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　 　 　 　 　 生 态 学 报
　 　 　 　 　 　 　 (SHENGTAI XUEBAO)
　 　 第 31 卷 第 6 期　 　 2011 年 3 月　 (半月刊)
目　 　 次
臭氧胁迫对水稻生长以及 C、N、S元素分配的影响 郑飞翔,王效科,侯培强,等 (1479)………………………
高含氮稻田深层土壤的氨氧化古菌和厌氧氨氧化菌共存及对氮循环的影响
王　 雨,祝贵兵,王朝旭,等 (1487)
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气候年际变率对全球植被平均分布的影响 邵　 璞,曾晓东 (1494)………………………………………………
模拟升温和放牧对高寒草甸土壤有机碳氮组分和微生物生物量的影响
王　 蓓,孙　 庚,罗　 鹏,等 (1506)
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广州城区生态安全岛典型植物群落结构及物种多样性 莫　 丹,管东生,黄康有,等 (1515)……………………
中亚热带湿地松人工林生长过程 马泽清,刘琪璟,王辉民,等 (1525)……………………………………………
潜流人工湿地中植物对氮磷净化的影响 刘树元,阎百兴,王莉霞 (1538)………………………………………
模拟氮沉降对两种竹林不同凋落物组分分解过程养分释放的影响 涂利华,胡庭兴,张　 健,等 (1547)………
苔藓植物对贵州丹寨汞矿区汞污染的生态监测 刘荣相,王智慧,张朝晖 (1558)………………………………
三峡库区泥、沙沉降对低位狗牙根种群的影响 李　 强,丁武泉,朱启红,等 (1567)……………………………
上海崇明东滩互花米草种子产量及其萌发对温度的响应 祝振昌,张利权,肖德荣 (1574)……………………
栲-木荷林凋落叶混合分解对土壤有机碳的影响 张晓鹏,潘开文,王进闯,等 (1582)…………………………
荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态系统碳固持的影响 丁金枝,来利明,赵学春,等 (1594)…………………
黄土丘陵沟壑区小流域土壤有机碳空间分布及其影响因素 孙文义,郭胜利 (1604)……………………………
种间互作和施氮对蚕豆 /玉米间作生态系统地上部和地下部生长的影响
李玉英,胡汉升,程　 序,等 (1617)
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测墒补灌对冬小麦氮素积累与转运及籽粒产量的影响 韩占江,于振文,王　 东,等 (1631)……………………
植被生化组分光谱模型抗土壤背景的能力 孙　 林,程丽娟 (1641)………………………………………………
北方两省农牧交错带沙棘根围 AM真菌与球囊霉素空间分布 贺学礼,陈　 程,何　 博 (1653)………………
基于水源涵养的流域适宜森林覆盖率研究———以平通河流域(平武段)为例
朱志芳,龚固堂,陈俊华,等 (1662)
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黑龙江大兴安岭呼中林区火烧点格局分析及影响因素 刘志华,杨　 健,贺红士,等 (1669)……………………
大兴安岭小尺度草甸火燃烧效率 王明玉,舒立福,宋光辉,等 (1678)……………………………………………
长江口中华鲟自然保护区底层鱼类的群落结构特征 张　 涛,庄　 平,章龙珍,等 (1687)………………………
骨顶鸡等游禽对不同人为干扰的行为响应 张微微,马建章,李金波 (1695)……………………………………
光周期对白头鹎体重、器官重量和能量代谢的影响 倪小英,林　 琳,周菲菲,等 (1703)………………………
应用稳定同位素技术分析华北部分地区第三代棉铃虫虫源性质 叶乐夫,付　 雪,谢宝瑜,等 (1714)…………
西花蓟马对蔬菜寄主的选择性 袁成明,郅军锐,曹　 宇,等 (1720)………………………………………………
基于 Cyt b基因序列分析的松毛虫种群遗传结构研究 高宝嘉,张学卫,周国娜,等 (1727)……………………
沼液的定价方法及其应用效果 张昌爱,刘　 英,曹　 曼,等 (1735)………………………………………………
垃圾堆肥基质对不同草坪植物生态及质量特征的影响 赵树兰,廉　 菲,多立安 (1742)………………………
五氯酚在稻田中的降解动态及生物有效性 王诗生,李德鹏 (1749)………………………………………………
专论与综述
景观遗传学:概念与方法 薛亚东,李　 丽,吴巩胜,等 (1756)……………………………………………………
期刊基本参数:CN 11-2031 / Q*1981*m*16*284*zh*P* ￥ 70． 00*1510*31*
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2011-03
封面图说: 美丽优雅的新疆夏尔西里森林草地原始景观。 夏尔西里国家级自然保护区建立在新疆博乐北部山区无人干扰的中
哈边境上,图中雪地云杉为当地的优势树种。
彩图提供: 国家林业局陈建伟教授　 E-mail: cites. chenjw@ 163. com
生 态 学 报 2011,31(6):1594—1603
Acta Ecologica Sinica
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基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2鄄YW鄄JC303); 国家自然科学基金项目(30671724)
收稿日期:2010鄄05鄄11; 摇 摇 修订日期:2011鄄01鄄11
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: zhengyr@ ibcas. ac. cn
荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态
系统碳固持的影响
丁金枝1, 2,来利明1,赵学春1,朱林海1,姜联合1,郑元润1,*
(1. 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京摇 100093; 2. 中国科学院研究生院,北京摇 100049)
摘要:荒漠化极大地影响着包括毛乌素沙地在内的干旱、半干旱区的土壤呼吸及碳固持潜力,因而,可能对区域或全球的碳循环
造成一定影响。 为揭示土壤呼吸的时间变化及其影响因子,理解荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及碳固持的影响,根据毛乌素沙
地荒漠化类型的研究结果,以毛乌素沙地固定沙地本氏针茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)、
流动沙地一年生植物群落(AL)等 4 个代表毛乌素沙地荒漠化主要阶段的植物群落为研究对象,采用 LI鄄8100 土壤碳通量测量
系统测定了其土壤呼吸速率的日动态和月动态,结合植物群落生产力的野外调查,分析了荒漠化对土壤呼吸速率及碳固持的影
响。 结果表明:FA、FS、SFA、AL不同月份之间土壤呼吸速率日动态变化显著,4 个群落 5 月份土壤呼吸最高、最低值分别出现在
9:00 10:00 和 18:00,但 6 9 月份土壤呼吸最高、最低值却分别出现在 12:00 以后和 7:00。 FA、FS、SFA、AL 在主要生长季
(5 9 月)的平均土壤呼吸速率分别为:99. 79、88. 13、47. 95、13. 82 mg·m-2·h-1。 FS、FA和 SFA土壤呼吸速率月变化显著,5 月
最低,7 月最高,AL土壤呼吸速率月变化相对较小。 FS、FA和 SFA土壤呼吸速率月变化与土壤温度存在显著的指数相关关系,
FS、FA、SFA和 AL的 Q10值依次为 5. 87、5. 05、4. 02、0. 64。 FS和 FA的土壤呼吸速率月变化与土壤湿度显著正相关,而 SFA和
AL的土壤呼吸速率月变化与土壤湿度不存在显著线性关系。 土壤呼吸与 10 cm深度的土壤温度和湿度回归模型表明土壤温
度和湿度可以解释不同群落土壤呼吸月变化的 69% 87% 。 FS、FA、SF和 AL的月土壤呼吸速率与根系生物量存在显著线性
关系。 在主要生长季(5 9 月)平均根系呼吸速率和平均土壤微生物呼吸随荒漠化程度的加重而降低。 FS、FA、SFA和 AL 根
系呼吸与土壤呼吸的比率分别为 51. 40% 、59. 99% 、70. 85% 、45. 86% 。 在主要生长季(5 9 月)净生态系统生产力分别为
