白樺次生林土壤呼吸特征范文

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《現代農業雜志》2014年第七期

一、材料與方法

1.試驗設計試驗共設置了3個10米×20米的試驗樣地。設為3個重復。于2013年5月起，在植物生長季內(5~9月)的每個月月初與月末8:00~11:00測定1次土壤呼吸，每月中旬為晝夜24h觀測，每4h測定1次土壤呼吸，觀測土壤呼吸的夏季日進程。測定土壤碳通量的同時，在Collar附近選取3個位置，用LI8100自帶的5厘米TDR土壤水分速測儀和10厘米土壤溫度傳感器分別測定土壤5厘米含水量和土壤10厘米溫度。

2.數據分析數據處理使用SPSS17.0(SPSSInc.,Chicago，USA)軟件。采用相關性分析和曲線擬合回歸分析對相應指標的相關性進行分析，并建立指數回歸方程。本研究土壤呼吸與相關因子的關系采用以下模型進行分析比較:(1)與溫度的關系采用單因素指數模型為：y=aebx（1）其中y為土壤呼吸速率μmol•m-2s-1，a和b為參數，b為土壤溫度反應系數，x為土壤(10cm)溫度(°C)。(2)土壤呼吸與土壤溫度的關系采用單因素線性模型：y=aW+b（2）其中y為土壤呼吸速率μmol•m-2s-1，a和b為參數，a為土壤呼吸對土壤水分的敏感系數，W為表層土壤(5厘米)質量含水率。(3)土壤溫度和濕度對土壤呼吸的綜合影響采用兩個雙因素線性模型：y=aebtWc（3）式中y為土壤呼吸速率μmol•m-2s-1，t為土壤(10厘米)溫度(°C)，a為t=0°C時的土壤呼吸速率，b為溫度反應系數，C為待定參數。(4)土壤呼吸溫度敏感性Q10值：Q10=e10b（4）Q10為土壤呼吸溫度敏感性，b為土壤溫度反應系數(經與溫度的關系采用單因素指數模型參數b得出)。

二、結果與分析

1.土壤呼吸日動態土壤呼吸包括微生物的呼吸、根系的呼吸和地下動物的呼吸三個生物過程，以及一個非生物過程：即在高溫條件下的化學氧化過程。表1為白樺次生林土壤呼吸速率5~8月中旬晝夜動態變化，5、6、7和8月中旬日平均土壤呼吸速率值分別為：1.78、3.63、4.38和4.90μmol•m-2s-1，不同月份中旬土壤呼吸日平均速率大小為8月（4.90±0.08μmol•m-2s-1）>7月（4.38±0.26μmol•m-2s-1）>6月（3.63±0.12μmol•m-2s-1）>5月（1.78±0.07μmol•m-2s-1），日均土壤呼吸速率隨月份逐漸上升，且各月份中旬日均土壤呼吸速率存在明顯差異性。7、8月最大值分別為5.00和5.28μmol•m-2s-1，且最大值都出現在12:00；5、6月最大值分別為：2.25和3.96μmol•m-2s-1,，且最大值都出現在16:00。5、7月最小值分別為1.48和4.03μmol•m-2s-1，且最小值都出現在00:00；6、8月最小值分別為：3.22和4.61μmol•m-2s-1,且最小值都出現在20:00。白樺次生林土壤溫度5~8月中旬晝夜動態變化，5、6、7和8月中旬日平均土壤溫度值分別為：6.53、8.87、13.98和12.99℃，不同月份中旬土壤日平均溫度大小為7月（13.98±0.17℃）>8月（12.99±0.25℃）>6月（8.87±0.88℃）>5月（6.53±0.29℃），日均土壤溫度隨月份逐漸上升，7月中旬日均土壤溫度達到最大值，而8月中旬日均土壤溫度開始呈下降趨勢，且各月份日均土壤溫度存在明顯差異性。白樺次生林土壤濕度5~8月中旬晝夜動態變化，5、6、7和8月中旬土壤日平均濕度分別為：39.47%、41.35%、48.30%和37.98%，不同月中旬土壤日平均濕度大小為7月（48.30±2.54%）>6月（41.35±2.68%）>5月（39.47±1.33）>8月（37.98±2.90%），土壤日均濕度無明顯變化規律，5、6和8月份之間土壤日均濕度無明顯差異性，而7月中旬與5、6和8月份中旬之間土壤日均濕度存在明顯差異性。

