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The influence of hydrothermal factors on soil respiration and soil temperature sensitivity of Stipa krylovii steppe, Inner Mongolia, China

水热因子对克氏针茅草原土壤呼吸及其土壤温度敏感性的影响



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫20150403 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
谷蕊,潮洛,张立欣,苏力德,万志强,闫玉龙,陈雅丽,高清竹.水热因子对克氏针茅草原土壤呼吸及其土壤温度敏感性的影响.草业学报,
2015,24(4):2129.
GuR,ChaoLM,ZhangLX,SuLD,WanZQ,YanYL,ChenYL,GaoQZ.Theinfluenceofhydrothermalfactorsonsoilrespirationandsoil
temperaturesensitivityof犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻steppe,InnerMongolia,China.ActaPrataculturaeSinica,2015,24(4):2129.
水热因子对克氏针茅草原土壤呼吸及其
土壤温度敏感性的影响
谷蕊1,2,潮洛1,张立欣1,2,苏力德1,2,万志强1,2,闫玉龙1,2,陈雅丽1,2,高清竹2
(1.内蒙古大学生命科学学院,内蒙古 呼和浩特010021;2.中国农业科学院农业环境与
可持续发展研究所,农业部农业环境与气候变化重点试验室,北京100081)
摘要:作为内蒙古重要的草地资源,克氏针茅草原在我国畜牧业生产中占有重要的地位。土壤呼吸是大气与陆地
生态系统碳循环的主要通量,是土壤碳输出的主要途径。试验区设置在内蒙古锡林浩特市东部毛登牧场内以克氏
针茅建群的典型草原;在2011-2013年采用开顶式生长室(OTC)对试验样地进行模拟增温增雨处理,在生长季
(5-9月份)使用开路式土壤碳通量测量系统(LI8100,LICOR,NE)对试验样地土壤呼吸强度进行测定;同时监
测试验样地气温、土壤温湿度等环境因子,采集土壤样品并室内分析土壤养分特征和微生物生物量,并对土壤呼吸
与环境因子间进行相关性分析。克氏针茅草原土壤呼吸受空气温度和土壤含水量影响显著(犘<0.05),分别呈现
出二项函数和线性相关关系;不同处理下土壤呼吸在相同时间存在显著差异(犘<0.05),2012年增温增雨与增温
处理下土壤呼吸速率分别为2.60和1.96μmol/(m
2·s),2013年增温增雨与增温处理下土壤呼吸速率分别为
3.38和2.09μmol/(m
2·s);增温增雨处理下,克氏针茅草原空气温度的升高和土壤含水量的降低均对土壤呼吸产
生了抑制。土壤呼吸温度敏感度(Q10)在2011-2012年中增温增雨处理明显高于对照处理和控温处理;2011-
2013年控温处理都低于对照处理。本研究表明,土壤呼吸主要受水热条件影响,并且空气温度升高和土壤含水量
的降低均对土壤呼吸有抑制作用,增温增雨处理下土壤呼吸速率要高于增温处理;土壤呼吸温度敏感系数与土壤
温度、土壤含水量、土壤有机碳、全氮和微生物等环境因子之间的关系较为复杂,还有待深入研究。
关键词:克氏针茅草原;土壤呼吸;温度;土壤理化性质;土壤微生物   
犜犺犲犻狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犺狔犱狉狅狋犺犲狉犿犪犾犳犪犮狋狅狉狊狅狀狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀犪狀犱狊狅犻犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊犲狀狊犻
狋犻狏犻狋狔狅犳犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻狊狋犲狆狆犲,犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪,犆犺犻狀犪
GURui1,2,CHAO LuoMeng1,ZHANGLiXin1,2,SU LiDe1,2,WANZhiQiang1,2,YAN YuLong1,2,
CHENYaLi1,2,GAOQingZhu2
1.犛犮犺狅狅犾狅犳犔犻犳犲犛犮犻犲狀犮犲狊,犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犎狅犺犺狅狋010021,犆犺犻狀犪;2.犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪狀犱犛狌狊狋犪犻狀犪犫犾犲犇犲
