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Soil respiration dynamics and impact factor analysis of a shrubland-grassland ecotone in the Eastern Qilian Mountains

东祁连山灌-草群落交错带土壤呼吸动态及影响因子分析



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015019 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
魏巍,周娟娟,曹文侠,徐长林.东祁连山灌-草群落交错带土壤呼吸动态及影响因子分析.草业学报,2015,24(12):19.
WEIWei,ZHOUJuanJuan,CAOWenXia,XUChangLin.Soilrespirationdynamicsandimpactfactoranalysisofashrubland-grasslandecotone
intheEasternQilianMountains.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(12):19.
东祁连山灌-草群落交错带土壤呼吸
动态及影响因子分析
魏巍1,2,周娟娟1,2,曹文侠2,徐长林2
(1.西藏自治区农牧科学院草业科学研究所,西藏 拉萨590000;2.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州730070)
摘要:为探究高寒灌-草交错带土壤呼吸动态及影响因素,应用LI8100A土壤呼吸自动测定系统,对东祁连山典
型灌丛-草地交错带土壤呼吸动态及土壤因子进行测定,分析呼吸速率与土壤因子的相互关系。结果表明,整个
交错带内土壤呼吸速率的均值介于2.3~7.2μmol/(m
2·s),各样地间土壤呼吸速率大小顺序为珠芽蓼草甸中心
(S1)>草甸-金露梅灌丛交错区(MSC1)>金露梅灌丛中心(S2)>金露梅-杜鹃灌丛交错区(MSC2)>杜鹃灌丛
中心(S3),S1 和 MSC1 样地的土壤呼吸日变化呈单峰型,峰值出现在14:00,S2、MSC2、S3 样地峰型不明显,且日变
幅较小,仅为0.3~1.1μmol/(m
2·s);交错带内土壤物理性质和养分储量呈明显的垂直分异规律,土壤呼吸速率
与土壤温度、全磷储量呈极显著的正相关(犘<0.01),与土壤含水量极显著负相关(犘<0.01),与0~20cm土壤有
机碳储量呈显著负相关(犘<0.05);拟合分析显示,土壤温度、含水量和全磷储量是土壤呼吸速率的主要限制因子,
土壤呼吸与土壤温度拟合系数最高,可解释土壤呼吸空间变异的79.9%。
关键词:高寒草地;群落交错区;碳通量;土壤呼吸  
犛狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀犱狔狀犪犿犻犮狊犪狀犱犻犿狆犪犮狋犳犪犮狋狅狉犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犪狊犺狉狌犫犾犪狀犱-犵狉犪狊狊犾犪狀犱犲犮狅
狋狅狀犲犻狀狋犺犲犈犪狊狋犲狉狀犙犻犾犻犪狀犕狅狌狀狋犪犻狀狊
WEIWei1,2,ZHOUJuanJuan1,2,CAOWenXia2,XUChangLin2
1.犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犘狉犪狋犪犮狌犾狋狌狉犪犾犛犮犻犲狀犮犲,犜犻犫犲狋犃犮犪犱犲犿狔狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲犪狀犱犃狀犻犿犪犾犎狌狊犫犪狀犱狉狔犛犮犻犲狀犮犲,犔犺犪狊犪590000,犆犺犻狀犪;
2.犌狉犪狊狊犾犪狀犱犛犮犻犲狀犮犲犆狅犾犾犲犵犲狅犳犌犪狀狊狌犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:ThisresearchexploredthefactorsinfluencingsoilrespirationdynamicsofanalpineShrubland-
Grasslandecotone.ThesoilrespirationdynamicsweremeasuredusingaLI8100AautomatedsoilCO2flux
system,andrelationshipbetweensoilrespirationandsoilfactorswasanalysedforaneasternQilianMountain
typicalShrublandGrasslandecotone.Themeansoilrespirationratewas2.3-7.2μmolCO2/(m
2·s).The
rankingsofsoilrespirationrateatdifferentsamplingpointswere:犘狅犾狔犵狅狀狌犿狏犻狏犻狆犪狉狌犿 meadowcenter
(S1)>犘狅犾狔犵狅狀狌犿狏犻狏犻狆犪狉狌犿 meadow-犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪shrubecotone (MSC1)>犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪
shrubcenter(S2)>犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪-犚犺狅犱狅犱犲狀犱狉狅狀shrubecotone(MSC2)>犚犺狅犱狅犱犲狀犱狉狅狀shrubcenter
(S3).ThediurnalvariationofsoilrespirationofS1andMSC1hadaunimodalpattern,withthepeakat14:00.
