全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 17 期摇 摇 2013 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
植物角质层蜡质的化学组成研究综述 曾摇 琼,刘德春,刘摇 勇 (5133)…………………………………………
中国滨海盐沼湿地碳收支与碳循环过程研究进展 曹摇 磊,宋金明,李学刚,等 (5141)…………………………
个体与基础生态
秸秆隔层对盐碱土水盐运移及食葵光合特性的影响 赵永敢,逄焕成,李玉义,等 (5153)………………………
盐地碱蓬二型性种子及其幼苗对盐渍环境的适应性 刘摇 艳,周家超,张晓东,等 (5162)………………………
不同抗旱性花生品种的根系形态发育及其对干旱胁迫的响应 丁摇 红,张智猛,戴良香,等 (5169)……………
夏季苹果新梢生理指标与抗苹果绵蚜的关系 王西存,周洪旭,于摇 毅,等 (5177)………………………………
花期海蓬子对盐胁迫的生理响应 刘伟成,郑春芳,陈摇 琛,等 (5184)……………………………………………
白蜡多年卧孔菌生物学特性及驯化栽培 鲁摇 铁,图力古尔 (5194)………………………………………………
重度火烧迹地微地形对土壤微生物特性的影响———以坡度和坡向为例
白爱芹,傅伯杰,曲来叶,等 (5201)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
秸秆还田与施肥对稻田土壤微生物生物量及固氮菌群落结构的影响 刘骁蒨,涂仕华,孙锡发,等 (5210)……
大穗型小麦叶片性状、养分含量及氮素分配特征 王丽芳,王德轩,上官周平 (5219)……………………………
复合不育剂 EP鄄1对小鼠空间记忆与焦虑行为的影响 王晓佳,秦婷婷,胡摇 霞,等 (5228)……………………
种群、群落和生态系统
小兴安岭阔叶红松混交林林隙特征 刘少冲,王敬华,段文标,等 (5234)…………………………………………
高寒矮嵩草群落退化演替系列氮、磷生态化学计量学特征 林摇 丽,李以康,张法伟,等 (5245)………………
中亚热带人工针叶林生态系统碳通量拆分差异分析 黄摇 昆,王绍强,王辉民,等 (5252)………………………
高寒山区一年生混播牧草生态位对密度的响应 赵成章,张摇 静,盛亚萍 (5266)………………………………
乳山近海大型底栖动物功能摄食类群 彭松耀,李新正 (5274)……………………………………………………
景观、区域和全球生态
采伐干扰对大兴安岭落叶松鄄苔草沼泽植被碳储量的影响 牟长城,卢慧翠,包摇 旭,等 (5286)………………
西南喀斯特地区轮作旱地土壤 CO2 通量 房摇 彬,李心清,程建中,等 (5299)…………………………………
干湿季节下基于遥感和电磁感应技术的塔里木盆地北缘绿洲土壤盐分的空间变异性
姚摇 远,丁建丽,雷摇 磊,等 (5308)
…………………………
……………………………………………………………………………
东北温带次生林和落叶松人工林土壤 CH4 吸收和 N2O排放通量 孙海龙,张彦东,吴世义 (5320)……………
新疆东部天山蝶类多样性及其垂直分布 张摇 鑫,胡红英,吕昭智 (5329)………………………………………
玉米农田空气动力学参数动态及其与影响因子的关系 蔡摇 福,周广胜,明惠青,等 (5339)……………………
天山北坡家庭牧场复合系统对极端气候的响应过程 李西良,侯向阳,丁摇 勇,等 (5353)………………………
大城市边缘区景观破碎化空间异质性———以北京市顺义区为例 李摇 灿,张凤荣,朱泰峰,等 (5363)…………
资源与产业生态
基于 GLBM模型的中国大陆阿根廷滑柔鱼鱿钓渔业 CPUE标准化 陆化杰,陈新军,曹摇 杰 (5375)…………
三峡库区古夫河水质时空分异特征 冉桂花,葛继稳,苗文杰,等 (5385)…………………………………………
城乡与社会生态
汉、藏、回族地区农户的环境影响———以甘肃省张掖市、甘南藏族自治州、临夏回族自治州为例
赵雪雁,毛笑文 (5397)
………………
…………………………………………………………………………………………
研究简报
中国近海浮游动物群落结构及季节变化 杜明敏,刘镇盛,王春生,等 (5407)……………………………………
海洋污染物对菲律宾蛤仔的免疫毒性 丁鉴锋,闫喜武,赵力强,等 (5419)………………………………………
衰亡期沉水植物对水和沉积物磷迁移的影响 王立志,王国祥 (5426)……………………………………………
伊洛河流域外来草本植物分布格局 郭屹立,丁圣彦,苏摇 思,等 (5438)…………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*32*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄09
封面图说: 帽儿山次生林林相———帽儿山属于长白山山脉的张广才岭西坡,松花江南岸支流阿什河的上游,最高海拔 805m,由
侏罗纪中酸性火山岩构成,是哈尔滨市附近的最高峰,因其貌似冠状而得名。 东北林业大学于 1958 年在此建立了
实验林场。 山上生长着松树、榆树、杨树及各种灌木等,栖息着山鸡、野兔等野生动物,在茂密的草地上还生长有各
种蘑菇。 其地带性植被为温带针阔混交林,目前状况为天然次生林。 部分地方次生林转变为落叶松人工林后,落叶
松林地的凋落物层影响了林地土壤水分的格局。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 17 期
2013年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.17
Sep.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然基金(40872212);中国科学院战略性科技先导专项(碳专项);贵州省农业攻关计划项目(黔科合 NY字[2011]3079号)
收稿日期:2012鄄06鄄16; 摇 摇 修订日期:2012鄄10鄄26
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xinqinglee@ hotmail.com
DOI: 10.5846 / stxb201206160864
房彬,李心清,程建中,王兵,程红光,张立科,杨放.西南喀斯特地区轮作旱地土壤 CO2通量.生态学报,2013,33(17):5299鄄5307.
