采用Li-8150多通道土壤呼吸自动测量系统对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸进行全年连续测定,同步测量了温度、土壤含水量、地上生物量以及叶面积指数等环境因子和生物因子.结果表明: 土壤呼吸日动态在全年尺度上多呈单峰型,但在受到土壤封冻和地表积水干扰时,土壤呼吸日动态呈多峰型.土壤呼吸具有明显的季节动态特征,总体呈单峰型,年平均土壤呼吸速率为0.85 μmol CO2·m-2·s-1,生长季平均土壤呼吸速率为1.22 μmol CO2·m-2·s-1.在全年尺度上,土壤温度是滨海湿地土壤呼吸的主要控制因子,可解释全年土壤呼吸87.5%的变化.在生长季尺度上,土壤含水量和叶面积指数对土壤呼吸的协同影响达到85%.
Using the Li-8150 multichannel automatic soil CO2 efflux system, soil respiration was measured continuously over a one-year period in a coastal wetland in the Yellow River Delta, China. Environmental and biological factors were measured simultaneously, including temperature, soil water content, aboveground biomass and leaf area index. The results showed that the diurnal variation of soil respiration presented a singlepeak curve, but it appeared as multiple peaks when disturbed by soil freezing and surface flooding. Soil respiration showed obvious seasonal dynamics and a single peak curve. The average annual soil respiration was 0.85 μmol CO2·m-2·s-1, and the mean soil respiration rate was 1.22 μmol CO2·m-2·s-1 during the growing season. On one-year scale, soil temperature was a major factor influencing soil respiration in the coastal wetland, which explained 87.5% of the variation in soil respiration. On the growing season scale, soil water content and leaf area index accounted for 85% of the seasonal variation of soil respiration.
全 文 :环境因子和生物因子对黄河三角洲
滨海湿地土壤呼吸的影响
陈 亮1 刘子亭1 韩广轩2∗ 初小静2 孙宝玉2 刘海防3 李建文3
( 1聊城大学环境与规划学院, 山东聊城 252000; 2中国科学院烟台海岸带研究所海岸带环境过程与生态修复重点实验室, 山
东烟台 264003; 3山东省黄河三角洲国家级自然保护区管理局, 山东东营 257500)
摘 要 采用 Li⁃8150多通道土壤呼吸自动测量系统对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸进行全
年连续测定,同步测量了温度、土壤含水量、地上生物量以及叶面积指数等环境因子和生物因
子.结果表明: 土壤呼吸日动态在全年尺度上多呈单峰型,但在受到土壤封冻和地表积水干扰
时,土壤呼吸日动态呈多峰型.土壤呼吸具有明显的季节动态特征,总体呈单峰型,年平均土
壤呼吸速率为 0.85 μmol CO2·m
-2·s-1,生长季平均土壤呼吸速率为 1.22 μmol CO2·m
-2·
s-1 .在全年尺度上,土壤温度是滨海湿地土壤呼吸的主要控制因子,可解释全年土壤呼吸
87.5%的变化.在生长季尺度上,土壤含水量和叶面积指数对土壤呼吸的协同影响达到 85%.
关键词 滨海湿地; 土壤呼吸; 环境因子; 生物因子; 黄河三角洲
Effects of environmental and biotic factors on soil respiration in a coastal wetland in the
Yellow River Delta, China. CHEN Liang1, LIU Zi⁃ting1, HAN Guang⁃xuan2∗, CHU Xiao⁃jing2,
SUN Bao⁃yu2, LIU Hai⁃fang3, LI Jian⁃wen3 ( 1 College of Environment and Planning, Liaocheng
University, Liaocheng 252000, Shandong, China; 2Key Laboratory of Coastal Zone Environmental
Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy
of Sciences, Yantai 264003, Shandong, China; 3Administration Bureau of the Yellow River Delta
National Nature Zone Reserve, Dongying 257500, Shandong, China).
Abstract: Using the Li⁃8150 multichannel automatic soil CO2 efflux system, soil respiration was
measured continuously over a one⁃year period in a coastal wetland in the Yellow River Delta, China.
Environmental and biological factors were measured simultaneously, including temperature, soil wa⁃
ter content, aboveground biomass and leaf area index. The results showed that the diurnal variation
of soil respiration presented a single⁃peak curve, but it appeared as multiple peaks when disturbed
by soil freezing and surface flooding. Soil respiration showed obvious seasonal dynamics and a single
peak curve. The average annual soil respiration was 0.85 μmol CO2·m
-2·s-1, and the mean soil
respiration rate was 1.22 μmol CO2·m
-2·s-1 during the growing season. On one⁃year scale, soil
temperature was a major factor influencing soil respiration in the coastal wetland, which explained
87.5% of the variation in soil respiration. On the growing season scale, soil water content and leaf
area index accounted for 85% of the seasonal variation of soil respiration.
Key words: coastal wetland; soil respiration; environmental factor; biological factor; Yellow River
Delta.
本文由国家自然科学基金项目(41301083)和中国科学院科技服务
网络计划项目(KFJ⁃EW⁃STS⁃127)资助 This work was supported by the
National Natural Science Foundation of China (41301083) and the Sci⁃
ence and Technology Service Network Initiative of the Chinese Academy
of Sciences (KFJ⁃EW⁃STS⁃127) .
2015⁃11⁃25 Received, 2016⁃03⁃02 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: gxhan@ yic.ac.cn
作为陆地生态系统的重要组成部分,湿地是多 种温室气体重要的源和汇,影响着 CO2 等重要温室
气体的全球平衡[1] .一方面,湿地是 CO2 的汇,即通
过湿地植物光合作用吸收大气中的 CO2 将其转化
为有机质,植物死亡后其残体经腐殖化作用和泥炭
化作用形成腐殖质和泥炭,储存在湿地土壤中.虽然
其面积仅占全球陆地表面积的 3%[2-3],但由于湿地
应 用 生 态 学 报 2016年 6月 第 27卷 第 6期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2016, 27(6): 1795-1803 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201606.003
植物较高的生产量和较低的分解率,使得湿地土壤
能储存大量有机碳.据估计,其碳储量可占到土壤碳
总蓄积量的 11%[4-5] .另一方面,湿地也是温室气体
的源,土壤中的有机质经微生物矿化分解产生的
CO2 被直接释放到大气中[1] .碳源的增加会加剧气
候变暖,这是碳循环与气候变暖间的一个正反馈效
应[6] .土壤呼吸是湿地生态系统碳素回到大气的主
要途径,由于湿地土壤碳库的巨大规模,湿地土壤呼
吸的微小变动都会引起大气 CO2 浓度较大的变化,
继而对全球气候产生影响[7] .