ForS2,MSC2andS3respirationrateswereonly0.3-1.1μmolCO2/(m
2·s)andthepeakwasnotobvious.
Soilphysicalpropertiesshowedasignificantverticalgradationwithinecotones.Soilrespirationratewassignifi
第24卷 第12期
Vol.24,No.12
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年12月
Dec,2015
收稿日期:20150113;改回日期:20150408
基金项目:国家自然科学基金(31360569)和现代农业产业技术体系(CARS35)资助。
作者简介:魏巍(1986),男,内蒙古乌兰察布人,助研。Email:weiweicc01@126.com
通信作者Correspondingauthor.Email:caowx@gsau.edu.cn
cantlyandpositivelycorrelatedwithsoiltemperatureandtotalphosphorus(犘<0.01),significantlynegatively
correlatedwithsoilmoisture(犘<0.01),andsignificantlypositivelycorrelatedwithsoilorganiccarboninthe
0-20cmsoillayer(犘<0.05).Analysisoftherelationshipbetweensoilrespirationandsoiltemperature,soil
moisture,totalphosphorus,andorganiccarbonshowedthatsoiltemperature,soilmoistureandtotalphos
phoruswerethemainlimitingfactorsforsoilrespirationrate.Thehighestfittedcoefficientwassoiltempera
ture,whichexplained79.9%ofthespatialvariabilityinsoilrespiration.
犓犲狔狑狅狉犱狊:alpinemeadow;ecotone;CO2flux;soilrespiration
土壤呼吸作为陆地生态系统碳的主要输出途径,直接影响着陆地生态系统的碳循环和全球气候变化[1],全球
每年经土壤呼吸向大气排放的碳为68~100Pg,而因化石燃料释放到大气的碳仅为土壤呼吸的1/10左右[23]。
陈书涛等[4]通过气温、降水和土壤有机碳储量的统计模型对中国1970-2009年土壤呼吸进行估算,年平均碳排
放为4.83Pg。因此,土壤呼吸的微小改变会对大气CO2 浓度产生很大影响,研究土壤呼吸的变化规律及决定因
素,已成为全球陆地生态系统碳循环的核心问题。
国内外针对土壤呼吸及影响因子的研究颇多[56]。文献梳理显示,大多涉及农田[7]、森林[8]、草原[9]等对象,
研究的主要结论是土壤温度、水分是影响土壤呼吸关键因子。然而土壤呼吸是一个复杂的物理、化学、生物学过
程,受多种生物及非生物因素的影响。李洪建等[10]观察到黄刺玫(犚狅狊犪狓犪狀狋犺犻狀犪)、荆条(犞犻狋犲狓狀犲犵狌狀犱狅)灌丛土
壤呼吸受土壤温度和水分的影响,最大值出现在土壤温度、水分均较高的月份。Lin等[11]对亚高山草甸研究表
明,土壤呼吸的年季变化受控于降雨量,生长季土壤呼吸与土壤温度变化相关。也有研究发现植被变异、覆盖度、
土壤特性等对土壤呼吸速率也有显著作用[12]。
东祁连山灌丛与草甸镶嵌分布,形成了带状或斑块状的群落交错景观[1314],作为典型的植被过渡带和边缘效
应的表达区,其不仅具有涵养水源、保持水土、调节微气候等生态功能[15],也是研究灌-草共存机理和群落结构、
动态对气候响应过程和模式的特殊样带,更是全球土壤碳排放不容忽视的区域。虽然学者对高寒草甸不同生境
土壤呼吸的季节动态进行研究并确定了呼吸限制因子[1617],但关于连续空间的灌-草交错带土壤呼吸的实地数
据却鲜见报道。本研究以高寒灌-草交错带为研究对象,通过野外土壤呼吸及其气候因子数据采集及数据分析,