Fang B, Li X Q, Cheng J Z, Wang B, Cheng H G, Zhang L K, Yang F.CO2 flux in the upland field with corn鄄rapeseed rotation in the karst area of
southwest China.Acta Ecologica Sinica,2013,33(17):5299鄄5307.
西南喀斯特地区轮作旱地土壤 CO2通量
房摇 彬1,2,李心清1,*,程建中1,王摇 兵1,程红光1,张立科1,2,杨摇 放1,2
(1. 中国科学院地球化学研究所 环境地球化学国家重点实验室, 贵阳摇 550002;2. 中国科学院大学, 北京摇 100049)
摘要:中国已承诺大幅降低单位 GDP 碳排放,农业正面临固碳减排的重任。 西南喀斯特地区环境独特,旱地面积占据优势比例,
土壤碳循环认识亟待加强。 以贵州省开阳县玉米鄄油菜轮作旱地为研究对象,采用密闭箱鄄气相色谱法对整个轮作期土壤 CO2释放
通量进行了观测研究,结果表明:(1)整个轮作期旱地均表现为 CO2的释放源。 其中油菜生长季土壤 CO2通量为(178.8依104郾 8) mg
CO2·m
-2·h-1,玉米生长季为(403.0依178.8) mg CO2·m
-2·h-1,全年平均通量为(271.1依176.4) mg CO2·m
-2·h-1,高于纬度较高地区的农
田以及同纬度的次生林和松林;(2)CO2通量日变化同温度呈现显著正相关关系,季节变化与温度呈现显著指数正相关关系,并
受土壤湿度的影响,基于大气温度计算得出的 Q10为 2.02,高于同纬度松林以及低纬度的常绿阔叶林;(3)CO2通量与土壤 pH存
在显著线性正相关关系,显示出土壤 pH是研究区旱地土壤呼吸影响因子之一。
关键词:土壤 CO2通量;温度;湿度;喀斯特地区
CO2 flux in the upland field with corn鄄rapeseed rotation in the karst area of
southwest China
FANG Bin1,2, LI Xinqing1,*, CHENG Jianzhong1, WANG Bing1, CHENG Hongguang1, ZHANG Like1,2,
YANG Fang1,2
1 State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institution of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China
2 University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China
Abstract: Farmland ecosystems constitute great carbon sources in terrestrial ecosystems and have important influence on the
global carbon cycle. As China has promised to reduce carbon emission significantly, China忆 s agriculture is facing the
challenge of carbon sequestration and reduction of carbon emission. As the environment in karst area of southwest China is
unique and upland field covers a large scale, further research is badly needed to quantify diurnal and seasonal variations of
soil CO2 flux, and to investigate the effects of temperature, soil water content and soil properties on soil CO2 flux.
Taking upland field with corn鄄rapeseed rotation in Kaiyang country of Guizhou province as our study subject, we used
static enclosed chamber coupled with GC to observe the soil CO2 flux of all the rotation period. Continuous measurements of
soil temperature and moisture were conducted together with several other physical and chemical properties of the soil. It was
found that the upland with corn鄄rapeseed rotation performed as the source of CO2 . The mean CO2 flux was (178.8依104.8)
mg CO2·m
-2·h-1 in the rapeseed growing season, (403.0 依 178. 8) mg CO2·m
-2·h-1 in the maize growing season, and
(271郾 09依176.37) mg CO2·m
-2·h-1 for the whole rotation period. These values are in the upper part of the range of
published soil鄄surface CO2 flux date. There were significant positive correlations between soil CO2 flux and temperature in
both diurnal changes and seasonal fluctuations. The diurnal fluctuations of CO2 flux showed similar patterns and fluctuated
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from minimum around 12 pm to maximum at 1 pm to 3 pm. For the seasonal variations, soil CO2 flux was positively
correlated with temperature in the whole crop rotation with the minimum value of 31.10 mg CO2·m
-2·h-1 in February and the
maximum value of 665. 46 mg CO2·m
-2·h-1 in August. An exponential function provided the best fit for describing the
relationship between seasonal soil CO2 flux and temperature for the whole crop rotation, with the higher correlation found
with the soil temperature at 5 cm depth. About 86. 7% of the seasonal soil CO2 flux variations can be explained by air
temperature, while 80. 5% by the soil temperature at 5 cm depth. The results showed that the temperature was the
determinant factor controlling temporal variation of soil CO2 flux both diurnally and seasonally. The correlations between soil
CO2 flux and soil water content differed for the two kinds of crops. For the rapeseed growing season when soil water content
was relatively high, the soil CO2 flux and soil water content had a positive correlation. While there was a negative
relationship between soil CO2 flux and soil water content for the maize growing season. Both the relationships were not
statistically significant which indicated that the soil water content was not the determinant factor for the soil CO2 flux
changes. The Q10 value was calculated as 2. 02 based on the atmospheric temperature, higher than pinewood at similar
latitudes and evergreen broad鄄leaved forest at lower latitudes. This meant that the upland field corresponded more sensitively
to the temperature changes. The significant positive correlation between soil CO2 flux and soil pH indicated that the soil CO2
flux was influenced by several parameters at the same time.