2.土壤呼吸月動態特征土壤作為一個地球上巨大的碳庫在陸地碳收支中存在重要作用。氣候變化引起生態過程、土壤養分和植物生理等一系列變化的同時對土壤呼吸也產生了影響，因此土壤呼吸速率在多數生態系統中隨季節也存在比較明顯的變化規律。對白樺次生林的土壤呼吸速率測量表明，土壤呼吸速率存在明顯月變化規律性，即與植被物候期的變化規律相同。觀測結果見圖，土壤呼吸速率季節月動態變化呈波動性單峰曲線，由圖可知，6月到7月中旬土壤呼吸速率總體呈波動性上升趨勢，在7月末8月初土壤呼吸速率達到較高水平，8月末9月開始呈下降趨勢，且降幅明顯。本研究區所屬中溫帶季風氣候區，水、熱交替現象明顯，在一個生長季內，環境因子、植物物候期、溫度與降雨的變化，必將引起土壤含水量、土壤碳儲量、植物第一性生產力等因子的隨之變化，由此進一步引起土壤呼吸速率的變化。6月大氣溫度開始回升，隨之土壤溫度上升，植物發芽并開始生長，土壤生物也開始活動，土壤呼吸速率開始呈上升趨勢，直到夏季的7月份達到最高值（7月29日，4.61μmol•m-2s-1），此時土壤呼吸速率維持在較高水平，9月氣溫下降，植物出現落葉枯萎現象，植物的水分供給困難，根的吸收作用減弱，影響植物的光合作用和蒸騰作用，進而抑制植物根系的呼吸作用，土壤微生物活動減弱，此時土壤呼吸速率維持在較低水平（9月25日，1.55μmol•m-2s-1）。

3.土壤溫度、濕度與土壤呼吸的關系土壤溫度與土壤呼吸擁有相同的動態特征。通過回歸方法進行統計分析，結果表明土壤呼吸速率與土壤溫度之間，具有極顯著的指數函數關系。土壤溫度能解釋土壤呼吸變化的78.82%，其土壤呼吸溫度敏感性系數Q10值為2.43。經線性方程模擬分析，得出土壤呼吸速率與土壤濕度之間不具有顯著線性函數關系。土壤濕度僅能解釋土壤呼吸變化的2.18%。本研究采用比較有效的冪指函數模型進行模擬，同時考慮土壤溫度和土壤濕度的效應，可以解釋土壤呼吸變化80.3%。結果表明雙因素回歸模型模擬效果優于單因素模型。

三、結論與討論

1.本研究中，白樺次生林各月中旬日土壤呼吸動態表現為：8月（4.90±0.08μmol•m-2s-1）>7月（4.38±0.26μmol•m-2s-1）>6月（3.63±0.12μmol•m-2s-1）>5月（1.78±0.07μmol•m-2s-1），日均土壤呼吸速率隨月份逐漸上升，且各月份中旬日均土壤呼吸速率存在明顯差異性。

2.對白樺次生林的土壤呼吸速率測量表明，土壤呼吸速率存在明顯月變化規律性，即與太陽輻射的月變化基本是同步。總的來說趨勢呈波動性單峰曲線。觀測結果表明，土壤呼吸速率季節月動態變化呈波動性單峰曲線，6月到7月中旬土壤呼吸速率總體呈波動性上升趨勢，在7月末8月初土壤呼吸速率達到較高水平，8月末9月開始呈下降趨勢，且降幅明顯。

3.用單因素指數方程對土壤呼吸與土壤溫度的關系進行了擬合方程，函數關系為：y=1.4263e0.0887x，R2=0.7882，（P<0.001），表明土壤溫度是影響土壤呼吸速率的主導因子，且與溫度呈極顯著的正指數相關關系。

4.土壤濕度也是調控土壤呼吸動態的主要因素，適宜的土壤水分是生物進行各項生理活動的保證。用單因素線性方程對土壤呼吸與土壤濕度的關系進行線性擬合，方程式為：y=3.1654+0.0250X，R2=0.0218，(P=0.2730)；本實驗中土壤呼吸與土壤水分無顯著相關性。土壤濕度僅能解釋土壤呼吸變化的2.18%。

5.研究結果表明白樺次生林土壤溫度敏感性Q10值為2.43，明顯高于全球土壤Q10的平均值（1.57），但低于我國森林土壤Q10平均值2.65。

6.土壤呼吸一般有土壤濕度與土壤溫度共同起作用。本文結合土壤溫度、土壤濕度共同解釋了不同處理土壤呼吸速率季節變化的。用雙因素冪指函數方程對土壤呼吸與土壤濕度的關系進行了擬合方程，為y=0.354e0.108tW0.285，R2=0.803，（P<0.001）；本文結果得出土壤溫度與土壤濕度共同解釋了土壤呼吸速率變化的80.3%。結果表明雙因素回歸模型模擬效果優于單因素模型。

作者：邱睿魏江生單位：內蒙古農業大學生態環境學院