干旱區(qū)3種林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2的排放特征

賈宏濤，朱新萍?，盛鈺，趙成義，許有金，K.G.卡迪羅夫

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830052，烏魯木齊;2.中科院新疆生態(tài)與地理研究所，830011，烏魯木齊;3.塔吉克斯坦農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，734017，杜尚別)

干旱區(qū)3種林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2的排放特征

賈宏濤1，朱新萍1?，盛鈺2，趙成義2，許有金1，K.G.卡迪羅夫3

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830052，烏魯木齊;2.中科院新疆生態(tài)與地理研究所，830011，烏魯木齊;3.塔吉克斯坦農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，734017，杜尚別)

摘要：以新疆三工河流域的梭梭、檉柳及云杉3種林地為監(jiān)測對象，對不同林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放特征進行對比研究，結(jié)果表明：1)梭梭林土壤呼吸速率的日變化曲線8月份為雙峰曲線，而6月和10月份為單峰曲線。梭梭林地土壤CO2日釋放量表現(xiàn)為8月(4.34 g/(m2·d))＞6月(1.86 g/(m2·d))＞10月(1.17 g/(m2·d))。6月、10月土壤呼吸速率均白天高于夜間，而8月則正好相反。2)8月份幾種林地類型的土壤CO2日釋放量表現(xiàn)為云杉林(21.71 g/(m2·d))＞梭梭林(4.34 g/(m2·d))＞檉柳林(1.84 g/(m2·d))。8月份云杉、檉柳土壤呼吸日變化曲線與梭梭林地的雙峰曲線不同，均為單峰曲線。云杉林、檉柳林的土壤呼吸速率均白天高于夜間，而梭梭林則正好相反。3)云杉林地土壤CO2釋放速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，而梭梭林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2釋放速率與空氣相對濕度成顯著正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：林地;CO2排放;日變化;干旱區(qū)

林地生態(tài)系統(tǒng)特別是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫向大氣中釋放CO2的一個重要過程，是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，占生態(tài)系統(tǒng)總呼吸的60% ～90%［1］。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其碳儲量相當(dāng)于大氣碳庫的3.3倍和植物碳庫的4.5倍。土壤碳的變化反映了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳輸入和輸出之間的平衡關(guān)系。由于土壤碳庫巨大，土壤碳循環(huán)過程的微小變化都將對CO2等溫室氣體的釋放產(chǎn)生顯著影響［2］。干旱、半干旱區(qū)占據(jù)了地球表面的2/5，因此土壤呼吸是土壤中碳損失的主要過程之一，并且由于土壤有機碳含量相對較低，因此土壤呼吸也是干旱、半干旱地區(qū)對氣候變化最敏感的一個生態(tài)系統(tǒng)特征［3］。土壤呼吸受到多種因素的影響，不同的林地生態(tài)系統(tǒng)中，由于所處地理位置，土壤類型、性質(zhì)及群落組成等不同導(dǎo)致土壤呼吸中各組分對土壤呼吸的貢獻不同［4-5］。

森林作為最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，其碳收支對全球變化有著重要的意義。近些年來對林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放進行了大量研究，主要集中在對不同林地生態(tài)系統(tǒng)，不同林地管理等條件下CO2的排放規(guī)律，另外土壤CO2排放與環(huán)境因素之間的耦合關(guān)系研究也是研究的重點［6-7］。對于林地生態(tài)系統(tǒng)的研究在我國干旱區(qū)相對較少，筆者以新疆阜康市的三工河流域為研究區(qū)域，選擇荒漠植被的主要建群種梭梭(Halaxylon ammodendron)、在干旱區(qū)對阻截流沙具有重大生態(tài)意義的檉柳(Tamarix ramosissmaLedeb)及占新疆天然林育林地總面積1/2的云杉(Picea schrenkiana)為監(jiān)測對象，通過對3種林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放以及環(huán)境因素的實地監(jiān)測，探討不同時期林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放特征，研究結(jié)果可為進一步研究林地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放奠定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域自然地理概況