我国关于湿地土壤呼吸及其对环境因子和生物
因子响应的研究已有很多,主要集中在九龙江口红
树林湿地[8-9]、三江平原沼泽湿地[5,10]、盘锦湿
地[11]、嫩江湿地[12] .研究表明,湿地土壤呼吸的昼夜
变化多呈现出不对称的单峰型[11],且同一地点不同
季节测定的昼夜变化、土壤呼吸峰值出现的时间及
形式也有差异[8] .湿地土壤呼吸的季节动态曲线也
呈单峰型[8,12-15],夏季达到峰值[12] .湿地土壤呼吸动
态变化通常是由环境因子和生物因子等多种因素共
同作用导致的[16],且不同湿地类型及不同环境状况
下土壤呼吸变化的主导因子和机理也不同.多数研
究认为,在一定的范围内,湿地土壤呼吸强度与土壤
温度呈正相关[11,13],但是高温会抑制土壤中底栖光
合微生物的作用,因此土壤呼吸速率会随温度升高
而降低[8] .同时,土壤含水量通过影响生物活性、土
壤温度[13]和土壤通透性[11]等直接或间接影响土壤
呼吸.另外,地表水文状况对湿地土壤呼吸也有显著
影响.例如,地表积水对土壤呼吸起到抑制作用[3],
毛果苔草(Carex lasiocarpa)沼泽和小叶章(Deyeuxia
angustifolia)草甸土壤呼吸速率随水深的增加而降
低[5] .黄河三角洲滨海湿地地表积水导致土壤呼吸
日动态峰值推后或无单峰型规律[3] .此外,生物因子
也是影响湿地土壤呼吸的重要因素,地上生物
量[16]、根系生物量、叶面积指数、凋落物、微生物种
群是影响土壤呼吸的主要生物因子[17] .例如,地上
生物量主要通过地上凋落物提供大量土壤有机碳和
加强根际呼吸等途径间接影响土壤呼吸[18];根系呼
吸占生长季土壤呼吸的比例呈单峰型变化[19],可见
植物根系对湿地土壤呼吸,特别是生长季湿地土壤
呼吸的影响是不可忽略的;叶面积指数表征植物光
合生产力状况[20],是解释生长季土壤呼吸变异的重
要指标.
虽然国内针对湿地土壤呼吸的研究已有不少,
但仍存在土壤呼吸测定频率低 (每季测定一
次[9,21-22],每月测定一次[3-4,8,10,15],两周测定一
次[2,14]或者一周测定两次[23-24] )、注重生长季尺度
而缺乏全年尺度研究[2-3,10,12,25]、对湿地土壤呼吸白
天动态变化的研究多而对夜间动态变化的研究较
少[2-3,8,11]等不足.针对这些不足,本文采用 Li⁃8150
多通道土壤 CO2 通量自动测量系统,于 2013 年对
黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸进行了全年自动连续
测定(每 2 h测定一次),分析土壤呼吸日动态和季
节动态,阐明环境因子和生物因子对湿地土壤呼吸
的协同影响机制.在此基础上,对黄河三角洲滨海湿
地土壤呼吸进行动态模拟,并将其与国内其他湿地
平均土壤呼吸速率进行对比分析.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区概况
试验在中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态试
验站(37°45′50″ N,118°59′24″ E)进行.该地属暖温
带半湿润大陆性季风气候区,四季分明,雨热同期,
年平均气温 12.9 ℃,年降水量 550 ~ 640 mm[26] .受
平坦的地形和较高的地下水位影响[26],实验区土壤
以潮土和盐土分布最广[27],土壤质地主要为砂质黏
壤土[3] .植被属于温带落叶阔叶林群落,以草甸景观
为主体[26],尤以盐生草甸占显著地位[28] .实验区内
优势种为芦苇 ( Phragmites australis)、盐地碱蓬
(Suaeda salsa)、柽柳(Tamarix chinensis)和白茅( Im⁃
perata cylindrica).
1 2 土壤呼吸测定
在试验站内选择芦苇⁃碱蓬典型群落样地布设
Li⁃8100A自动土壤 CO2 通量测量系统(Li⁃Cor,Inc,
Lincoln,NE,USA),在其周围随机布置 4 个重复的
PVC环(高 11.4 cm,直径 21.3 cm,插入土壤深度为
8 cm,编号为 1、3、5、7),将 8100⁃104 长期观测气室
与 PVC环固定在一起并与 Li⁃8150 多路器相连接,
使用交流电变压为系统提供长期供电.土壤呼吸速
率测定在 2013年全年连续进行,每隔 2 h测定一次.
为减少放置 PVC 环对土壤的扰动造成对土壤呼吸
速率的影响,初次测定在 PVC 环插入土壤 24 h 后
进行.在尽可能不扰动地表凋落物的条件下,定期剪
除 PVC环内的绿色植物并定期检查数据和维护设
备以保证全年测定稳定进行.
1 3 环境因子和生物因子的测定
气温和降水量等气象数据通过试验区的微气象
观测站全天候 24 h自动采集.气温由距地面 3 m 高
处的空气温湿度传感器(HMP45C, Vaisala, Helsin⁃
6971 应 用 生 态 学 报 27卷
ki,Finland)测定,降水量通过距地面 0.7 m 高处的
自动雨量计(TE525MM, Texas Electronics, Dallas,
USA)测定.土壤因子的监测内容主要包括对土壤温
度和体积含水量的测定.土壤温度通过埋深 5、10、
20、30、50 cm 的土壤温度传感器(109SS,Campbell
Scientific, Logan, USA)测定,土壤湿度由埋深 10、
20、40、60、80、100 cm 的土壤湿度传感器 ( Enviro
SMART SDI⁃12,EnviroScan, Lancaster,USA)测定.以
上数据均通过数据采集器(CR1000, Campbell, Lo⁃
gan, USA)每 30 min在线采集一次并计算平均值和
自动存储.