阐明灌-草交错土壤呼吸的变化及关键控制因子,明晰土壤呼吸的梯度贡献率,为气候变暖条件下,高寒灌-草
交错带碳交换的预测提供科学依据和理论参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验区位于甘肃农业大学高山草原试验站附近(37°11′N,102°47′E),平均海拔3200m,年均温-0.1℃,
最冷月(1月)平均气温为-18.3℃,最热月(7月)平均气温为12.7℃,>0℃年积温1380℃,年降水量416mm,
多为地形雨,集中在7-9月,年蒸发量是降水量的3.8倍。无绝对无霜期,每年5月下旬植物进入返青期,10月
上旬枯黄,生长季长达120~l40d。草地土壤为高山灌丛草甸土,土层较薄,为40~80cm,土壤显微碱性。
由于地形及气候差异,研究区内植被垂直分异明显,沿海拔梯度向上依次分布着珠芽蓼草甸、金露梅灌丛、杜
鹃灌丛等。灌下生长着以问荆(犈狇狌犻狊犲狋狌犿犪狉狏犲狀狊犲)、嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪spp.)、珠芽蓼(犘狅犾狔犵狅狀狌犿狏犻狏犻狆犪狉狌犿)等为
优势种的草层植物。通过调查选取北坡海拔2950~3250m、水平距离530m、受人为干扰较小的典型高寒杜鹃
灌丛-草地交错带作为试验样地,其利用方式为冬季放牧,放牧强度为1.67羊单位/(hm2·a)。
1.2 样点选择与测定过程
在垂直交错带上,以感官认知和实际测定结合的方法,在3个不同建群植物的中心区设置面积为30m×40
m的样地,命名为珠芽蓼草甸、金露梅灌丛中心、杜鹃灌丛中心,简称S1、S2、S3,同时在以上相邻样地之间设置面
积为30m×40m 的过渡样地,命名为草甸-金露梅灌丛交错区、金露梅-杜鹃灌丛交错区,简称 MSC1、MSC2,
共设5个样地,见表1。测定各样地土壤物理性质、养分储量和呼吸值。
在灌-草交错带每个样地内随机布设样点。去除表层植物及枯枝落叶,用铁锹挖一垂直切面。采用环刀10
2 草 业 学 报 第24卷
cm一层,分4层取0~40cm土样,重复3次,0~20cm土壤混合,20~40cm混合,用于土壤容重、土壤含水量的
测定,取土完成后填埋土坑。随后用土钻在每个样地20cm一层,分2层取0~40cm的土样,随机5钻土样混合
装袋,重复5次,剔除明显的根系及石头,并记录石头和根系的重量,土样带回实验室自然风干,研磨后过0.25
mm土壤筛,采用重铬酸钾容量-外加热法测定有机碳、全氮用半微量凯氏法,全磷用钼锑抗比色法测定[18]。
土壤呼吸采用LI8100AAutomatedSoilCO2FluxSystem采集与储存,在每个样地内随机布设3个测定环
(内径20cm,高10cm),安置时将基座内的绿色植物齐地剪掉,尽可能既减少植物及其掉落物对测定的干扰,又
不破坏土壤表层结构。为了避免人为扰动的影响,测定环安放24h后进行数据测定。2012年9月16-20日(天
气晴朗、气候条件相对稳定),受试验条件的限制,每天测定1个样地。以S1 样地为例简述试验过程,8:00-
18:00每隔2h测定1次,每个样地3个测定环,即3次重复,每次重复测定时间为4min。其他样地测定步骤相
同。数据分析时,样地的3组数据平均值作为2h内的呼吸值。
土壤温度采用地温计测定,数据记录时间与土壤呼吸测定同步。0~20cm土壤温度取土壤深度10cm处日
均值,20~40cm取30cm处日均值。
表1 高寒灌-草交错区样地设计与样点概况
犜犪犫犾犲1 犛犪犿狆犾犻狀犵犱犲狊犮狉犻狆狋犻狅狀狅犳犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳狆犾犪狀狋狊
样地编号
Sampling
point
样地类型
Typesof
plot
海拔
Altitude
(m)
坡度
Slope
灌木盖度
Coverageof
shrub(%)
群落特征
Grasscommunity
characteristics
S1 珠芽蓼草甸
犘狅犾狔犵狅狀狌犿狏犻狏犻狆犪狉狌犿 mead
owcenter
2970 25°~35° 2.7 以披碱草、珠芽蓼为建群植物,总盖度98.5%,物种数为24种,草层平均
高度19.1cm。Constructivespecieswere犈犾狔犿狌狊犱犪犺狌狉犻犮狌狊and犘.