狏犲犾狅狆犿犲狀狋犻狀犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲,犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犛犮犻犲狀犮犲狊,犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔犳狅狉犃犵狉狅犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋牔犆犾犻犿犪狋犲犆犺犪狀犵犲
狅犳犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲,犅犲犻犼犻狀犵100081,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:ThegrasslandsoftheInnerMongolian犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻steppemakeanimportantcontributiontoani
malproductioninChina.Soilrespirationisanimportantcomponentofthecarboncycleonthesteppeandthe
第24卷 第4期
Vol.24,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年4月
April,2015
收稿日期:20141013;改回日期:20141210
基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAC09B03)和农业部项目“国家牧草现代产业技术体系”(CARS35)资助。
作者简介:谷蕊(1990),女,蒙古族,内蒙古赤峰人,在读硕士。Email:guruiwudan2008@163.com
通讯作者Correspondingauthor.Email:colmvn@sina.com,gaoqingzhu@caas.cn
mainsourceofsoilcarbonlosses.Inthisstudy,typicalgrasslanddominatedby犛.犽狉狔犾狅狏犻犻,locatedinMao
dengRanch,Xilinhaote,InnerMongoliawasselectedasthestudyarea.Anopentoptypegrowthchamberwas
usedtosimulatetheresponseofsoilrespirationtotemperatureandprecipitationfrom2011to2013.TheAuto
matedSoilCO2FluxSystem(LI8100,LICOR,NE)wasusedtoobservethesoilrespirationinthestudyarea
duringthegrowingseason(MaytoSeptember).Airtemperature,soiltemperatureandsoilmoisturewere
measuredusingtheEM50DataColectionSystem(DecagonDevices,Inc.,NE,USA).Soilsampleswerecol
lected,soilnutrientsandmicrobialnumbersweredeterminedandcorrelationanalysisusedtoexploreassocia
tionsbetweensoilrespirationrateandenvironmentalfactors.Soilrespirationwassignificantlyaffectedbyair
temperatureandsoilwatercontent(犘<0.01).Underwarmandwarmmoistconditionsrespectivelysoilrespi
rationrateswere2.60μmol/(m
2·s)and1.96μmol/(m
2·s)(2012)and3.38μmol/(m
2·s)and2.09μmol/
(m2·s)(2013);differencesbetweenyearsweresignificant(犘<0.05).Increasedairtemperatureandde
creasedsoilwatercontentbothinhibitedsoilrespiration.Duringthe2013growingseasonadditionalenviron
mentalfactorsincludingsoilorganiccarbon,totalnitrogenandsoilmicrobialmassmayalsohaveaffectedsoil
respiration.TheQ10temperaturecoefficientwassignificantlyincreasedbywarmmoistconditions.Itwascon
