全 文 ：第 卷
第 期
草 地 学 报 !
年
月
, ,
内蒙古典型草原主要植物群落土壤
呼吸的初步研究 ‘
崔晓勇 王艳芬
中国科学院植物研究所 , 北京
杜 占池
中国科学院自然资源综合考察委员会 ,
北京
摘要 从野外选取有代表性的羊草 、羊草 一冷篙 、大针茅 、 克氏针茅和沙篙群落 , 原状移栽到
试验场 。 采用动态气室 法在植物主要生长期 , 连续测定各群落的土壤呼吸 。 结果表明 , 土
壤呼吸速率具有明显的昼夜变化和季节动态 。 沙篙群落土壤呼吸速率和土壤 排放总量低于
其它群落 , 羊草群落 日排放量和 总排放量较高 。 沙篙群落地上部生物量与土壤呼吸呈
高度正相关 。 气温和土壤温度对 排放速度日变化及季节变化都有一定的影响 , 其中地温能
解释土壤呼吸变异的绝大部分 。 水分对沙篙群落的影响不大 , 但对羊草等群落的土壤生物活性
有控制作用 。
关键词 草地 群落 土壤呼吸 温度
前言
土壤呼吸是土壤 向大气排放 的过程 , 是生态系统碳素循环的主要过程之一 。 生态
系统中碳素的含量较其它元素高 , 碳素循环的特点反应了系统物质循环的总体特征 , 因此土
壤呼吸很早就为研究者所注意 , 。特别是大气 浓度的持续升高引起的全
球气候变化受到越来越密切的关注 , 而土壤碳素储量极大 , 陆地生态系统土壤呼吸作为大气
源 , 其贡献不可忽视 等 , 。 同时土壤呼吸还是土壤 生物活性的指标 , 一定程
度上反应了土壤养分转化和供应能力 等 , , 是预测生态系统生产力对气候变化
相应的参数之一 。 但是以前土壤呼吸的研究主要集中在中纬度的森林 刘绍辉和方精云 ,
和北美及印度的湿润草原 , 而干旱半干旱典型草原则缺乏研究资料 李凌浩等 , 。
在我国 , 仅东北羊草草原有少量研究 郭继勋等 , 杨靖春等 , 。 因此 , 系统考查我国
典型草原区的土壤呼吸状况 , 对于弄清草原在全球碳素平衡中的作用具有重要意义 。 本研究
采用原状移栽的方法 , 试图直接比较主要草原群落土壤呼吸释放特点和季节动态 , 为构建整
个地区碳平衡模型提供基础资料 。
材料与方法
供试材料
羊草 五。 , 、 。人 、 羊草 一 冷篙 、 大针茅 、
, 本文得到国家自然科学基金项目 和 中国科学院重大项 目 一 一 和特别支持项 目 的资助
草 地 学 报 年
克氏针茅 划 和沙篙 即 等群落 。
试验采取异地移栽法
于 年 一 月 , 从野外选取有代表性的供试群落 。转移到中国科学院植物研究所内蒙
古草原生态系统定位研究站试验地事先挖好的土坑中 , 规格为 。 为尽量
保持原状 , 挖取时先选较大面积条形地块 , 然后划分成小土块 , 再从周围开挖壕沟 , 从土壤底部
平铲取出 , 取土深度为 。 异地移栽后群落的植物组成和密度等尽量保持与野外状态接近 。
移栽后充足浇水 , 以使植物恢复生长顺利越冬 。
土攘呼吸测定
使用动态气室
分
法 , 测前先将待测小区地上部分齐地面剪下后 , 安放在气室 。 剪下的
平冈 震努彝瓢继…默黔缨沪 。· 。 红外 分析华靶早李竺甘熨歼 谷甲 的六通谭 毕一‘ 植物同化作用分析仪 具体 方法见盛修武等 , 。卜尸匕
。,习二珍工一的日饭。铸哥润彭皆璐叫
时间 ,
图 大针茅群落
土壤呼吸的日变化 月 日
用常规方法浏定相关土峨气象参数
从 月下旬开始到 月下旬 , 每隔一个月测定
一次 , 各群落在生长初期 月下旬 、 盛期 月下
旬和 月下旬 和后期 月下旬 。 每次连续测定
小时 , 仪器每 秒自动记录一个测定值 。
