全 文 ：书西北植物学报!
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文章编号$
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-/001-#"""+$"!,-!"#$-"&-#(&
收稿日期$
!"#$+"$+#%
&修改稿收到日期$
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基金项目$中国科学院战略性先导科技专项"
234",","$"%
#&兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金"
567
.
89
:
+!"#%+*&
#&国家自然科
学基金"
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!
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#&高等学校博士学科点专项科研基金"
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#
作者简介$沈晓坤"
#&$)
#!男!硕士!主要从事草地生态学方面的研究
;+<=/5
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0>?1@9##
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567-?A7-B1
"
通信作者$张燕!硕士!主要从事草地生态学方面的研究
;+<=/5
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6>=1
C:
9##
!
567-?A7-B1
黄土高原围封与自然放牧草地碳交换特征
沈晓坤#!!刘明惠%!张燕#"!张
!
徐!!傅
!
华#
"
#
草地农业生态系统国家重点实验室!兰州大学 草地农业科技学院!兰州
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!
阳光凯迪新能源集团有限公司!武汉
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延边大学 外国语学院!吉林延吉
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#
摘
!
要$用静态箱法于
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年
%
月
"
!"#%
年
!
月对黄土高原自然放牧及其围封
(
年的草地土壤呼吸和净生态系
统
DE
!
交换速率进行为期
#
年的实地观测结果表明$"
#
#围封和自然放牧草地全年的碳交换总量均表现为碳汇!
即
DE
!
净吸收&围封草地全年净生态系统碳交换量为"
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#
C
(
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)!
!其中生长季和非生长季交换量分别
为"
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C
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#
C
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&自然放牧草地生态系统全年碳交换量为"
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C
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!其中生长季和非生长季交换量分别为"
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#
C
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#
C
(
<
)!
"
!
#草地净生态系统
DE
!
交换速率生长季主要受土壤含水量的控制!而在非生长季则主要受土壤温度的控制&草地土壤呼吸速率主要
受土壤温度和土壤含水量共同影响!其中在生长季受土壤含水量的影响作用更大!而在非生长季则受土壤温度的
影响作用更大"
%
#土壤有机质含量的差异是造成围封草地土壤呼吸速率大于自然放牧草地的主要原因"
$
#研
究区草地存在土壤呼吸负通量现象!样地灰钙土偏高的碱性条件"
G
H
#
-!
#促进了土壤次生碳酸盐的淀积可能是
造成这一现象的主要原因
关键词$黄土高原&围封&自然放牧&
DE
!
交换&土壤呼吸负通量
中图分类号$
I&$-##
文献标志码$
4
$%&"()*+,%(
-
.$,%&%+/.�/#+0"12.(+.!%(!
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#
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C
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G
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C
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G
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G
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C
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C
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!
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_
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G
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G
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C
W=005=1A?BL0
:
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G
5=U?=7/00U/5
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C
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C
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:
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G
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G
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B>=1
C
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G
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#
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U=5B=W8L1?@B>=1
C
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G
5?
G
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GG
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C
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C
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"
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C
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:
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G
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:
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:
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G
?W=U7W?=1A0L/5!
87UU>?0/U7=U/L1
/0A/XX?W?1U/1A/XX?W?1U0?=0L10
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U>??XX?BULX0L/5C
W?=U?W/1
C
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G
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C
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C
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C
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"
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#
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C
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G
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G
/W=U/L1W=U?LXX?1B?A5=1A/0
C
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C
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G
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G
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LX0L/5/1LW
C
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G
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DE
!
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C
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&
1?
C
=U/[?17G
/W=U/L1
!!
地球上的碳平衡主要表现为海洋+大气和陆地
等生态系统碳库之间的相互作用!大气中碳含量的
波动取决于地球上各生态系统之间碳交换通量的变
化!在漫长的地质历史时期中!大气碳含量始终处于
动态平衡之中,#+%-自工业革命以来!由于人口的剧
增+化石燃料的大量使用以及土地的不合理利用等
人为因素导致生态系统原有的碳平衡遭到破坏!以
DE
!
为主要成分的温室气体浓度变化速度加快!进
而引发全球气候变化,$-全球气候变化对全球生态
系统的结构+功能和过程产生了重要影响!成为各国
政府+社会公众以及科学界共同关心的焦点问题,-!