cludedthatsoilrespirationismainlyinfluencedbyhydrothermalconditions;increasedairtemperatureandre
ducedsoilmoisturecontentinhibitsoilrespiration.Therelationshipbetweenenvironmentfactorsandsoilres
pirationontheInnerMongoliansteppeiscomplexandrequiresfurtherresearch.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犛狋犻狆犪犽狉狔犾狅狏犻犻steppe;soilrespiration;temperature;soilorganiccarbonandnitrogen;soilmicro
organisms
土壤呼吸是指在未经扰动的土壤中产生CO2 的所有代谢作用,包括根系的自养呼吸以及微生物和土壤动物
的异氧呼吸,占生态系统呼吸的60%~90%。作为大气与陆地生态系统碳循环主要通量,土壤呼吸是土壤碳输
出的主要途径[12]。土壤呼吸主要受到温度和水分等环境因子的影响[36]。土壤呼吸温度敏感系数(Q10)是评价
土壤呼吸作用的重要指标之一,Q10值的微小变化可能对土壤呼吸评价产生重要影响;Q10值的错估将导致对生态
系统C循环预测的重大误差。了解温度及其他因素对 Q10的影响是预测未来气候变化下的土壤C平衡的关
键[7]。
草原是我国北方分布最广泛的自然生态系统,构成了我国北方强有力的生态安全屏障[8]。克氏针茅(犛狋犻狆犪
犽狉狔犾狅狏犻犻)草原作为典型草原中生境比较干旱的类型,是亚洲中部草原所特有的草原群系,是典型草原的代表类型
之一[9]。许多研究对克氏针茅草原的植物物候期及其与气象因子的关系[10]、植物群落特征[11]、温度对克氏针茅
草原生长季的生态系统碳通量影响[12]等进行了详细的描述。同时也有学者对内蒙古地区的不同类型草原土壤
呼吸及其生物和非生物影响因子进行了大量研究[5,1317]。陈全胜等[14]在水热条件对锡林河流域典型草原退化群
落土壤呼吸的影响研究中指出土壤呼吸与气温,土壤温度之间呈指数相关,与土壤水分之间有显著线性相关关
系。李凌浩等[18]的研究结果也指出锡林浩特流域羊草(犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊)草原土壤呼吸速率受温度和水分因子
共同影响。
在全球变暖的大趋势下,温度升高、降水时空变化都将对土壤呼吸产生一定的影响,从而进一步影响到全球
碳循环。但环境水热因子对内蒙古克氏针茅草原土壤呼吸的影响和增温条件下土壤呼吸温度敏感性变化的研究
较为少见。因此,本文拟解决问题如下:1)在增温增雨条件下内蒙古克氏针茅草原土壤呼吸的变化及与环境因子
之间的关系;2)增温增雨条件下内蒙古克氏针茅草原土壤呼吸温度敏感系数的变化及与环境因子之间的关系。
所以理清增温和降水变化条件下土壤呼吸动态及其影响因素,对草原碳收支研究具有重要意义。
22 草 业 学 报 第24卷
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本试验研究区域为内蒙古自治区锡林浩特市毛登牧场(距锡林浩特市东郊40km)内蒙古大学草地生态学研
究基地(44°9′49″E,116°29′2.3″N),海拔1102m,其生态类型为以克氏针茅建群的典型草原,该区域为温带半干
旱大陆性气候。该区年平均气温2.6℃,最热月(7月)平均气温21.4℃,最冷月(1月)平均气温为-19.0℃,年平
均最高温为24.9℃,年平均最低温为-23.8℃,50年间的平均年降水量为271.42mm,降水主要集中在生长季
5-9月,占全年降水量的87.3%。研究区土壤类型为栗钙土。
1.2 试验设计和测定方法
本试验于2011年7月在试验样地布置12个植物生长均匀的3m×3m 的试验小区,采用开顶式生长室
(OTC),试验设置3个处理:CK为对照样地;CT为增温处理,CTW 为增温增雨处理(在增温基础上对OTC内
进行增雨处理),每个处理分别进行4次重复。试验选取近50年(1961-2010年)生长季平均月降水量作为标
准,50年间年降水量波动很大,将降水幅度设定为月平均降水量的20%[17]。
土壤温湿度的测定用温湿度数据采集器(温度探头型号:DS18B20;湿度探头型号:EC5)记录地下10,20,30
cm 土层土壤温湿度以及距地表20cm 以上的地表空气温度,每个处理4个重复。
土壤呼吸测定采用开路式土壤碳通量测量系统(LI8100,LICOR,NE),并在每个处理永久设置1个聚氯乙
烯土壤呼吸环(内径10cm,高度5cm),埋入土壤,插入地下2cm,地面露出3cm。为消除测定土壤呼吸时植物
自养呼吸的影响,在测定前一天将每个土壤呼吸环内的植物地上部分剪掉,待受扰动土壤稳定24h后开始土壤