36郾 16、18. 56、-11. 29 和-22. 49 C g / m2。 随荒漠化程度的加重,生态系统碳固持能力逐渐降低。 因此,采取合理措施使荒漠化
土地向以油蒿或本氏针茅为主的固定沙地演替,有助于毛乌素沙地生态系统碳固持能力的提高和植物群落的生长。
关键词:毛乌素沙地;荒漠化;土壤呼吸速率;碳固持
Effects of desertification on soil respiration and ecosystem carbon fixation in Mu
Us sandy land
DING Jinzhi1, 2, LAI Liming1, ZHAO Xuechun1, ZHU Linhai1, JIANG Lianhe1, ZHENG Yuanrun1,*
1 State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Desertification greatly affected the soil respiration and carbon fixation potential in arid and semi鄄arid area
including the Mu Us sandy land of Northern China, and therefore changed the carbon circulation in regional or global scale.
In order to reveal the temporal variations of soil respiration and their controlling factors, to understand the effect of
desertification on soil respiration rate and the carbon fixation rate in Mu Us sandy land, the main desertification stages in
this area were identified in this study as Stipa bungeana communities on fixed dunes (FS), Artemisia ordosica communities
on fixed dunes (FA), A. ordosica communities on semi鄄fixed dunes (SFA) and annual grass communities in active dunes
(AL) based on the previous researches. Within each of these communities, we measured the diurnal and monthly dynamics
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of soil respiration using a LI鄄 8100 Automated Soil CO2 Flux System. In addition, we made field observations of the net
primary productivity. The results showed that: Diurnal soil respiration rate varied significantly among different months in
FS, FA, and SFA communities, but not for AL communities. For all communities, the highest soil respiration rates were
observed in 9:00 10:00, and the lowest at 18:00 in May. However, the highest and the lowest values were observed after
12:00 and at 7:00 from June to September, respectively. In main growing season from May to September, the mean soil
respiration rate were 99. 79, 88. 13, 47. 95 and 13. 82 mg·m-2·h-1 for FA, FS, SFA and AL communities, respectively.
Monthly soil respiration changed significantly for FS, FA and SFA communities, but not for AL communities. Mean soil
respiration rate was lowest in May and highest in July. An exponential relationship between monthly soil respiration of FS、
FA and SFA communities and monthly temperature was found to be significant. The associated values of Q10 were 5. 87,
5郾 05, 4. 02, 0. 64, for FS、FA、SFA and AL communities, respectively. Monthly soil respiration was found to be linearly
related to monthly soil moisture only for fixed dune communities (FS and FA), but not for SFA and AL communities. A
regression model of soil respiration rate against soil temperature and soil water content at 10 cm depth indicted that soil
temperature and soil water content accounted for 69% 87% of the total variance of soil respiration rate in different
communities. Linear relationships between monthly soil respiration rate and root biomass were observed for all communities.
In main growing season from May to September, both mean root respiration rate and mean soil microorganism respiration rate
decreased with worsening desertification. The ratio of root respiration to total respiration were 51. 40% , 59. 99% , 70. 85%
and 45. 86% for FS, FA, SFA and AL communities, respectively. During main growing season from May to September, net
ecosystem productivities were 36. 16, 18. 56, - 11. 29 and - 22. 49 C g / m2 for FS, FA, SFA and AL communities,
respectively. The carbon fixation potential of the ecosystem was inversely related to the degree of desertification. Therefore,
the facilitation of ecological succession toward S. bungeana or A. ordosica communities in fixed dunes has potential for
increasing the potential carbon fixation rate and plant communities growing in Mu Us sandy land.