中国政府已经承诺!到
!"!"
年单位
R3Y
的
DE
!
排
放量比
!"",
年下降
$"a
"
,"a
!并将其作为国民
经济和社会发展的约束性指标,(-
陆地生态系统
+
大气间
DE
!
交换主要包括植被
光合固定碳"即生态系统总初级生产力!
C
WL00
G
W/+
<=W
:G
WLA7BU/[/U
:
!
RYY
#与生态系统呼吸释放碳
"
ULU=5?BL0
:
0U?G
/W=U/L1
!
Z;b
!包括自养呼吸
和异养呼吸#两个过程,*-通过对陆地生态系统碳
交换各个环节及其与环境因子之间的关系进行研
究!可以确定系统的碳源%碳汇性质!并预测在全球
变化背景下生态系统各个碳库的响应草地生态系
统碳贮量约占陆地生态系统碳库总贮量的
%$a
!是
陆地生态系统碳循环的一个重要组成部分,+&-合
理的管理措施可以有效提高草地生态系统有机碳贮
量!对缓解由于大气
DE
!
浓度升高而引起的全球气
候变化具有重要意义,#"-
黄土高原总面积约
(!"""9<
!
!是世界范围内
黄土分布面积最广+土层厚度最大的地区!长期以
来!由于黄土的特殊性质和人类活动的影响!黄土高
原已成为中国乃至世界范围内水土流失最严重的区
域之一
!"
世纪末!国家在该区域实施了退耕还林
还草工程!但截至目前!有关退耕还草工程对黄土高
原草地生态系统固碳潜力及其碳源%碳汇强度和分
布的影响尚不清楚,##-围封与放牧是草地两种主
要的管理方式,#!+#%-!本研究通过对黄土高原自然放
牧及其围封草地生态系统碳交换速率进行实地观
测!探讨草地生态系统碳交换速率的变化规律及其
主要影响因素!旨在为研究区草地在实行围封管理
措施之后其碳收支效益的评估以及为草地实现碳汇
管理和进一步研究黄土高原草地生态系统碳循环机
制提供理论基础
#
!
材料和方法
>->
!
研究区概况
试验地设在兰州大学半干旱气候与环境观测站
"
J4DEM
站#!该站位于甘肃省榆中县北部夏管营
镇!地理坐标为北纬
%,c,*d
!东经
#"$c"&d
!海拔高度
#&(,-<
地貌类型属于黄土高原残塬梁峁沟壑!
土壤属于第四纪风蚀黄土+灰钙土!下垫面为典型的
黄土高原地貌气候类型属于大陆性半干旱气候!
年平均气温
(-*e
!年降水量约
%!<<
!年蒸发量
变化范围为
&#*-,
"
#%(-%<<
!无霜期约
##,A
!
年日照时数约
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!年平均风速约
#<
%
0
!盛行东
南风和西北风植被类型属于半干旱典型草原!草
地植物主要有长芒草"
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娃花"
+*"*,-
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2
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#+铁杆蒿"
5,"*3#.#%
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#+冷蒿"
5,"*3#4
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#+二裂萎陵菜"
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6
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#和
茵陈蒿"
5,"*3#.#%0%
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#//%,#.
#等该区域原为
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西
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北
!
植
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物
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学
!
报
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卷
表
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样地不同土层土壤理化性质"平均值
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标准误!
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WL
G
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:
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:
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"
!
1f,
#
土层
JL/55=
:
?W
%
B<
!
样地
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G
5?
G
5LU
土壤
G
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JL/5
G
H
土壤容重
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:
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C
(
B<
)%
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土壤有机碳
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C
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C
(
9
C
)#
#
土壤全氮
JL/5ULU=51/UWL
C
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C
?1
%"
C
(
9
C
)#
#
土壤全磷
JL/5ULU=5
G
>L0
G
>LW70
%"
C
(
9
C
)#
#
"
"
,
围封
T?1B?A
!
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"
!
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"
&-$,F"-#%
"
"-F"-"% "-*$F"-"#
放牧
RW=6?A -!&F"-"# #-!&F"-"# *-(*F"-#, "-&%F"-"! "-*$F"-""
,
"
#"
围封
T?1B?A -!&F"-"!