呼吸速率的测定。测定时间为2011-2013年7-9月,上午9:00-10:00,每月测定2次。
土壤样品的采集在2013年7月下旬,在不同处理每个小区取地下0~10cm土壤样品,自然风干后,选用
ATC-006原子吸收分光光度计、ATC165凯氏定氮仪和ATC001紫外分光光度计进行土壤有机碳氮的测定。
土壤微生物于2013年9月下旬取各处理地表0~10cm土层土壤用保温箱低温保存,实验室内测定土壤中微生
物细菌和放线菌的数量,采用平板计数法测定,细菌使用牛肉膏蛋白胨培养基;放线菌使用高氏1号琼脂培养基
(淀粉琼脂培养基)。
1.3 数据计算和统计分析
在土壤呼吸研究中,Q10是一个重要的参数,即温度每升高10℃,土壤呼吸增加的倍数,计算方法为:Q10=
e10犫,式中犫为温度反应系数[1920]。使用SPSS19.0和Excel2010对数据进行相关性分析、方差分析和多重比较
分析。
2 结果与分析
2.1 OTC增温效果
经过3年的增温处理,不同处理间生长季平均气温存在显著差异(犘<0.01),CT和CTW 较CK分别升高了
2.17和1.45℃。同时生长季平均土壤湿度显著降低(犘<0.01),CT和CTW的平均土壤含水量相比CK降低了
1.60%和0.47%。CT和CTW处理中,生长季平均土壤温度与CK无显著差异(犘>0.05)(表1)。
2.2 土壤呼吸年变化特征
以2011-2013年5-9月测定的土壤呼吸进行年际变化分析结果表明(图1),2011年生长季CT、CTW 和
CK分别为1.84,1.76,1.59μmol/(m
2·s);2012年生长季CK和CTW土壤呼吸速率均高于CT,且CT土壤呼
吸速率显著地低于CTW(犘<0.05),生长季土壤呼吸平均值大小排序为CTW >CK >CT(2.60μmol/m
2·s
>2.30μmol/m
2·s>1.96μmol/m
2·s);2013年生长季土壤呼吸速率的变化规律与2012年相同,CK高于CT
而低于CTW,并且CT的降低幅度显著(犘<0.05)。CK、CT、CTW 的土壤呼吸速率分别为2.72,2.09和3.38
32第4期 谷蕊 等:水热因子对克氏针茅草原土壤呼吸及其土壤温度敏感性的影响
μmol/(m
2·s)(图1)。
不同处理下的土壤呼吸受到年际间影响差异不显著(犘>0.05),试验样地3年的监测中,CTW 对土壤呼吸
速率的促进作用非常显著(犘<0.01),CT对土壤呼吸速率的抑制效果不显著(犘>0.05)。
表1 3年生长季犗犜犆增温效果
犜犪犫犾犲1 犜犺犲狑犪狉犿犻狀犵犲犳犳犲犮狋狅犳犗犜犆犻狀犵狉狅狑犻狀犵狊犲犪狊狅狀狅犳狋犺狉犲犲狔犲犪狉狊
年份
Year
月份
Month
空气温度Airtemperature
CT CTW
土壤温度Soiltemperature
CT CTW
土壤含水量Soilmoisture
CT CTW
2011 7 1.66±0.036a 0.89±0.021b 0.39±0.017a 0.22±0.017b 0.85±0.050b 2.91±0.081a
8 2.33±0.041a 1.56±0.038b 0.18±0.018a -0.09±0.006b 0.94±0.056b 2.86±0.095a
9 2.94±0.080a 1.89±0.026b -1.18±0.014a -1.80±0.023b 0.83±0.049b 2.82±0.087a
2012 7 1.68±0.033a 0.91±0.035b 1.17±0.020a 0.10±0.009b 0.84±0.035b 2.10±0.066a
8 1.77±0.018a 1.07±0.029b 1.03±0.012a -0.16±0.010b 0.04±0.009b 1.89±0.064a
9 1.82±0.029a 1.23±0.050b 0.39±0.018a -0.87±0.010b 0.55±0.018b 2.70±0.072a
2013 7 1.43±0.046a 1.55±0.017a -0.56±0.012a -0.59±0.012a -0.05±0.009a -0.19±0.023b
8 2.64±0.074a 1.17±0.049b -1.51±0.020b 0.02±0.006a -1.07±0.073a -1.12±0.055a
9 2.52±0.075a 1.44±0.027b -0.82±0.030b 0.10±0.015a 0.63±0.061a 0.28±0.044b
 OTC为开顶式生长室,CK为对照样地;CT为增温处理,CTW 为增温增雨处理(在增温基础上对 OTC内进行增雨处理)。OTCistheopentop
chamber,CKiscontrast;CTiswarmingtreatment,CTWiswarmingprecipitationprocess(warmingandprecipitationintheOTC).不同字母之间表
示差异显著(犘<0.05)。Significantbetweendifferentletters(犘<0.05).下同Thesamebelow.
