三江平原典型濕地和農(nóng)田土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化

三江平原典型濕地和農(nóng)田土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化

濕地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)自然綜合體，在陸地和水生態(tài)系統(tǒng)之間有一個(gè)過渡性質(zhì)。作為一門獨(dú)立的學(xué)科，它的研究歷史很短，因此一些基本理論尚不清楚。生態(tài)系統(tǒng)的研究離不開能量的概念，呼吸是所有能量轉(zhuǎn)化的重要表現(xiàn)形式。呼吸、酶和代謝這三者是生命特征的基本表現(xiàn)形式.呼吸在生理學(xué)上的概念很廣泛,根據(jù)Stepheson(1949年)的意見,主張把一切發(fā)生能量的反應(yīng)都稱之為呼吸.這些反應(yīng)中需要氧的叫氧化或氧化呼吸.對于不需要氧的,叫做嫌氧性呼吸或發(fā)酵.土壤是一個(gè)活的生物體系,土壤呼吸的含義與植物生理學(xué)和微生物學(xué)上的含義是統(tǒng)一的.這一述語初始的含義為一定時(shí)間內(nèi)單位面積放出CO2的量.以后有人把土壤呼吸概念的含義擴(kuò)展為土壤與大氣間氣體交換量.也有人認(rèn)為土壤中CO2和O2的變化(釋放、吸收)為土壤呼吸.三江平原是由黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流沖積而形成的低平原,是我國主要的濕地分布區(qū)之一,同時(shí)也是我國重要的商品糧豆生產(chǎn)基地.沼澤濕地開墾后由于外部環(huán)境條件的變化,土壤呼吸發(fā)生了很大的改變.這對大氣中CO2的濃度也產(chǎn)生了很大的影響.近年來大氣中CO2濃度的增減是國際上很敏感的問題,在三江平原土壤呼吸是CO2最主要的來源之一.因此濕地土壤呼吸,不但是濕地生態(tài)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要指標(biāo),也是評(píng)價(jià)大氣中CO2濃度增減和土壤生物活性的重要指標(biāo).所以,對它的動(dòng)態(tài)研究是很有意義的.1學(xué)習(xí)方法1.1類型和植被類型觀測樣地選在三江平原的腹地別拉洪河和濃江河的分水線上的中國科學(xué)院三江平原沼澤濕地生態(tài)站.土壤類型為薄層泥炭沼澤土,草甸白漿土和開墾兩年的潛育草甸沼澤土.植被類型為毛果苔草-漂筏苔草群叢(AssCarexlasiocarpa-carexpseudocuraica)、小葉樟(Calamagrostisangustifolia)和大豆(這幾種植被群落在三江平原是很有代表性的).1.2集氣室集氣的測定在觀測樣地內(nèi),除去表層的植物,露出表土,扣上集氣室.集氣室為帶有進(jìn)氣孔和出氣孔的玻璃罩.用GXT-305型CO2測定儀,測定進(jìn)出氣口CO2的濃度,計(jì)算出CO2的通量.在植物的生長季節(jié)每月中下旬選擇一個(gè)時(shí)間段觀測8次,每3小時(shí)測定一次.每次測定時(shí)間為5min為了防止集氣室內(nèi)溫度過高和CO2濃度過大,而影響土壤表面的生物活性,從而使土壤呼吸強(qiáng)度降低.我們每次測定時(shí),扣上集氣室,測定后將氣室打開.這樣可以使測定的結(jié)果更接近實(shí)際.1.3集氣室內(nèi)土壤溫度的測定式中,Sr——土壤呼吸強(qiáng)度(CO2g/m2·h);A——集氣室占土壤的表面積(m2);C1——進(jìn)氣口CO2的濃度(10-6);C2——出氣口CO2的濃度(10-6);F——?dú)怏w的流量(L/min);K——溫度矯正后氣體的重量(g/l).K=4400022.4×273273+tΚ=4400022.4×273273+t式中,t——集氣室內(nèi)5cm深的土壤溫度;P——大氣壓訂正值.P=P1P0Ρ=Ρ1Ρ0式中,P1——實(shí)測大氣壓值;P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值.在實(shí)地觀測的過程中,實(shí)測大氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓差異不大.以1來計(jì)算.2結(jié)果與討論2.1不同濕地土壤的呼吸強(qiáng)度不同的土壤類型有著不同的物理化學(xué)性質(zhì),由表1可見,不同的濕地土壤生態(tài)系統(tǒng),土壤的呼吸強(qiáng)度不同.在測定的三種濕地土壤中,以小葉樟草甸白漿土土壤呼吸量最大.毛果苔草泥炭沼澤土次之,新墾二年的草甸沼澤土最小.2.2新墾草罐沼澤土和3.小葉樟草甸白漿土、毛果苔草泥炭沼澤土土壤呼吸強(qiáng)度,在不同的季節(jié),隨著溫度、水分和植物生理活動(dòng)的不同有著明顯的差異,濕地土壤呼吸強(qiáng)度,夏季明顯高于春季,其變化幅度以小葉樟草甸白漿土最大,毛果苔草泥炭沼澤土次之,新墾草甸沼澤土最小.4月下旬毛果苔草萌發(fā)較早,所以,這時(shí)泥炭沼澤土土壤的呼吸強(qiáng)度最大為8.57g/(m2·d).這一時(shí)期新墾草甸沼澤土為裸地,土壤溫度增加較快,所以土壤呼吸強(qiáng)度也較高.