!
#-#F"-"#
"
(-(*F"-"&
"
"-&,F"-",
!
"-*$F"-"#
"
放牧
RW=6?A -%%F"-"# #-!&F"-"" (-%!F"-#* "-&%F"-"# "-*&F"-"#
#"
"
!"
围封
T?1B?A
!
-$*F"-"%
"
#-#&F"-"# (-,,F"-#%
"
"-*!F"-", "-*,F"-"#
放牧
RW=6?A -!*F"-"# #-!!F"-"! ,-("F"-" "-*!F"-"$ "-*(F"-"!
!"
"
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围封
T?1B?A -%$F"-"$ #-!"F"-"# ,-$#F"-##
!
"-((F"-"* "-*#F"-"#
放牧
RW=6?A -$$F"-"! #-#&F"-"! ,-,*F"-$* "-(&F"-"( "-*%F"-"!
%"
"
,"
围封
T?1B?A -("F"-"! #-!!F"-"# $-!$F"-"&
"
"-,,F"-"% "-(F"-"#
放牧
RW=6?A -,,F"-"! #-!#F"-"# %-(%F"-"! "-,(F"-"* "-*"F"-"!
,"
"
*"
围封
T?1B?A -*(F"-"% #-!!F"-"# %-#&F"-#%
!
"-$#F"-"# "-(F"-"!
放牧
RW=6?A -*#F"-"% #-!,F"-"# !-*F"-"$ "-$#F"-"% "-((F"-"!
*"
"
#""
围封
T?1B?A -*F"-", #-!,F"-"# !-#!F"-#%
!
"-%"F"-"# "-((F"-"#
放牧
RW=6?A -!F"-"! #-!,F"-"! !-%#F"-#" "-%#F"-"# "-(,F"-"#
!!
注$同一列中围封草地数据标"!则表示围封与自然放牧草地间差异显著"
8
$
"-",
#
KLU?
$
"
0>L\00/
C
1/X/B=1UA/XX?W?1B?8?U\??1X?1B?A=1A1=U7W=5
C
W=6?A
C
W=005=1A/1U>?0=:
?W=U"-",5?[?5-
世纪
"
年代中期弃耕的农田!此后撂荒恢复为自然
放牧草地,##-
>-?
!
样地设置
在观测站周围的围封和自然放牧区域分别选择
两块地势平缓+坡向相近+面积
!><
! 的草地作为研
究样地其中!自然放牧草地在冷季和暖季的放牧
强度分别为每公顷
#
"
!
只羊和每公顷
!
"
%-,
只
羊&围封草地由自然放牧草地于
!"",
年
#"
月开始
进行围封
!"#!
年
(
月中旬进行样地土壤调查!土
壤基本理化性质见表
#

>-@
!
研究方法
>-@->
!
碳交换速率的测定
!
本研究的碳通量日动
态测定均选择晴朗天气!且围封和自然放牧草地的
测定在同一天进行测定频度为$生长季"
$
"
#"
月#每月上下旬各
#
次!非生长季"
##
"
次年
%
月#每
月
#
次每次测定提前
#A
将同化箱底座装入各样
地土壤!用样线法每隔约
#"<
安装
!
个
"-,"-,<
的基座"其中一个底座内的植物地上部分剪
掉同时手工清除基座内的枯落物用于土壤呼吸速率
的测定!另一个保留植被原状用于净生态系统
DE
!
交换速率的测定#!各
,
次重复底座高
B<
!插入
地下
,B<
测定时!先将装有小风扇的
,"BB透明同化箱放在底座上!调整同化箱的
位置使其与底座的吻合!将箱体
$
个角的密封扣扣
好!打开同化箱风扇!连接
MNDEb+$"
"
MNDEb
!
N1B-
!
M/1BL51K;
!
OJ4
#进行测定!记录同化箱内气
压以及
"0
和
&"0
时同化箱内的
DE
!
和
H
!
E
浓度
和气温值日动态测定于
(
$
""
"
次日
%
$
""
每隔
%
>
测
#
次!最后利用各个时间点测定得出的
DE
!
交
换速率代表其所在时间段的
DE
!
交换速率绘制动
态曲线!并以此估算当天的
DE
!