图1 不同处理间土壤呼吸年际之间的变化
犉犻犵.1 犛狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀犮犺犪狀犵犲狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋狉犲犪狋犿犲狀狋
犪狀犱犻狀狋犲狉犪狀狀狌犪犾
   不同字母之间表示差异显著(犘<0.05)。Significantbetweendiffer
entletters(犘<0.05).
2.3 Q10与环境因子及土壤碳氮和微生物量间关系
2.3.1 Q10值与土壤温度、土壤含水量的关系  土
壤呼吸温度敏感系数(Q10)表示土壤呼吸速率与温度
的关系,根据土壤呼吸与土壤温度间的关系计算(表
2)。CT和CTW 在开始增温(2011年)时CTW 下最
高,Q10值为6.49,随着增温时间的增长(2012年)下降
为3.04;在2011年生长季CT的Q10值为6.48,高于
CK而低于CTW处理下;但是在2012年生长季,Q10
降低,为2.36。2013年生长季,CT处理则低于CK处
理,两者的Q10值分别为4.49和3.70(表2)。
将土壤温度和土壤含水量与 Q10值做相关性分
析,发现Q10值与土壤温度和土壤含水量的关系不具
有较好的相关性(表2)。
2.3.2 土壤碳氮含量与土壤微生物数量变化及与
Q10关系  2013年生长季中,CT和CTW 对土壤全氮和土壤有机碳含量的影响不显著(表3)。土壤有机碳含
量分别为1.24%和1.23%,土壤全氮含量分别为0.16%和0.15%。生长季末CT和CTW 中土壤微生物生物量
较CK减少(犘<0.05),CT中土壤微生物生物量降低51.9%,微生物生物量为3.39×106 个;CTW 的土壤微生
物生物量的下降幅度为61.2%,生物量为2.73×106 个。CT中土壤真菌和土壤放线菌数量显著降低(犘<
0.05),分别为1.88×105 个和1.17×106 个,降低65.4%和12.5%;且CTW 对土壤真菌和放线菌数量的影响极
为明显(犘<0.01),生物量分别为1.48×105 个和9.89×106 个,下降72.8%和26.1%。但是对于土壤细菌而
言,CT和CTW对其影响不显著(犘>0.05),分别为3.31×106 个和3.22×106 个。
42 草 业 学 报 第24卷
  在2013年生长季对土壤温度敏感系数 Q10和土
壤有机碳和全氮以及土壤微生物总生物量进行相关分
析,结果表明Q10与土壤有机碳氮与微生物量间均没
有显著相关关系(图2)。
2.4 土壤呼吸与环境因子的关系
将不同处理样地内土壤呼吸分别与空气温度、土
壤温度和土壤含水量进行相关分析,结果如表4所示,
在不同环境因子中,土壤呼吸与土壤温度之间表现出
显著正相关关系(犘<0.05)。在CK、CT、CTW 内,土
壤呼吸与土壤温度之间的相关系数分别为0.50,0.40
和0.11,表明增温效果显著,土壤呼吸与土壤温度之
间的相关性逐渐增高。相关性分析表明,土壤呼吸与
土壤温度之间符合指数函数关系,随着增温幅度的提
高,相关性系数犚2 表现出升高的趋势(表4)。
不同处理土壤呼吸与土壤含水量之间也存在显著
正相关关系(犘<0.05)。相关性系数的大小依次为
0.51<0.62<0.81(CTW<CK<CT)。土壤呼吸与
表2 不同处理的土壤呼吸温度敏感性(犙10)和
土壤温湿度(犜10、犠10)及其相关性分析
犜犪犫犾犲2 犜犺犲狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊犲狀狊犻狋犻狏犻狋狔狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀(犙10)
