黃土丘陵區(qū)油松、沙棘人工林土壤呼吸動態(tài)及其對土壤溫度和水分的響應(yīng)

謝育利,陳云明,?,唐亞坤,吳旭,溫杰

(1.中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心,712100,陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 712100,陜西楊凌;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,712100,陜西楊凌)

黃土丘陵區(qū)油松、沙棘人工林土壤呼吸動態(tài)及其對土壤溫度和水分的響應(yīng)

謝育利1,陳云明1,2?,唐亞坤2,吳旭1,溫杰3

(1.中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心,712100,陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 712100,陜西楊凌;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,712100,陜西楊凌)

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的重要組成部分,土壤呼吸在維持全球碳循環(huán)及碳平衡中具有重要作用。以黃土丘陵區(qū)油松、沙棘人工林為研究對象,于2015年6月至2016年5月,采用LI-8100土壤碳通量測量系統(tǒng),分別觀測二者的土壤呼吸(Rs)、5 cm土壤溫度(T)和水分(W),分析2種人工林Rs的動態(tài)特征及其對T和W的響應(yīng)。結(jié)果表明:1)季節(jié)尺度油松、沙棘人工林Rs夏季(6—8月)最高(2.31和2.89 μmolCO2/m2·s),冬季(12—2月)最低(0.60和0.65 μmolCO2/m2·s),年均值分別為1.51和1.92 μmolCO2/m2·s,年呼吸總量分別為18.90和22.81 tCO2/hm2·a,冬季呼吸量占年呼吸總量比例分別為14.67%和12.65%;日尺度最高值出現(xiàn)在10:00—16:00,最低值均出現(xiàn)在6:00。2)季節(jié)尺度2種林分Rs與T均呈顯著指數(shù)關(guān)系(P＜0.01),與W則呈顯著線性負(fù)相關(guān)(P＜0.01),且沙棘林全年尺度土壤呼吸Q10值(1.40)顯著高于油松林(1.34,P＜0.01)。3)日尺度上,油松、沙棘人工林W分別大于13%和12%時,T對Rs的解釋量(R2)均有所提高。因此,在充分考慮溫度和水分對土壤呼吸影響的同時,加強(qiáng)冬季土壤呼吸的觀測,對未來氣候變化條件下,區(qū)域碳循環(huán)估算模型的完善具有重要意義。

黃土丘陵區(qū);人工林;土壤呼吸;土壤溫度;土壤水分

土壤呼吸是土壤二氧化碳(CO2)通過土壤向大氣釋放的過程,是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳素從土壤中以CO2形式返回大氣的主要途徑[1]。土壤呼吸不僅有效地維持著全球碳平衡,而且對調(diào)節(jié)全球氣候也起著非常重要的作用[2]。土壤呼吸主要受到溫度、水分、植被類型、凋落物和微生物等因素的影響[2],土壤侵蝕會導(dǎo)致土壤凋落物和腐殖質(zhì)等大量損失,并降低土壤質(zhì)量;因此,水土保持措施在土壤侵蝕區(qū)被廣泛采用[3]。水土保持措施改變了微地形形態(tài),引起土壤水分、結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)等的變化,進(jìn)而影響土壤微生物的分解活動,并改變土壤呼吸[4];而人工造林是丘陵區(qū)常用的水土保持措施之一,研究人工林土壤呼吸變化特征及其影響因素,有助于完善區(qū)域碳循環(huán)估算模型[5],同時,為人工造林樹種的選擇提供一定理論依據(jù)[6]。