狏犻狏犻狆犪狉狌犿,totalvegetationcoverwas98.5%,specieswas24,theaver
ageheightofgrasslayerwas19.1cm.
MSC1 草甸-金露梅灌丛交错区
犘.狏犻狏犻狆犪狉狌犿 meadow-犘狅
狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪
shrubecotone
2980 30°~40° 31.8 总盖度100%,以珠芽蓼、矮嵩草为建群植物,物种数为28种,草层平均
高度18.9cm。Totalvegetationcoverreach100%,constructivespecies
were犘.狏犻狏犻狆犪狉狌犿and犓狅犫狉犲狊犻犪犺狌犿犻犾犻狊,specieswas28,theaverage
heightofgrasslayerwas18.9cm.
S2 金露梅灌丛中心
犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪shrub
center
3000 30°~40° 44.0 建群草本植物以问荆、珠芽蓼为主,物种数13种,平均高度为29.3cm。
建群灌木为金露梅。Constructiveherbaceousspecieswere犈.犪狉狏犲狀狊犲
and犘.狏犻狏犻狆犪狉狌犿,specieswas13,theaverageheightwas29.3cm.
Shrubsdominatedby犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪.
MSC2 金露梅-杜鹃灌丛交错区
犘狅狋犲狀狋犻犾犾犪犳狉狌狋犻犮狅狊犪-犚犺狅犱狅
犱犲狀犱狉狅狀shrubecotone
3040 30°~40° 82.5 蕨类植物问荆成为建群植物,草本10余种,草层高度30.8cm。Pterido
phytedominatedby犈.犪狉狏犲狀狊犲,herbaceousplantsexceeded10species,
grasslayerheightwas30.8cm.
S3 杜鹃灌丛中心
犚犺狅犱狅犱犲狀犱狉狅狀shrubcenter
3200 30°~40° 89.5 问荆盖度达100%,物种数为6种,草层平均高度32cm。建群灌木为头
花杜鹃、千里香杜鹃。犈.犪狉狏犲狀狊犲coveragewasaround100%,species
was6,theaverageheightofgrasslayerwas32cm.Shrubsdominated
by犚犺狅犱狅犱犲狀犱狉狅狀犮犪狆犻狋犪狋狌犿and犚犺狅犱狅犱犲狀犱狉狅狀狋犺狔犿犻犳狅犾犻狌犿.