犪狀犱狊狅犻犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狀犱犺狌犿犻犱犻狋狔(犜10,犠10)狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狆狉狅犮犲狊狊犻狀犵犪狀犱狋犺犲犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲犿
处理
Treatment
年份
Year
相关方程
Thecorrelationequation
犚2 Q10 T10 W10
CK 2011 犛犚=12.878e0.1949T 0.6934.03a18.7015.29
2012 犛犚=12.456e0.1019T 0.3712.84a15.8015.68
2013 犛犚=0.1853e0.13T 0.7484.49a18.3711.63
CT 2011 犛犚=15.597e0.1145T 0.8386.48a20.3915.75
2012 犛犚=14.99e0.0213T 0.1752.36a16.3315.58
2013 犛犚=14.597e0.0889T 0.4523.70a18.2111.75
CTW 2011 犛犚=15.793e0.1289T 0.7556.49a20.3915.55
2012 犛犚=12.194e0.0954T 0.4103.04a15.8517.34
 SR代表土壤呼吸,T代表土壤温度。SRissoilrespiration,Tissoil
temperature.
土壤含水量之间随着温度的增高,同样表现出逐渐增高的趋势。相关性分析表明土壤呼吸与土壤温度之间存在
线性函数关系,相关性系数犚2 也表现出增大的趋势。
表3 不同处理土壤有机碳、土壤全氮含量及土壤微生物生物量
犜犪犫犾犲3 犇犻犳犳犲狉犲狀狋狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀,狊狅犻犾狋狅狋犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱狊狅犻犾犿犻犮狉狅犫犻犪犾犫犻狅犿犪狊狊
处理
Treatment
土壤有机碳
Soilorganic
(%)
土壤全氮
Soiltotalnitrogen
(%)
土壤微生物Soilmicroorganisms(No.)
微生物总生物量
Totalmicrobialbiomass
细菌
Germ
真菌
Fungus
放线菌
Actinomycetes
CK 1.07a 0.14a 7.04×106a 2.55×106a 5.45×105a 1.34×106a
CT 1.24a 0.16a 3.39×106b 3.31×106a 1.88×105b 1.17×106b
CTW 1.23a 0.15a 2.73×106b 3.22×106a 1.48×105b 9.89×106b
图2 土壤呼吸温度敏感系数和土壤有机碳、全氮以及土壤微生物之间的关系
犉犻犵.2 犜犺犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀狊狅犻犾狅狉犵犪狀犻犮犮犪狉犫狅狀,狊狅犻犾狋狅狋犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀
犮狅狀狋犲狀狋,狊狅犻犾犿犻犮狉狅犫犻犪犾犫犻狅犿犪狊狊犪狀犱犙10
52第4期 谷蕊 等:水热因子对克氏针茅草原土壤呼吸及其土壤温度敏感性的影响
  对内蒙古克氏针茅草原2011-2013年生长季土
壤呼吸与空气温度的数据进行相关性分析表明,不同
处理土壤呼吸(SR)和空气温度(T空)符合二次项函数
关系,空气温度对土壤呼吸的影响呈现先升高后降低
的趋势,即土壤呼吸与空气温度之间存在一个阈值点
(本试验中为31.4℃),未达到之前土壤呼吸随空气温
度的增加而增加,超过阈值之后随空气温度的增加而
降低(图3)。
3 结论与讨论
3.1 水热因子变化对土壤呼吸的影响
土壤水分是温带半干旱典型草原生态系统中非常