Key Words: Mu Us Sandy land; desertification; soil respiration rate; carbon fixation
土壤呼吸约占生态系统呼吸的 60%—90% [1],是全球碳循环中最大的碳通量之一,在调控区域及全球尺
度的碳循环中起着十分关键的作用,土壤呼吸的微小变化会对大气 CO2浓度变化产生深远影响。 因此,深入
理解不同区域的土壤呼吸对于预测区域及全球碳循环十分关键[2]。
占全球陆地总面积 30%—40%的干旱土地在全球碳循环过程中占有十分重要的地位,但干旱区严酷的
自然条件和频繁的人为干扰使得原本敏感、脆弱的生态系统面临严重退化[3]。 研究表明,人类干扰强度增加
导致的土地退化 /荒漠化是土壤有机碳向大气加速释放的主要原因,尤其对于干旱、半干旱区脆弱的生态系统
而言,非持续的土地利用方式加速了碳素由土壤向大气释放的过程[4]。 目前,土地荒漠化影响着全球约 36 亿
hm2的土地[5]。 我国荒漠化土地约占国土面积的 27. 2% ,是世界上受荒漠化影响最严重的国家之一[6]。 位于
内蒙古高原的毛乌素沙地曾是水草丰美的草地,但由于不合理的开垦和过度放牧引起了严重的草地沙化,已
成为我国荒漠化的中心区域之一[7]。 随着荒漠化的发展,植物群落发生逆行演替,从固定沙地到半固定沙地
再到流动沙地,植物群落的种类组成、盖度、生物量、土壤理化性质发生了显著变化,因而可能导致土壤呼吸速
率及生态系统碳固持发生重大变化。
近年来,关于荒漠化草地的碳循环研究已有一些报道,Huenneke等认为草地荒漠化导致草地净生产力下
降[8],Jackson 等研究发现, 草地退化导致草地生态系统碳储量出现不同程度的降低[9],Jin 等指出降雨对半
干旱地区土壤呼吸具有促进作用[10],张丽华等研究了准噶尔盆地荒漠生态系统土壤呼吸的基本特征,赵哈
林[11]、李玉强[12]探讨了沙漠化对科尔沁沙地土壤呼吸及碳平衡的影响,但目前对草地荒漠化过程中土壤呼
吸及碳平衡的变化规律及其环境控制机制的认识仍不够全面,因此对干旱、半干旱区广大范围内由于荒漠化
导致的生态系统碳库损失缺乏准确估计,反之,对于该区域内植被恢复后对碳固持的贡献亦难以进行准确评
5951摇 6 期 摇 摇 摇 丁金枝摇 等:荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态系统碳固持的影响 摇
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估,因而有必要进行深入研究。
鉴于此,本文选取毛乌素沙地荒漠化主要阶段的植物群落作为研究对象,测定草地荒漠化不同阶段土壤
呼吸和相应植物群落地上及地下生物量的变化,揭示该区荒漠化不同阶段土壤呼吸的变化规律及其环境控制
机制,分析荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及碳固持的影响,提出减缓毛乌素沙地荒漠化草地碳固持降低的应
对措施。
1摇 研究方法
1. 1摇 研究区概况
研究区地处鄂尔多斯市伊金霍洛旗南部的毛乌素沙地,年平均温度为 6. 3益,年均降水为 346mm,主要集
中在 7、8、9 月,逸10益积温为 2754益。 地带性植被为半干旱本氏针茅( Stipa bungeana )草原,目前仅零星分
布在梁地的上部,半灌木油蒿( Artemisia ordosica )群落是风沙土上最普遍的植被类型[13]。
沙地植被通常分为流动沙地、半固定沙地、固定沙地 3 个阶段,考虑到本氏针茅在毛乌素沙地的地带性分
布,选择固定沙地本氏针茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)、流动沙地 1 年生
植物群落(AL)代表毛乌素沙地荒漠化程度逐渐增加的系列进行研究。 各类型群落组成特征详见文献[14]。
本氏针茅群落分布的土壤类型为栗钙土或淡栗钙土,油蒿群落则发育在风沙土之上。 流动沙地的土壤质地较
粗,矿质颗粒的粒径集中于 105—420滋m,而在被油蒿群落固定的沙地上,土壤质地很细,粒径小于 105滋m 的
矿质颗粒显著增加。 本氏针茅群落、油蒿群落、流动沙地在 0—30cm土层土壤有机碳含量分别为 3. 19、3. 42、
3. 13mg / g;土壤全氮含量分别为 1. 19、1. 98、1. 83 mg / g;土壤 pH分别为 8. 86、8. 92、8. 81[15]。
1. 2摇 土壤呼吸速率测定
本研究使用 LI鄄8100 土壤碳通量测量系统(LI鄄COR鄄8100)测定土壤呼吸速率。 在固定沙地本氏针茅群落
和流动沙地一年生植物群落等异质性较小的群落内随机固定 3 个土壤 PVC 环(直径 20cm,高 11cm),而在异
质性较大的油蒿群落内选择中等大小的油蒿剪掉地上部分,分别在剪掉生长油蒿的部位、距离剪掉油蒿植株
较近的空地、两株剪掉油蒿的中间区域固定 3 个 PVC 环。 所有测定均在 24h 前,剪掉植株地上部分,尽可能
不扰动地面凋落物,将土壤环直接插入土壤。 测定时间分别为 2009 年 5 月 10—13 日、6 月 19—23 日、7 月
19—23 日、8 月 17—20 日、9 月 13—16 日,从早 7 点到晚 18 点,每隔 1 h 测定 1 次。 同时每月对每个群落进
行 1 次昼夜测定,间隔时间约 10min,用于校正土壤呼吸的日均值。 土壤温湿度由 LI鄄8100 分析仪自带的温、
湿度探头测定,测定土壤深度为 10cm,用于分析土壤呼吸速率和土壤温湿度的关系。
1. 3摇 地上、地下生物量测定
生物量的测定使用收获法,测定时间与土壤呼吸同步。 对于草本植物群落如本氏针茅群落和流动沙地 1
年生植物群落,调查 5 个 1m伊1 m的样方,记录物种数、高度、盖度、株丛数、并测定生物量;对于半灌木群落如
油蒿群落,调查 5 个 5m伊5 m的样方,记录油蒿的冠幅、高度、盖度、株丛数等,对样方内的全部植物刈割称重,
大样方内做 3 个 1m伊1m的草本样方用于记录草本植物的种类。 同时,每次测定时收集样方内的凋落物量,各
时期生物量增加量与凋落物增加量的累加即可作为当年生物量(生产力)。
地下生物量的测定与地上生物量测定同步。 取样深度为 50 cm,分 0 —10 cm、10 —20 cm、20 —30 cm、30
—40 cm、40 —50 cm进行分层测定。 对于草本植物群落在测量地上生物量的样方内分层挖取 10 cm伊10 cm伊
10 cm的土体;对于半灌木群落在测量地上生物量的样方内分层挖取 50 cm伊50 cm伊10 cm土体。 在实验室内
洗根,并分细根(直径臆2. 0mm)和粗根(直径>2. 0 mm),于 85益烘干 48 h后称重。
与此同时,在生长季利用 ECH2O土壤水分测定探头对不同植物群落进行土壤温湿度的长期观测,观测深
度为 5,10,20,30,40cm。
1. 4摇 数据分析
使用 SPSS 17. 0 进行数据分析。 采用方差分析比较 4 个群落类型,不同月份之间的土壤呼吸速率。
采用指数模型分析土壤呼吸速率和土壤温度月变化的关系,采用一元线性回归模型分析土壤呼吸速率和
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土壤湿度月变化的关系,方程如下:
Rs =a eb T10 (1)
Q10 = e10b (2)
Rs = c + d W10 (3)
式中, Rs 为土壤呼吸速率(mg·m-2·h-1),a,b,c,d为拟合参数, T10指 10cm 深度的土壤温度(益), Q10为
土壤呼吸速率的温度敏感性指数,指某一土壤温度时的土壤呼吸速率值与低于该温度 10益以下的土壤呼吸
速率值之比, W10指 10cm深度的土壤体积含水量。
利用方程(4)分析土壤呼吸速率与土壤温度和土壤水分的关系:
Rs=a+b T10+ c W10+ d T10伊W10 (4)
式中,a,b,c,d均为拟合参数。 并利用 ECH2O 土壤水分测定探头在生长季长期观测的温湿度数据和方
程(4)推算出 4 个植物群落在生长季的土壤呼吸碳释放量。
计算 4 个植物群落不同月份的土壤呼吸昼夜均值和日均值的比率,用来校正 4 个植物群落各月土壤呼吸
的日均值,获得昼夜平均土壤呼吸速率。
采用一元线性回归方程分析昼夜土壤呼吸速率与根系生物量的关系,并假定根系生物量为零时的土壤呼
吸速率为最小土壤微生物呼吸[16鄄17],根系呼吸速率可通过土壤呼吸速率和微生物呼吸速率之差计算得到,进
而估算土壤呼吸不同组分的相对贡献量。
采用净生态系统生产力(NEP)表示生态系统的碳固持情况[18],方程如下:
NEP = NPP-Rm (5)
式中,NPP 表示生态系统的净第一性生产力,并由干物质量乘以 0. 48 转换为碳量, Rm 表示土壤微生物
呼吸碳量, NEP 为大气与生态系统的净碳交换。
2摇 结果
2. 1摇 土壤呼吸速率日变化
固定沙地本氏针茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)和流动沙地 1 年生草
本植物群落(AL)各月土壤呼吸速率的日变化特点随月份变化,同一月份不同群落类型又有各自的特点:
5 月,土壤呼吸速率最低值出现在 18:00,最大值出现在 9:00—10:00;日均值由大到小依次为:FA、FS、
SFA、AL。
6 月,土壤呼吸速率的最大值出现在 11:00—13:00,最小值出现在 7:00;日变幅和日均值由大到小依次
为:FA、FS、SFA、AL。
7、8 月,FS、FA、SFA 土壤呼吸最大值出现在 13:00—15:00,最低值出现在 7:00;土壤呼吸速率日变幅和
日均值由大到小依次为 FA、FS、SFA、AL。
9 月,最大值出现在 11:00—13:00,最小值出现在 7:00。 土壤呼吸速率日变幅和日均值由大到小依次
为:FS、FA、AL、SFA。 在 7:00—11:00,FS和 FA的土壤呼吸速率的大小和日变化趋势相近,FS 土壤呼吸速率
的日均值高于 FA;AL的土壤呼吸速率日变化规律与 SFA相似。
流动沙地植物群落(AL)在整个生长季内土壤呼吸速率的日变幅较小,较稳定地波动在 11. 2—22. 2
mg·m-2·h-1之间(图 1)。
2. 2摇 土壤呼吸速率的月变化
本氏针茅群落、固定沙地油蒿群落和半固定沙地油蒿群落土壤呼吸速率均表现出明显的月变化,且有着
相似的变化规律,即 5 月最低,之后逐渐升高,到 7 月达到最大值,随后逐渐降低。 流动沙地土壤呼吸速率的
月变化不明显。 生长季(除 9 月外)平均土壤呼吸速率由大到小依次为:FA、FS、SFA、AL( P <0. 05)(表 1)。
7951摇 6 期 摇 摇 摇 丁金枝摇 等:荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态系统碳固持的影响 摇
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图 1摇 不同植物群落土壤呼吸速率日变化
Fig. 1摇 Diurnal variation of soil respiration rate for different plant communities
固定沙地本氏针茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)和流动沙地 1 年生植物群落(AL)
表 1摇 不同群落生长季土壤呼吸速率的比较(mg·m-2·h-1)
Table 1摇 Comparisons on soil respiration rate (Rs ) in different plant communities in growing season
月份
Month
固定沙地本氏针茅群落
FS
固定沙地油蒿群落
FA
半固定沙地油蒿群落
SFA
流动沙地一年生植物群落
AL
5 25. 92 依 5. 18a 44. 93 依 12. 10b 22. 03 依 24. 19ac 12. 53 依 2. 16c
6 69. 55 依 17. 28a 93. 74 依 24. 19b 48. 38 依 7. 78c 17. 71 依 15. 98d
7 149. 04 依 38. 88a 177. 55 依 35. 86b 88. 99 依 47. 52c 13. 82 依 3. 04d
8 111. 46 依 16. 85a 136. 94 依 35. 86b 62. 64 依 13. 39c 9. 94 依 1. 29d
9 104. 11 依 13. 39a 85. 10 依 22. 46b 27. 65 依 2. 16c 25. 49 依 6. 48d
摇 摇 表中不同的小写字母表示在相同的月份内不同植物群落的土壤呼吸速率存在显著差异, P <0. 05, n=3
2. 3摇 土壤呼吸速率与土壤温、湿度的关系
对于 FS、FA、SFA、AL而言,土壤呼吸速率的月变化与土壤温度( T10 )存在显著的指数相关关系(P <
0郾 05)。 其中,AL土壤呼吸速率与 T10呈显著的负相关关系( P <0. 05)(图 2)。 FS、FA、SFA、AL的 Q10值分别
为 5. 87、5. 05、4. 02、0. 64,随着荒漠化程度的加重, Q10值逐渐降低,表明荒漠化程度的增加使得土壤呼吸速
率对土壤温度季节变化的敏感性逐渐降低。
对于 FS、FA、SFA、AL而言,土壤湿度对土壤呼吸速率月变化的解释量随荒漠化程度的加重而逐渐降低。
对于 FS、FA而言, Rs 和 W10呈显著正相关( P <0. 01),土壤湿度是限制固定沙地植物群落土壤呼吸的重要因
子,随土壤湿度的增加,土壤呼吸线性增加;对于 SFA 而言, Rs 随土壤湿度的增加而线性增加,但未达到显著
水平;而沙化严重的流动沙地植物群落的土壤呼吸速率对土壤湿度( W10)月变化的敏感性较小(表 2),仅随
土壤湿度的增加而有轻微增加。
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图 2摇 4 个植物群落土壤呼吸速率和土壤温度的指数拟合关系
Fig. 2摇 The relationship between soil respiration rate and soil temperature at 10cm depth for 4 plant communities
固定沙地本氏针茅群落(FS)、固定沙地油蒿群落(FA)、半固定沙地油蒿群落(SFA)和流动沙地 1 年生植物群落(AL)
表 2摇 土壤呼吸速率与土壤湿度的回归方程