溫度和水分是影響土壤呼吸的關(guān)鍵環(huán)境因素,通常情況下,土壤溫度顯著影響微生物分解、根系呼吸及酶和基質(zhì)的擴(kuò)散,因此,被認(rèn)為是土壤呼吸的主要控制因素[7]。然而土壤水分較低時,微生物分解、根系呼吸及酶和基質(zhì)的擴(kuò)散,受到土壤水分限制而降低[8],從而影響根系、根際微生物活性[910]以及土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率[7,1112]。全球氣候變化將可能引發(fā)氣溫升高,降雨頻度發(fā)生改變,進(jìn)而影響土壤水分,并增加季節(jié)性干旱的發(fā)生頻率[13]。R.T. Conant等[14]研究發(fā)現(xiàn),干旱期土壤呼吸主要受到土壤水分的限制;張麗華等[15]發(fā)現(xiàn),非干旱季溫度是影響土壤呼吸的主導(dǎo)因子,土壤水分對土壤呼吸無顯著影響;而嚴(yán)俊霞等[16]研究則發(fā)現(xiàn),油松林干旱季和非干旱季土壤呼吸都主要受到土壤溫度和土壤水分的影響。因此,有必要對不同土壤水分條件下,土壤呼吸及其對土壤溫度和水分的響應(yīng)進(jìn)行深入研究[17]。此外,由于冬季觀測的困難,以及基于冰凍條件下微生物活動可以忽略的假設(shè)[18,19],目前,土壤呼吸的觀測集中于生長季。但Wang Wei等[19]、A.Schindlbacher等[20]研究表明,微生物生物量也可能在冬季達(dá)到較高值,冬季土壤呼吸占年土壤呼吸總量的14%～30%。另有研究發(fā)現(xiàn),僅用生長季觀測值估算得到的全年尺度土壤CO2釋放量,均高于實測值,如落葉森林高71%,常綠森林高111%[21]。因此,有必要對冬季土壤呼吸進(jìn)行觀測,以確保更加準(zhǔn)確的碳收支預(yù)算[22]。

黃土丘陵區(qū)屬于典型生態(tài)脆弱區(qū),水土流失嚴(yán)重,人工造林是該區(qū)水土流失治理和生態(tài)恢復(fù)的主要措施,目前,人工林面積已經(jīng)占到該區(qū)森林面積的59.8%[23]。已有許多關(guān)于碳循環(huán)方面的研究,但不同土壤水分對土壤呼吸和土壤溫度之間關(guān)系的調(diào)控作用,以及冬季占全年土壤呼吸的比例還需進(jìn)一步分析[22]。鑒于此,筆者以油松(Pinus tabulaeformis)和沙棘(Hippophae rhamnoides)純林為研究對象,采用野外觀測方法,分別觀測土壤呼吸、土壤溫度和水分,闡明黃土丘陵區(qū)不同人工林土壤呼吸季節(jié)變異特征、冬季呼吸所占的比例、以及不同土壤水分條件下土壤呼吸與土壤溫度和水分之間的關(guān)系,其目的是深入了解該區(qū)人工林土壤碳排放過程,為準(zhǔn)確預(yù)測黃土丘陵區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況提供理論依據(jù),為該區(qū)固碳減排模式的評估提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西安塞縣中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗站山地試驗場(E 109.32°,N 36.85°),海拔1 198 m。該地區(qū)年平均氣溫8.8℃,極端最高和最低溫度分別為36.8和-23.6℃。年降水量500 mm左右,全年72.9%的降雨集中于6—9月,具有明顯的季節(jié)性干旱。土壤以黃綿土為主,土壤密度約為1.32 g/cm3,土壤孔隙度為57.77%;主要植物有油松、沙棘、細(xì)裂葉蓮蒿(Artemisia gmelinii)等。樣地的油松和沙棘人工林,在2002年造林密度分別為1 667和1萬株/hm2,2015年樣地概況見表1。

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of the plots.

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2015年4月底,在油松、沙棘人工林中,分別選擇20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地,每塊樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個測量點,每個測量點設(shè)置4個土壤呼吸環(huán)。土壤呼吸環(huán)(內(nèi)徑20 cm,高度10 cm)打入土壤后,離地高度為3 cm,在測定前4周打入。