重要的土壤物理特性之一,也是土壤发育中最为活跃
的影响因素。土壤中的水分对生态系统的物质循环和
能量流动、植物生长发育均具有重要的作用。土壤含
水量对土壤呼吸有很大的影响,尤其在干旱或半干旱
地区水分会取代温度成为土壤呼吸的最主要限制因
子[2122]。本研究中,不同处理下土壤呼吸与土壤含水
量均呈显著正相关关系。在对照处理下,土壤呼吸与
土壤含水量的相关性系数低于增温处理而高于增温增
雨处理,说明在温度增高的条件下,土壤含水量对土壤
呼吸有较大的影响。根据土壤呼吸水分限制的理
论[23],土壤水分过低,对植物根呼吸产生一定影响,会
抑制土壤呼吸。本研究结果表明不同处理下土壤含水
量差异显著(犘<0.01),对照、增温和增温增雨处理土
壤含水量依次为10.73%,8.96%,10.13%,土壤含水
量随气温的升高而降低。原因是气温升高加剧植物蒸
腾作用和土壤水分的蒸散,使得土壤含水量降低,进而
导致土壤呼吸降低。
表4 不同处理下土壤呼吸与土壤温度、土壤含水量
以及土壤呼吸与空气温度的拟合模式
犜犪犫犾犲4 犜犺犲犳犻狋狋犻狀犵犿狅犱犲犾狅犳狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀狑犻狋犺狊狅犻犾
狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲,狊狅犻犾犿狅犻狊狋狌狉犲犮狅狀狋犲狀狋,狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀犪狀犱
狋犺犲犪犻狉狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狉狅犮犲狊狊犻狀犵
环境因子
Environmental
factors
处理
Treatment
相关性方程
Thecorrelation
equation
犚2 犘
气温
Airtemperature
犛犚=-0.009T空2+
0.5643T空-6.681
0.21 犘<0.05
土壤温度
Soiltemperature
CK 犛犚=0.1915e0.1171T 0.50 犘<0.01
CT 犛犚=0.2219e0.1062T 0.40 犘<0.05
CTW 犛犚=0.8922e0.0422T 0.11 犘<0.05
土壤含水量
Soilmoisture
CK 犛犚=0.1096M+0.5108 0.62 犘<0.05
CT 犛犚=0.1132M+0.1953 0.81 犘<0.01
CTW 犛犚=0.0929M+1.1667 0.51 犘<0.05
 SR代表土壤呼吸,T空 代表空气温度,T代表土壤温度,M 代表土壤
含水量。SRissoilrespiration,T空isairtemperature,Missoilmois
ture,Tissoiltemperature.
图3 土壤呼吸与空气温度的关系
犉犻犵.3 犜犺犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲犪犻狉
狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狀犱狊狅犻犾狉犲狊狆犻狉犪狋犻狅狀
  内蒙古克氏针茅典型草原为温带半干旱大陆性气
候,受海拔等因素影响,日间光照强烈,夜间降温迅速,
因此气温成为该地区生态系统能量流动和物质循环的
主要影响因子。研究显示,温度与土壤呼吸的关系因研究对象和研究地点不同而有所差异,但大部分可以用指数
模型来表示[3,6,22]。土壤呼吸受多个环境因子共同作用影响,本研究中,土壤呼吸与气温之间存在显著二项函数
关系。在一定阈值内气温的升高会导致土壤呼吸的增加,但是超过阈值上限后,土壤呼吸会随着气温的升高而减
弱。在阈值之前,气温作为主要影响因子,促进植物蒸腾作用和土壤水分的蒸散和植物新陈代谢,以及土壤中活