Table 2摇 Regression equations of soil respiration rate (Rs ) against soil moisture (W10)
植物群落
Plant communities
样本数
n
回归方程
Regression equations R
2 P
固定沙地本氏针茅群落 FS 8 Rs = 0. 07 + 11. 38 W10 0. 72 0. 000
固定沙地油蒿群落 FA 8 Rs = 0. 70 + 11. 01 W10 0. 56 0. 001
半固定沙地油蒿群落 SFA 8 Rs = 0. 83 + 6. 07 W10 0. 37 0. 080
流动沙地 1 年生植物群落 AL 8 Rs = 0. 38 + 0. 02 W10 0. 004 0. 860
土壤呼吸速率与 W10、 T10的回归分析表明: Rs 与 W10、 T10的复合模型与单因素方程相比, R2值有不同程
度的提高,土壤温度和土壤湿度可以解释土壤呼吸月变化的 69%—87% ,因而可以利用 Rs 与 W10、 T10的复合
模型来估算生长季土壤呼吸的碳释放量(表 3)。
表 3摇 土壤呼吸速率( Rs )与土壤温度( T10)和土壤湿度( W10)的回归方程
Table 3摇 Regression equations of soil respiration rate (Rs), soil temperature(T10) and soil moisture (W10)
植物群落
Plant communities
样本数
n
回归方程
Regression equations R
2 P
固定沙地本氏针茅群落 FS 8 Rs = -1. 52 + 0. 06 T10 + 8. 26 W10 + 0. 22 T10 伊W10 0. 874 0. 000
固定沙地油蒿群落 FA 8 Rs = -3. 62 + 0. 18 T10 + 13. 45 W10 - 0. 08 T10 伊 W10 0. 814 0. 000
半固定沙地油蒿群落 SFA 8 Rs = 11. 76 - 0. 44 T10 - 84. 53 W10 + 3. 61 T10 伊 W10 0. 688 0. 020
流动沙地一年生植物群落 AL 8 Rs = -2. 34 + 0. 12 T10 + 28. 05 W10 - 1. 19 T10 伊 W10 0. 758 0. 008
2. 4摇 土壤呼吸速率与根系生物量的关系
根系生物量与土壤呼吸速率具有较为一致的变化规律,土壤呼吸速率与根系生物量的线性回归分析显示
9951摇 6 期 摇 摇 摇 丁金枝摇 等:荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态系统碳固持的影响 摇
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土壤呼吸速率与根系生物量呈极显著的线性关系,二者的相关性随着荒漠化程度的加重而增大,表明根系生
物量对土壤呼吸速率的影响增大(表 4)。
表 4摇 土壤呼吸速率(Rs)与根系生物量(Br)的回归方程
Table 4摇 Regression equations of soil respiration rate (Rs) against root biomass (Br)
植物群落
Plant communities
样本数
n
回归方程
Regression equations R
2 P
固定沙地本氏针茅群落 FS 15 Rs = 42. 83 + 0. 17Br 0. 48 0. 002
固定沙地油蒿群落 FA 15 Rs = 39. 93 + 0. 12Br 0. 61 0. 000
半固定沙地油蒿群落 SFA 15 Rs = 13. 98 +0. 25Br 0. 72 0. 000
流动沙地 1 年生植物群落 AL 15 Rs = 7. 49 + 28. 78Br 0. 79 0. 000
根据土壤呼吸速率( Rs )与根系生物量( Br )的回归方程所确定的土壤微生物呼吸速率在 FS、FA、SFA
依次减小,根系呼吸在土壤呼吸中所占比例逐渐增大。 流动沙地微生物呼吸速率最低,仅为 7. 49 mg·m-2·
h-1,但是在土壤呼吸中所占的比例却最高,达 54. 14% 。 随着荒漠化程度的加重,根系呼吸和微生物呼吸都不
同程度的降低(表 5)。
表 5摇 根系呼吸和土壤微生物呼吸在土壤呼吸中所占的比例
Table 5摇 Root contribution to soil respiration in different plant communities
植物群落
Plant communities
土壤呼吸
Soil respiration
/ (mg·m-2·h-1)
根系呼吸
Root respiration
/ (mg·m-2·h-1)
微生物呼吸
microorganism respiration
/ (mg·m-2·h-1)
根系呼吸 /土壤呼吸 / %
Root respiration /
Soil respiration / %
固定沙地本氏针茅群落 FS 88. 13 45. 30 42. 83 51. 40
固定沙地油蒿群落 FA 99. 79 59. 86 39. 93 59. 99
半固定沙地油蒿群落 SFA 47. 95 33. 97 13. 98 70. 85
流动沙地 1 年生植物群落 AL 13. 82 6. 33 7. 49 45. 86
2. 5摇 草地荒漠化过程中碳固持的变化
主要生长季(5—9 月)固定沙地生态系统净生产力为正,半固定沙地和流动沙地生态系统净生产力为负,
表明随荒漠化程度的加重,生态系统逐渐由碳汇向碳源转变。 其次,本氏针茅群落的 NEP 显著高于油蒿群
落,是较油蒿群落更高的碳汇(表 6)。
表 6摇 主要生长季(5—9 月)生态系统碳固持
Table 6摇 Carbon fixation from May to September in four plant communities (g / m2)
植物群落
Plant communities
地上净生产碳
Net aboveground
carbon accumulation
根系净生产碳
Net root carbon
accumulation
微生物呼吸
microorganism
respiration
净生态系统生产力
Net ecosystem
production
固定沙地本氏针茅群落 FS 42. 56依8. 84 150. 88依15. 49 157. 28 +36. 16
固定沙地油蒿群落 FA 78. 11依15. 14 87. 05依16. 99 146. 60 +18. 56
半固定沙地油蒿群落 SFA 31. 39依1. 34 8. 64依1. 42 51. 32 -11. 29
流动沙地 1 年生植物群落 AL 4. 98依1. 55 0. 01依0. 005 27. 48 -22. 49
3摇 讨论
3. 1摇 土壤呼吸速率的影响因子
土壤呼吸速率主要由温度、湿度、光合产物生产的共同作用所驱动,主要控制因子随生态系统类型和气候
类型不同而有所不同[19]。 在中国温带干旱、半干旱草地,土壤水分状况是调节微生物生物量、微生物呼吸过
程及其对气候变化响应的重要因素[20],是影响土壤呼吸强度的主要因子[21]。 本研究中土壤湿度是影响固定
