生态系统的呼吸(RE)的日最大值都发生在下午14～16点左右。冬季两个生态系统各组分碳通量的日进程几乎都没有差异，系统基本处于碳平衡状态。进入春季，幼小的植被限制了生态系统的碳同化。期间的耕作促进了土壤CO2的大量释放，同时较频繁的降雨不仅影响植被吸收光以进行光合固定碳，同时也进一步加大了农田CO2的释放，结果农田生态系统释放的CO2比草地生态系统多。夏季，两个生态系统都是吸收碳的库，农田生态系统因较高的LAI和较低的生态系统呼吸温度敏感性使其NEP远高于草地生态系统的NEP，是一个较强的碳库。秋末，草地生态系统几乎处于碳平衡的状态。农作物的收割，使得大量含不溶性物质较低枯叶和秸秆残留在地里，农田生态系统呼吸释放的碳量显著高于同期草地释放的碳量。通过2005～2006年对两个生态系统碳通量进行一整年的观测，发现两个生态系统年净固碳量相当，草地净固定71.3 g C m-2，农田净固定64.4 g C m-2。但秋季的收获使农田生态系统近70％的生物量被收走，降低了该系统的固碳能力。
　　 为进一步了解不同生态过程对净碳通量的贡献量，我们利用浓度梯度-同位素法与微气象技术相结合的方法，初步将生态系统呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸。草地生态系统在生长旺季自养呼吸占总呼吸80％以上，而农田生态系统在生长季阶段异养呼吸所占整个生态呼吸的比例从60％上升至作物成熟时的80％以上。降雨不仅显著增加草地生态系统呼吸的释放量，而且主要是显著增加了异养呼吸的释放量。此外，我们还利用同化箱式法对草地生态系统的群落呼吸进行区分，结果显示群落总呼吸(Re)有明显的季节变化，最高值在生长季中期。凋落物分解、土壤有机质呼吸、根呼吸和地上植被呼吸在整个生长季平均分别占总生态系统呼吸的19.4％、37.8％、9.8％和32.9％。构建各组分呼吸通量与温度的指数关系，结果显示根呼吸的温度敏感系数最大，土壤有机质的温度敏感性最低。降雨后首先促进了异养呼吸，随后植物的呼吸也开始变大，群落呼吸释放的最高峰出现在雨后第二天。
　　 本研究初步分析了控制内蒙古农牧交错区草地生态系统碳通量的主要因子，量化了该区域草地生态系统的碳储备量，并进一步阐述了开垦对该区域生态系统碳通量的影响。同时尝试不同方法对生态系统碳通量进行了区分，得出了一些具有生态学意义的结果，为进一步探讨控制生态系统碳通量的生理机制提供了可能。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1陆地生态系统碳通量的研究概况

1.1.1生态系统与大气间碳循环研究的兴起

1.1.2陆地生态系统与大气间碳循环研究的方法与技术

1.2影响生态系统碳交换的因素

1.3草地生态系统碳通量的研究进展

1.4本研究的目的和意义

第二章研究地点与研究方法

2.1研究地点概况

2.2研究方法

2.2.1涡度相关技术

2.2.2涡度数据的校正、筛选、插补及质量分析

2.2.3稳定同位素技术

第三章草地生态系统与农田生态系统碳通量的控制因子

3.1草地生态系统与农田生态系统在干旱生长季里碳通量特征

3.1.1植物和土壤样品的采集与数据处理方法

3.1.2研究结果

3.1.3讨论与分析

3.1.4小结

3.2两个生态系统在干旱和非干旱生长季里碳通量特征的比较

3.2.1采样与数据处理方法

3.2.2研究结果

3.2.3讨论与分析

3.2.4小结

第四章草地生态系统年碳储量的估算及农垦对其的影响

4.1试验方法和数据处理方法

4.2试验结果

4.2.1两个生态系统环境因子的季节均值的变化

4.2.2两个生态系统碳通量日动态的季节变化

4.2.3两个生态系统日净碳通量及降雨量的变化

4.2.4两个生态系统碳组分季节及年估算

4.3讨论与分析

4.3.1冬季两个生态系统碳通量特征

4.3.2春季两个生态系统碳通量特征

4.3.3夏季两个生态系统碳通量特征

4.3.4秋季两个生态系统碳通量特征

4.3结论

第五章草地生态系统与农田生态系统呼吸的区分

5.1结合浓度梯度-同位素与微气象技术区分生态系统呼吸

5.1.1同位素样品收集和测定方法

5.1.2结果

5.1.3讨论

5.2利用同化箱测定并区分草地生态系统的呼吸

5.2.1实验设计与测定方法

5.2.2群落气体交换中各组分的区分方法

5.2.3试验结果

5.2.4分析与讨论

5.3小结

第六章结论和展望

6.1主要结论

6.1.1影响草地和农田生态系统碳通量变化的生物及非生物因子

6.1.2草地和农田生态系统碳通量变化的规律

6.1.3利用不同方法对生态系统净碳通量的区分

6.2研究展望

参考文献

致 谢

个人简历、博士期间投稿的论文