性碳库向钝性或缓性碳库的转移,从而使得土壤呼吸增强;但超过阈值后,土壤含水量成为主要限制因子,对植物
产生水分胁迫,植物根呼吸速率减弱,从而使得土壤呼吸降低。这与 Holthausen和Caldwel[24]对滨藜属植物根
呼吸季节动态研究结果中温度与根呼吸的关系相似。
3.2 土壤环境与土壤呼吸的关系
土壤环境主要的研究对象包括土壤有机化合物的类型及其含量、微生物种群及活性、植物的元素背景值
等[2535]。研究表明土壤呼吸与土壤有机碳、全氮和土壤微生物之间有显著相关关系,对土壤呼吸或促进[2627]、或
62 草 业 学 报 第24卷
无影响[28]。Niu等[29]在对温带草原氮素影响研究中指出氮素的添加对生态系统呼吸有促进作用,鲍芳和周广
胜[34]在中国草原土壤呼吸研究进展中也指出土壤有机碳和全氮是影响我国温带草原土壤呼吸的主要因素之一。
Bazzaz和 Wiliams[30]在对大气CO2 浓度对混交林幼苗生长中的研究中指出,当土壤中的有机质含量、根系生物
量、微生物活性增加时,其土壤呼吸速度显著增加。土壤微生物是土壤生态系统中养分来源的原动力,在动植物
残体的降解和转化,养分的释放和循环及改善土壤理化性质中起着重要作用[36]。本研究发现增温和增温增雨条
件下土壤微生物数量降低,但土壤有机碳和全氮含量没有显著变化,土壤呼吸与土壤有机碳和全氮含量以及土壤
微生物数量没有显著相关关系。原因可能是土壤水分是本文研究中影响土壤呼吸的最主要限制因子,其他环境
因子对于土壤呼吸的影响在不同水分条件下差异不明显。
3.3 土壤呼吸温度敏感性
研究表明,影响Q10值的因素有温度、水分、呼吸底物、土壤微生物、土壤矿物学性质和土壤质地等[11]。谭炯
锐等[31]发现北京大兴杨树人工林土壤呼吸Q10值与土壤温度呈负相关关系;在土壤含水量为8%~10%的条件
下Q10达到最大值,土壤含水量继续增大时Q10开始降低,呈现先增加后降低的趋势。王小国等[32]对四川盆地3
种土地利用方式的研究中发现Q10值与土壤温度呈现负相关,但是与土壤含水量呈现正相关关系。张金波等[33]
在三江平原不同土地利用方式的土壤呼吸敏感性差异及其影响因素分析中指出Q10值与土壤有机碳、水溶性有
机碳和微生物量呈显著的线性关系。本研究结果表明,Q10与土壤温度和土壤含水量、土壤有机碳、全氮及土壤微
生物之间无显著关系。本实验结果中,2011年Q10值在模拟增温处理中高于对照处理,而在2012和2013年模拟
增温处理下Q10值反而低于对照处理,模拟增温增雨下高于对照处理。土壤有机碳和全氮含量以及土壤微生物
数量与Q10值之间的关系有待于进一步验证。土壤呼吸温度敏感性系数是生态系统综合作用的结果,单独的温
度、湿度或者土壤有机碳、全氮等不能对其产生一定的影响,因此对土壤呼吸敏感性在增温条件的响应机制还有
待于进一步研究。
4 结论
克氏针茅草原土壤呼吸受水热条件影响。本研究表明,土壤呼吸主要受水热条件影响,并且空气温度升高和
土壤含水量的降低均对土壤呼吸有抑制作用,增温增雨处理下土壤呼吸速率要高于增温处理,2012年增温增雨
与增温处理下土壤呼吸速率分别为2.60和1.96μmol/(m
2·s),2013年增温增雨与增温处理下土壤呼吸速率
分别为3.38和2.09μmol/(m
2·s),且差异显著(犘<0.05)。土壤呼吸与土壤含水量、土壤温度间具有较好的相
关性,本研究中增温增雨处理、对照样地、增温处理土壤含水量与土壤呼吸的相关性系数犚2 分别为0.51,0.62,
0.81;土壤呼吸与土壤温度的相关性系数犚2分别为0.11,0.40和0.50。土壤呼吸温度敏感系数与土壤温度、土
壤含水量、土壤有机碳、全氮和微生物等环境因子之间的关系不确定。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
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