2.2 土壤呼吸、土壤溫度及土壤含水量測定

土壤呼吸(Rs)采用土壤碳通量測定系統(tǒng)(LI-8100,LI-COR,USA)的便攜式呼吸室(8100-104)測定,土壤溫度(T)和水分(W)使用LI-8100系統(tǒng)自帶的溫度探針和水分探頭(ML2x)與土壤呼吸同步測定,測定深度為5 cm。觀測時間為2015年6月至2016年5月。觀測方法[22]為生長季(4—10月)每月觀測3次,每次測定時間為09:00—11:00;非生長季(11—3月)每月觀測1次,每次測定時間為09:00—11:00;旺盛生長季(6—10月)加強(qiáng)觀測。在生長季觀測的3次中,選擇其中1次進(jìn)行日動態(tài)觀測,每次測定時間為06:00—18:00,每2 h測定1次。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 變異系數(shù)

式中:CV為變異系數(shù);SD為標(biāo)準(zhǔn)誤;mean為均值。

2.3.2 方程擬合土壤呼吸與土壤溫度(T,℃)采用線性方程和指數(shù)方程[24]擬合;與土壤水分(W,%)采用線性方程[24]擬合,溫度敏感性方程如下

式中:b為擬合參數(shù);Q10為溫度敏感性。季節(jié)動態(tài)及季節(jié)尺度土壤呼吸與溫度和水分的回歸,采用每天均值;日動態(tài)及日尺度土壤呼吸與溫度和水分的回歸,采用每2 h觀測均值。

2.3.3 年土壤呼吸量計算

式中:Δtk=tk+1-tk,為每2個觀測值之間的時間,d;Rs為土壤呼吸總量,μmol CO2/m2·s;Fk為tk+1-tk之間的土壤呼吸均值,μmol CO2/m2·s。

2.3.4 土壤含水量分級在日動態(tài)中,土壤呼吸在12:00前隨土壤溫度升高而增加,12:00后土壤溫度繼續(xù)上升,而土壤呼吸保持不變,甚至出現(xiàn)下降趨勢,此時土壤呼吸對溫度的響應(yīng)受到土壤水分限制。因此,以日動態(tài)觀測中12:00土壤水分為分級基礎(chǔ)點,以1%幅度增加土壤水分,并擬合土壤呼吸與溫度之間的關(guān)系,將擬合度(R2)最優(yōu)點選定為土壤水分閾值點,在閾值點進(jìn)行分級后,再次分別進(jìn)行土壤呼吸與土壤溫度和水分之間的回歸分析。數(shù)據(jù)采自2015年6—10月,全部每2 h觀測值的均值。

2.3.5 數(shù)據(jù)分析使用Excel軟件,對土壤呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計算,使用Sigmaplot 10.0(USA),進(jìn)行土壤呼吸與溫度和水分的方程擬合,使用SPSS 16.0(SPSS,USA),對油松林和沙棘林土壤呼吸差異性進(jìn)行分析,使用一般線性模型(GLM),對Q10曲線參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗[26]。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤呼吸、土壤溫度和土壤水分季節(jié)動態(tài)

圖1 油松和沙棘人工林土壤呼吸、土壤溫度及土壤水分的季節(jié)動態(tài)Fig.1 Seasonal dynamics of soil respiration,soil temperature and soil water content in Pinus tabulaeformis and Hippophae rhamnoides plantations.

油松、沙棘人工林土壤呼吸具有相似的單峰曲線季節(jié)變化特征(圖1a),最高值均出現(xiàn)在夏季(6—8月),分別為2.31和2.89 μmolCO2/m2·s,最低值均出現(xiàn)在冬季(12—2月),分別為0.60和0.65 μmolCO2/m2·s。觀測期間,沙棘林土壤呼吸年均值顯著高于油松林(P＜0.05)。油松、沙棘人工林土壤溫度整體表現(xiàn)為單峰曲線(圖1b),最高值出現(xiàn)在夏季;土壤水分變化則與土壤溫度相反,夏季較低,冬季達(dá)到最高值,春季后又逐步降低(圖1c)。另外,油松、沙棘人工林土壤呼吸年均值分別為1.51和1.92 μmolCO2/m2·s,年呼吸總量分別為18.90和22.81 tCO2/hm2·a,冬季土壤呼吸量分別占全年呼吸總量的14.67%和12.65%。

