模拟岩溶生境下青冈栎表层土壤温室气体浓度变化特征及岩溶效应研究
【摘要】：三大主要温室气体CO2、CH4和N2O对全球变暖起着重要作用,作为温室气体主要“源”和“汇”的土壤,土壤碳库是全球碳循环中的重要环节。研究岩溶区土壤温室气体的变化,分析岩溶区土壤水分减少所引起一系列土壤温室气体浓度变化,探讨岩溶区以碳转移与循环为基础的岩溶作用过程,有助于弄清岩溶区的碳循环模式,尤其对岩溶动力系统有重要作用。以岩溶植物青冈栎(Cyclobalanopsis glauca)作为研究对象,本文根据岩溶生境结构特点设计表层岩溶水—岩石(灰岩)—土壤水分供应分层模拟柱,根据岩石底部是否有水分为Ⅰ组和Ⅱ组,并对土壤层的相对含水量进行4个水分梯度控制试验,Ⅰ组(底有水)A：30%—40%,B：500%—60%,C：70%—80%,D：90%—100%；Ⅱ组(底无水)E：30%—40%,F：50%—60%,G：70%—80%,H：90%—100%。在此基础上进行青冈栎光合光响应曲线,地表土壤呼吸特征,土壤温室气体浓度特征,碳酸盐岩溶蚀速率等的研究,得出以下结论：
一、不同模拟条件下青冈栎光合响应曲线表现出随着光有效辐射的加强,净光合速率逐渐增大的趋势。两组的净光合速率都随着上层土壤含水量的降低而降低,Ⅰ组青冈栎Pn大小为：DCBA；Ⅱ组青冈栎Pn大小为：HGFE；两组青冈栎Pmax都随着上层土壤含水量减少而减小。试验测得两组青冈栎表观量子效率在0.05—0.09mol/mol之间；Lsp在261.24—358.24pmol·m-2.s-1之间；而Lcp则在3.21—21.18μmol·m-2.s-1之间。两组青冈栎气孔导度都随着上层土壤含水量减少而减小。气孔导度与净光合速率呈显著性正相关关系,R2值在0.83—0.99之间。不同水分条件下各处理青冈栎水分利用效率表现出随着光辐射的加强,WUE迅速增大后减小并趋于平缓的趋势。水分利用效率光饱点约为150—200pmol·m-2·s-1
二、不同模拟条件下青冈栎地表土壤呼吸曲线呈波浪式的不规律多峰曲线,但总体表现出逐渐下降的趋势。土壤呼吸速率随温度变化而变化,土壤呼吸速率峰值与土壤温度峰值出现时间一致,而两者最低值出现时间相差较大。平均土壤呼吸速率大小依次为Ⅰ组：DCAB,变化范围在1.29—-1.94μmol·m-2.s-1之间；Ⅱ组：HGFE,变化范围在1.35——2.04μmol·m-2.s-1之间。
土壤温度是影响土壤呼吸的因素之一。采用土壤呼吸与土壤温度指数模型Y=aebt关系(P0.01)。将拟合模型系数R2值进行比较,Ⅰ组：ABCD,Ⅱ组：FGEH；但土壤呼吸与土壤温度的相关性指数较小,其只能解释土壤呼吸季节变化的19%—39%。土壤呼吸对温度变化的敏感系数(Q10值)是用来描述土壤呼吸与温度之间的关系,各处理的Q1o值在1.344—1.514之间,两组的Q10值大小分别为,Ⅰ组：ADBC,Ⅱ组：FEGH。
除土壤温度以外,土壤含水量也是影响土壤呼吸的因素之一。无论是Ⅰ组还是Ⅱ组上层土壤含水量较高(大于70%)的处理平均土壤呼吸速率都比组内其他处理高。在不考虑岩石底部水分对呼吸速率影响的情况下,上层土壤含水量的高低直接影响着土壤呼吸作用。相关性分析结果表明各处理土壤含水量与土壤呼吸速率相关性不显著(p0.05)。
三、不同模拟条件下青冈栎土壤表层3种温室气体浓度的大小关系：CO2CH4N2O。
