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中亞熱帶紅壤侵蝕裸地植被恢復(fù)后土壤呼吸日動(dòng)態(tài)
隨著國際氣候變化談判中土地利用、土地利用的變化和森林問題的發(fā)展,碳交換項(xiàng)目被納入一號生態(tài)系統(tǒng)碳(c)的儲(chǔ)存潛力。對于國際生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收和儲(chǔ)存潛力是普遍的。lal假設(shè),當(dāng)退化土壤恢復(fù)有機(jī)碳的60%75%時(shí),世界退化土壤的碳吸收和儲(chǔ)存潛力為0.30.8pga-1。中國亞熱帶山區(qū)的山區(qū)是土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一,水土壤侵蝕的生態(tài)恢復(fù)也取得了巨大成就,但缺乏對碳吸收和儲(chǔ)存的研究。土壤呼吸是碳從地面生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入大氣的最重要方式。每年土壤釋放的碳約占世界碳預(yù)算的10%,而侵蝕后土壤植被的變化將顯著影響退化土壤碳吸收和儲(chǔ)存的精確估計(jì)。國內(nèi)外關(guān)于土壤呼吸的研究很多,但主要集中在森林、牧場、耕地和土壤呼吸的影響因素上。然而,對于侵蝕后土壤植被的變化,關(guān)于土壤呼吸變化的報(bào)道很少。堿吸收法(堿性吸痰法)是一種傳統(tǒng)的土壤呼吸法,可以滿足野外條件下大規(guī)模的批觀測,并獲得大規(guī)模的土壤呼吸數(shù)據(jù)。然而,由于aa法的精度較低,因此采用了具有精確測量結(jié)果的封閉式通風(fēng)紅外氣體分析儀(iga)。雖然irga法可以連續(xù)監(jiān)測b2的體積,但設(shè)備價(jià)格昂貴,因此限制了幾個(gè)點(diǎn)的同時(shí)測量。為了研究aa法與imga法之間的差異以及與現(xiàn)有土壤溶菌法的結(jié)果之間的比較,對國內(nèi)外aga法和iga法的測定結(jié)果進(jìn)行了對比研究。然而,由于不同地區(qū)的溫度和濕度動(dòng)態(tài)變化較大,這將影響asa法和ia法的測定結(jié)果。因此,有必要對不同地區(qū)的irga法和asa法的測定結(jié)果進(jìn)行比較研究。自2004年以來,在福建省長汀縣河田市,使用irga法(兩種機(jī)器:li-6400和li-8100)測量了不同季節(jié)土壤呼吸變化的日變化,并將平均土壤呼吸率與gaa法進(jìn)行了比較。1試驗(yàn)地基本情況長汀縣河田鎮(zhèn)地處福建西部,116°18′~116°31′E,25°33′~25°48′N,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū).年均降雨量1737mm,年均氣溫17.5~18.8℃,平均無霜期260d,平均日照時(shí)數(shù)1924.6h,≥10℃積溫為4100~4650℃.河田鎮(zhèn)屬河谷盆地,低山高丘環(huán)抱四周,海拔300~500m.土壤為燕山運(yùn)動(dòng)早期形成的中粗粒花崗巖發(fā)育的紅壤,抗蝕能力低.地帶性植被(常綠闊葉林)破壞殆盡,現(xiàn)有植被主要以馬尾松(Pinusmassoniana)次生林和人工林為主,結(jié)構(gòu)簡單,生長差.河田鎮(zhèn)是全國極強(qiáng)度水土流失區(qū)之一,許多地方表土層喪失殆盡,地表干熱化嚴(yán)重,土壤肥力極低,植被恢復(fù)困難.據(jù)2003年土壤侵蝕遙感資料,該鎮(zhèn)水土流失面積達(dá)13586.83hm2,占全鎮(zhèn)土地面積的46.68%.試驗(yàn)地均位于長汀縣河田鎮(zhèn),包括裸地(植被恢復(fù)前的對照),在裸地上治理恢復(fù)的馬尾松林地、板栗(CastaneamollissimaBlume)園及百喜草(PaspalumnotatumFlügge)地(治理前均為A層土壤流失殆盡,B層出露,本底條件相似)和次生林(植被恢復(fù)后的參照系統(tǒng)).各試驗(yàn)地基本情況見表1.2土壤呼吸檢測在每個(gè)試驗(yàn)地中隨機(jī)布設(shè)5個(gè)小區(qū),在測定之前齊地剪去小區(qū)地面植被,并于次生林和馬尾松林2個(gè)林地中分別進(jìn)行保留和清除枯枝落葉層處理.