3.2 旺盛生長季土壤呼吸、土壤溫度和水分日動態(tài)

油松、沙棘人工林土壤呼吸及土壤溫度日動態(tài)變化特征均呈現(xiàn)單峰曲線,土壤呼吸最高值集中出現(xiàn)在10:00—12:00(圖2a-e);土壤溫度最高值則集中出現(xiàn)在14:00(圖2f-j);土壤水分表現(xiàn)為下降趨勢,通常在12:00達(dá)到最低值,隨后緩慢回升(圖2k-o)。相對于土壤溫度和水分,土壤呼吸變化幅度較小,土壤溫度、土壤水分及土壤呼吸的變異系數(shù)范圍分別為11.02%～71.03%、13.60%～48.02%和4.38%～15.57%。6月份沙棘林土壤呼吸顯著(P＜0.05)高于油松林(圖2a),油松林土壤溫度和水分則顯著(P＜0.05)高于沙棘林(圖2f-o)。

圖2 油松和沙棘人工林土壤呼吸、土壤溫度及土壤水分典型日動態(tài)Fig.2 Daily dynamics of soil respiration,soil temperature and soil water content in Pinus tabulaeformis and Hippophae rhamnoides plantations.

3.3 土壤呼吸與土壤溫度和水分之間的關(guān)系

分析土壤呼吸與土壤溫度和水分之間的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn),季節(jié)尺度油松、沙棘人工林土壤呼吸與土壤溫度之間均存在顯著指數(shù)關(guān)系(P＜0.01)(表2),R2分別為0.45和0.41;與土壤水分之間均存在顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)(表2),R2分別為0.31和0.34。相對于季節(jié)尺度,日尺度上土壤呼吸與土壤溫度和水分之間的擬合效果較差,只有少數(shù)擬合方程達(dá)到顯著水平(表3)。此外,沙棘林全年尺度土壤呼吸的溫度敏感性(1.40)顯著(P＜0.01)高于油松林(1.34)(P＜0.01)。

3.4 不同土壤水分條件下土壤呼吸與土壤溫度和水分之間的關(guān)系

通過對R2的比較,最終選定13%和12%,分別作為黃土丘陵區(qū)油松、沙棘人工林旺盛生長季(6—10月)土壤水分的閾值點(表4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),油松林土壤水分閾值＜13%時,土壤呼吸與土壤溫度和水分間的擬合關(guān)系均不顯著,＞13%時,土壤呼吸與土壤溫度之間存在顯著指數(shù)關(guān)系(R2=0.26,P＜0.05),與土壤水分則不存在顯著的相關(guān)性。沙棘林也表現(xiàn)為土壤水分閾值＜12%時,土壤呼吸與溫度和水分的擬合關(guān)系均未達(dá)到顯著水平,＞12%

時,土壤呼吸與土壤溫度表現(xiàn)為顯著的指數(shù)關(guān)系(R2=0.50,P＜0.01),與土壤水分之間不存在顯著相關(guān)性。

表2 土壤呼吸與5 cm土壤溫度和水分的季節(jié)尺度函數(shù)擬合Tab.2 Functional fitting between seasonal soil respiration and soil temperature and soil water content at 5 cm depth

表3 土壤呼吸與土壤溫度和水分日尺度的函數(shù)擬合Tab.3 Functional fitting between daily soil respiration and soil temperature and soil water content at 5 cm depth

表4 土壤水分分級前后土壤呼吸與土壤溫度的函數(shù)擬合Tab.4 Functional fitting between seasonal soil respiration and soil temperature and soil water content at 5 cm depth after soil water content classification