地上生物量采集在生长季进行,从 2013 年 5 月
初开始,到 10月底结束,每月采集 2 次.地上生物量
测定采用收割法.在土壤呼吸测定样点附近随机选
取 5个 0.5 m×0.5 m 样方,测定样方内各种植物的
株数、株高、盖度、频数等指标,用剪刀将样方内的全
部植物齐地面剪下.将植物样品装入牛皮纸样品袋
中,在室内迅速剔除其中的枯草后,置于鼓风干燥箱
内,在 105 ℃下杀青 1 h,70 ℃下烘干至恒量并称量
生物量.叶面积指数通过植物冠层分析仪 ( LAI⁃
2000, LI⁃COR Inc, USA)测定,其假设条件是叶片
不透光、无反射、叶片排列和位置分布随机.叶面积
指数的测量在生长季进行,8 d 测量一次,每次随机
测量 5组数据取平均值.
1 4 数据处理
采用 Excel 2007 和 SPSS 21.0 软件对数据进行
统计分析.采用 Pearson法对土壤呼吸与各环境和生
物因子进行相关分析,用非线性回归分析方法分析
土壤呼吸与土壤温度的指数关系(式 1),用式(2)
计算土壤呼吸对温度变化的敏感程度(Q10),用多元
回归分析方法分析生长季各环境和生物因子对土壤
呼吸的协同影响.利用 SigmaPlot 12.5 软件作图.图
表中数据为平均值±标准差.
Rs =aebt (1)
Q10 =e10b (2)
式中:Rs 为土壤呼吸速率(μmol CO2·m
-2·s-1);t
为气温(℃);a、b为拟合参数.
2 结果与分析
2 1 土壤呼吸动态
2 1 1土壤呼吸和温度的日动态 土壤呼吸速率的
日动态呈现出明显的季节变化.黄河三角洲滨海湿
地土壤呼吸日变化主要表现出 3 种情况:1)在未受
干扰月份,土壤呼吸速率日变化呈单峰型,土壤呼吸
速率最大值出现在 12:00—14:00,最小值出现在
4:00—6:00,这一趋势与气温日变化相接近,但各月
土壤温度最大值较前二者均表现出 2 h 的滞后;2)
在温度最低的 1月,除 8:00—10:00外,白天土壤呼
吸速率均低于夜间,且 8:00—18:00 土壤呼吸变化
与气温变化呈相反趋势,5 cm深度土壤温度日变化
不显著;3)在雨季(7—9 月),土壤呼吸日变化也发
生改变,最低值均出现在温度快速上升的 8:00—
10:00,7和 9月日动态无明显规律,8月白天土壤呼
吸动态与气温日动态表现出相反的趋势,且白天土
壤呼吸速率明显低于夜间(图 1).
2 1 2土壤呼吸的季节动态 黄河三角洲滨海湿地
土壤呼吸速率的季节变化总体呈单峰型(图 2).全
年土壤呼吸速率均值为 0.85 μmol CO2·m
-2·s-1,
其中最高值出现在 8月 25日(3.08 μmol CO2·m
-2·
s-1),最低值出现在 2 月 13 日(0. 02 μmol CO2 ·
m-2·s-1).2013 年 1—7 月初土壤呼吸速率呈逐步
上升趋势,7月初进入雨季后土壤呼吸波动性增强,
7月 10日—8月 16 日,因降雨量大,试验区地面大
量积水,PVC环被积水淹没而导致土壤呼吸无法测
量.从 8 月 17 日积水消退恢复测量起,土壤呼吸速
率再次呈现出迅速上升趋势,并且在 8月 25日达到
全年最高日均值,9—12月土壤呼吸速率逐步下降.
2 2 滨海湿地环境因子和生物因子的季节变化
由图 2 可以看出, 2013 年全年平均气温为
12 09 ℃,与多年年均气温相当,最高月(8 月)和最
低月(1月)气温分别为 27.63和-4.63 ℃,气温与地
下 10 cm深度土壤温度的季节变化趋势较为接近,
温度值差异不大,但二者与地下 5 cm深度土壤温度
值及季节变化趋势存在一定差异.试验区全年降水
量为 634.1 mm,降水主要集中在 7—9月,占年降水
量的 65.6%.生长季土壤含水量变化趋势与同期降
水量一致.10 cm深度土壤含水量与 20 cm深度土壤
含水量的平均值分别为 44. 2%和 50. 4%,其中,
10 cm深度土壤湿度的波动较明显.生长季地上生物
量和叶面积指数具有明显动态变化,在生长季初期
植被快速生长,但在刚进入雨季时增速放缓,地上生
物量的最大值出现在 8 月底,为(635. 53 ± 46. 16)
g·m-2 .生长季末生物量减少.叶面积指数同样呈先
增后降的趋势,最大值出现在 7月底,为 0.62.
2 3 全年尺度上土壤温度对土壤呼吸的影响
由图 3 可以看出,全年土壤呼吸速率日均值与
土壤温度具有显著相关性.回归分析表明,土壤呼吸
79716期 陈 亮等: 环境因子和生物因子对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的影响
图 1 2013年滨海湿地土壤呼吸速率(A)、气温(B)和 5 cm深度土壤温度(C)的日动态
Fig.1 Diurnal dynamics of soil respiration rate (A), air temperature (B) and soil temperature at 5 cm depth (C) in 2013.
1~12: 1—12月 From January to December.