沙地植物群落(FS和 FA)土壤呼吸速率月变化的主要因子之一,在相对干旱的 5 月,土壤湿度的限制作用尤
0061 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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为明显,干旱胁迫在一定程度上降低了土壤呼吸速率对土壤温度的响应[22],这与李玉强等在科尔沁沙地的研
究结果是一致的[23]。 对于 SFA和 AL,土壤呼吸速率的月变化与土壤湿度的相关性较小且不显著。 相对于
FS和 FA,SFA和 AL表层土壤质地较粗,持水力较低,0—10cm 土层中土壤含水量低且土壤含水量的季节变
率较小[24],这可能是导致 SFA和 AL土壤呼吸速率月变化与土壤湿度不存在显著相关性的主要原因。
研究发现,FS、FA和 SFA的土壤呼吸速率与土壤温度呈正相关,这与李玉强等[23]在科尔沁沙地的研究结
果是一致的。 根据土壤呼吸速率与土壤温度的月变化计算所得的 Q10值随荒漠化程度的加重而减小,即土壤
呼吸速率对温度的敏感性随荒漠化的加重而减小。 流动沙地植物群落生长季的土壤呼吸速率与土壤温度呈
显著负相关。 随荒漠化程度的加重,干旱胁迫会在一定程度上降低土壤呼吸速率对土壤温度的响应,土壤湿
度的限制作用可能是导致土壤呼吸速率的温度敏感性降低,土壤呼吸速率与土壤温度在流动沙地呈现负相关
关系的重要原因。
3. 2摇 荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸速率的影响
毛乌素沙地荒漠化过程中物种数显著减少,植被盖度降低,群落结构发生改变,地上生物量、根系生物量
均显著降低,土壤含水量下降,地表辐射增强,环境因子的变化势必会影响土壤呼吸的变化。 本研究表明毛乌
素沙地在荒漠化过程中,生长季平均土壤呼吸速率和土壤呼吸速率日变幅和月变幅由大到小依次为:FA、FS、
SFA、AL,随荒漠化程度的加重而显著降低,相对于 FS,SFA 和 AL 的平均土壤呼吸速率降低了 45. 3% 和
82郾 6% ,这与赵哈林等[11]在科尔沁沙地的研究结果类似,荒漠化的加剧使得沙地的日均土壤呼吸速率显著降
低,也导致土壤呼吸速率对环境条件日变化和季节变化的敏感性降低。 根系呼吸和微生物呼吸是土壤呼吸的
主要组成部分,毛乌素沙地荒漠化过程中,根系呼吸和微生物呼吸都出现不同程度的降低:(1)荒漠化过程
中,细菌、真菌及微生物总量表现为固定沙地>半固定沙地>流动半流动沙丘。 其中,固定沙地、半固定沙地的
微生物总量分别是流动半流动沙丘的 3. 03 倍、2. 20 倍[25]。 微生物数量和活力的显著降低反映了土壤物质的
代谢强度减弱,从而导致土壤微生物呼吸减小;(2)微生物呼吸与土壤有机碳含量呈线性正相关关系,以风沙
活动为主要特征的土地荒漠化可以导致土壤有机质和养分大量流失[26],进而影响土壤中的生物数量和活性,
这也是导致微生物呼吸下降的重要原因;(3)根系呼吸和微生物呼吸都依赖于初级生产力,荒漠化过程导致
植物群落地上生物量和根系生物量以及生态系统生产力显著降低,势必会导致根系呼吸降低;(4)土壤湿度
是影响土壤呼吸的重要因子。 草地荒漠化过程中,随群落盖度逐渐减小,土壤质地和机械组成发生变化,沙粒
含量增加,有机质含量减少,土壤持水力下降,0—10cm 土层中土壤含水量明显减小[27],从而导致土壤呼吸
下降。
土壤呼吸是表征土壤质量和土壤肥力的重要生物学指标,在一定程度上反映了土壤的氧化和转化能力。
毛乌素沙地荒漠化不同阶段土壤呼吸速率显著降低,表明毛乌素沙地土壤物质的代谢强度降低,土壤质量和
健康状况恶化。
3. 3摇 荒漠化对毛乌素沙地碳固持的影响
土壤碳库是受人类活动影响较大的碳库,同时也是对大气碳库影响最大的碳库之一[2],土壤碳库对于大
气碳库是碳“源冶还是碳“汇冶主要取决于土地利用方式、植被类型以及土地管理方式等[28]。 由于放牧、开垦
等人类活动导致的荒漠化是干旱区主要的土地退化形式,它的发生和发展对干旱区土壤碳循环有着重要影
响。 持续过度的放牧行为可导致土地覆盖率显著降低,从而进一步加剧土壤风蚀,使得土壤有机碳、氮含量下
降,生物活性减弱[29]。 本研究对生长季毛乌素沙地的碳收支情况进行了初步估算,结果表明固定沙地的本氏
针茅群落和油蒿群落是大气 CO2的碳“汇冶,随着荒漠化程度的加重,沙地的碳汇功能也随之降低。 当群落的
逆行演替进展到半固定沙地最终演变为流动沙地时,沙地的碳汇功能逐渐降低最终转为大气 CO2碳“源冶。
这进一步证实了荒漠化会促进土壤有机碳和无机碳的矿化,导致土壤碳库的降低,进而加剧温室效应的结
论[3]。 反之,本文研究结果亦显示加强荒漠化土地治理,促进荒漠化草地植被恢复和重建,不仅可以改善当
地生态环境,同时对于荒漠化地区碳库的恢复和碳固持的稳定发展具有重要意义。 有证据表明草地沙化会导
1061摇 6 期 摇 摇 摇 丁金枝摇 等:荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态系统碳固持的影响 摇
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致土壤碳储量降低[30],而这个过程是可能逆转的[31]。 因此,在半干旱区通过植被的恢复重建增加土壤碳储
量以降低大气 CO2浓度的方法是可行的。 Duan等使用遥感数据分析了我国不同时期土地荒漠化和恢复治理
的情况,并计算了荒漠化土壤有机碳储量的动态,认为我国荒漠化土地还有很大的固碳潜力[32]。 2003 年我
国草地沙化和强烈沙化面积为 450806 km2,约占全国草地面积的 32. 9% ,如果积极采取合理的措施使得发生
沙化的草地向进展演替的方向进行,促进生态系统碳固持,我国干旱、半干旱区生态系统的固碳能力还有很大
的提升空间[29],这对于减缓我国温室气体的排放具有积极意义。 如能结合遥感大尺度监测数据,本结果可能
实现半干旱区碳源汇的定量估算。
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3061摇 6 期 摇 摇 摇 丁金枝摇 等:荒漠化对毛乌素沙地土壤呼吸及生态系统碳固持的影响 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 6 March,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Influences of elevated ozone on growth and C, N, S allocations of rice
ZHENG Feixiang, WANG Xiaoke, HOU Peiqiang, et al (1479)
…………………………………………………………………
…………………………………………………………………
Coexistence, biodiversity and roles of ammonia-oxidizing archaea and anaerobic ammonium-oxidizing bacteria in deep soil layer