1.3 数据处理
第犼层土壤碳、氮、磷养分储量(犜犼,kg/m2)采用以下公式计算:
犜犼= (1-δ犼)×犆犼×狆犼×犱犼
式中,δ犼(%)为>2mm粒径土壤的含量;犆犼(g/kg)为土壤单位质量养分含量;狆犼(g/cm3)为第犼层土壤的容重;
犱犼(m)为第犼层土层的厚度(cm)[19]。
应用SPSS16.0对所有数据进行统计分析,用单因素方差分析检验各样地之间指标的显著性。
3第12期 魏巍 等:东祁连山灌-草群落交错带土壤呼吸动态及影响因子分析
2 结果与分析
2.1 土壤呼吸的日动态
灌-草交错带土壤呼吸日变化动态见表2。呼吸日总量0.62×105~1.90×105μmol/m
2,呼吸速率的平均
值在2.3~7.1μmol/(m
2·s),不同样地呼吸速率大小顺序为S1>MSC1>S2>MSC2>S3,即随坡度向上呼吸速
率下降,各样地间差异显著。日变化观测得出,土壤日呼吸速率呈单峰曲线变化,海拔较高、灌丛盖度较大的S3
样地呼吸速率日变化保持稳定,变幅仅为0.32μmol/(m
2·s),而在S1 样地日变幅可达1.77μmol/(m
2·s)。
样地S1 与 MSC1 的峰值都出现在14:00,日平均呼吸速率分别为7.87和6.43μmol/(m
2·s),样地S2 与 MSC2
峰值出现在12:00,日平均呼吸速率为5.63和4.11μmol/(m
2·s)。
表2 不同样地土壤呼吸特征变化
犜犪犫犾犲2 犜犺犲犱犻狏犲狉狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犪犿狆犾犻狀犵狆狅犻狀狋狊
样地
Samplingpoint
土壤日呼吸总量
Dailyrespiratoryquantity
(μmol/m2)
土壤呼吸速率Soilrespirationrate(μmol/m2·s)
最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Mean
变幅
Changewidth
峰值出现
时间
Peaktime
S1 1.90×105 6.10 7.87 7.11a 1.77 14:00
MSC1 1.59×105 5.24 6.43 5.78b 1.18 14:00
S2 1.41×105 4.67 5.63 5.12c 0.96 12:00
MSC2 0.97×105 3.10 4.11 3.65d 1.10 12:00
S3 0.62×105 2.08 2.43 2.25e 0.32 -
 注:同列不同小写字母表示犘<0.05水平下差异显著,下同。
 Note:Differentsmalletterswithinthesamecolumnmeanthesignificantdifferencesat犘<0.05level,thesamebelow.
2.2 交错带土壤物理性质及其养分储量的变化
珠芽蓼草甸中心延伸至杜鹃灌丛中心,土壤容重、土壤含水量及土壤温度在不同土层、同一土层不同样地有
着明显的异质性分布(表3)。
表3 不同样地土壤物理性质差异
犜犪犫犾犲3 犜犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀犮犲狅犳狊狅犻犾狆犺狔狊犻犮犪犾狆狉狅狆犲狉狋狔犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犪犿狆犾犻狀犵狆狅犻狀狋狊
样地
Samplingpoint
土壤容重Soilbulkdensity(g/cm3)
0~20cm 20~40cm
土壤含水量Soilwatercontent(%)
0~20cm 20~40cm
土壤温度Soiltemperature(℃)
0~20cm 20~40cm
S1 0.78±0.03c 0.83±0.04c 40.1±4.4c 34.0±2.1d 11.3 9.8
MSC1 0.79±0.10c 0.80±0.12d 57.4±3.8b 53.9±2.3b 8.5 9.4
S2 0.83±0.04b 0.89±0.01b 57.3±1.3b 49.1±2.4c 8.2 6.5
MSC2 0.88±0.07a 0.97±0.06a 61.2±2.2a 50.4±1.9bc 7.4 4.9
S3 0.65±0.11d 0.84±0.05c 64.3±3.4a 59.1±4.3a 6.0 4.0
沿坡体向上分析,0~20cm土壤容重在 MSC2 样地最大,可能原因是土壤砾石的增加所致。土层含水量沿
坡体向上逐渐增加,在S3 样地达最大值,显著高于S1、MSC1、S2 样地(犘<0.05),说明灌丛密度是降低土壤紧实
度和增加水分固持的主要条件;土壤温度受微气候、灌木遮阴的影响,样地之间日平均温度变化趋势为S1>
MSC1>S2>MSC2>S3,沿坡体向上呈下降的趋势。20~40cm土层土壤容重、含水量和温度变化趋势与0~20