交换速率!进而估
算各月的
DE
!
交换速率,#$-
DE
!
交换速率
9
0
的计
算,##-采用以下公式$
9
0
f
:8
%;
"
#""")<
%;
#
=!
"
>
%;
h!*%?#,
#
g
70
7"
式中!
:
为箱体的体积,同化箱长
g
宽
g
"箱体高度
h
底座露出地上部的高度#-&
8
%;
为测量期间箱体内
的平均大气压强"
V
(
Y=
#&
<
%;
是测量期间箱体内的
水气分压"
<(
)#
#&
=
是大气常数"
-%#$
^
(
)#
(
V
)#
#&
!
是同化箱的面积&
>
%;
是测量期
间箱体内的平均温度&
70
%
7"
为
&"0
测定时间内
DE
!
浓度"
#
(
)#
#变化速率
>-@-?
!
土壤温度与土壤水分的测定
!
在每次测定
DE
!
交换速率的同时!用
(%#"
针式温度计测定基座
外沿
,B<
深度的土壤温度由于土壤水分在全天
中无明显波动,#,-!在全天测定结束后!用土壤水分
探测仪"
ZW/G
WL8?
!
NPVE
!
;UU5/1
C
?1
!
R?W+
<=1
:
#原位测定基座内
#"B<
深度的土壤体积含
水量
>-@-@
!
数据处理
!
所得数据采用
JYJJ#*-"XLW
]/1AL\0
统计分析软件进行围封与自然放牧草地
#*#
&
期
!!!!!!!!!!!!!!
沈晓坤!等$黄土高原围封与自然放牧草地碳交换特征
相关指标的差异性分析和
DE
!
交换速率与土壤温
度及土壤水分的相关性分析!动态曲线采用
P/+
BWL0LXU;@B?5!"#"
绘制
!
!
结果与分析
?A>
!
生长季草地
$B
?
交换速率日动态特征
?->->
!
生长季草地土壤呼吸日动态特征
!
围封和
自然放牧草地在生长季不同时期的土壤呼吸速率日
变化趋势均呈现)单峰型*曲线"图
#
#!表现为白天
高
!
夜间低!最高值均出现在
#!
$
""
"
#,
$
""
!峰值
分别为"
!-!F"-#
#
#
(
<
)!
(
0
)#和"
#-*F"-#
#
#
(
<
)!
(
0
)#
!且多数时间段围封草地土壤呼吸
速率显著高于自然放牧草地"
8
$
"-",
#
?A>A?
!
生长季草地净生态系统
$B
?
交换速率日动
态特征
!
围封和自然放牧草地净生态系统
DE
!
交
换速率日变化趋势"图
#
#除了
(
月份和生长季初期
及末期出现 )双峰型*曲线外!多数时期均以)
J
*型
变化曲线为主!即白天的净生态系统
DE
!
交换速率
为负值"碳汇#!
&
$
""
"
#!
$
""
前后达到
DE
!
净吸收
峰值!
#
$
""
前后由碳吸收逐渐转变为碳排放!之后
呈现正值"碳源#!
#
$
""
前后达到
DE
!
排放峰值&到
了生长季末期!草地在白天各时间段陆续由碳汇转
变为碳源除了
,
月
!*
日+
&
月
!&
日和生长季末
期!生长季多数时间段围封草地生态系统白天的
DE
!
净吸收量和夜间
DE
!
净排放量显著高于自然
放牧草地"
8
$
"-",
#&围封与自然放牧草地生态系
统白天的
DE
!
净吸收峰值和夜间的
DE
!
净排放峰
值都出现在

月份
?A?
!
非生长季草地
$B
?
交换速率日动态特征
非生长季草地的碳交换速率日动态如图
!
所
示草地净生态系统
DE
!
交换速率在非生长季的
日变化趋势及其数值均近似于土壤呼吸速率!且围
封与自然放牧草地在同一时间段内的碳交换速率差
异并不显著!两地的碳交换速率日变化范围为
"
)"-$F"-#
#
"
"
#-"F"-#
#
#
(
<
)!
(
0
)#
!呈
现)单峰型*变化趋势!最高值出现在
#!
$
""
"
#,
$
""
!进入夜间至次日早晨"
#
$
""
"
次日
&
$
""
#!