表 1 黄河三角洲湿地生长季土壤呼吸与土壤含水量和叶
面积指数的多元回归分析
Table 1 Multiple linear regression of soil respiration with
soil water content and leaf area index during the growing
season in the Yellow River Delta
参数
Parameter
系数
Coefficient
t P 偏 R2
Partial R2
常数
Constant
-3.756 0.909 -4.13 0.001
10 cm深度土壤含水量
Soil water content at 10
cm depth
0.118 0.024 5.00 <0.001 0.73
叶面积指数
Leaf area index
1.634 0.478 3.42 0.005 0.12
方程 Equation: SR=a+b×SWC+c×LAI (R2 = 0.85) .
速率与 10 cm深度土壤温度呈显著的指数函数关系
(R2 = 0. 875),土壤呼吸的温度敏感性系数 Q10
为 2.51.
2 4 生长季尺度上土壤含水量和叶面积指数对土
壤呼吸的协同影响
多元回归分析发现,在生长季,土壤含水量和叶
面积指数对土壤呼吸的协同影响达到 85%,二者分
别可解释生长季土壤呼吸 73%和 12%的变化(表
1).而土壤温度的影响在逐步回归中被剔除.
3 讨 论
3 1 土壤呼吸动态和速率
黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸日动态曲线主要
表现为单峰型和非单峰型两种.在未受干扰时,土壤
呼吸动态呈单峰型.这与锡林河中游湿地[2]、杭州湾
滨海湿地[6] 、九龙江口秋茄红树林湿地[9]的研究结
8971 应 用 生 态 学 报 27卷
图 2 滨海湿地环境因子、生物因子及土壤呼吸速率的季节变化
Fig.2 Seasonal variations of environmental factors, biological factors and soil respiration rate of coastal wetland.
Ta: 气温 Air temperature; T5 cm: 5 cm深度土壤温度 Soil temperature at 5 cm depth; T10 cm: 10 cm深度土壤温度 Soil temperature at 5 cm depth;
SWC10 cm: 10 cm深度土壤含水量 Soil water content at 10 cm depth; SWC20 cm: 20 cm深度土壤含水量 Soil water content at 20 cm depth; Babove:地
上生物量 Aboveground biomass; LAI: 叶面积指数 Leaf area index.
图 3 土壤呼吸速率与 10 cm深度土壤温度的指数方程
Fig.3 Exponential equations between soil respiration rate and
soil temperature at 10 cm depth.
果一致.在土壤冻结和地表积水等影响下,土壤呼吸
日动态发生改变,呈非单峰型.因土壤封冻,本区
2013年 1月 8:00—18:00 土壤呼吸动态与气温呈
相反趋势,这可能是由气温日变化影响下表层土壤
冻融过程引起的.在其他湿地研究中也出现过土壤
封冻改变土壤呼吸日动态的现象,如冰冻期盘锦湿
地芦苇群落土壤呼吸日动态呈双峰曲线,土壤呼吸
的最大值和最小值分别出现在 7:00和 15:00 左右,
最小值出现在 11:00,与气温日变化相反[11] .此外,
秋茄红树林湿地 1月的土壤呼吸日动态也发生了改
变[9] .在雨季,特别是 8 月,黄河三角洲滨海湿地白
天土壤呼吸动态与气温变化呈相反趋势,与朱敏
等[3]2012年生长季在本研究区观测的结果一致;这
可能是因为雨季土壤湿度达到饱和时,土壤温度波
动趋势发生改变,使峰值滞后,进而影响了土壤呼吸
日动态的波动规律.此外,雨季 PVC 环中的少量积
水也会抑制土壤微生物的活性,减弱土壤呼吸作
用[29] .同时,水体可以溶解部分 CO2,使 CO2 排放量
减少[3] .在其他湿地研究中也出现过雨季土壤呼吸
日动态呈非单峰型的情况[9,14] .
黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的季节动态总体
表现为夏季高于冬季,生长季高于非生长季,全年呈
单峰型曲线,其变化受环境因子和生物因子的共同
影响.春季温度回升,土壤微生物活性增强,特别是
进入生长季后植物萌发,根系呼吸加强,土壤呼吸速
率呈上升趋势;夏季是植物生长旺季和水热条件最
好的季节,土壤呼吸速率在 8 月达到峰值;8 月中旬
到生长季末期,随着温度降低、降水减少、植物生长
的衰退和枯萎,土壤呼吸速率逐渐下降;在非生长
季,土壤呼吸速率始终保持较低值,其变率远小于生
长季.这些现象与很多关于湿地土壤呼吸的研究结
果相同.例如,九龙江口秋茄林湿地的土壤呼吸季节
动态基本呈单峰曲线,最高和最低值分别出现在 7
和 12 月,这一动态与气象因子的变化有关[8];2007
年 7月—2008年 5 月,长江口潮滩的 4 个典型区域
采样点土壤呼吸动态均呈单峰形变化,高值区出现
99716期 陈 亮等: 环境因子和生物因子对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的影响
表 2 黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸与国内其他地区湿地的比较
Table 2 Comparisons of soil respiration in a coastal wetland in the Yellow River Delta with other wetlands in China
湿地类型
Wetland
type
地点
Site
气温
Air
temperature
(℃)
降雨量
Precipitation
(mm)
时间尺度
Time
scale
测定频率 /时间
Measurement
frequency / time
测定方法
Measured
method
植被
Vegetation
土壤呼吸速率
Soil
respiration rate
(μmol CO2·
m-2·s-1)
文献
Reference
沼泽湿地
Marsh
wetland
大兴安岭寒温带岛状林沼泽湿地
Island forested swamp in cool temper⁃
ate zone in the Great Khingan Range
-3 500 生长季 10天 1次 / 9:00—11:00 Ⅰ 白桦
Betula platyphylla
2.33 [12]
三江平原漂筏苔草沼泽
Carex pseudooccuraica