土壤C02浓度具有明显的季节变化特征,总体趋势呈单峰型,土壤CO2浓度在777μl/L—4777μ/L之间。土壤CO2浓度随土壤温度的变化而变化,土壤CO2浓度峰值比土壤温度峰值出现要滞后一些。相关性分析结果表明,各处理中土壤温度与土壤CO2浓度都呈现极显著的线性相关关系(P0.01),R2值均达到0.8以上。土壤CO2浓度随上层土壤含水量增加而增大,CO2浓度表现为Ⅰ组：ABCD；Ⅱ组：EFGH。当土壤温度和上层土壤含水量各自处理一致情况下,Ⅰ组土壤CO2浓度要比Ⅱ组的高。但各处理中土壤CO2浓度与土壤含水量相关性不显著(P0.05)。
土壤CH4浓度具有明显的季节变化特征,总体趋势呈单峰型,5、6、7月各处理间差值明显,其他月份各处理浓度较低曲线较平缓,土壤CH4浓度0.02μl/L—1.92μl/L之间。土壤CH4浓度随土壤温度的变化而变化,土壤CH4浓度峰值的出现时间与土壤温度峰值时间一致。相关性分析结果表明,各处理中土壤温度与土壤CH4浓度都呈现极显著的指数函数相关关系(P0.01),R2值在0.38—0.68之间。土壤CH4浓度随上层土壤含水量增加而增大,总体大小表现为Ⅰ组：ABCD；Ⅱ组：EFGH。当土壤温度和上层土壤含水量各自处理一致情况下,Ⅰ组的土壤CH4浓度要比Ⅱ组的高。但各处理中土壤CH4浓度与土壤含水量相关性不显著(P0.05)。
土壤N2O浓度具有明显的季节变化特征,先升高后降低,总体趋势呈单峰型,土壤N2O浓度在0.09μl/L—0.94μl/L之间。土壤N2O浓度随土壤温度的变化而变化,土壤N2O浓度峰值比土壤温度峰值出现要滞后一些。相关性分析结果表明,各处理中土壤温度与土壤N2O浓度都呈现极显著的指数函数相关关系(P0.01),R2值在0.68—0.83之间。土壤N2O浓度随上层土壤含水量增加而降低,总体大小表现为Ⅰ组：DCBA；Ⅱ组：HGFE。当土壤温度和上层土壤含水量各自处理一致情况下,Ⅱ组的土壤N2O浓度要比Ⅰ组的高。但各处理中土壤N2O浓度与土壤含水量相关性不显著(P0.05)。
四、采用标准溶蚀试片法,对野外岩溶区和非岩溶区的溶蚀速率进行比较发现,上述两种生境中岩石试片溶蚀速率具有明显季节变化特征,当雨热同期试片溶蚀速率较高。同一土壤深度下,岩石试片溶蚀速率非岩溶区大于岩溶区。同一土壤类型下,随着深度的增加岩石试片溶蚀速率增加。4组岩石试片的年单位面积溶蚀量大小为：非岩溶区-20cm(2.OOmg.cm2·a-1)非岩溶区0-5cm(1.34mg·cm2.a-1)岩溶区-20cm(1.20mg-cm2·a-1)岩溶区0-5cm(1.19mg·cm-2·a1)。
采用标准溶蚀试片法,对模拟不同水分条件下各层面岩石试片溶蚀速率测得结果如下：土层下0-5cm岩石试片的年单位面积溶蚀量大小为：ECBGAHFD。土层-20cm岩石试片的年单位面积溶蚀量大小为：HEGF=DCAB,该层岩石试片无地下水的处理组岩片溶蚀速率大大高于有地下水的处理组。岩石层试片除去H外,累积溶蚀量有地下水组整体上比无地下水组的高。岩石层各处理岩石试片的年单位面积溶蚀量大小为：HCD=ABFGE。水层岩石试片在一个较稳定的环境中,水的pH值在7.9—8.2之间,各处理的溶蚀量较小,岩石试片的年单位面积溶蚀量均在0.04mg·cm2.a-1左右。当上层土壤含水量相同时,纵向层面整体上比较,岩石试片年单位面积溶蚀量大小约为：土层下0-5cm土层-20cm岩石层水层。
【关键词】：模拟岩溶环境 土壤呼吸 光合特征 温室气体 岩溶效应 【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X16;P642.25