每个测定都选取不同样方 , 测定时每个群落设重复
次 。
以 软件用回归方法分析所浏定的数据
气沮 件”咖咚一一 , · 一一一 ‘地沮 创从传·尹气二产 砖之几。
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沮度 ℃
图 气温和地温与羊草 一冷离群落
土壤呼吸 变化的关系 月 日
,
一 A . fr i g i d a e o m m u n i t y
3 结果与分析
3.1 土峨呼吸的 日变化(图 1)
最大值和最小值可相差 5 倍 。 高峰值
一般出现在 13 : 0 一17 : 0 时 , 最低值出
现在夜间 2 : 0 一4 : 0 时 。 土壤呼吸 日进
程与 5一 20c m 地温的变化趋势基本一致 ,
两者呈极显著正相关关系 。 回归分析结果表
30 明 , 该土层地温可以解释土壤呼吸昼夜变化
的 61 一 90 % 。 气温昼夜动态与土壤呼吸也
有一定的关系 , 其直线相关性最高时 r值达
0.87 ” ’ 。 但气温受其它因素的影响波动较
大 , 因此有时不能准确地 反映土壤呼吸动
态 。 气温与土壤 C 0 2排放速率间的关系一
般为抛物线形 (y 一a扩 + b x + c y 为土壤
呼吸速率 , x 为气温或地温 , a 、 b 、 。 为常
第3 期 崔绕勇等:内蒙古典型草原主要植物群落土壤呼吸的初步研究
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沙离群落 Ar te. jsz’a
z’n t刀”以叱rO l j ca
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一. ~.羊草群落LeJ 旧“S
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月峙IJ,‘,二
s目UIOq勺乡已理卜名代户任、创娜州叫裂
数) , 其中一次项的权重远大于二次
项(图 2)。
3
.
2 生物蚤和土 峨呼吸的季节动
态
3.2. 图 3 显示 , 在测定期间群落
生物量基本呈直线增长 , 其 中沙篙
群落起始生物量最低 , 生长最快 , 至
8 月底 , 生物量 已达 5 月底的 18
倍 。而羊草群落起始干重最大 , 但增
长速度最慢 , 3 个月期间只增加 1.5
倍 。 由于本试验采用移栽法 , 群落受
到的扰动较大 , 而且年前充足浇水 ,
年后降水丰沛 , 为近 20 年的最大
值 , 因此试验群落的生物量 比野外
大 。
一克氏针茅群落 stj脚扣7 少o y1’j 。 , m m un i ty
6 ,
月份 M on th
图 3 地上部生物t 季节变化
F ig.3 Inerem ent of aboveground
biom ass of the eom m unities
3. 2. 2 土壤呼吸速率与地上部生
物量的时间动态不完全一致 。 土壤 C O , 排放速率随着季节的变化呈单峰曲线 , 最大值出现
在 7 月底而不是生物量最大值的 8 月下旬(表 1) 。 除沙篙群落地上部生物量与土壤呼吸速
率达高度正相关 (r一0. 9 1 )外 , 其它群落无明显相关性 。 温度及土壤含水量与土壤呼吸的季
节变化关系密切 , 其中克氏针茅群落土壤呼吸与气温 , 各土层地温及含水量间的相关系数分
别达到 0. 81 一0 .99 。 而羊草 、 羊草一冷篙及冷篙群落与土壤水分相关性较差 , 而温度的作用
则更大(表 2)。
3
.
2
.