1.90 600 7—10月 每周 2次 / 9:00—11:00 Ⅰ 兴安落叶松
Larix gmelinii
1.97
marsh in the Saniang Plain 漂筏苔草
C. pseudocuraica
1.40 [23]
三江平原小叶章沼泽化草甸
Calamagrostis angustifostis
1.90 600 8—10月 每周 2次 / 9:00—11:00 Ⅰ 小叶章
D. angustifolia
2.43
medow in the Sanjiang Plain 1.90 550~600 全年 两天 1次、每周两次、每
月 1次 / 9:00—11:00
Ⅰ 小叶章
D. angustifolia
1.27 [5]
1.90 600 生长季 每月 3次 / - Ⅱ 小叶章
D. angustifolia
1.14 [10]
1.90 550~600 生长季 每月 1次, 8:30—11:30 Ⅲ 小叶章
D. angustifolia
5.19 [30]
三江平原草甸湿地
Meadow marsh in the Sanjiang Plain
1.6~1.9 565~600 生长季 每月 3次 / - Ⅱ 小叶章
D. angustifolia
1.62 [10]
三江平原毛果苔草沼泽湿地
Carex lasiocarpa marsh in the Sanjiang
Plain
1.90 550~600 全年 两天 1次、每周 2 次、每
月 1次 / 9:00—11:00
Ⅰ 毛果苔草
C. lasiocarpa
0.83 [5]
三江平原恢复湿地
Construction wetland in the Sanjiang
Plain
1.90 600 8—10月 每周 2次 / 9:00—11:00 Ⅰ - 2.18 [23]
青藏高原高寒湿地
Alpine wetland on the Qinghai⁃Xizang
Plateau
-1.14 489.02 7—9月 1 ~ 2 周 1 次 / 9: 00—
12:00
Ⅲ 帕米尔薹草、藏嵩草
C. pamirensis,
Kobresia tibetica
1.20 [25]
若尔盖高原沼泽化草甸
Peat mire in Ruoergai Plateau
-1.7~3.3 650~750 生长季 每周 2次 / 24 h日动态 Ⅰ 藏蒿草、花葶驴蹄草
K. tibetica, Altha
scaposa
2.69 [24]
河流湿地
River
wetland
锡林河中游典型草原区湿地
Wetland in the Xilin River Basin
- - 8—10月 每月 2次 / 6:00—18:00 Ⅲ 羊草
Areurolepidium
chinense
4.94 (围封样地) [2]
米氏冰草
Apropyron michnol
4.89 (放牧样地)
湖泊湿地
Lake
wetland
鄱阳湖苔草湿地
C. dominated wetland in Poyang
Lake
17.6 1450~1550 9月至
次年 4月
每月 2次 / 9:00—11:00 Ⅰ 灰化苔草
C. cinerascens
1.81 [31]
干旱区艾比湖湿地
Ebinur Lake wetland in arid area
6~8 90.9 9—10月
3年
每季 1次 / 6:00—18:00 Ⅲ 胡杨、芦苇
Populus euphratica,
P. australlis
3.61
1.11
[22]
扎龙湿地水旱交错区
Riparian zone of Zhalong wetland
- - 5—8月 每月 2次 / 24 h日动态 Ⅲ 芦苇
P. australis
0.60 (白天)
0.40 (夜晚)
[32]
滨海湿地
Coastal
wetland
长江口潮滩
Tidal flat of Yangtze Estuary
15.2~15.7 1149 全年 每月 2次 / 9:00—11:00 Ⅰ 海三棱藨草
Scirpus mariqueter
0.65 (吴淞口)
0.21 (白龙港)
0.14 (东海农场)
0.12 (奉新)
[15]
九龙江口秋茄红树林湿地
Kandelia candel mangrove wetland
in Jiulongjiang Estuary
21 1371 全年 每个季节 1 次 / 24 h 日
动态
Ⅲ 秋茄纯林
K. candel
2.50 [9]
黄河三角洲芦苇湿地
Reed wetlands in the
11.7~12.6 530~630 全年 每个季节 1 次 / 24 h 日
动态
Ⅲ 芦苇
P. australis
0.24 [21]
Yellow River Delta 12.9 530~630 生长季 每月 2次 / 6:00—18:00 Ⅲ 芦苇
P. australis
1.67 [3]
12.09 634.1 生长季 连续测定 / 24 h日动态 Ⅲ 芦苇、盐地碱蓬
P. australis,
Suaeda salsa
1.22 本研究
12.09 634.1 非生长季 0.21
12.09 634.1 全年 0.85
Ⅰ: 静态暗箱 /气象色谱 Static closed chamber-gas chromatograph; Ⅱ:静态箱 /碱液吸收法 Alkali absorption method; Ⅲ:红外 CO2 分析仪 Infrared
CO2 analyzer.
0081 应 用 生 态 学 报 27卷
在温度最高的夏季[15];三江平原草甸湿地土壤呼吸
动态在生长季呈单峰型曲线,土壤呼吸最大值出现
在 8月中旬[10] .
通过对比可以发现,国内各湿地土壤呼吸平均
值存在较大差异(表 2),这主要是由于各区域湿地
所处的不同气候和植被状况引起的,也与测定仪器
和频率的不同有关.黄河三角洲滨海湿地年平均土
壤呼吸速率为 0.85 μmol CO2·m
-2·s-1,低于三江
平原小叶章沼泽化草甸[5]、干旱区艾比湖湿地[22]、
九龙江口红树林湿地[9],高于长江口潮滩[15],与三
江平原毛果苔草沼泽湿地相当,总体处于中等偏下
水平.2012年 9月—2013年 7 月在黄河三角洲自然
保护区所测年平均值为 0. 24 μmol CO2 ·m
-2 ·
s-1[21],明显低于本研究,可能与其采取每个季节仅
选择一昼夜测定土壤呼吸日动态而非连续观测有
关.在生长季,国内湿地年平均土壤呼吸速率为
0.60~5.19 μmol CO2·m
-2·s-1[2-3,10,12,23-25,30-32],黄
河三角洲滨海湿地生长季平均土壤呼吸速率(1.22
μmol CO2·m
-2·s-1)在与其他湿地的比较中处于
较低水平,与青藏高原高寒湿地相当[25],仅高于杨
柯等[32]在扎龙湿地水旱交错区所测结果.本研究结
果同样低于本研究区 2012 年生长季的测定结果
(1.67 μmol·m-2·s-1) [3],可能是因为其仅对土壤
呼吸白天的动态(6:00—18:00)进行了测量,没有
考虑夜间土壤呼吸速率降低的情况.