【目录】：
- 摘要3-6
- Abstract6-12
- 第一章 生态系统温室气体研究进展12-20
- 1.1 全球碳循环的研究进展12-13
- 1.2 土壤温室气体的研究进展13-14
- 1.3 表层岩溶动力系统与土壤温室气体的关系14-15
- 1.4 碳酸盐岩的岩溶作用15-16
- 参考文献16-20
- 第二章 试验材料和总体设计20-24
- 2.1 研究植物材料20-21
- 2.2 研究设计21-23
- 2.2.1 控制试验设计21-22
- 2.2.2 野外试验设计22-23
- 参考文献23-24
- 第三章 不同模拟条件下青冈栎光合特征24-30
- 3.1 研究方法24-25
- 3.1.1 试验设计24
- 3.1.2 测定项目和方法24
- 3.1.3 数据分析24-25
- 3.2 结果与分析25-28
- 3.2.1 不同水分条件下青冈栎光合响应曲线特征及光响应参数25-26
- 3.2.2 不同水分条件下青冈栎气孔导度响应曲线及其与净光合速率的相关性26-27
- 3.2.3 不同水分条件下青冈栎水分利用效率响应曲线27-28
- 3.3 小结与讨论28-29
- 参考文献29-30
- 第四章 不同模拟条件下青冈栎地表土壤呼吸特征30-38
- 4.1 研究方法30-31
- 4.1.1 试验设计30
- 4.1.2 参数测定30-31
- 4.1.3 数据统计分析31
- 4.2 结果与分析31-34
- 4.2.1 不同模拟条件下土壤呼吸速率的季节动态31-32
- 4.2.2 土壤呼吸对温度和含水量的响应32-34
- 4.3 小结与讨论34-36
- 4.3.1 土壤呼吸的动态变化34-35
- 4.3.2 土壤呼吸对水热因子的响应35-36
- 参考文献36-38
- 第五章 不同模拟条件下青冈栎土壤表层温室气体浓度特征38-52
- 5.1 研究方法38-39
- 5.1.1 试验设计38
- 5.1.2 参数测定38
- 5.1.3 数据统计分析38-39
- 5.2 结果与分析39-48
- 5.2.1 土壤表层温室气体浓度动态变化及其与水热因子的相关性39-48
- 5.3 小结与讨论48-50
- 5.3.1 土壤CO_2浓度的动态变化特征及水热因子的相关关系48-49
- 5.3.2 土壤CH_4浓度的动态变化特征及水热因子的相关关系49
- 5.3.3 土壤N_2O浓度的动态变化特征及水热因子的相关关系49-50
- 参考文献50-52
- 第六章 不同生境下碳酸盐岩溶蚀速率特征52-61
- 6.1 研究方法52-53
- 6.1.1 试验设计52
- 6.1.2 碳酸盐岩溶蚀量的测定52
- 6.1.3 数据统计分析52-53
- 6.2 结果与分析53-57
- 6.2.1 野外条件下岩溶区与非岩溶区的溶蚀速率比较53-54
- 6.2.2 不同模拟条件下各层面溶蚀速率变化特征54-57
- 6.3 小结与讨论57-60
- 6.3.1 野外岩石试片溶蚀变化特征57-58
- 6.3.2 模拟试验溶蚀变化特征58-60
- 参考文献60-61
- 第七章 主要结论与展望61-64
- 7.1 主要结论61-63
- 7.2 展望63
- 参考文献63-64
- 致谢64-65
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