Key Words: soil CO2 flux; temperature; moisture; karst area
土壤碳库是地球表层系统中最大、最活跃的碳库之一[1]。 土壤呼吸作用是土壤碳库向大气输出主要方
式,包含植物根系的自养呼吸和微生物的异养呼吸[2]。 据估算,2008年全球土壤碳库向大气中的碳输出量为
(98依12) Gt,是化石燃料燃烧排放量的十倍左右[3],其碳通量绝对值仅次于陆地生态系统光合作用的碳吸收
量[3鄄4],因此土壤呼吸作用对大气 CO2浓度影响重大,是陆地生态系统碳循环的重要环节,决定着陆地生态系
统碳收支的平衡[5鄄6]。
作为碳排放大国,中国在国际社会面临碳减排的巨大压力。 中国已经在 2011 年德班气候大会上做出减
排承诺。 走低碳发展道路对于保障经济社会发展空间,减缓气候变化至关重要。 从农业角度来看,全球耕地
面积为 1369 Mhm2,占全球陆地面积的 10.5%,农业 CO2排放占据了全球人为排放量的 15%[7]。 探索农田生
态系统土壤呼吸变化规律及控制机理不仅对于减少农业土壤碳排放有重要指导意义,还对减缓我国因工业发
展带来的减排压力有现实意义。
中国西南喀斯特地区属低纬度热带-亚热带气候,较为湿热的气候条件下土壤呼吸特征及对环境因子的
响应可能与其他生态系统不同;另外,特殊地质背景造就了其生态环境脆弱性和敏感性,加之人地矛盾尖锐,
土壤退化日益严重,土壤碳库储量急剧下降[8鄄9],因而这一地区的土壤碳通量需要深入研究。 目前喀斯特地
区碳通量研究还相对薄弱,已有研究主要集中在林地和草地[10鄄11],对农田生态系统 CO2通量的研究开展的还
比较少。 此外,对于碳循环昼夜变化的监测明显不足,导致无法精确估算这一地区碳通量。 旱地农田是西南
喀斯特地区面积较大的生态系统,以贵州为例,旱耕地面积约占 335.43 万 hm2 [12],在陆地生态系统碳收支中
有重要作用。 研究这一地区农田生态系统 CO2通量及其影响因素不仅能为认识该地区碳收支、评估它在区域
和全球碳循环中的作用提供依据,而且对于如何提高土壤有机质含量、保持土壤碳库都有重要意义。 本研究
选择地处喀斯特地区的贵阳市开阳县开展了旱地农田碳通量的观测研究,以认识:1)西南喀斯特地区轮作旱
地土壤 CO2通量日变化以及季节变化规律。 2)CO2通量与土壤水热条件的关系。 3)CO2通量与土壤 pH 等理
化性质间的关系。 4)据此估算贵州旱地 CO2的年排放量。
1摇 研究区域概况
研究地区位于贵州省贵阳市开阳县东南,地理位置为 107毅02忆48.1义E,27毅00忆39.9义N,海拔 1118 m。 地貌
上,属于云贵高原东侧梯状斜坡地带,附近喀斯特发育较为典型。 气候类型属亚热带季风性温润气候,四季分
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明,年均气温介于 10.6—15.3 益之间,最热为 7月,平均温度 22.3益,最低温度为 1月,平均气温 2.0益;雨水充
沛,全年降水量 926.5—1419.2 mm,降水多集中在夏季,雨季平均为 180d。 全年日照时数 898.1—1084郾 7h,其
中夏季日照时数占全年 39%。 试验田土壤类型为石灰土,土壤基本理化性质见表 1。
表 1摇 实验土地土壤理化性质
Table 1摇 Physical and chemical characteristics of the soil
pH
有机质
Organic matter
/ (g / kg)
全氮
Total N
/ (g / kg)
硝态氮
Nitrate N
/ (mg / kg)
铵态氮
Ammonium N
/ (mg / kg)
有效磷
Available P
/ (mg / kg)
平均值 Mean 8.30 33.40 2.67 16.0 3.1 11.9
标准偏差 SD 0.08 2.80 0.52 17.4 3.6 3.8
本研究样地的油菜鄄玉米轮作是当地典型轮作制度,在喀斯特地区旱地具有很强的代表性。 油菜种植期
是从 2010年 11月 18日到 2011年 6月 9日,玉米种植期从 2011年 6月 15 日到 9 月 24 日,作物田间管理同
区域旱地管理方法。 在油菜种植期,油菜种植当天按 1250 kg / hm2 的比例施复合底肥,然后于 2011 年 2 月 5
日和 2011年 2月 24日按 300 kg / hm2 的比例追施尿素两次。 玉米种植当天按 370 kg / hm2 的比例施复合肥,
2011年 7月 10日按 325 kg / hm2 的比例追施尿素一次。
2摇 研究方法
2.1摇 CO2采集、测定和通量计算
本次研究农田土壤呼吸监测时间为 2010年 11月到 2011年 10月,包含了完整的油菜鄄玉米轮作周期。 每
2周监测 1 次,基本涵盖了本地区土壤温度和含水量的季节变化范围,其中前一次监测时间从 11:00 持续到
17:00,重复 4次(4次 CO2通量平均值和日平均值基本一致),第 2次监测时间从 13:00持续到翌日 11:00,重
复 11次,重复之间的间隔为 2h。
2010年 11月在样地内随机布置 3个不锈钢基座,压入土中并保持位置固定,注水到基座凹槽以进行密
封。 采样基座布置完毕后,至少 24h后开始第 1 次测定。 采用较为常用的密闭静态箱法进行土壤呼吸的监
测,具体操作是,将不透明有机玻璃密闭箱(箱体大小约为 30 cm伊30 cm伊50 cm)罩在基座上,在罩箱后的 0、
7、14、21、28 min分别抽取箱内气体 30mL注入提前抽成高真空的 labco 12mL顶空进样瓶,在实验室用气相色
谱仪(Agilent7890A)测定 CO2浓度,并用 CO2释放通量公式(1)式计算土壤呼吸 CO2通量(mg CO2·m
-2·h-1)。
F = 60
100
籽0H
p
p0
T0
T0 + Ta
dct
dt
(1)
式中,F为 CO2排放通量 mg CO2·m
-2·h-1,籽0为标准状态下 CO2密度(g / L),H 为采样箱气室的高度(cm),p 为
采样点的气压,p0为标准状态下的大气压力(1.013伊105),T0为绝对温度(K)273.15,Ta为采样时箱内平均气温