3 2 环境因子和生物因子对土壤呼吸的协同影响
在全年尺度上,土壤温度是控制黄河三角洲滨
海湿地土壤呼吸季节变化的关键因子,使用指数函
数土壤温度可解释全年土壤呼吸 87.5%的变异.很
多研究表明,温度是调节和控制陆地生态系统生物
地球化学过程的关键因子[15,33],对湿地土壤微生物
活性及植物的生理活动均有重要影响,进而影响土
壤呼吸速率.在一定范围内,温度的升高可以增强微
生物活性,促进微生物的代谢[34]和氧化分解等活
动[4],加快凋落物的分解[33],从而促进土壤微生物
呼吸;温度升高会促进植物和植物根系生长[22],增
强根系呼吸.此外,温度的升高可促进土壤中 CO2 的
传输和排放[35-36],在一定范围内温度升高能增大土
壤 CO2 的排放速率[37
-38] .但温度过高也会抑制土壤
中底栖光合微生物的作用,进而降低土壤呼吸速
率[8] .
在生长季尺度上,土壤含水量和叶面积指数对
黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的协同影响达到
85%,二者分别解释生长季土壤呼吸 73%和 12%的
变化.土壤水分对土壤呼吸的影响较为复杂,不仅影
响根系呼吸和微生物呼吸,还影响 CO2 在土壤中的
传输,尤其是当土壤水分成为胁迫因子时,可能取代
温度而成为土壤呼吸的主要控制因子[17,39] .土壤含
水量过低会影响植物根系和微生物的代谢活动,从
而限制微生物呼吸和根系呼吸[40];土壤含水量比较
充足时,土壤含水量不是土壤呼吸的主要限制因子;
而当土壤含水量超过一定阈值,会阻塞土壤空隙,减
少土壤中 CO2 浓度,限制 CO2 的释放[17,41] .此外,土
壤水分还是控制凋落物分解速率及其分解过程的重
要因素[42],是好氧微生物活性最主要的控制因
素[40] .相对于其他生态系统,湿地受湿度过低影响
而对土壤呼吸产生胁迫的情况较少[11],有不少湿地
土壤呼吸与土壤含水量不相关的报道[15,32] .而在本
研究中,土壤含水量是影响生长季土壤呼吸速率的
主要因子.叶面积指数是衡量植被覆盖度的指标之
一,在模拟土壤呼吸变异时常被作为植物特征变
量[25,43] .叶面积指数不仅可以反映植物的生产力状
况,而且可以直接影响植被覆盖下土壤的微气候,对
土壤呼吸的季节变化有重要影响.研究表明,无论在
区域尺度还是全球尺度上,土壤呼吸与叶面积指数
均呈正相关[33] .叶面积指数作为表征植物光合作用
能力的一个关键指标,其大小决定了输送到地下的
植物光合产物的多少[20],进而影响根呼吸和根际微
生物呼吸[44-45],并对土壤呼吸产生影响.
4 结 论
在多数月份黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸日动
态呈单峰型,与 5 cm 深度土壤温度的变化趋势一
致.但冬季土壤封冻和雨季地表积水均会干扰温度
对土壤呼吸日动态的影响,使其日变化呈多峰型.土
壤呼吸季节动态呈单峰型,总体表现出夏季高于冬
季,生长季高于非生长季的特征.在全年尺度上,土
壤温度是控制黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸日变化
和季节变化的关键因子.在生长季,土壤含水量和叶
面积指数的协同影响决定着土壤呼吸变化.不管在
全年还是生长季尺度,黄河三角洲滨海湿地土壤呼
吸速率在与国内其他湿地的比较中均处于中等偏下
水平.
参考文献
[1] Liu Z⁃G (刘子刚). Carbon stock and GHG emission of
wetland ecosystem. Scientia Geographica Sinica (地理科
学), 2004, 24(5): 634-639 (in Chinese)
[2] Gao J (高 娟), Wang L⁃X (王立新), Wang W (王
10816期 陈 亮等: 环境因子和生物因子对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的影响
炜), et al. Comparative research on soil respiration of
wetland plant communities under different utilizations in
Xilin River Basin. Journal of Inner Mongolia University
(Natural Science) (内蒙古大学学报: 自然科学版),
2011, 42(4): 404-411 (in Chinese)
[3] Zhu M (朱 敏), Zhang Z⁃H (张振华), Yu J⁃B (于
君宝), et al. Effect of nitrogen deposition on soil respi⁃
ration in Phragmites australis wetland in the Yellow Ri⁃
ver Delta, China. Chinese Journal of Plant Ecology (植
物生态学报), 2013, 37(6): 517-529 (in Chinese)
[4] Zhao K (赵 魁), Yao D⁃X (姚多喜), Zhang Z⁃G
(张治国), et al. Soil respiration characteristics and its
influencing factors in Datong Phragmites australis eco⁃
logical wetland. Chinese Agricultural Science Bulletin
(中国农学通报), 2013, 29(11): 126-131 ( in Chi⁃
nese)
[5] Jiang C⁃S (江长胜), Hao Q⁃J (郝庆菊), Song C⁃C
(宋长春), et al. Effects of marsh reclamation on soil
respiration in the Sanjiang Plain. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2010, 30(17): 4539 - 4548 ( in Chi⁃
nese)
[6] Yang W⁃Y (杨文英), Shao X⁃X (邵学新), Wu M
(吴 明), et al. Effects of simulated short⁃term eleva⁃
ted temperature on soil respiration rate in the reed com⁃
munity in Hangzhou Bay wetland. Journal of Southwest
University (Natural Science) (西南大学学报: 自然科
学版), 2012, 34(3): 83-89 (in Chinese)
[7] Jia J⁃W (贾建伟), Wang L (王 磊), Tang Y⁃S (唐
玉姝), et al. Variability in and factors influencing soil
microbial respiration in the Jiuduansha wetland under
different successional stages. Acta Ecologica Sinica (生
态学报), 2010, 30(17): 4529-4538 (in Chinese)
[8] Jin L (金 亮), Lu C⁃Y (卢昌义), Ye Y (叶
勇), et al. Seasonal variation of soil respiration rate and
its influence factors in Kandelia candel mangrove wetland
in Jiulongjiang River Estuary. Journal of Applied
Oceanography (应用海洋学学报), 2013, 32(4): 557-
562 (in Chinese)
[9] Lu C⁃Y (卢昌义), Jin L (金 亮), Ye Y (叶
勇), et al. Diurnal variation of respiration and its tem⁃
perature sensitivity in Kandelia candel mangrove wet⁃
land. Journal of Xiamen University ( Natural Science)
(厦门大学学报: 自然科学版), 2012, 51(4): 793-
797 (in Chinese)
[10] Yang J⁃S (杨继松), Liu J⁃S (刘景双), Sun L⁃N (孙
丽娜), et al. CO2 ⁃release rate of soil respiration and lit⁃
ter decomposition of meadow marshes in Sanjiang Plain.
Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2008, 28(2): 805-
810 (in Chinese)
[11] Xie Y⁃B (谢艳兵), Jia Q⁃Y (贾庆宇), Zhou L (周
莉), et al. Soil respiration and its controlling factors at
Phragmites communis wetland in Panjin. Journal of Me⁃
teorology and Environment (气象与环境学报), 2006,
22(4): 53-58 (in Chinese)
[12] Liu X (刘 霞), Hu H⁃Q (胡海清), Li W⁃H (李为
海), et al. Soil respiration rate and its seasonal variation
of island forested swamp in cool temperate zone. Acta
Ecologica Sinica (生态学报), 2014, 34(24): 7356-
7364 (in Chinese)
[13] Yang Q (杨 青), Lv X⁃G (吕宪国). A preliminary
study on the soil respiration in wetland ecosystem of San⁃
jiang Plain. Chinese Journal of Soil Science (土壤通
报), 1999, 30(6): 254-256 (in Chinese)
[14] Du Z⁃X (杜紫贤), Zeng H⁃D (曾宏达), Huang X⁃H
(黄向华), et al. Soil respiration and controlling factors
at Phragmites communis community in riverside wet⁃
lands. Journal of Subtropical Resources and Environment
(亚热带资源与环境学报), 2010, 5(3): 49-55 ( in
Chinese)
[15] Nie M⁃H (聂明华), Liu M (刘 敏), Hou L⁃J (侯
立军), et al. Seasonal variation of soil respiration and
its influence factors in tidal flat of Yangtze Estuary. Acta
Scientiae Circumstantiae (环境科学学报), 2011, 31
(4): 824-831 (in Chinese)
[16] Han G⁃X (韩广轩), Zhou G⁃S (周广胜). Review of
spatial and temporal variations of soil respiration and
driving mechanisms. Chinese Journal of Plant Ecology
(植物生态学报), 2009, 33(1): 197-205 ( in Chi⁃
nese)
[17] Wang M (王 铭), Liu X⁃T (刘兴土), Zhang J⁃T
(张继涛), et al. Spatio⁃temporal variations of soil res⁃
piration in five typical plant communities in the meadow
steppe of the western Songnen Plain, China. Chinese
Journal of Plant Ecology (植物生态学报), 2014, 38
(3): 396-404 (in Chinese)
[18] Hou J⁃F (侯建峰), Lv X⁃T (吕晓涛), Wang C (王
超), et al. Variation of soil respiration and its underly⁃
ing mechanism in grasslands of northern China. Chinese
Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2014, 25
(10): 2840-2846 (in Chinese)
[19] Zhang X⁃Y (张晓雨), Zhang S (张 赛), Wang L⁃C
(王龙昌), et al. Contribution of root respiration to soil
respiration based on straw mulching in wheat growing
season. Acta Scientiae Circumstantiae (环境科学学
报), 2014, 34(11): 2846-2852 (in Chinese)
[20] Chen S⁃T (陈书涛), Liu Q⁃H (刘巧辉), Hu Z⁃H
(胡正华), et al. Factors influencing the spatial varia⁃
bility in soil respiration under different land use regimes.
Environmental Science (环境科学), 2013, 34 ( 3):
1017-1025 (in Chinese)
[21] Jia H⁃L (贾红丽). The Apparent Soil Respiration Flux
and Organic Carbon Mineralization Simulation in Typical
Wetlands in Yellow River Delta. Master Thesis. Qing⁃
dao: Ocean University of China, 2014 (in Chinese)
[22] Qin L (秦 璐), Lv G⁃H (吕光辉), Zhang X⁃N (张
雪妮), et al. Spatial heterogeneity of soil respiration at
Ebinur Lake wetland nature reserve in arid area. Arid
Land Geography (干旱区地理), 2014, 37(4): 704-
712 (in Chinese)
[23] Hao Q⁃J (郝庆菊), Wang Y⁃S (王跃思), Song C⁃C
(宋长春), et al. Primary study on CO2 and CH4 emis⁃
sions from wetland soils in the Sanjiang Plain. Journal of
Agro⁃environment (农业环境科学学报), 2004, 23
(5): 846-851 (in Chinese)
[24] Wang D⁃X (王德宣), Song C⁃C (宋长春), Wang Y⁃S
(王跃思), et al. Carbon dioxide flux from peat mire in
Ruoergai Plateau. Ecology and Environment (生态环
境), 2005, 14(6): 880-883 (in Chinese)
[25] Wang H (汪 浩), Yu L⁃F (于凌飞), Chen L⁃T (陈
立同), et al. Responses of soil respiration to reduced
2081 应 用 生 态 学 报 27卷
water table and nitrogen addition in an alpine wetland on
the Qinghai⁃Xizang Plateau. Chinese Journal of Plant
Ecology (植物生态学报), 2014, 38(6): 619- 625
(in Chinese)
[26] Han GX, Xing QH, Yu JB, et al. Agricultural reclama⁃
tion effects on ecosystem CO2 exchange of a coastal wet⁃
land in the Yellow River Delta. Agriculture, Ecosystems
and Environment, 2014, 196: 187-198
[27] Cui B⁃L (崔步礼), Chang X⁃L (常学礼), Chen Y⁃L
(陈雅琳), et al. The impact of hydrological character⁃
istics of the Yellow River coastline changes in the Yellow
River Delta. Journal of Natural Resources (自然资源学
报), 2006, 21(6): 957-964 (in Chinese)
[28] Han G⁃X (韩广轩), Li Y⁃Z (栗云召), Yu J⁃B (于君
宝), et al. Evolution process and related driving mecha⁃
nisms of Yellow River Delta since the diversion of
Yellow River. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2011, 22(2): 467-472 (in Chinese)