4 討論

4.1 油松、沙棘人工林土壤呼吸特征及比較

筆者在觀測期間發(fā)現(xiàn),沙棘林土壤呼吸均值顯著高于油松林(P＜0.01),沙棘林單位面積生物積累量(4.55 kg/m2)高于油松林(4.09 kg/m2),月均凋落物積累量(4.47 kg/m2)也高于油松林(1.6 kg/ m2);王新源等[2]研究發(fā)現(xiàn),這可能是由生物積累量和凋落物差異造成的。周小剛等[27]研究也發(fā)現(xiàn),添加凋落物,可使土壤呼吸增加26%。此外,沙棘林土壤呼吸的溫度敏感性(Q10=1.40)顯著高于油松林(Q10=1.34)(P＜0.01),與戴勐等[28]研究結(jié)果相反。戴勐等[28]研究發(fā)現(xiàn),中國5種森林類型土壤呼吸的溫度敏感性,其變化大小依次為落葉針葉林＞常綠針葉林＞落葉闊葉林＞針闊混交林＞常綠闊葉林。不同森林類型土壤呼吸溫度敏感性的差異,可能是底物供應(yīng)的季節(jié)變化差異所造成[29]。I.A.Janssens等[30]研究發(fā)現(xiàn),在相同的溫度變化范圍內(nèi),底物供應(yīng)的季節(jié)變化越大,土壤呼吸的溫度敏感性就越大。韓其晟等[31]研究發(fā)現(xiàn),闊葉林凋落物更容易被土壤微生物分解利用,較針葉林具有更高的物質(zhì)循環(huán)速率;因此,闊葉林底物供應(yīng)的季節(jié)變化更大,進(jìn)而具有更高的土壤呼吸溫度敏感性。

4.2 冬季土壤呼吸及其對年總呼吸的貢獻(xiàn)

筆者研究發(fā)現(xiàn),其冬季土壤呼吸均值變化范圍(0.82～0.84 umolCO2/m2·s)處于以往冬季土壤呼吸研究的變化范圍之內(nèi)(0.025～1.55 umolCO2/m2· s)[32]。Han Guangxuan等[33]在黃河三角洲蘆葦、堿蓬和裸地3種土地類型的研究發(fā)現(xiàn),冬季土壤呼吸值的變化范圍為0.17～0.60 umolCO2/m2·s;Wang Wei等[19]在東北農(nóng)田和華北林草交錯區(qū)的研究則發(fā)現(xiàn),冬季土壤呼吸的變化范圍較小,分別是0.15～0.29[25]和0.15～0.26 umolCO2/m2·s,這些觀測值的變化幅度均低于筆者的研究。不同地區(qū)冬季土壤呼吸存在明顯差異,可能與氣象因子的差異密切相關(guān)[34]。另外,筆者研究中,冬季土壤CO2排放在年總排放中的貢獻(xiàn)為12.65%～14.67%,與澳大利亞山地森林(12%)[20],以及日本的寒溫帶落葉林(10%～15%)[3536]較為接近,而高于中國西北部農(nóng)田土壤(5.1%～7.2%)[25]、中國北部的林草交錯區(qū)(3.5%～7.3%)[19],以及美國西部的亞高山森林(8%)[37]。對北半球高緯度地區(qū)的研究表明,冬季土壤呼吸占全年呼吸的比例值較高,如高寒帶的14%～30%[38]和西伯利亞的50%[39]。這些研究結(jié)果表明,土壤冬季CO2釋放量占全年釋放總量的比例,是隨著農(nóng)田-林草交錯區(qū)-森林生態(tài)系統(tǒng)的序列逐漸升高;同時,森林生態(tài)系統(tǒng)土壤冬季CO2釋放量占全年釋放總量的比例,在一定緯度范圍內(nèi),呈現(xiàn)由低緯度區(qū)域向高緯度區(qū)域逐漸升高的趨勢。因此,對冬季土壤呼吸進(jìn)行觀測,準(zhǔn)確估算冬季土壤CO2釋放量,對于準(zhǔn)確評估生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況具有重要意義。