草地净生态系统
DE
!
交换和土壤呼吸均出现负通
量"土壤吸收
DE
!
#现象
?-@
!
草地土壤呼吸负通量现象
为进一步探讨土壤呼吸负通量现象!本研究以
%
月份草地碳交换速率和土壤温度日变化为研究对
象"图
%
#图中显示!
%
月份草地土壤呼吸和净生态
系统
DE
!
交换日变化趋势开始出现差异土壤呼
吸与土壤温度日变化趋势一致!呈现)单峰型*曲线!
白天表现为
DE
!
净排放!夜间仍然出现图
!
所显示
的冬季土壤呼吸
DE
!
负通量现象草地生态系统
在白天表现为
DE
!
净吸收!夜间继续呈现冬季的净
生态系统
DE
!
交换和土壤呼吸
DE
!
负通量现象!因
此草地的净生态系统
DE
!
交换在全天各个时段均
图
!
!
非生长季围封和自然放牧草地净生态系统
DE
!
交换和土壤呼吸速率的日动态
T/
C
-!
!
3/7W1=5[=W/=U/L10LX1?U?BL0
:
0U?!
?@B>=1
C
?=1A0L/5W?0
G
/W=U/L1W=U?
8?U\??1X?1B?A=1A1=U7W=5
C
W=6?A
C
W=005=1A/11L1+
C
WL\/1
C
0?=0L1
!*#
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$
卷
图
#
!
生长季围封和自然放牧草地净生态系统
DE
!
交换和土壤呼吸速率的日动态
T/
C
-#
!
3/7W1=5[=W/=U/L10LX1?U?BL0
:
0U?!
?@B>=1
C
?=1A0L/5W?0
G
/W=U/L1W=U?
8?U\??1X?1B?A=1A1=U7W=5
C
W=6?A
C
W=005=1A/1
C
WL\/1
C
0?=0L1
%*#
&
期
!!!!!!!!!!!!!!
沈晓坤!等$黄土高原围封与自然放牧草地碳交换特征
图
%
!
围封和自然放牧草地净生态系统
DE
!
交换和土壤呼吸速率以及土壤温度在
%
月份的日动态
T/
C
-%
!
3/7W1=5[=W/=U/L10LX1?U?BL0
:
0U?!
?@B>=1
C
?=1A0L/5W?0
G
/W=U/L1W=U?=1A0L/5
U?<
G
?W=U7W?=U,B<8?U\??1X?1B?A=1A1=U7W=5
C
W=6?A
C
W=005=1A/1P=WB>
表现为碳汇"图
%
#
?AC
!
草地
$B
?
交换速率与环境因子季节动态特征
?ACA>
!
草地土壤呼吸的季节动态特征
!
图
$
显示!
围封和自然放牧草地土壤呼吸的季节变化趋势相
近!
DE
!
日交换量从生长季初期开始增强!于
(
月
#(
日前后随着土壤含水量的下降而减弱!此后又逐
渐增强!到

月中旬达到最大值!分别为"
$$#,-*F
*$-!
#
<
C
(
<
)!
(
A
)#和"
%($!-(F,$-$
#
<
C
(
<
)!
(
A
)#
!到了生长季末期开始减弱生长季围封
草地土壤呼吸速率显著高于自然放牧草地"
8
$
"-",
#!非生长季围封草地偏高!但增幅不显著草
地土壤呼吸除了在
(
月份随着土壤含水量的下降而
出现下降!其季节变化趋势与土壤温度的季节变化
趋势基本相近"图
$
#
?ACA?
!
草地净生态系统
$B
?
交换速率的季节动态
特征
!
围封与自然放牧草地净生态系统
DE
!
的日
交换量从
%
月份开始表现为碳汇!此后于
(
月份随
着土壤含水量的下降!围封草地生态系统表现为微
弱的碳汇!而自然放牧草地生态系统则由碳汇转化
为微弱的碳源!此后两地的日交换量都恢复为碳汇!
到

月下旬至
&
月上旬两地的净生态系统
DE
!
日
交换量达到全年的峰值!分别为"
)%%"(-"F
!%-%
#
<
C
(
<
)!
(
A
)#和"
)#,&(-!F!&-*
#
<
C
(
<
)!