[29] Zhang X⁃Y (张徐源), Yan W⁃D (闫文德), Zheng W
(郑 威), et al. Effects of nitrogen deposition on soil
respiration of Pinus elliottii. Chinese Agricultural Science
Bulletin (中国农学通报), 2012, 28(22): 5-10 ( in
Chinese)
[30] Wang J⁃B (王建波), Ni H⁃W (倪红伟), Fu X⁃L (付
晓玲), et al. Responses of soil respiration to nitrogen
deposition in Calamagrostis angustifolia marshy meadow
in Sanjiang Plain. Wetland Science (湿地科学), 2014,
12(1): 66-72 (in Chinese)
[31] Hu Q⁃W (胡启武), Xing R⁃X (幸瑞新), Zhu L⁃L
(朱丽丽), et al. Characteristics of CO2 emission from
Carex dominated wetland in Poyang Lake in non⁃flooded
period. Chinese Journal of applied Ecology (应用生态学
报), 2011, 22(6): 1431-1436 (in Chinese)
[32] Yang K (杨 柯), Liu G⁃D (刘国栋), Liu F (刘
飞), et al. Soil respiration in riparian zone of Zhalong
wetland, northeastern China. Earth Science Frontiers
(地学前缘), 2011, 18(6): 94-100 (in Chinese)
[33] Peng SS, Piao SL, Wang T, et al. Temperature sensiti⁃
vity of soil respiration in different ecosystems in China.
Soil Biology & Biochemistry, 2009, 41: 1008-1014
[34] Wan SQ, Luo YQ. Substrate regulation of soil respiration
in a tall grass prairie: Results of a clipping and shading
experiment. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17:
405-414
[35] Chen Q⁃S (陈全胜), Li L⁃H (李凌浩), Han X⁃G
(韩兴国), et al. Influence of temperature and soil
moisture on soil respiration of a degraded steppe commu⁃
nity in the Xilin river basin of Inner Mongolia. Chinese
Journal of Plant Ecology (植物生态学报), 2003, 27
(2): 202-209 (in Chinese)
[36] Qin X⁃G (秦小光), Cai B⁃G (蔡炳贵), Wu J⁃S (吴
金水), et al. The diurnal variations of soil CO2 source,
sink and flux in grassland of Lingshan Mts., Beijing and
their relationships with temperature and soil moisture.
Ecology and Environment (生态环境), 2004, 13(4):
470-475 (in Chinese)
[37] Lu Y (卢 妍), Song C⁃C (宋长春), Wang Y⁃Y (王
毅勇), et al. Diurnal variation of CO2 emission flux
from Carex lasiocarp marsh in the Sanjiang Plain. Wet⁃
land Science (湿地科学), 2008, 6(1): 69- 74 ( in
Chinese)
[38] Zheng ZM, Yu GR, Fu YL, et al. Temperature sensiti⁃
vity of soil respiration is affected by prevailing climatic
conditions and soil organic carbon content: A trans⁃Chi⁃
na based case study. Soil Biology & Biochemistry, 2009,
41: 1531-1540
[39] Jia B⁃R (贾丙瑞), Zhou G⁃S (周广胜), Wang F⁃Y
(王风玉), et al. A comparative study on soil respira⁃
tion between grazing and fenced typical Leymus chinensis
steppe, Inner Mongolia. Chinese Journal of Applied Eco⁃
logy (应用生态学报), 2004, 15(9): 1611-1615 (in
Chinese)
[40] Liang C, Das KC, McClendon RW. The influence of
temperature and moisture contents regimes on the aero⁃
bic microbial activity of a biosolids composting blend.
Bioresource Technology, 2003, 86: 131-137
[41] Bouma TJ, Nielsen KL, Eissenstat DM. Estimating res⁃
piration of roots in soil: Interactions with soil CO2, soil
temperature and soil water content. Plant and Soil,
1997, 195: 221-232
[42] Jia B, Zhou G, Wang Y, et al. Effects of temperature
and soil water content on soil respiration of grazed and
ungrazed Leymus chinensis steppes, Inner Mongolia.
Journal of Arid Environments, 2006, 67: 60-67
[43] Bahn M, Rodeghiero M, Anderson⁃Dunn M, et al. Soil
respiration in European grasslands in relation to climate
and assimilate supply. Ecosystems, 2008, 11: 1352 -
1367
[44] Jing Y⁃L (井艳丽), Guan D⁃X (关德新), Wu J⁃B
(吴家兵), et al. Research progress on photosynthesis
regulating and controlling soil respiration. Chinese Jour⁃
nal of Applied Ecology (应用生态学报), 2013, 24
(1): 269-276 (in Chinese)
[45] Kuzyakov Y, Gavrichkova O. Time lag between photo⁃
synthesis and carbon dioxide efflux from soil: A review
of mechanisms and controls. Global Change Biology,
2010, 16: 3386-3406
作者简介 陈 亮,男,1989年生,硕士研究生. 主要从事湿
地碳收支研究. E⁃mail: chenliangformal@ 126.com
责任编辑 孙 菊
陈亮, 刘子亭, 韩广轩, 等. 环境因子和生物因子对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的影响. 应用生态学报, 2016, 27(6): 1795-
1803
Chen L, Liu Z⁃T, Han G⁃X, et al. Effects of environmental and biotic factors on soil respiration in a coastal wetland in the Yellow Ri⁃
ver Delta, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(6): 1795-1803 (in Chinese)
30816期 陈 亮等: 环境因子和生物因子对黄河三角洲滨海湿地土壤呼吸的影响