4.3 土壤溫度和水分對土壤呼吸的影響

季節(jié)尺度土壤呼吸與土壤溫度和水分之間,均存在顯著相關(guān)關(guān)系(表2),而日尺度土壤呼吸與土壤溫度和水分的擬合關(guān)系大多不顯著(表3),很可能是受到土壤水分閾值的限制。土壤水分分級結(jié)果表明,土壤水分低于閾值時,土壤呼吸與土壤溫度和水分之間擬合關(guān)系不顯著;高于閾值時,土壤呼吸與土壤溫度之間的擬合效果,較分級之前分別提高2.2和2.6倍(表4),但與土壤水分之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。其他研究區(qū)域也得到類似的結(jié)果。例如,Wang B等[17]在寧夏鹽池荒漠灌木生態(tài)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),土壤水分＜8%時,土壤呼吸與土壤溫度之間不存在擬合關(guān)系,＞8%時,則具有較好的擬合效果。S.Palmroth等[40]對火炬松人工林及橡樹—山核桃混交林的研究表明,土壤水分＜20%時,土壤呼吸同時受到土壤溫度和水分的限制,＞20%時,則只受到土壤溫度的限制。R.S.Jassal等[7]對溫帶道格拉斯冷杉的研究也發(fā)現(xiàn),在土壤水分＜11%時,土壤呼吸與土壤溫度之間沒有顯著相關(guān)性。筆者研究油松、沙棘人工林土壤呼吸對溫度的響應(yīng),分別在土壤水分為13%和12%時發(fā)生變化,說明土壤水分13%和12%,可能是這2種人工林土壤呼吸在該地區(qū)溫度敏感性的水分閾值。土壤水分低于閾值時,植物生長、土壤有機(jī)物分解、根系及微生物活動可能受到限制[7,11,41],尤其在中午溫度較高時,植物通過關(guān)閉葉片氣孔,以減少水分流失[42]。

筆者的觀測結(jié)果表明:中午時刻,土壤水分小于水分閾值時(圖3a),油松和沙棘12:00時的氣孔導(dǎo)度均顯著低于10:00(P＜0.01),而大于該閾值時(圖3b),沙棘12:00和10:00時的氣孔導(dǎo)度基本一致,油松12:00時的氣孔導(dǎo)度則顯著高于10:00 (P＜0.05)。因此,土壤水分過低,可能會限制植物光合和根系活動,進(jìn)而降低土壤呼吸。

圖3 油松和沙棘人工林氣孔導(dǎo)度日動態(tài)Fig.3 Diurnal dynamics of stomatal conductance in Pinus tabulaeformis and Hippophae rhamnoides plantations.

此外,土壤呼吸溫度敏感性也可能受到土壤水分的調(diào)控[29]。土壤水分高于閾值時,油松、沙棘人工林的Q10值分別為1.27和1.55,均高于水分分級之前的Q10(1.15和1.26)。王光軍等[43]發(fā)現(xiàn),在一定土壤水分范圍內(nèi),隨著含水量增加,Q10呈現(xiàn)遞增趨勢,超過一定水分閾值后,Q10值與水分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。李曉杰等[24]研究發(fā)現(xiàn),在10%～25%的土壤水分范圍內(nèi),Q10值隨著水分的增加呈遞增趨勢。這些結(jié)果表明,在一定的土壤水分范圍內(nèi),土壤呼吸的溫度敏感性與土壤水分存在緊密正相關(guān)關(guān)系。由此可見,土壤水分對土壤呼吸與溫度之間的響應(yīng)關(guān)系具有重要影響,在該地區(qū)建立土壤呼吸與土壤溫度和水分之間的相關(guān)模型時,應(yīng)充分考慮土壤水分條件的限制,以確保其準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

1)黃土丘陵區(qū)油松、沙棘人工林土壤呼吸日動態(tài)及季節(jié)動態(tài),均表現(xiàn)為單峰曲線,沙棘林土壤呼吸年均值顯著高于油松林;而冬季土壤呼吸量分別占上述2個人工林全年土壤呼吸總量的14.67%和12.65%。

2)油松、沙棘人工林土壤呼吸與5 cm土壤溫度和水分之間均存在顯著相關(guān)性。其中,油松、沙棘人工林土壤含水量分別＞13%和12%時,土壤呼吸主要受到土壤溫度的調(diào)控。因此,在黃土丘陵區(qū)進(jìn)行冬季土壤呼吸觀測,以及對土壤水分進(jìn)行分級處理,對于準(zhǔn)確理解土壤呼吸過程,深入了解該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要意義。