新疆三工河流域位于新疆天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，位于 E 87°47'～88°17'、N 43°20'～45°29'，南北長80 km，東西寬30 km，行政區(qū)屬阜康市。新疆三工河發(fā)源于天山北坡博格達峰西北部冰川，由南向北流入準(zhǔn)噶爾盆地，最后消失在干旱的古爾班通古特沙漠內(nèi)，三工河平均徑流量為5 022.3萬m3;地勢南高北低，由東南向西北傾斜，海拔在430～5 445m之間。流域內(nèi)土壤類型和植被的分布從高山到荒漠均具有明顯的垂直地帶性和水平地帶性，從高山寒漠冰雪冰源帶、亞高山草甸帶、中山森林帶、低山荒漠草原帶、沖積扇和洪沖積平原區(qū)、北沙窩地區(qū)，分別發(fā)育著高山寒漠土、高山草甸土、亞高山草甸土、草甸土、山地栗鈣土和棕鈣土、灰漠土、龜裂土和沙質(zhì)灰漠土、風(fēng)沙土。天然植被包括云杉、檉柳、梭梭、紅砂(Reaumuria songarica)等鹽柴類半灌木。流域氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶愿珊蛋敫珊禋夂颍攸c是冬季寒冷，夏季酷熱，降水稀少，蒸發(fā)量大，光照充足。晝夜溫差大，年平均氣溫6.6℃;最高氣溫42.6℃，最低氣溫-41.6℃;年均降水量164mm，年均蒸發(fā)量1 780～2 453mm。年均日照時間2 933 h，年均無霜期176 d。

1.2 試驗方案

云杉林樣地觀測地點選在新疆天山天池西南部原始云杉林內(nèi)，云杉平均高度為20～25m，樹齡60～120年不等，平均郁閉度0.75;梭梭林樣地觀測地點選在距離古爾班通古特沙漠南緣8 km的梭梭原始生境，地下水位5.2～7.9m之間，梭梭為建群種，少有伴生種;檉柳林樣地位于中國科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)觀測站站區(qū)東側(cè)，灌木主要為檉柳，高度2.1～2.5m，平均冠層覆蓋度約為15%。3種林地土壤基本情況見表1。

在典型林地生態(tài)系統(tǒng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，在6—10月份，選擇無風(fēng)晴朗的典型日，采用英國PP System公司生產(chǎn)的CIRAS-1土壤呼吸測定儀結(jié)合箱式法，以1 h為步長，監(jiān)測土壤呼吸速率，每次監(jiān)測重復(fù)5～8次，每個林地每月監(jiān)測3～5個典型土壤CO2排放日變化(24 h);同時用TDR監(jiān)測土壤濕度，土壤溫度和空氣濕度等指標(biāo)采用常規(guī)方法進行監(jiān)測。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對所得數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS17.0進行數(shù)據(jù)分析。

表1 3種林地土壤基本概況Tab．1 Basic profiles for the soil in three kinds of woodland

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期土壤呼吸速率日變化特征

由圖1可看出8月份的梭梭林土壤呼吸速率明顯高于6月和10月。梭梭林土壤呼吸速率是隨著時間的變化而變化的。從00：00到08：00，由于土壤溫度等原因，梭梭林土壤呼吸速率在一個比較小的范圍內(nèi)波動，并且相比6月和10月，8月的土壤呼吸速率明顯較高。6月和10月梭梭林土壤呼吸速率白天高于夜間，6月呼吸曲線是一個典型的單峰線，從07：00到18：00梭梭林地土壤呼吸速率都在較高水平。最高點在12：00達到0.15 g/(m2·h)，最低點07：00只有0.01 g/(m2·h)。10月只有08：00到13：00梭梭林土壤呼吸速率較高，在0.09～0.14 g/(m2·h)之間，而其他時間段較低，在0.01～0.04 g/(m2·h)范圍內(nèi)波動。8月梭梭林土壤呼吸速率則正好相反，最低點出現(xiàn)在18：00、19：00，達到0.05 g/(m2·h)。高值有2個，分別是10：00和21：00，分別為0.30和0.32 g/(m2·h)。6月、8月和10月其梭梭林地土壤呼吸日CO2釋放量依次是1.86、4.34 和 1.17 g/(m2·d)。