cm土层基本一致。同一样地不同土层比较,20~40cm较0~20cm土层容重升高,含水量和温度降低。
由表4可知,该区土壤碳、氮、磷储量介于24.90~27.12kg/m2,1.96~2.35kg/m2,0.18~0.31kg/m2。沿
坡体向上,土壤有机碳、氮、磷储量有显著差异。有机碳、氮储量变化规律不明显,全磷储量沿坡体向上呈下降的
4 草 业 学 报 第24卷
趋势,各样地之间差异显著(犘<0.05)。相同样地不同土层显示,20~40cm土层的有机碳、全氮、全磷储量都显
著低于0~20cm土层。相关分析表明,碳、氮呈显著相关(犘<0.05),相关系数达0.636。
表4 不同样地土壤碳、氮、磷储量
犜犪犫犾犲4 犜犺犲犱犲狀狊犻狋狔狅犳犮犪狉犫狅狀,狀犻狋狉狅犵犲狀犪狀犱狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犪犿狆犾犻狀犵狆狅犻狀狋狊 kg/m2
样地
Samplingpoint
有机碳 Organiccarbon
0~20cm 20~40cm
全氮Totalnitrogen
0~20cm 20~40cm
全磷Totalphosphorus
0~20cm 20~40cm
S1 14.18±0.17b 11.71±0.26a 1.234±0.033ab 1.091±0.016a 0.163±0.003a 0.148±0.002a
MSC1 13.23±0.14c 12.37±0.18a 1.191±0.031b 0.923±0.012b 0.147±0.005b 0.128±0.001b
S2 14.68±0.25ab 12.44±0.37a 1.242±0.012a 1.112±0.013a 0.140±0.003c 0.133±0.003b
MSC2 14.06±0.10b 11.39±0.18ab 1.124±0.053b 1.086±0.034a 0.124±0.001d 0.116±0.003c
S3 15.08±0.17a 9.82±0.21b 1.048±0.038b 0.914±0.045b 0.093±0.001e 0.089±0.002d
2.3 土壤呼吸与环境因子的相关性
通过对土壤呼吸与不同土层土壤温度、含水量、容
重、有机碳、全氮、全磷进行相关分析表明(表5),土壤
呼吸速率与土壤温度、含水量、有机碳和全磷有显著的
相关关系,其中0~20cm土层土壤呼吸与土壤温度、
全磷储量极显著正相关,与土壤含水量呈极显著负相
关(犘<0.01),相关系数分别为 0.866,0.798,
-0.792,与土壤有机碳储量显著负相关(犘<0.05),
相关系数为-0.427;20~40cm土层呼吸速率与土壤
温度、含水量、全磷储量也存在极显著相关性。
2.4 土壤呼吸与环境因子的模型关系
研究对整个交错带上土壤呼吸速率与土壤温度、
含水量、全磷和有机碳储量进行拟合,以期为交错带植
被变迁对土壤呼吸的影响提供相应数据参考,结果如
表6。在整个交错带内土壤呼吸速率与0~20cm土
层土壤温度指数拟合较好,拟合方程为犚犛=2.641
e0.186犜,决定系数犚2=0.799;与土壤含水量二次拟合
表5 土壤呼吸与环境因子的相关性
犜犪犫犾犲5 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犫犲狋狑犲犲狀狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀
犪狀犱犲狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犳犪犮狋狅狉狊
项目
Item
土层
Soillayer
(cm)
自由度
Degreeof
freedom
相关系数
Related
coefficient
显著性检验犘值
Significancetest
犘value
有机碳 Organic
carbon
0~20 29 -0.427 0.019
20~40 29 0.070 0.713
全氮Total
nitrogen
0~20 29 0.234 0.213
20~40 29 0.036 0.851
全磷Total
phosphorus
0~20 29 0.798 0.000
20~40 29 0.757 0.000
土 壤 容 重 Soil
bulkdensity
0~20 29 0.297 0.111
20~40 29 0.265 0.157
土壤含水量
Soilwatercontent
0~20 49 -0.792 0.000
20~40 49 -0.692 0.000
土 壤 温 度 Soil
temperature
0~20 49 0.866 0.000
20~40 49 0.806 0.000
 :犘<0.05;:犘<0.01.