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Soil respiration dynamics and its response to soil temperature and water content of Pinus tabulaeformis and Hippophae rhamnoides plantations in the Loess Hilly region

XIE Yuli1,CHEN Yunming1,2,TANG Yakun2,WU Xu1,WEN Jie3
(1.Research Center of Institute of Soil and Water Conservation and Ecological Environment,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Education,712100,Yangling,Shanxi,China;2.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,712100, Yangling,Shanxi,China;3.College of Forestry,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shanxi,China)

[Background]As an essential component of the carbon flux in terrestrial ecosystems,soil respiration plays a critical role in maintaining global carbon cycling and the carbon balance.Exploring the process of soil respiration and its influencing factors is conducive to understanding ecosystem carbon emissions and regulation mechanisms.[Methods]In order to analyze the dynamic characteristics of soil respiration rate(Rs)and its response to the main environmental factors in the dominant plantations in thehilly Loess Plateau region,theRsofPinus tabulaeformisandHippophae rhamnoidesplantations were measured using a LI-8100 soil carbon flux measurement system from June 2015 to May 2016.Soil temperature(T)and soil water content(W)were simultaneously monitored.At seasonal and daily scales,there were significant differences inRsand significant effects ofTandWonRsin the two plantations.In addition,temperature sensitivities ofRswere investigated using theQ10function at the seasonal scale.[Results]1)The seasonal dynamic patterns ofRsinP.tabulaeformisandH. rhamnoidesplantations were similar,with the respective maxima(2.31 and 2.89 μmol CO2·m-2·s-1) in summer(June-August)and minima(0.60 and 0.65 μmol CO2·m-2·s-1)in winter(December-February);the annual meanRsin the plantations was 1.36 μmol CO2·m-2·s-1(P.tabulaeformis)and 1.64 μmol CO2·m-2·s-1(H.rhamnoides),with corresponding annual totalRsemissions of 18.90 and 22.81 tCO2·hm-2·a-1.TheRsemission during winter accounted for 14.67%and 12.65%of the annual total emission inP.tabulaeformisandH.rhamnoides,respectively.In addition,theRsmaxima ofP. tabulaeformisandH.rhamnoidesappeared during 10:00-16:00,and the minima at 06:00 in the diurnal dynamic.2)At the seasonal scale,at 5 cm depth,Rswas significantly exponentially related withTand negatively linearly related withW(bothP＜0.01)in the two plantations.Moreover,the temperature sensitivity ofRsinH.rhamnoides(Q10=1.40)was significantly(P＜0.01)higher than that in theP.tabulaeformisplantation(Q10=1.34).3).At the daily scale,the contribution of T toRsincreased whenWexceeded 13%and 12%forP.tabulaeformisandH.rhamnoides,respectively.[Conculsions]The results indicate that the response ofRstoTis mainly affected byWin this region. Therefore,to ensure accuracy of the carbon balance budget and improve the regional carbon cycle model for the loess hilly region under conditions of climate change,we should fully consider the effects ofTandWonRsand strengthen observations of soil respiration in winter in future research.

loess hilly region;plantation;soil respiration;soil temperature;soil water content

S718.5

:A

:2096-2673(2017)01-0033-10

10.16843/j.sswc.2017.01.005

2016- 06- 29

2017- 02- 09

項目名稱:國家自然科學(xué)基金“黃土丘陵區(qū)油松和沙棘人工林的水分來源變化及其生理響應(yīng)研究”(41501576);公益性行業(yè)(國家氣象局)科研專項(重大專項)“干時氣象科學(xué)研究——我國北方干旱致災(zāi)過程及機(jī)理”(GYHY2015060013)

謝育利(1989—),女,碩士研究生。主要研究方向:人工林土壤呼吸。E-mail:1406599313@qq.com

?通信作者簡介:陳云明(1967—),男,博士,研究員。主要研究方向:黃土高原植被與水土保持。E-mail:ymchen@ms.iswc. ac.cn