于2004年7月下旬和11月上旬,2005年1月中下旬和4月下旬(分別代表夏季、秋季、冬季和春季)各選定1天,用便攜式光合作用測量系統(tǒng)(Li-6400)配合土壤葉室(Li-6400-09)每隔2h測定土壤呼吸速率,根據(jù)不同時(shí)段CO2排放速率,計(jì)算出一天的CO2排放量.其中冬季僅觀測白天的土壤呼吸速率(冬季晚間溫度低于Li-6400的工作范圍),由于在春、夏、秋季中測量中,發(fā)現(xiàn)9~11時(shí)的土壤呼吸速率最接近1天的平均值,因此冬季以9~11時(shí)土壤呼吸的平均值作為日平均值.測量之前將土壤葉室的基座(自制的不銹鋼基座)提前24h用鐵錘輕輕敲入土中2~3cm,5次重復(fù),經(jīng)過1天的平衡,埋設(shè)基座時(shí)對土壤呼吸的干擾基本得以消除.每次測量時(shí),把土壤呼吸室靠近土表,觀察Li-6400顯示的土壤呼吸室內(nèi)CO2濃度背景值.把6400-09安放在基座,調(diào)整制動(dòng)環(huán)的高度使土壤呼吸室盡量貼近土表,土壤溫度探針在土壤呼吸室旁插入到土壤5cm深度處.進(jìn)入測量菜單,以CO2濃度背景值作為目標(biāo)值,并選擇一個(gè)適應(yīng)研究需要的delta值為變化范圍,輸入土壤呼吸室插入土壤的深度值(為負(fù)值),輸入循環(huán)測量的重復(fù)次數(shù)為3次,數(shù)值記錄方式設(shè)定為最終的計(jì)算結(jié)果和瞬時(shí)觀察值兩者同時(shí)記錄.按下開始鍵開始測量,根據(jù)提示輸入保存數(shù)據(jù)的文件名,并加標(biāo)識,開始測量.同時(shí),用原位堿液吸收法測定24h土壤表面CO2排放量,即在小區(qū)內(nèi)將已盛有20mLNaOH溶液(1mol·L-1)的玻璃廣口瓶置于離地面約2cm的小三角架上,迅速用自制的直徑20cm的鍍鋅鐵皮桶(30cm高,一邊開口,一邊密閉)作為密閉室,倒扣嵌入土壤表層約5cm,并蓋土砸實(shí)以確保桶與外界無氣體交換,每個(gè)試驗(yàn)地設(shè)置10個(gè)重復(fù),同時(shí)做3個(gè)空白作為對照.24h后取出裝有堿液的玻璃瓶,迅速密封后帶回實(shí)驗(yàn)室,用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液(1mol·L-1)滴定.0~5cm處地溫、氣溫和土壤相對濕度由Li-6400在測定土壤呼吸速率同時(shí)測定.3結(jié)果與討論3.1不同植被類型對土壤呼吸速率的影響侵蝕裸地不同季節(jié)土壤日呼吸速率為0.11~0.18μmol·m-2·s-1,植被恢復(fù)顯著增加了土壤日呼吸速率,馬尾松林、板栗園和百喜草地土壤日呼吸速率分別為1.70~5.22μmol·m-2·s-1、0.54~3.24μmol·m-2·s-1和1.10~6.42μmol·m-2·s-1.但植被恢復(fù)對土壤呼吸速率日變化曲線的趨勢沒有影響,侵蝕裸地及植被恢復(fù)后土壤呼吸速率日變化一般均呈單峰曲線,最高值一般出現(xiàn)在下午13∶00~17∶00,最低值出現(xiàn)在凌晨3∶00~7∶00,與溫度(氣溫和土溫)的最高值和最低值出現(xiàn)時(shí)間基本同步(圖1),土壤呼吸速率日平均值一般出現(xiàn)在上午9∶00~11∶00.植被恢復(fù)后,不同季節(jié)土壤呼吸日變化幅度(1天中土壤呼吸速率最高值與最低值之差除以1天的平均值)為10%~82%,而侵蝕裸地土壤呼吸日變化幅度為70%~118%,表明植被恢復(fù)后土壤呼吸速率的日變化幅度下降.植被恢復(fù)后不同季節(jié)土壤呼吸速率日變化幅度亦有明顯差異,夏季侵蝕裸地的土壤呼吸速率日變化幅度為118%,植被恢復(fù)后下降到30%~67%,春季和秋季裸地的土壤呼吸速率日變化幅度分別為84%和89%,植被恢復(fù)后土壤呼吸速率日變化幅度分別為50%~70%和35%~82%.不同植被類型對土壤呼吸速率日變化幅度的影響程度亦不同.馬尾松林和次生林不同季節(jié)的土壤呼吸日變化幅度分別為16%~70%和10%~67%,春季最高,而侵蝕裸地不同季節(jié)的土壤呼吸速率日變化幅度為70%~118%,夏季最高,這主要是林地顯著的改善了土壤溫度的日變化幅度,裸地不同季節(jié)的土溫日變化幅度為4.5~10.5℃,而馬尾松林和次生林不同季節(jié)土溫的日變化幅度分別為1.9~3.7℃和1.2~3.2℃,而土壤溫度是土壤呼吸的主要影響因素.