(
A
)#
&到了生长季末期!围封草地生态系
统开始由碳汇转化为碳源!而自然放牧草地生态系
统则表现为微弱的碳汇&
##
月份开始!至非生长季
结束!两地均表现为碳源
?AD
!
草地
$B
?
交换速率与环境因素的关系
为寻找与黄土高原草地生态系统碳交换速率相
关的环境因子!将围封与自然放牧草地
DE
!
日交换
量与
,B<
土壤日平均温度和
#"B<
土壤日平均含
水量分不同季节分别进行相关性分析!结果如表
!
图
$
!
围封和自然放牧草地净生态系统
DE
!
交换和
土壤呼吸速率+土壤温度以及土壤水分的季节变化
T/
C
-$
!
J?=0L1=5[=W/=U/L10LX1?U?BL0
:
0U?!
?@B>=1
C
?=1A0L/5W?0
G
/W=U/L1W=U?
!
0L/5U?<
G
?W=U7W?=U
,B<=1A0L/5X?1B?A=1A1=U7W=5
C
W=6?A
C
W=005=1A
所示围封和自然放牧草地碳交换速率与土壤温度
和土壤水分的相关性均表现为$生长季和非生长季
草地土壤呼吸速率的变化与土壤温度和土壤水分的
变化均呈显著正相关!但是生长季土壤呼吸与土壤
温度的相关系数小于其与土壤含水量的相关系数!
而在非生长季土壤呼吸速率与土壤温度的相关系数
大于其与土壤含水量的相关系数&生长季草地净生
态系统
DE
!
交换速率与土壤温度的相关性并不显
著!而与土壤含水量则呈显著相关!到了非生长季则
是与土壤含水量呈显著相关"
8
$
"-",
#!而与土壤
温度呈极显著相关"
8
$
"-"#
#
$*#
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$
卷
表
?
!
碳交换速率与环境因子的相关系数
Z=85?!
!
DLWW?5=U/L1BL?XX/B/?1U08?U\??1B=W8L1?@B>=1
C
?W=U?=1A?1[/WL1季节
J?=0L1
DE
!
交换速率
DE
!
?@B>=1
C
?W=U?
样地
Y5LU
土壤温度
JL/5U?<
G
?W=U7W?
土壤水分
JL/5生长季
RWL\/1
C
0?=0L1
生态系统净交换速率
K;;
围封
T?1B?A
放牧
RW=6?A
)"-#!!
!!
)"-!#(
!!
)"-%**
"
!
)"-,,,
""
土壤呼吸速率
Jb
围封
T?1B?A
放牧
RW=6?A
"-(#%
""
!!
"-(%%
""
!!
"-&"
""
"-(*
""
非生长季
KL1+
C
WL\/1
C
0?=0L1
生态系统净交换速率
K;;
围封
T?1B?A
放牧
RW=6?A
"-*%(
""
"-!(
""
"-%((
"
"-,"#
"
土壤呼吸速率
Jb
围封
T?1B?A
放牧
RW=6?A
"-,$$
""
"-((!
""
"-$(#
"
"-$,%
"
!!
注$
""
和
"
分别表示在
"-",
和
"-"#
水平"双侧#上显著相关
KLU?
$
""
=1A
"
0>L\0/
C
1/X/B=1UBLWW?5=U/L1=U"-"#=1A"-",5?[?50
"
!+U=/5?A
#!
W?0
G
?BU/[?5
:
-
图
,
!
围封和自然放牧草地净生态系统
DE
!
交换和土壤呼吸的碳交换量
T/
C
-,
!
Z>?B=W8L1?@B>=1
C
?=:
0U?<
DE
!
?@B>=1
C
?=1A0L/5W?0
G
/W=U/L18?U\??1
X?1B?A=1A1=U7W=5
C
W=6?A
C
W=005=1A
?-E
!
草地年度碳交换量
将草地全年各月的日动态测定得到的碳交换速
率估算出来的各月碳交换量相加!得到草地生态系
统全年的碳交换量如图
,
所示生长季围封草地净
生态系统
DE
!
吸收量和土壤呼吸
DE
!
排放量均显
著大于自然放牧草地"
8
$
"-",
#!非生长季围封草
地净生态系统
DE
!