(益),dct / dt为采样箱内 CO2浓度(滋L / L)对时间 t(min)的变化率。
在每次监测土壤呼吸的同时,测定通量箱内部温度、土壤 5 cm 温度、大气压力以及气温日间变化。 温度
用水银温度计测量,大气压力由数字大气压力表测定。
2.2摇 土壤样品的采集和理化性质测定
土壤样品取自地表 0—10cm土层,除硝态氮、铵态氮和含水量测定用新鲜土外,其余土壤样品室内风干,
过筛。 土壤基本理化性质参照鲁如坤方法[13]测定:硝态氮测定采用酚二磺酸比色法,铵态氮测定采用 KCl浸
提鄄靛酚蓝比色法,土壤质量含水量采用 105益烘干法,土壤 pH 值采用电位法(水土比 2.5颐1),以上各种理化
性质每月测定 2次。 此外,有机质含量采用高温外加热重铬酸钾氧化鄄容量法,有效磷采用 Olson碳酸氢钠法,
考虑到有机质和有效磷变化性较小,每月测定 1 次有机质和有效磷含量;土壤总氮用元素分析(PE2400)测
定。 按下式计算土壤孔隙含水量(WFPS):
土壤孔隙度(%)= (1-土壤容重 / 2.65)伊100%
1035摇 17期 摇 摇 摇 房彬摇 等:西南喀斯特地区轮作旱地土壤 CO2通量 摇
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土壤孔隙含水量(%)= (土壤质量含水量伊土壤容重伊100) /土壤孔隙度
2.3摇 数据处理
采用 Excel软件进行数据整理,SPSS16.0软件做统计分析。 图形的绘制采用 Sigmaplot10.0。
为了得到土壤 CO2释放通量 F 对温度变化的敏感系数 Q10,采用如下指数模型[14鄄16]拟合 F 与 T 之间的
关系:
F = 琢e茁T (2)
式中,T为土壤表层温度或近地表大气温度(益);琢为温度为 0益时的土壤 CO2释放通量,茁为温度反应系数。
Q10通过下式确定[17]:
Q10 = e10茁 (3)
3摇 结果与讨论
3.1摇 CO2通量日变化及其控制因素
在油菜和玉米生长季分别进行的 6次和 3次 CO2通量日变化观测结果表明,试验田土壤一直表现为 CO2
的释放源。 CO2通量日变化一种表现为规律性变化,另一种表现为非规律性变化(图 1)。 在天气正常、没有
人为扰动的情况下,CO2通量呈现出白天高夜晚低的规律性日变化特征,与气温和地表温度变化趋势一致。
一天中,排放量最大值出现在 13:00—15:00,缓慢下降后在 24:00 左右达到最小值,而后缓慢上升至次日中
午又达到最大值。 受多种环境因子共同影响,CO2通量平均值在不同月份出现时间。 很多研究利用一天中 9:
00—11:00这段时间来表征土壤 CO2通量平均值和环境因子指标[18],不适用于本研究,而 11:00—17:00 的不
同时间段平均 CO2通量能很好代表日变化平均值。 在异常天气条件下,比如冷空气过境或是阴雨天气,昼夜
温差不大时,土壤 CO2通量变化则表现为另一种变化趋势:全天变化幅度很小,没有白天夜晚的起伏变化。
温度是土壤呼吸作用的影响因子中最重要的一个[19鄄21]。 不同月份土壤 CO2通量日变化与大气温度及土
壤表层温度相关关系(表 2)分析显示,绝大多数 CO2通量的日变化与温度呈现显著正相关。 而且在玉米和油
菜生长的不同月份,CO2通量日变化形式基本相同。 这种关系表明,在较短时间尺度内,当土壤条件、气候因
素和植物体以及土壤微生物维持在一个较为稳定状态时,温度是造成玉米和油菜田 CO2通量日变化的主要驱
动因素。
图 1摇 轮作期不同月份 CO2通量日变化
Fig.1摇 Diurnal change of CO2 flux in different months during the crop rotation
3.2摇 CO2通量变化的人为影响
土壤扰动造成 CO2通量的显著增加。 图 2所示的是 2011年 6月 15日 CO2通量日变化,其中在 6月 15
2035 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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表 2摇 各昼夜观测土壤 CO2通量与温度相关性
Table 2摇 Correlation analysis between soil CO2 flux and temperature in the diurnal observation
观测时间
Observation date
气温
Air temperature
土壤表层温度
Soil temperature
in 5 cm depth
观测时间
Observation date
气温
Air temperature
土壤表层温度
Soil temperature
in 5 cm depth
2010鄄11鄄09 0.775** 0.776** 2010鄄12鄄27 0.849** 0.823**
2011鄄02鄄27 0.644* 0.392 2011鄄04鄄19 0.843** 0.910**
2011鄄05鄄18 0.943** 0.858* 2011鄄06鄄01 0.649* 0.505
2011鄄07鄄20 0.872** 0.887** 2011鄄08鄄21 0.665* 0.283
2011鄄09鄄23 0.316 0.171
摇 摇 *表示相关性显著(P<0.05),**表示相关性极显著(P<0.01)
图 2摇 受扰动后土壤 CO2通量及气温昼夜变化
摇 Fig.2摇 Soil CO2 flux and temperature variation after disruption
摇 图 3摇 轮作期内 CO2通量、大气温度以及WFPS季节变化
Fig.3 摇 Seasonal changes of CO2 flux, temperature and WFPS
during the crop rotation
号下午的土地翻耕(翻耕深度约为 20 cm,持续时间如
图中阴影部分所示)使得 CO2通量显著增加,在正常情
况下出现释放低值的 21:00 至 23:00 出现释放峰值。
其原因在于翻耕使得土壤中不稳定碳组分加速氧化,增
加了土壤呼吸过程,同时破坏了土块和土壤团聚体,使
其暴露在空气中,而土壤团聚体中具有更高的 CO2浓