of high nitrogen loaded paddy field WANG Yu, ZHU Guibing, WANG Chaoxu, et al (1487)……………………………………
The impact of interannual climate variability on the mean global vegetation distribution SHAO Pu, ZENG Xiaodong (1494)…………
Labile and recalcitrant carbon and nitrogen pools of an alpine meadow soil from the eastern Qinghai-Tibetan Plateau subjected
to experimental warming and grazing WANG Bei, SUN Geng, LUO Peng, et al (1506)…………………………………………
The structure and species diversity of plant communities in ecological safety islands of urban Guangzhou
MO Dan, GUAN Dongsheng, HUANG Kangyou, et al (1515)
……………………………
……………………………………………………………………
The growth pattern of Pinus elliottii Plantation in central subtropical China
MA Zeqing, LIU Qijing, WANG Huimin, et al (1525)
……………………………………………………………
……………………………………………………………………………
The effect of two wetland plants on nitrogen and phosphorus removal from the simulated paddy field runoff in two small-scale
Subsurface Flow Constructed Wetlands LIU Shuyuan, YAN Baixing, WANG Lixia (1538)………………………………………
Effect of simulated nitrogen deposition on nutrient release in decomposition of several litter fractions of two bamboo species
TU Lihua, HU Tingxing, ZHANG Jian, et al (1547)
…………
………………………………………………………………………………
Ecological monitoring of bryophytes for mercury pollution in Danzhai Mercury Mine Area, Guizhou Province, China
LIU Rongxiang,WANG Zhihui, ZHANG Zhaohui (1558)
…………………
…………………………………………………………………………
Influence of silt deposition and sand deposition on Cynodon dactylon population in low-water-level-fluctuating zone of the Three
Gorges Reservoir LI Qiang,DING Wuquan, ZHU Qihong, et al (1567)…………………………………………………………
Seed production of Spartina alterniflora and its response of germination to temperature at Chongming Dongtan, Shanghai
ZHU Zhenchang, ZHANG Liquan, XIAO Derong (1574)
……………
…………………………………………………………………………
Effects of decomposition of mixed leaf litters of the Castanopsis platyacantha-Schima sinensis forest on soil organic carbon
ZHANG Xiaopeng, PAN Kaiwen, WANG Jinchuang,et al (1582)
……………
…………………………………………………………………
Effects of desertification on soil respiration and ecosystem carbon fixation in Mu Us sandy land
DING Jinzhi, LAI Liming, ZHAO Xuechun, et al (1594)
………………………………………
…………………………………………………………………………
The spatial distribution of soil organic carbon and it′s influencing factors in hilly region of the Loess Plateau
SUN Wenyi, GUO Shengli (1604)
…………………………
…………………………………………………………………………………………………
Effects of interspecific interactions and nitrogen fertilization rates on above- and below- growth in faba bean / mazie intercropping
system LI Yuying, HU Hansheng, CHENG Xu, et al (1617)……………………………………………………………………
Effects of supplemental irrigation based on measured soil moisture on nitrogen accumulation, distribution and grain yield in win-
ter wheat HAN Zhanjiang, YU Zhenwen, WANG Dong,et al (1631)……………………………………………………………
Anti-soil background capacity with vegetation biochemical component spectral model SUN Lin,CHENG Lijuan (1641)………………
Spatial distribution of arbuscular mycorrhizal fungi and glomalin of Hippophae rhamnoides L in farming-pastoral zone from the
two northern provinces of China HE Xueli, CHEN Cheng, HE Bo (1653)………………………………………………………