吸收量和土壤呼吸
DE
!
排放量
虽大于自然放牧地!但增加幅度未达到显著水平
围封草地全年土壤呼吸
DE
!
排放量显著高于自然
放牧草地"
8
$
"-",
#!净生态系统
DE
!
吸收量高于
自然放牧草地!但增幅不显著
%
!
讨
!
论
@->
!
草地土壤呼吸特征及其影响因素
土壤温度和土壤含水量是控制土壤呼吸速率的
两个重要因素,#(-!一般情况下!土壤温度是土壤呼
吸最主要的驱动因素,#*-本研究结果显示!围封与
自然放牧草地生态系统土壤呼吸速率与土壤温度和
土壤含水量均呈显著正相关!但是土壤温度和土壤
含水量在生长季和非生长季对土壤呼吸速率的影响
程度有所区别$生长季草地的土壤呼吸速率与土壤
含水量的相关性系数大于其与土壤含水量的相关性
系数!这说明生长季土壤含水量是影响草地土壤呼
吸速率的主要因素&非生长季则是草地土壤呼吸速
率与土壤温度的相关性系数大于其与土壤含水量的
相关性系数!说明非生长季土壤温度是影响草地土
壤呼吸速率的主要因素因此!黄土高原草地土壤
呼吸速率在不同季节所受的主要调控因素有所
不同
土壤有机质是土壤呼吸重要的基质,#-!有研究
表明!土壤有机质含量与土壤呼吸速率呈正相关!土
壤有机质含量可作为预测土壤呼吸速率的重要参
数,#&+!"-本研究结果显示!草地在围封
(
年之后!与
自然放牧草地相比!土壤全氮和全磷含量无显著变
化!而
,"B<
以上土层土壤有机碳含量则出现了不
同程度的差异!特别是
!"B<
以上土层土壤围封草
地有机碳含量显著高于自然放牧草地!而在多数时
间里围封草地的土壤呼吸速率也显著高于自然放牧
草地!两地的土壤温度和土壤含水量在多数时间里
并无显著差异!这说明表层土壤有机碳含量的差异
是造成围封草地土壤呼吸速率高于自然放牧草地的
主要原因植物的光合作用与土壤有机质矿化作用
是影响碳素循环的
!
个主要因素,!#-!围封草地土壤
呼吸速率增强!在引起土壤有机质消耗增加的同时
可促进土壤有机质矿化释放无机养分被植物根系吸
收!从而有利于植物地上部分得到更加充足的养分
进行光合作用并向土壤输入更多的有机质
围封与自然放牧草地生态系统在非生长季的夜
间和早晨有固碳现象!由于非生长季环境温度低且
植被枯萎!草地的碳交换日动态图显示土壤呼吸速
率与净生态系统
DE
!
交换速率相近!这说明此时植
被对草地生态系统碳交换过程的影响甚微!土壤方
面的因素才是造成这一现象的主要原因!即土壤呼
吸负通量现象在研究区的其它研究中也有观测到
,*#
&
期
!!!!!!!!!!!!!!
沈晓坤!等$黄土高原围封与自然放牧草地碳交换特征
相同的现象,#$-有人通过对高寒草甸在非生长季
出现土壤呼吸负通量现象的解释是$冬季气温和土
壤温度均很低!土壤微生物和根系呼吸基本停止!而
DE
!
在水中的溶解度随温度下降而升高!此时土壤
孔隙中的
DE
!
易被土壤水分吸收而积聚在冻土层
中!造成大气中的
DE
!
浓度因高于土壤孔隙中的
DE
!
浓度而向土壤扩散!从而出现土壤呼吸负通量
现象,!!-本研究区土壤温度在
"e
以上"
"
#"e
温度范围#条件下也有土壤呼吸负通量现象的存在
因此!土壤在冬季低温下发生冻土并不是造成土壤
呼吸负通量的主要原因通过对比前人没有出现土
壤呼吸负通量的研究时发现这些样地的土壤
G
H
值
多数偏向酸性或接近中性,!%+!*-!而本研究中围封和
自然放牧草地土壤在
#<
深度范围内各土层土壤
G
H
值均介于
-!
"
-&
之间!呈碱性!且随着土层
的下降!土壤
G
H
值有升高的趋势有研究认为!由
于
DE
!