度[22]。 有机质含量分析显示翻耕之后第 2 天土壤有机
质含量降低至全年平均水平之下,证实翻耕加快了有机
质分解[23],导致 CO2的大量释放。
3.3摇 CO2通量季节变化及其控制因素
土壤 CO2通量季节变化规律比较明显,与大气温度
的季节动态变化总体上较为一致(图 3)。 从 2010年 12
月到 2011年 8月,CO2通量呈现逐渐升高的趋势,最低
值出现在气温最低的 2月,最高值则出现在气温和土壤
WFPS都最高的 8月。 2011 年 8 月之后,CO2通量随着
气温的降低开始回落。 从整个轮作期看,各月份之间差
异和波动比较大。 统计结果表明,玉米生长期 CO2通量
平均值为(403.0依178.8) mg CO2·m
-2·h-1,高于油菜生长
期的(178.8依104.8) mg CO2·m
-2·h-1,且两者存在显著性
差异,其原因在于玉米生长期气温显著高于油菜,更利
于微生物及根际的呼吸作用。 轮作期土壤平均 CO2通
量为(271.1依176.4) mg CO2·m
-2·h-1,这一通量值高于喀
斯特地区次生林土壤的 CO2通量((259.6依448.4) mg
CO2·m
-2·h-1),低于马尾松林土壤(491. 7 依 288. 9) mg
CO2·m
-2·h-1的通量[11],位于二者之间,同时高于纬度略
低的亚热带地区的鼎湖山混交林、松林土壤 CO2通量
(不含凋落物,(233.3依20.6)和(178.6依20郾 8) mg CO2·
m-2·h-1) [24],这显示出轮作农田旱地是喀斯特地区重要
的碳源。
根据公式(2)指数模型,采用大气温度对 CO2通量
进行指数拟合,得到的拟合方程为 y = 46. 444e0.0705x
(R2 = 0.867,P<0.01,n= 17)(图 4);同样采用土壤表层
3035摇 17期 摇 摇 摇 房彬摇 等:西南喀斯特地区轮作旱地土壤 CO2通量 摇
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温度对 CO2通量进行拟合,得到的拟合方程为 y = 43.682e0.0768x(R2 = 0.805,P<0.01,n = 17)(图 5)。 两方程能
较好描述 CO2通量与大气温度以及地表温度的指数函数相关关系,表明温度是土壤 CO2通量变化的主要驱动
因子,这与之前的研究结果是一致的[16, 25鄄26]。 对比相关系数,土壤 CO2通量与大气温度的相关性优于土壤表
层温度。 Q10通常被用来土壤呼吸对温度变化的敏感程度[14, 21, 27]。 根据公式(3),可以计算油菜—玉米轮作
农田基于大气温度和土壤地表温度的 Q10分别为 2.02和 2.16,略高于喀斯特地区马尾松林土壤的 1郾 92[11],也
高于纬度略低的鼎湖山季风常绿阔叶林的 1.86[24],以及针阔叶混交林的 2.00[18],显示了在全球变暖背景下,
轮作旱地地表 CO2排放对于温度升高的响应比相同气候条件下的部分森林生态系统更敏感。
图 4摇 土壤 CO2通量与大气温度的关系
摇 Fig.4摇 Relationship between soil CO2 flux and air temperature
图 5摇 土壤 CO2通量与土壤表层温度的关系
摇 Fig.5摇 Relationship between soil CO2 flux and soil temperature in
5cm depth
土壤含水量对于植物根系、微生物群落的数量和活动有很大影响,是影响 CO2通量另一重要的因子[28]。
将整个轮作期的 CO2通量与土壤 WFPS(变化范围在 19.3%—68.3%,平均值为 49.3%,变异系数为 0郾 30)进行
数理统计分析,结果表明:两者之间没有显著的线性相关关系(R2<0.1)。 进一步将油菜和玉米的 CO2通量与
土壤 WFPS 分别作线性相关分析,结果表明,油菜生长期间的 CO2通量与土壤 WFPS 表现为负相关(R2 =
0郾 164,n= 10),但玉米生长期两者之间表现为正相关(R2 = 0.21,n = 7)。 土壤含水量对于土壤呼吸作用的影
响较为复杂。 在土壤含水量超过一定阈值时,氧气扩散受阻,土壤微生物呼吸速率受到抑制[29];当土壤含水
量较低时,土壤根际微生物及根系对水分的依赖性加强,土壤 CO2通量会受土壤温度和含水量的共同影响,随
含水量的增加而增加[30]。 Xu和 Qi[17]对黄松林的研究表明,当土壤体积含水量<19%时,土壤呼吸强度和体
积含水量正相关;土壤体积含水量>19%时,二者负相关。 本研究油菜生长期内,平均土壤 WFPS为 56.1%(相
应土壤体积含水量为 28.1%),变异系数为 0.18。 土壤含水量在很长一段时间维持在一个相对较高状态,可能
成为土壤呼吸的限制因子。 玉米生长期间,平均土壤 WFPS 为 39.6%(相应土壤体积含水量为 19.8%),显著
低于油菜生长期(P<0.05),8—9月土壤体积含水量低至 10%左右,此情况下,含水量可能是土壤呼吸作用增
强的驱动因子。
Kucera和 Kirkham[31]指出,只有在土壤水分达到土壤微生物永久性萎蔫点或者超过了田间最大持水量的
情况下,土壤 CO2通量才会减少。 如果所观测到的水分变化没有超出极端范围,不足以影响土壤微生物与植
物根系的活动,则难以检测出水分对土壤呼吸的影响。 在本研究中,土壤含水量并没有超出极端范围,与土壤
CO2通量之间相关关系也没有达到显著水平,表明水分并没有成为本实验观测期间影响 CO2通量的最主要限
制因子。
4035 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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3.4摇 土壤 pH对 CO2通量的影响
在 CO2通量监测期间,采集试验田土壤测定理化性质,主要是 pH值、土壤有机质含量、硝态氮、铵态氮和
有效磷(表 1)。 相关分析表明,CO2通量和 pH达到显著正相关关系(R2 = 0.398, P<0.01, n = 17),显示了 pH
的升高有利于 CO2的释放。 pH的升高能促进微生物活性,进而提高 CO2通量,这在世界上其它地区土壤碳通