圖1 不同時期梭梭林土壤呼吸速率日變化特征Fig．1 Diurnal variation characteristics of soil respiration rate in H.ammodendron forest during different periods

在植物生長的高峰期(春季與夏季)，小時間、晝夜和季節(jié)尺度上溫度與土壤呼吸速率之間的關(guān)系有著不同的表現(xiàn)形式。梭梭林土壤呼吸速率的日變化曲線8月份為雙峰曲線，2個高點分別在10：00和21：00;6月和10月份為單峰曲線，其最高點分別為10：00(0.15 g/(m2·h))和 12：00(0.14 g/(m2·h))，原因是因為不同季節(jié)中土壤呼吸速率和土壤溫度往往不同步發(fā)生［8-9］。

2.2 不同類型林地土壤呼吸速率日變化特征

3種林地土壤呼吸速率在白天明顯高于夜間，而云杉林地土壤呼吸速率明顯高于其他2種林地，24 h內(nèi)云杉林地土壤呼吸總的CO2釋放量達到了21.71 g/(m2·d)，顯著高于梭梭林地(4.34 g/(m2·d))和檉柳林地(1.84 g/(m2·d))。而日出和日落后的大約2 h之后土壤呼吸速率隨著土壤溫度的上升或下降呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

梭梭林地土壤呼吸速率出現(xiàn)了2個高點，一個在10：00達到0.30 g/(m2·h)，另一個出現(xiàn)在21：00，達到0.32 g/(m2·h);最低點出現(xiàn)在19：00，為0.05 g/(m2·h)。從圖2可以看出：00：00到08：00土壤呼吸速率相對穩(wěn)定，在0.17～0.24 g/(m2·h)內(nèi)波動，平均值為0.21 g/(m2·h)，而日出和日落后的大約2 h之后土壤呼吸速率迅速上升;檉柳林地土壤呼吸速率最高點出現(xiàn)在09：00—10：00，達到0.17 g/(m2·h)，最低值出現(xiàn)在23：00到翌日02：00，夜間土壤呼吸速率在0.00～0.30 g/(m2·h)之間，平均值低于0.02 g/(m2·h);云杉林地土壤呼吸速率最高點出現(xiàn)在19：00，達到1.42 g/(m2·h)，最低點出現(xiàn)在22：00，為0.48 g/(m2·h)。云杉林地夜間土壤呼吸速率相對穩(wěn)定，在0.56～0.80 g/(m2·h)內(nèi)波動，平均值為 0.68 g/(m2·h)。

2.3 土壤呼吸與環(huán)境因子的關(guān)系

圖2 3種林地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率日變化特征(8月)Fig．2 Diurnal variation characteristics of soil respiration rate in 3 kinds of woodland ecosystems(August)

土壤呼吸受到多種因素的影響，不同林地土壤CO2排放特征不同，它會受到環(huán)境溫度和濕度等因素的影響，具有明顯不同的日變化和月變化［10］。土壤呼吸和溫度之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系，主要有線性關(guān)系、二次方程關(guān)系和指數(shù)關(guān)系等。溫度變化一般可以解釋土壤呼吸速率日變化和季節(jié)性變化的大部分變異，而在干旱條件下，土壤呼吸隨氣溫的升高呈現(xiàn)指數(shù)減?。?1-12］的趨勢。通過實地監(jiān)測和相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)云杉林地土壤呼吸速率(A)與土壤溫度(t)呈顯著正相關(guān)，A=0.467 8lnt-0.348 4，R2=0.575 4，與土壤濕度的相關(guān)性并不顯著;檉柳林地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤濕度、空氣濕度之間的相關(guān)性不明顯;梭梭林地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率(A)僅與空氣相對濕度(M)成顯著正相關(guān)A=0.188 2M-0.765 9，R2=0.501 5，與土壤濕度、氣溫的相關(guān)性不顯著。

在干旱區(qū)，梭梭土壤呼吸速率的日變化與近地面溫度變化動態(tài)一致，氣溫最高值出現(xiàn)的時間滯后于土壤呼吸速率最高值，且有高溫抑制現(xiàn)象［13］。8月份的梭梭林土壤呼吸速率變化曲線，從14：00開始梭梭林地的土壤呼吸速率顯著下降，到了19：00又直線上升。我們的研究表明梭梭林地的土壤呼吸和溫度相關(guān)性并不顯著，與濕度呈顯著的正相關(guān)，土壤呼吸與其他環(huán)境影響因素之間的關(guān)系還有待于進一步研究。