水溶液是由
H
!
DE
%
+
HDE
%
)和
DE
%
!)等成
分组成的平衡混合物!且
DE
!
易溶于水!各组成之
间存在平衡反应$
DE
!
hH
!
E
%
H
!
DE
%
%
H
h
h
HDE
%
)
%
!H
h
hDE
%
!)
&碱性溶液会使平衡向右移
动!当溶液
G
H
值约为
*
"
&
时!溶液中的碳素主要
以
HDE
%
)的形式存在&
G
H
值再高时!溶液中的碳
素则主要是以
DE
%
!)的形式存在&方解石溶解产生
的
HDE
%
)和硅酸盐风化形成的全部
HDE
%
)有一
半是来自于土壤或大气中的
DE
!
,
!
-
因此!本研究
认为!草地钙质土壤偏高的碱性促进了土壤次生碳
酸盐的形成进而导致土壤吸收
DE
!
现象的出现!且
由于冬季低温限制了土壤微生物和根系呼吸的进
行!进而使得这一现象能够被观测由此可见!在生
长季也可能出现土壤吸收
DE
!
现象!但由于生长季
环境温度较高!植物根系和土壤微生物呼吸排放
DE
!
的速率大于土壤吸收
DE
!
的速率!从而使得土
壤吸收
DE
!
现象被掩盖因此!黄土高原灰钙土偏
高的碱性是造成草地土壤呼吸负通量现象的主要原
因碱性的钙质土壤对大气
DE
!
的吸收可为研究
全球碳循环过程中的碳失汇现象,!&-提供一个新的
方向由于土壤呼吸负通量过程的贡献!草地在一
定程度上减少了碳排放量!这对研究区草地的碳收
支具有重要意义同时!土壤吸收
DE
!
现象的存在
也可能使得研究区草地土壤呼吸速率的观测值低于
实际值!因此要正确量化草地土壤呼吸过程的碳收
支!需要做进一步的研究
@A?
!
草地净生态系统
$B
?
交换特征及其影响因素
生长季全天温度保持在较高水平!本研究结果
表明!生长季土壤温度对草地净生态系统
DE
!
交换
速率的影响并不显著!而土壤含水量与草地净生态
系统
DE
!
交换速率显著相关!且在
(
月中旬草地净
生态系统
DE
!
交换速率和日交换量随着土壤含水
量的急剧下降而下降!这说明生长季土壤含水量是
影响草地净生态系统
DE
!
交换速率和日交换量的
主要因素在非生长季草地净生态系统
DE
!
交换
速率与土壤温度呈极显著相关"
8
$
"-"#
#!与土壤
含水量呈显著相关"
8
$
"-",
#!说明在非生长季草
地净生态系统
DE
!
交换速率受土壤温度和土壤含
水量共同影响!但土壤温度对其影响作用更大
有研究表明!内蒙古草地在轻度放牧的管理条
件下表现为碳固持!在重度放牧管理条件下表现为
碳流失!放牧草地存在碳源%碳汇的转化阈值,#!-!而
该区的围封草地在围封
%"
年之后!草地生态系统的
碳贮量达到最大值!并处于弱碳源%碳汇相互转化的
相对平衡状态!其转化的方向主要受当年降雨量的
控制,%"+%#-围封和自然放牧草地生态系统年度碳交
换总量均表现为碳汇!且围封草地全年固碳总量大
于自然放牧草地这一方面说明!自然放牧草地进
行一定时间的围封管理之后草地净生态系统
DE
!
交换速率升高!草地固碳能力增强!且随着围封年限
的增加草地仍有碳增汇的潜力&另一方面!自然放牧
草地在自然放牧强度下仍然表现为碳汇!说明研究
区自然放牧草地生态系统在合理增加放牧强度的条
件下仍有可能维持碳收支平衡因此!制定合理的
管理措施!使研究区围封草地生态系统实现碳增汇!
同时增加不同的放牧梯度以寻找研究区自然放牧草
地碳源%碳汇的转化阈值!使放牧草地生态系统在保
障生态效益的前提下实现其最大的经济效益!这对
缓解近年来大气
DE
!
浓度的升高趋势,$-具有重要
的意义
参考文献!
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