量研究中也得到证实[32鄄33]。 已有研究表明土壤微生物维持生物活性适宜的 pH 值最小为 3,最大是 7—8[34];
当 pH值>9时,土壤呼吸作用可能受抑制而减弱[33],本研究土壤 pH均值为 8.3,因而升高时对土壤呼吸有促
进作用。
3.5摇 国内不同地区旱地土壤 CO2通量比较
将本研究中 CO2通量与国内其他地区相近植被的结果进行比较如表 3。 研究区旱地农田 CO2通量处于同
属于亚热带地区的江西鹰潭[35]、四川盆地[36]的旱地农田 CO2通量变化范围之间。 除了只有一季玉米观测结
果的山西农田37],研究区亚热带农田土壤 CO2通量大于温带农田,反映出地表 CO2通量随纬度降低而升高的
趋势,出现这种现象的原因除了各自研究区的作物及土壤类型差异外,可能主要原因在于低纬度地区较高的
温度更有利于土壤呼吸。
旱地生态系统的碳收支(NEP)由土壤异养呼吸和净初级生产力(NPP)共同决定。 为精确估算生态系统
碳收支,必须对自养呼吸和异养呼吸占土壤呼吸的比例进行量化[38]。 这是以后喀斯特地区旱地碳通量研究
需要加强的地方。
表 3摇 国内和世界上不同地区旱地农田土壤 CO2通量值的比较
Table 3摇 Comparison of CO2 fluxes in upland field of different areas in China
地点
Site
作物类型
Crop
测量时间
Observation time
土壤 CO2通量 / (mg CO2·m-2·h-1)
Soil CO2 flux
文献来源
References
贵州 油菜鄄玉米 1a 271.1依176.4 本研究
四川 玉米鄄小麦 1a 182.21 [36]
江西 小米鄄大麦 1a 161.0—324.2 [35]
山西 玉米 1季 418.2 }
陕西 小麦鄄玉米 1a 183.1 [39]
山东 小麦 1季 145.58依137.51 [40]
西藏 冬小麦 1a 241.7 [41]
4摇 结论
(1) 贵州喀斯特地区轮作旱地土壤表现为 CO2的释放源,由于生长期气温的差异,油菜生长季 CO2通量,
显著小于玉米生长季 CO2通量。 整个轮作期的平均 CO2通量为(271.1依176.4) mg CO2·m
-2·h-1,显示轮作农田
土壤是这一地区重要的碳源。
(2) CO2通量日变化呈现白天高夜晚低的特征,主要受温度变化的影响,与大气温度和地表温度相关性
显著。 CO2通量的季节变化与大气温度或是地表温度呈现显著的指数正相关关系,表明温度是土壤呼吸最重
要的驱动因子。 CO2通量与土壤湿度(WFPS)相关关系不显著,但土壤含水量过高或过低时,会和温度协同影
响土壤呼吸。 研究区基于大气温度的 Q10为 2.02,表明轮作旱地 CO2通量对温度的响应较为敏感。
(3) 传统耕作方式的翻耕能在短时间内促进 CO2排放,加快土壤有机质分解。
(4) CO2通量与土壤 pH存在极显著线性正相关关系,说明对于喀斯特旱地土壤,pH 的升高能促进微生
物的活动,进而提高土壤呼吸作用。
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7035摇 17期 摇 摇 摇 房彬摇 等:西南喀斯特地区轮作旱地土壤 CO2通量 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 17 Sep. ,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
The overview and prospect of chemical composition of plant cuticular wax ZENG Qiong, LIU Dechun, LIU Yong (5133)……………
Research progresses in carbon budget and carbon cycle of the coastal salt marshes in China
CAO Lei,SONG Jinming,LI Xuegang,et al (5141)
…………………………………………
…………………………………………………………………………………
Autecology & Fundamentals
Effects of straw interlayer on soil water and salt movement and sunflower photosynthetic characteristics in saline鄄alkali soils
ZHAO Yonggan, PANG Huancheng, LI Yuyi, et al (5153)
…………
………………………………………………………………………
Adaptations of dimorphic seeds and seedlings of Suaeda salsa to saline environments
LIU Yan, ZHOU Jiachao, ZHANG Xiaodong, et al (5162)
…………………………………………………
………………………………………………………………………
Responses of root morphology of peanut varieties differing in drought tolerance to water鄄deficient stress
DING Hong, ZHANG Zhimeng, DAI Liangxiang, et al (5169)
………………………………
……………………………………………………………………
The relationship between physiological indexes of apple cultivars and resistance to Eriosoma lanigerum in summer
WANG Xicun, ZHOU Hongxu,YU Yi, et al (5177)
……………………
………………………………………………………………………………