表6 土壤呼吸与土壤温度、含水量、全磷和有机碳储量回归分析
犜犪犫犾犲6 犚犲犵狉犲狊狊犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犪犿狅狀犵狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀(犚犛)犪狀犱狊狅犻犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲(犜),狊狅犻犾狑犪狋犲狉犮狅狀狋犲狀狋(犠),
狋狅狋犪犾狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊(犡1),狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀(犡2)
项目
Item
土层
Soillayer(cm)
拟合方程
Fittingequation
犚2 犉值
犉Value
显著性检验犘值
Significancetest犘value
土壤含水量Soilwatercontent 0~20 犚犛=1.944犠2-0.026犠-28.957 0.629 61.92 <0.001
20~40 犚犛=0.03犠2-0.002犠+7.892 0.486 44.05 <0.001
土壤温度Soiltemperature 0~20 犚犛=2.641e0.186犜 0.799 190.85 <0.001
20~40 犚犛=4.667e0.113犜 0.655 91.29 <0.001
全磷Totalphosphorus 0~20 犚犛=11.312犡1-2.935 0.612 49.15 <0.001
20~40 犚犛=12.018犡1-3.196 0.573 37.51 <0.001
有机碳Organiccarbon 0~20 犚犛=9.718-0.404犡2 0.183 6.25 0.019
5第12期 魏巍 等:东祁连山灌-草群落交错带土壤呼吸动态及影响因子分析
较好,拟合方程为犚犛=1.944犠2-0.026犠-28.957,决定系数犚2=0.629;与全磷线性拟合较好,决定系数犚2=
0.612。土壤呼吸与土壤有机碳拟合回归较差,20~40cm土层土壤呼吸与土壤温度、含水量及全磷储量回归拟
合方程也均达到显著水平,对土壤呼吸变异的解释程度达45%以上。
3 讨论与结论
3.1 高寒群落交错带土壤呼吸日动态
许多学者在对土壤呼吸日变化的研究中发现,在不同的气候条件、植被类型、土壤断面,其变化规律都呈单峰
曲线[2022],变化趋势基本与温度一致。分析原因是温度升高导致土壤微生物活性增强、根系呼吸加剧,进而使土
壤单位时间内有更多的CO2 排出。本研究中,珠芽蓼草甸和草甸-金露梅灌丛交错区样地的土壤呼吸呈单峰变
化,并与表土温度同时到达峰值。金露梅灌丛中心、杜鹃灌丛中心及金露梅-杜鹃灌丛交错区样地的峰型都不明
显,主要原因是受灌丛遮蔽的影响,土壤温度变幅较小所致。Raich和Tufekcioglu[23]综合全球实测数据指出,不
同植被群落的土壤呼吸存在显著差异,草原的土壤呼吸速率高于相邻的森林[24],可能原因是草本植物分配到地
下的光合产物多于木本植物。在对高寒灌-草交错带的研究结果是,沿坡度向上灌丛盖度增加,土壤呼吸呈降低
的趋势,其值由(7.11±0.55)μmol/(m
2·s)下降到(2.25±0.10)μmol/(m
2·s)。这与常宗强等[25]在祁连山
高山灌丛研究中沿海拔升高土壤呼吸速率下降是一致的。土壤呼吸在整个交错带上存在很大的差异,这种变异
很大程度取决于交错带的水热条件,物质、能量运动剧烈[26],灌-草界面相互作用复杂,产生了更强的边缘效应。