3 分析不同群落土壤呼吸速率和 C O :排放量可以看出 , 沙篙群落土壤昼夜 CO :排放
量在各月都低于其它群落 (表 1) , 虽然 8 月底群落生物量 已居第 3 位(图 1) 。 羊草群落的生
物量高于其它群落 , 在 5 月底时最大 。 采用曲线模拟土壤呼吸季节动态 , 可以粗略估算自 5
月底~ 8 月底各群落的 C O :排放量 , 沙篙 、羊草一冷篙 、 大针茅 、羊草和克氏针茅群落分别 为
735· 9 、 1 4 5 0 · 1 、 1 2 0 3 · 6 、 1 7 1 4 · 4 、 1 1 7 0 · 6 9 C O Z / m Z 。
4 讨论
4.1 土壤呼吸主要包括根 系呼吸和土壤微生物作用下的土壤有机质分解过程 (S in gh 等 ,
1
9
7 )
, 因此与植物群落生长状况及气候 、土壤环境条件密切相关 。 供试群落于 4 月中旬开始
返青 , 此时地上部活体生物量都为零 , 到 5 月下旬最大(羊草群落)与最小(沙篙群落)生物量
差异近 10 倍 , 但 8 月底的生物量差异(羊草最小 , 大针茅最大 )不大 。 结果表明 , 供试群落生
物量累积模式有较大的差异 , 因此根系得到的同化物和向土壤分泌的有机物质数量和季节
动态各不相同(Be rntso n 等 , 1 9 6 ) , 土 壤微生 物 活性也必 然受到 相 应的影 响 (C ar don ,
1 9 6 )
, 从而造成群落间土壤呼吸的显著差异(表 2)。 土壤有机质含量与土壤呼吸关系紧密 ,
如沙篙群落生长在风积沙地上 , 土壤有机质含量很低 , 因而虽然生物量较高 , 但土壤呼吸速
度仍然较其它群落低 。 而羊草群落土壤有机质含量高 , 所以土壤呼吸强度也大 。 这从一个侧
草 地 学 报 1999 年
面也反应了根系与土壤微生物对土壤呼吸的贡献比例在不同群落中各不相同 。
表 1 土壤呼吸速率季节动态及 C O :总排放l
T able 1 Seasonaldynam ies and totalam ount of 5011 respiration rate from later M ay to later A ugust
群落类型
C om m unlty
5~ 8 月土壤 C O :释放总量
A m ount of 5011C O Z re leased
from M ay to A ugust(g/m Z)
type
沙篙群落
A rrenl矛s i a i n t ra n z o 刀 g o l ic a
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羊草一 冷篙群落
八沙 n , “s c为in on sis一 A rt , n : 15 ; a
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大针茅群落
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羊草群落
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克氏针茅群落
S t矛P a k砂l洲i矛
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5 月
M ay
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土壤呼吸速率
5011 resplration rate
(gC ()2/m Z · d )
6 月 7 月
June Ju ly
10.82 15 73
8 月
A ugust
15.4 3 735.9
25.91 25. 69 28.70 16.37 1450 。 l
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2 8 1 1 7 0
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6
表 2 土壤呼吸季节动态与环境因子的相关性
T able 2 C orrelation eoeffieients of 5011 respiration w ith air tem perature ,
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群落类型 土壤含水量
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( C )O~ IOem 10 ~ ZOem 20 ~ 30em OCm sem 10em 20em
6423876050.0.LO沙篙群落
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羊草 一冷篙群落
五。 n , , , s : h ; n ‘” s 矛s -
A r t e n , ; s i a
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大针茅群落
S t矛P a g r a n d 矛s