Physiological responses of Salicornia bigelovii to salt stress during the flowering stage
LIU Weicheng, ZHENG Chunfang, CHEN Chen, et al (5184)
…………………………………………………
……………………………………………………………………
Biological characteristics and cultivation of fruit body of wild medicinal mushroom Perenniporia fraxinea
LU Tie, BAU Tolgor (5194)
………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
The study of characteristics of soil microbial communities at high severity burned forest sites for the Great Xingan Mountains: an
example of slope and aspect BAI Aiqin,FU Bojie, QU Laiye, et al (5201)………………………………………………………
Effect of different fertilizer combinations and straw return on microbial biomass and nitrogen鄄fixing bacteria community in a paddy
soil LIU Xiaoqian, TU Shihua, SUN Xifa, et al (5210)…………………………………………………………………………
Structural characters and nutrient contents of leaves as well as nitrogen distribution among different organs of big \headed wheat
WANG Lifang, WANG Dexuan, SHANGGUAN Zhouping (5219)
……
…………………………………………………………………
Effects of EP鄄1 on spatial memory and anxiety in Mus musculus WANG Xiaojia, QIN Tingting, HU Xia, et al (5228)………………
Population, Community and Ecosystem
Gap characteristics in the mixed broad鄄leaved Korean pine forest in Xiaoxing忆an Mountains
LIU Shaochong, WANG Jinghua,DUAN Wenbiao, et al (5234)
……………………………………………
……………………………………………………………………
Soil nitrogen and phosphorus stoichiometry in a degradation series of Kobresia humulis meadows in the Tibetan Plateau
LIN Li, LI Yikang, ZHANG Fawei, DU Yangong, et al (5245)
………………
……………………………………………………………………
An analysis of carbon flux partition differences of a mid鄄subtropical planted coniferous forest in southeastern China
HUANG Kun,WANG Shaoqiang,WANG Huimin, et al (5252)
…………………
……………………………………………………………………
The niche of annual mixed鄄seeding meadow in response to density in alpine region of the Qilian Mountain, China
ZHAO Chengzhang, ZHANG Jing, SHENG Yaping (5266)
……………………
…………………………………………………………………………
Functional feeding groups of macrozoobenthos from coastal water off Rushan PENG Songyao, LI Xinzheng (5274)……………………
Landscape, Regional and Global Ecology
Effects of selective cutting on vegetation carbon storage of boreal Larix gmelinii鄄Carex schmidtii forested wetlands in Daxing忆anling,
China MU Changcheng, LU Huicui, BAO Xu, et al (5286)………………………………………………………………………
CO2 flux in the upland field with corn鄄rapeseed rotation in the karst area of southwest China
FANG Bin, LI Xinqing, CHENG Jianzhong, et al (5299)
…………………………………………
…………………………………………………………………………
Monitoring spatial variability of soil salinity in dry and wet seasons in the North Tarim Basin using remote sensing and electromagn鄄