3.2 交错带土壤性质对土壤呼吸的影响
交错界面是物质循环、能量流动频发的两个或两个以上生态系统之间的连接区[27]。交错带内植被类型的不
同导致土壤微生物、根系及凋落物差异[28],决定着土壤养分分配格局。不同土壤养分含量会对土壤呼吸的大小
有着相异的影响。一些研究指出,土壤呼吸速率与土壤有机质含量呈正相关[29],而本研究中土壤呼吸与有机碳
储量呈显著的负相关关系;究其原因是随灌丛盖度的增加土壤温度降低、含水量升高,土壤根系活动、微生物的活
性都相对缓慢,土壤呼吸速率较低,有机质的积累较多,因此,二者呈负相关关系;土壤全氮储量与土壤呼吸不呈
相关性,与赵吉霞等[30]研究结果一致;土壤磷的来源相异于土壤碳、氮,主要来源于岩石的分化及植物表聚作用,
表层土壤磷的直接来源是通过根系及掉落物的分解[31]。本研究样带由草地延伸至灌丛,土壤微生物活性降低、
根系活动减弱,土壤磷储量呈下降的趋势,进而使土壤呼吸速率随之降低。结论显示,土壤全磷储量与土壤呼吸
呈极显著的正相关关系。线性回归拟合较好,可解释土壤变异的50%以上。
3.3 土壤温度、含水量对土壤呼吸速率影响
有关土壤呼吸的变异原由,研究者得出的结论不尽相同,然而普遍认为,温度和水分是影响土壤呼吸的主要
因素[3233]。温度通过影响根系生长呼吸、微生物代谢和枯落物的分解来调控着土壤呼吸速率,而土壤水分通过改
变土壤通透性、激活微生物活动来改变土壤呼吸大小。张红星等[34]指出土壤温度与含水量协同作用决定着土壤
呼吸变化,当土壤水分亏缺时,水分是土壤呼吸速率变化的限制因子,温度对土壤呼吸速率的影响处于相对次要
的位置;在水分充裕时,温度成为影响土壤CO2 通量的主要限制因子,水分的继续增加会抑制土壤呼吸速率,但
其对土壤呼吸速率变化的贡献相对较弱。本研究中各样地内土壤温度日变幅较小,变幅保持在1.6~3.7℃的变
化范围内,土壤含水量的变化更是微小。如采用某一样地的温度、含水量来研究土壤呼吸的变异,很难得出相应
结论,并且在物质流动、能量循环剧烈的整个交错区域内有失代表性。本研究以交错带内的土壤温度、含水量与
土壤呼吸进行模型拟合,为揭示交错带内土壤呼吸的影响机制。目前有关土壤呼吸与温度的关系,指数模型的应
用最为广泛[35]。本研究拟合方程显示,当温度作为独立的控制因子,土壤呼吸与温度的指数拟合方程的犚2 值均
在0.65以上。0~20cm土层较20~40cm土层的拟合方程系数高,可解释土壤呼吸变异的79.9%。说明,0~
20cm土壤与大气直接相连,受气候变化影响较大,对土壤呼吸的贡献要大于下层土壤。这与王超等[22]研究结
果相类似。
当土壤含水量作为独立的控制因子,土壤呼吸与含水量二次拟合方程拟合系数较高,不同土层犚2 值高于
0.48,温军等[17]在对三江源区不同退化高寒草原土壤呼吸影响因子分析也得出相同结论,0~20cm土壤线性拟
6 草 业 学 报 第24卷
合可解释呼吸变异的62.9%。20~40cm土壤线性拟合可解释呼吸变异的48.6%。证实土壤含水量也是影响
土壤呼吸重要因子。值得注意的是本研究土壤含水量与土壤呼吸呈极显著负相关关系。说明该区水分充裕,水
分增加导致土壤CO2 和O2 交换困难,从而使得监测到的土壤呼吸降低。
综上所述,高寒灌-草交错带上土壤呼吸变异较大,其变异是众多环境因子协同作用的结果,土壤温度、含水
量及土壤全磷是土壤呼吸速率的主要决定因子,相比之下土壤温度对土壤呼吸的影响更大。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
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9第12期 魏巍 等:东祁连山灌-草群落交错带土壤呼吸动态及影响因子分析