Study on optimum forest coverage for water conservation: a case study in Pingtonghe watershed (Pingwu section)
ZHU Zhifang,GONG Gutang,CHEN Junhua,et al (1662)
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Spatial point analysis of fire occurrence and its influence factor in Huzhong forest area of the Great Xing′an Mountains in Hei-
longjiang Province, China LIU Zhihua, YANG Jian, HE Hongshi, et al (1669)…………………………………………………
Combustion efficiency of small-scale meadow fire in Daxinganling Mountains
WANG Mingyu, SHU Lifu, SONG Guanghui,et al (1678)
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Community structure of demersal fish in Nature Reserve of Acipenser sinensis in Yangtze River estuary
ZHANG Tao, ZHUANG Ping, ZHANG Longzhen, et al (1687)
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Behavioral responses of the Common Coots (Fulica atra) and other swimming birds to human disturbances
ZHANG Weiwei, MA Jianzhang, LI Jinbo (1695)
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Effects of photoperiod on body mass, organ masses and energy metabolism in Chinese bulbul (Pycnonotus sinensis)
NI Xiaoying,LIN Lin,ZHOU Feifei,et al (1703)
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Larval host types for the 3 rd Helicoverpa armigera in Bt cotton field from North China determined by δ13C
YE Lefu, FU Xue, XIE Baoyu, et al (1714)
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Selectivity of Frankliniella occidentalis to vegetable hosts YUAN Chengming, ZHI Junrui, CAO Yu, et al (1720)……………………
Genetic structure of Pine caterpillars (Dendrolimus) populations based on the analysis of Cyt b gene sequences
GAO Baojia,ZHANG Xuewei, ZHOU Guona,et al (1727)
………………………
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Pricing method and application effects of biogas slurry ZHANG Changai, LIU Ying, CAO Man, WANG Yanqin, et al (1735)……
Effects of compost from municipal solid waste on ecological characteristics and the quality of different turfgrass cultivars
ZHAO Shulan,LIAN Fei,DUO Li′an (1742)
……………
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Degradation kinetics and bioavailability of pentachlorophenol in paddy soil-rice plant ecosystem
WANG Shisheng, LI Depeng (1749)
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Review and Monograph
Concepts and techniques of landscape genetics XUE Yadong, LI Li, WU Gongsheng, ZHOU Yue (1756)……………………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊★
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊 Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊 Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
　 ★《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1． 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
　 　 编辑部主任: 孔红梅　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 执行编辑: 刘天星　 段　 靖
生　 态　 学　 报
(SHENGTAI　 XUEBAO)
(半月刊　 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷　 第 6 期　 (2011 年 3 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
　
(Semimonthly,Started in 1981)
　
Vol． 31　 No． 6　 2011
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