etic induction instruments YAO Yuan, DING Jianli, LEI Lei, et al (5308)………………………………………………………
Methane and nitrous oxide fluxes in temperate secondary forest and larch plantation in Northeastern China
SUN Hailong, ZHANG Yandong, WU Shiyi (5320)
……………………………
…………………………………………………………………………………
Butterfly diversity and vertical distribution in eastern Tianshan Mountain in Xinjiang
ZHANG Xin, HU Hongying, L譈 Zhaozhi (5329)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Dynamics of aerodynamic parameters over a rainfed maize agroecosystem and their relationships with controlling factors
CAI Fu,ZHOU Guangsheng,MING Huiqing,et al (5339)
………………
…………………………………………………………………………
The response process to extreme climate events of the household compound system in the northern slope of Tianshan Mountain
LI Xiliang, HOU Xiangyang, DING Yong,et al (5353)
………
……………………………………………………………………………
Analysis on spatial鄄temporal heterogeneities of landscape fragmentation in urban fringe area: a case study in Shunyi district of
Beijing LI Can, ZHANG Fengrong, ZHU Taifeng, et al (5363)…………………………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
CPUE Standardization of Illex argentinus for Chinese Mainland squid鄄jigging fishery based on generalized linear Bayesian models
LU Huajie, CHEN Xinjun, CAO Jie (5375)
……
………………………………………………………………………………………
Spatial鄄temporal differentiation of water quality in Gufu River of Three Gorges Reservoir
RAN Guihua, GE Jiwen, MIAO Wenjie, et al (5385)
………………………………………………
……………………………………………………………………………
Urban, Rural and Social Ecology
Comparison environmental impact of the peasant household in han, zang and hui nationality region:case of zhangye,Gannan and
Linxia in Gansu Province ZHAO Xueyan, MAO Xiaowen (5397)…………………………………………………………………
Research Notes
The seasonal variation and community structure of zooplankton in China sea
DU Mingmin,LIU Zhensheng, WANG Chunsheng,et al (5407)
……………………………………………………………
……………………………………………………………………
Immunotoxicity of marine pollutants on the clam Ruditapes philippinarum
DING Jianfeng, YAN Xiwu, ZHAO Liqiang, et al (5419)
………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Influence of submerged macrophytes on phosphorus transference between sediment and overlying water in decomposition period
WANG Lizhi, WANG Guoxiang (5426)
……
……………………………………………………………………………………………
Distribution patterns of alien herbs in the Yiluo River basin GUO Yili, DING Shengyan, SU Si, et al (5438)………………………
8445 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
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第 33 卷摇 第 17 期摇 (2013 年 9 月)
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Vol郾 33摇 No郾 17 (September, 2013)
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