板栗園和百喜草地不同季節(jié)土壤呼吸的日變化幅度分別為42%~57%和40%~82%,高于林地,而土壤溫度的日變化幅度分別為6.7~8.3℃和6.7~9.0℃,亦高于林地.而秋季和冬季土壤溫度日變化幅度甚至高于裸地(秋季板栗落葉而百喜草已枯死,地面缺乏植被遮蔽),但土壤呼吸日變化幅度仍比裸地低,表明土壤呼吸日變化不僅受土壤溫度的控制,還受土壤濕度、微生物類群等因素的影響.多數(shù)研究結(jié)果表明土壤呼吸日變化動(dòng)態(tài)與土壤溫度日變化動(dòng)態(tài)基本一致,呈明顯的單峰曲線.中亞熱帶東部青岡常綠闊葉林、毛竹林和茶園3種群落土壤呼吸速率于12∶00~14∶00最高,早晨和傍晚時(shí)較低,北京山地溫帶森林秋季的土壤呼吸日變化12∶00~16∶00最高,黎明前最低,與土壤溫度變化趨勢基本一致,六盤山林區(qū)天然次生林、人工林、農(nóng)田、草地的土壤呼吸速率最高值出現(xiàn)在13∶00~15∶00,最低值出現(xiàn)在凌晨4∶00~8∶00,這些研究結(jié)果雖然地處不同緯度,但都與本文的研究結(jié)果相似,表明溫度是控制土壤呼吸速率日變化的主要因素.但土壤呼吸速率的日變化同時(shí)也受到當(dāng)日降水情況、云量、風(fēng)速等氣象條件以及植物種類的影響,因而并不與土壤溫度晝夜變化完全一致.如遼東櫟林土壤呼吸日變化13∶00左右最高,9∶00以前或15∶00以后相對較低,日變化幅度隨天氣狀況而發(fā)生變化.西藏高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(冬小麥、青稞)由于土壤溫度很低,越冬期的土壤呼吸速率日變化不明顯.峨眉冷杉林區(qū)土壤呼吸速率的最高值出現(xiàn)在20∶00~22∶00,而最低值出現(xiàn)在凌晨4∶00左右,而采伐跡地受降雨影響,最低值出現(xiàn)在18∶00.3.2不同季節(jié)和不同性別土壤呼吸速率的變化IRGA法測定的土壤呼吸速率在0.11~6.65μmol·m-2·s-1之間,AA法測定土壤呼吸速率在0.14~3.31μmol·m-2·s-1之間(圖2),AA法測定的土壤呼吸速率為IRGA法的27.5%~218%,平均為76.2%.土壤呼吸速率越高,二者差異越大,土壤呼吸越低,差異越小,當(dāng)土壤呼吸速率小于0.2~0.3μmol·m-2·s-1(約207~311mg·m-2·d-1)時(shí),AA法測定的土壤呼吸速率高于IRGA法,為IRGA法的136%~218%,平均為IRGA法的177%,平均比IRGA法高估了77%;當(dāng)土壤呼吸速率大于0.2~0.3μmol·m-2·s-1時(shí),AA法測定結(jié)果為IRGA法的27%~93%,平均為IRGA法的59%,平均比IRGA法低估了41%.土壤呼吸速率較高時(shí),AA法低估了土壤CO2的釋放,因?yàn)槊荛]室內(nèi)CO2擴(kuò)散速度比堿液吸收CO2的速度快,CO2積累,使氣室內(nèi)CO2濃度高于土壤的CO2濃度,從而抑制了土壤CO2釋放速率.同時(shí),堿液吸收CO2后,表層溶液飽和,向下層溶液擴(kuò)散的速率較慢,因而CO2的吸收速率隨時(shí)間增加而下降.而在土壤呼吸速率較低的情況下,密閉室內(nèi)的堿液對CO2吸收的速率快于土壤排放CO2的速率,造成密閉室內(nèi)的CO2濃度低于土壤中的CO2濃度,加速了土壤CO2的釋放速率,因而造成結(jié)果偏高.Nay等通過模擬試驗(yàn)認(rèn)為,在CO2通量較高時(shí),AA法測定值比理論值低估了57%,而在CO2通量較低時(shí),AA法高估了約25%.Jensen等則認(rèn)為在土壤呼吸速率高于100mg·m-2·d-1時(shí),IRGA法測定結(jié)果最高可比AA法的高5倍,在土壤呼吸速率低于100mg·m-2·d-1時(shí),IRGA法僅為AA法的12%左右.Yim等應(yīng)用AA法測定的土壤呼吸速率為IRGA法的79%~128%,當(dāng)土壤呼吸速率高于300mg·m-2·d-1時(shí),AA法測定結(jié)果平均比IRGA法的低19%,反之,AA法測定結(jié)果平均比IRGA法的高26%.King和Harrison測定的結(jié)果則認(rèn)為在土壤呼吸速率高于0.9g·m-2·d-1時(shí),AA法低估了土壤呼吸速率,反之,則高估了土壤呼吸速率.