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羊草群落
丈矛, n , u s c h i n 尸。 、15
c o rn m u n l t y
克氏针茅群落
S tiPa k即lovii
eom m unlty
总体 T oral
0.49 0.25 一 0 .0 3 一 0 . 3 2 0 . 2 0 0 . 3 6
0 . 40 0 .4 4
0 . 0 2
0 19
0 . 8 5
0 . 40
1 . 00
0 . 6 2
0 33 0 . 2 6 0 . 5 7 0 4 7
0 5 0 0 9 4 0 . 7 9 0 . 6 5 0 . 7 8 0 8 1
一 0 . 1 9 0 . 0 0 0 8 5 0 . 9 0 0 . 8 1 0 . 8 2
0 . 8 1 0 . 9 7 0 . 9 8 0 . 9 3 0 . 9 7 0 . 98
0 . 6 2 0 . 6 9 0 . 3 8 0 . 2 3 0 . 4 6 0 4 6
第 3 期 崔晓勇等 :内蒙古典型草原主要植物群落土壤呼吸的初步研究
4 . 2 草原生态系统土壤呼吸的研究多集中在北美高草草原和 印度热带湿润草地 , 结果表
明 , 温度和水分或两 者共同决 定 土壤 呼 吸 的变异 (O om es 等 , 一9 9 7 ; N o rm a n 等 , 1 9 9 2 ;
B
u
y
a n o v s
k y 等 , 1 9 8 7 ) 。 土壤温度和水分有时可以解释土壤 呼吸变异的 97% (K eith 等 ,
1
97 8 )
。 本研究结果表明 , 土壤呼吸 日变化和季节动态与 5~ 20 om 土层土温相关性较高 , 直
线相关系数可达 0.57 ~ 1. 0 。 因为土壤 C O :的产生是一个生物学过程 , 因此受土壤环境温
度的影响较大 。 而且土壤 C O :向空气的释放是物理的扩散过程 , 与 C O :在土壤空隙中的扩
散系数和在气一液相的分配系数有关 , 温度升高时两系数也提高 。
4
.
3 地表(oc m )温度受近地面微气象因子的影响而变化较大 , 所以和土壤呼吸率的相关性
较差 。 气温与土壤呼吸 日进程的关系为抛物线型曲线 , 这是气温与 5~ 20 om 土温变化不同
步的结果 。 当土壤温度和土壤呼吸速率在最低点时 , 气温已经开始升高了 , 而气温最低时土
壤温度还在下降过程中 。 土壤水分对土壤呼吸的季节变化有一定的影响 。 不同群落对温度
和水分的反应各异 。 由于沙地持水性能差 , 不同季节土壤水分含量相差不大 , 因此土壤呼吸
与土壤水分状况相关性差 。而羊草 、大针茅等群落的土壤水分和温度在不同季节有明显的差
异 , 对根系生长和土壤微生物活动产生显著影响 , 所以土壤呼吸与二者关系密切 。
4
.
4 本文的草原土壤呼吸速率和草原 C O :排放量较文献中的结果偏高 , 原 因是土壤扰动
后引起植物和土壤生物活性发生变化 , 同时充足的浇水与降水使得植物生长量明显高于 自
然群落 , 说明群落碳同化得到加强 , 相应地向地下部的碳素运输增多 , 补充了土壤活性碳源 。
为得到野外不同群落类型土壤呼吸速率 , 需要改进和采用更优的测定手段 。
参 考 文 献
1 刘绍辉 、方精云 , 1 9 9 7 . 土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响 . 生态学报 , 1 7 ( 5 ) : 46 9 ~ 4 76
2 李凌浩 、陈佐忠 , 1 9 9 8 . 草地群落的土壤呼吸 . 生态学杂志 , 17 ( 4 ) : 45 一51
3 杨靖春 、倪平 、祖元刚等 , 1 9 89 . 东北羊草草原土壤微生物呼吸速率的研究 . 生态学报 , 9 : 1 3 9 一 14 3
4 郭继勋 、张宏一 , 1 9 9 1 . 羊草草地土壤呼吸与枯枝落叶分解 . 中国草地 , ( 5 ) : 39 ~ 41
5 盛修武 、戚秋慧 、夏文德 , 1 9 85 . 大型同化箱群落光合测定装置的设计与测试报告 。 见 :草原生态系统研
究(一) , 9 3 一 10 1
6 Be rntso n G M , Ba z z a z F A , l 9 9 6 . Be l o w g r o u n d p o s i t i v e a n d n e g a t i v e f e e d b a e k s o n C O 2 g r o w t h e n h a n e e -
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7 B uy ano vsk y G A , K u e e r a C I J , W a g n e r G H , l 9 8 7 . C o m p a r a t i v e a n a l y s e s o f e a r b o n d y n a m ie s i n n a r i v e
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草 地 学 报 199 9年
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