3 結(jié)論

不同月份土壤呼吸速率日變化特征不同，梭梭林地8月份土壤呼吸速率明顯高于6月和10月。6月土壤呼吸速率曲線是一個典型的單峰線，而8月則相反，其土壤呼吸曲線呈雙峰，高點分別在10：00和21：00，最低點出現(xiàn)在19：00。

不同林地土壤呼吸日CO2釋放量不同，由大到小依次為云杉、梭梭、檉柳;土壤呼吸速率均呈現(xiàn)白天高的特點。檉柳林地土壤CO2排放速率具有明顯的晝夜變化，06：00—18：00都保持在一個較高的水平，最高可達到0.17 g/(m2·h)，夜晚土壤呼吸速率小于0.02 g/(m2·h)。云杉林地的晝夜變化比較平穩(wěn)，10：00～21：00土壤呼吸速率較高，在0.64～1.42 g/(m2·h)范圍內(nèi)波動，夜晚其土壤呼吸速率在0.48～0.80 g/(m2·h)之間變化。

云杉林地土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，而梭梭林地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率與和空氣相對濕度成顯著正相關(guān)。

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Characteristics of soil CO2emission of 3 kinds of woodland ecosystems in arid areas

Jia Hongtao1，Zhu Xinping1?，Sheng Yu2，Zhao Chengyi2，Xu Youjin1，K.G.Kadipov3

(1.College of Pratacultural and Environmental Sciences，Xinjiang Agricultural University，830052，Urumqi;2.Xinjiang Ecological Geography Research Institute，CAS，830011，Urumqi：China;3.Agricultural College of Tajikistan Agrarian University，734017，Dushanbe，Tajikistan)

Abstract：The experiment was conducted withHalaxylon ammodendron，Tamarix ramosissmaLedeb，andPicea schrenkianawoodland ecosystems as the subjectmonitored in Sangong River Basin in Xinjiang，and their soil CO2emission characteristics are studied comparatively.The results showed that：1)the diurnal variation of soil respiration rate inH.ammodendronforest during August is a bimodal curve，while it is unimodal curve in June and October.Daily soil CO2emission inH.ammodendronforest in a descending order was August(4.34 g/(m2·d))＞ June(1.86 g/(m2·d)) ＞ October(1.17 g/(m2·d)).Soil respiration rate was higher in the day than that in the night in both June and October but quite the reverse in August.2)Daily soil CO2emission in different forests in a descending order wasP.schrenkianaforest(21.71 g/(m2·d))＞H.ammodendronforest(4.34 g/(m2·d)) ＞T.ramosissmaLedeb forest(1.84 g/(m2·d))in August.The both curves of soil respiration rate ofP.schrenkianaschrenkiana forest andT.ramosissmaLedeb forest were unimodal curves，which were different from of bimodal curve ofH.ammodendronforest.The soil respiration rate in bothP.schrenkianaforest andT.ramosissmaLedeb forest were higher in day than that in night，but quite the reverse inH.ammodendronforest.3)Soil CO2emission rate has significant positive correlation with soil temperature inP.schrenkianaforest，while soil CO2emission rate has significant positive correlation with air relative humidity inH.ammodendronforest.

Key words：woodland;CO2emission;diurnal variation;arid areas

S791.31

A

1672-3007(2013)01-0095-04

2012-05-03

2012-11-06

國家國際科技合作計劃“氣候變化對中亞地區(qū)荒漠化的影響”(2010DFA9272013);新疆土壤學(xué)重點學(xué)科資助項目

賈宏濤(1975—)男，博士，副教授。主要研究方向：土壤質(zhì)量演變。E-mail：hongtaojia@126.com

簡介：朱新萍(1978—)，女，博士研究生，講師。主要研究方向：干旱區(qū)環(huán)境質(zhì)量演變。E-mail：zhuxinping1978@163.com

(責(zé)任編輯：程 云)