楊晶等則認(rèn)為土壤呼吸速率低于0.42g·m-2·d-1時(shí),AA法測定結(jié)果比IRGA法的高26%,反之,AA法測定結(jié)果是IRGA法的69%.AA法的氣室經(jīng)過24h的密閉,氣室內(nèi)的溫度與濕度發(fā)生改變,從而影響觀測精度,而布置密閉氣室時(shí)對土壤的擾動(dòng)也將影響土壤呼吸速率.由于土壤CO2通量對壓力的波動(dòng)非常敏感,密閉的氣室在壓到土壤表面時(shí)將導(dǎo)致顯著的壓力變化,將影響土壤CO2的擴(kuò)散速率,而土壤水蒸氣和氣室頭部對空氣的加熱也會(huì)導(dǎo)致氣壓增大,因此Li-6400-09土壤呼吸室設(shè)計(jì)成透氣的,使氣室內(nèi)外的氣壓動(dòng)態(tài)平衡,從而減小測定誤差.使用Li-6400-09系統(tǒng)測量土壤CO2通量取決于氣室中CO2濃度,隨著氣室內(nèi)CO2濃度升高土壤CO2通量明顯下降,Healy等發(fā)現(xiàn)氣室對土壤氣體濃度梯度產(chǎn)生干擾,并將導(dǎo)致低估土壤CO2通量真實(shí)值,由于Li-6400-09是在設(shè)定濃度下的最終土壤呼吸值,因此觀測前準(zhǔn)確的設(shè)定CO2濃度的背景值和δ值將降低這種誤差.氣室內(nèi)的風(fēng)速也影響觀測結(jié)果,Li-6400氣室內(nèi)土壤表面1cm高的風(fēng)速為0.4m·s-1,高于森林土壤表面風(fēng)速(通常土壤表面2cm的風(fēng)速在0.1~0.2m·s-1之間),風(fēng)的擾動(dòng)增強(qiáng),從而高估了土壤呼吸速率,而在刮風(fēng)環(huán)境下,風(fēng)吹動(dòng)時(shí)使土壤呼吸室泄壓口處產(chǎn)生氣壓波動(dòng),從而影響觀測值的穩(wěn)定性.此外,由于土壤呼吸的異質(zhì)性大,而Li-6400-09呼吸室設(shè)計(jì)面積過小(71.6cm2),使用土壤隔離環(huán)面積也僅為80cm2,也是導(dǎo)致觀測誤差的重要原因之一.土壤呼吸速率最高的夏季,AA法的測定結(jié)果平均為IRGA法的50.9%,而土壤呼吸速率>0.3μmol·m-2·s-1時(shí),AA法的測定結(jié)果平均僅為IRGA法的35.3%.冬季AA法的測定結(jié)果平均高于IRGA法,是IRGA法的104.3%,在土壤呼吸速率>0.3μmol·m-2·s-1時(shí),AA法的測定結(jié)果是IRGA法的85.3%,2種方法測定結(jié)果很接近.這主要是由于夏季的土壤呼吸速率較高,而冬季的土壤呼吸速率較低,因而不同季節(jié)用2種方法測定的結(jié)果差異變大.對2種方法測定的土壤呼吸速率進(jìn)行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)IRGA法和AA法測定結(jié)果之間具有明顯的冪函數(shù)關(guān)系(y=1.5145x1.5213,R2=0.91,p<0.01,圖3),相關(guān)性明顯大于線性函數(shù)的(R2=0.78).這個(gè)結(jié)果與我國溫帶草本群落測定結(jié)果并不一致,楊晶等發(fā)現(xiàn)IRGA法與AA法的測定結(jié)果具有極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.87,p<0.01).這主要與測定時(shí)土壤呼吸速率的大小和變化幅度有關(guān),農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)草本群落的用IRGA法測定的平均土壤呼吸速率在312~2043mg·m-2·d-1之間,相應(yīng)用AA法測定的土壤呼吸速率在394~894mg·m-2·d-1之間,AA法測定的土壤呼吸速率平均是IRGA法的44%~126%;而本文用IRGA法測定的土壤呼吸速率在83~6895mg·m-2·d-1之間,相應(yīng)AA法測定的土壤呼吸速率在197~3432mg·m-2·d-1之間,AA法測定的土壤呼吸速率平均是IRGA法的27%~300%.本研究的土壤呼吸速率范圍更
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