為5.50m2·d.而小葉樟草甸白漿土土壤呼吸強(qiáng)度較小為3.68g/(m2·d).到5月中旬隨著溫度增高,濕地土壤中的生物活性增強(qiáng),這時(shí)小葉樟草甸白漿土的土壤呼吸強(qiáng)度急劇上升,為16.92g/(m2·d),而毛果苔草泥炭沼澤土的土壤呼吸強(qiáng)度為12.94g/(m2·d),新墾草甸沼澤土壤呼吸強(qiáng)度為6.58g/(m2·d).從5月中旬到8月中旬,上述三種不同的濕地土壤呼吸強(qiáng)度仍然在增加,但增加的幅度,以新墾草甸沼澤土最大,毛果苔草泥炭沼澤土次之,小葉樟草甸白漿土增加的幅度最小.這一現(xiàn)象與不同植物及微生物的生理活動(dòng)有關(guān).2.3不同的季節(jié)和濕地土壤呼吸強(qiáng)度的變化濕地土壤呼吸強(qiáng)度,有著明顯的日變化,即在一晝夜內(nèi),不同的時(shí)間,土壤呼吸的強(qiáng)度不同,在相同的濕地土壤中,不同的季節(jié),土壤呼吸強(qiáng)度的高低峰值出現(xiàn)的時(shí)間也不相同(表2).2.4土壤溫度與呼吸強(qiáng)度的關(guān)系濕地土壤溫度與土壤呼吸有著很密切的關(guān)系.因?yàn)橥寥罍囟扰c土壤生物的活性是密切相關(guān)的.從實(shí)地測試的結(jié)果來看,在一定的范圍內(nèi),濕地土壤呼吸強(qiáng)度與土壤溫度是正相關(guān)的.即土壤溫度升高,土壤呼吸強(qiáng)度也增高,土壤溫度降低,土壤呼吸強(qiáng)度也減弱.從春季到夏季濕地土壤溫度逐漸上升,土壤呼吸強(qiáng)度也逐漸加大.4月下旬到5月下旬,是土壤溫度急劇上升階段,而土壤呼吸強(qiáng)度也是急劇增加.2.5不同立地條件下的呼吸強(qiáng)度土壤水直接參與生物的生理過程,所以,土壤水的含量直接關(guān)系到土壤中生物的組成和生物的活性.同時(shí),由于水的熱容量大,對土壤溫度的影響很大.所以,土壤水的含量過高或過低對土壤中的生物活動(dòng)都不利.只有在適當(dāng)?shù)耐寥篮畻l件下,土壤中的生物才能充分的發(fā)揮作用,在上述的三種土壤中,小葉樟草甸白漿土的表層土壤含水量比較適中,所以,它的土壤呼吸強(qiáng)度就較高(表1),而毛果苔草泥炭沼澤土的土壤終年飽和,土壤微生物活動(dòng)以嫌氧呼吸為主,這樣土壤呼吸強(qiáng)度比小葉樟草甸白漿土小.新墾草甸沼澤土由于土壤原結(jié)構(gòu)被打亂,新的結(jié)構(gòu)沒有形成,所以,土壤呼吸的強(qiáng)度也受到影響.隨著開墾年限的增加,土壤熟化程度不斷提高,土壤呼吸強(qiáng)度也將逐漸增強(qiáng).這也是新墾耕地的作物生產(chǎn)力往往要低于熟化耕地的原因之一.此外,土壤含水量大,在冬季到來時(shí)微生物在冰下仍活動(dòng),這時(shí)由于地表有冰,CO2釋放不出來而存于冰中、冰下.到來年的春季隨著冰的融化,CO2才得以釋放.這也是4月～5月CO2量急劇增高的原因之一.2.6有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果濕地土壤呼吸與土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,氮的含量以及土壤的pH值,交換量等有很大的關(guān)系.濕地土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮的含量高,交換量大、pH適中,土壤的呼吸強(qiáng)度也就大(表3).毛果苔草泥炭沼澤土的有機(jī)質(zhì)含量最高,為31.13%,其含水量也高;土壤水終年飽和,土壤微生物以嫌氧呼吸為主,土壤呼吸受到了限制.新墾的草甸沼澤土,由于原來的土壤層次被破壞,表層土被翻到底層,新的土壤結(jié)構(gòu)表層有機(jī)質(zhì)、全氮的含量降低,土壤生物的活動(dòng)也受到了限制.所以,土壤呼吸作用也就低,CO2的釋放量也就少.隨著開墾年限的增加,土壤的熟化程度不斷的提高,理化性質(zhì)不斷的改善,土壤的呼吸強(qiáng)度也將逐步地增加(表3).3濕地土壤呼吸的速率和土壤水分變化有關(guān)土壤呼吸的研究,從一定程度上來說較為豐富,主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng),其次是草原生態(tài)系統(tǒng).而在沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)中的研究并不多.在三江平原從事這項(xiàng)工作還是首次.濕地土壤呼吸的強(qiáng)度同土壤的結(jié)構(gòu)、溫度、水分、有機(jī)質(zhì)的含量等環(huán)境因子有著密切的關(guān)系.因?yàn)?土壤的呼吸作用是土壤中的微生物,動(dòng)物及植物根系活動(dòng)的綜合結(jié)果.所以,所有影響土壤生物活動(dòng)的因子均對土壤的呼吸作用產(chǎn)生影響.研究結(jié)果表明,每年經(jīng)土壤呼吸作用返回大氣的碳素約為55×1012kg左右.三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng),小葉樟草甸白漿土的土壤呼吸作用,每年可產(chǎn)生CO2約19.56×1012g左右.毛果苔草泥炭沼澤土由土壤呼吸作用每年產(chǎn)生的CO2約10.98