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《中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2014年
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侵蚀条件下土壤呼吸变化特征及其影响因素

郭慧敏  
【摘要】:土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要生态过程,侵蚀影响陆地生态系统碳收支与平衡。但侵蚀条件下土壤呼吸的变化特征及其影响因素尚不清楚。本文在分析侵蚀土壤呼吸特征的基础上,模拟研究了溅蚀对土壤呼吸的影响,探讨了溅蚀影响土壤呼吸变化的因素,并通过选取退耕还草条件下的苜蓿与农田对比,了解水土流失治理对土壤有机碳蓄积量的影响。 以长武站为依托,基于相似植被和管理条件,于(2011~2013年)系统监测塬面和坡地土壤呼吸速率、土壤温度、土壤水分的变化,分析非侵蚀和侵蚀条件下土壤呼吸的季节和年际变化差异及其影响因素;在中科院水保所人工降雨大厅,在固定降雨强度条件下,通过遮网覆盖模拟溅蚀(非遮网)与非溅蚀(遮网),测定土壤呼吸速率、土壤团聚体颗粒变化,研究溅蚀对土壤有机碳矿化分解的影响及其影响因素;基于建立于1984年的长期定位试验,于2011年3月至2012年12月,利用Li-8100系统(Li-COR,Lincoln, NE, USA)监测了退耕还草(苜蓿)处理和农田(冬小麦)土壤呼吸季节变化以及土壤表层(0~5cm)温度和含水量,研究了土地利用变化下土壤呼吸变化特征及其与土壤温度、水分以及有机碳特性之间的关系。 主要获得以下结果: 与塬面相比,坡地条件下土壤呼吸降低但温度敏感性提高 塬面果园与坡地果园土壤呼吸存在差异性。塬面果园平均土壤呼吸速率为2.11μmol m-2s-1,高出坡地果园(1.60μmol m-2s-1)32%,且通常在4月份之后,二者土壤呼吸差距开始增大,至10月份,差距逐渐减小,其中,2013年二者土壤呼吸速率差异最大,达40%。塬面果园平均累积呼吸量为570.6g CO-2·m2,高出坡地果园(443.4gCO-22· m)29%。其中,2013年二者累积呼吸量差异最大,为50%,2012年差异最小,为16%。 影响土壤呼吸的土壤温度、土壤水分等也存在差异:塬面果园平均土壤水分含量较高,为17%,高出坡地(14%)20%;3年观测期间的平均土壤温度,坡地较高,为15.7℃,高于塬面(15.0℃)5%,其中2011年与2013年,坡地果园平均土壤温度高于塬面果园,2012年,塬面果园平均土壤温度与坡地果园接近(塬面15.8℃、坡地14.5℃)。 土壤呼吸与温度呈明显指数关系,而土壤水分对土壤呼吸的影响较为复杂。尽管塬面果园土壤呼吸高于坡地果园,但3年观测期间,坡地果园温度敏感系数Q10高于塬面果园,坡地果园平均Q10为1.79,高出塬面果园(1.67)7%。 溅蚀影响土壤呼吸速率,降低土壤碳蓄存能力 相同降雨强度(90mm/h)下,溅蚀与非溅蚀土壤呼吸速率存在差异,并且二者呼吸差异的大小与降雨历时存在一定关系:溅蚀条件下的土壤呼吸速率高于非溅蚀条件,10分钟降雨历时下的呼吸差异高于5分钟降雨历时。5分钟降雨历时下,两种处理的土壤呼吸速率在0.75~1.65μmol·m-2s-1之间,裸露处理平均土壤呼吸速率为1.25μmol·m-2s-1,盖网处理平均土壤呼吸速率为1.20μmol·m-2s-1,前者高出后者4%。土壤呼吸测定初期,两种处理呼吸差异较小,最低仅为1%,后期逐渐增大,差异最大值出现在试验开始的第六天(9月5号上午),高出比例为14%。 10分钟降雨历时下,两种处理的土壤呼吸速率在0.97~1.61μmol·m-2s-1之间,所有10组数据均显示裸露处理土壤呼吸速率高于盖网处理。裸露处理平均土壤呼吸速率为1.42μmol·m-2s-1,盖网处理平均土壤呼吸速率为1.21μmol·m-2s-1,前者高出后者17%。10分钟降雨历时下,两种处理的土壤呼吸差异明显高于5分钟降雨,测定初期,差异最高达28%,随着测定时间的延长,呼吸差异最小值为仅6%。 溅蚀条件下,土壤团聚体破碎影响有机碳矿化分解 溅蚀过程中,雨滴打击会对表层土壤团聚体颗粒产生一定影响,并且主要影响到粒径0.01mm以下的土壤团聚体。裸露处理土壤中该粒径团聚体颗粒含量高于盖网处理的土壤。降雨前,0.01mm以下土壤团聚体含量为32.5%,在雨滴打击作用下,团聚体分散,0.01mm以下土壤颗粒均较降雨前有所增多:5分钟降雨历时下,盖网处理0.01mm以下颗粒含量增至36.3%,裸露处理增至37.5%,分别较雨前提高了12%和14%;10分钟降雨条件下,0.01mm以下土壤团聚体含量,盖网处理为35.5%,裸露处理为36.2%,分别较雨前提高9%和11%。同时,对比盖网与裸露两种处理,可以得出:裸露土壤直接接受雨滴打击,0.01mm以下土壤颗粒较降雨前的增长量略高于盖网处理,5分钟降雨条件下,裸露处理较盖网处理高出3%,10分钟降雨下,裸露处理较盖网处理高出2%。 溅蚀对表层土壤矿化速率产生影响,降雨历时也是影响CO2释放量的一个因素:5分钟降雨条件下,盖网处理的平均土壤CO2释放量为29.58ml/kg,裸露处理较之有所提高,为39.01ml/kg,比前者高出32%;10分钟降雨条件下,盖网处理土壤CO2释放量为39.80ml/kg,裸露处理为42.31ml/kg,比前者提高6%;降雨历时的延长,增加了降雨后表层土壤CO2释放量:盖网处理下,10分钟降雨的土壤CO2释放量高出5分钟降雨35%,裸露处理下,10分钟降雨的土壤CO2释放量高出5分钟降雨9%。 退耕30年来,草地苜蓿土壤呼吸较农田小麦增强,Q10提高,水土流失治理提高了影响土壤呼吸的生物因素(SOC、微生物生物量碳)含量 自1984年麦地转化为苜蓿地,土壤呼吸速率苜蓿地(3.55μmol m-2s-1)达小麦地(1.36μmol m-2s-1)的2.61倍,累积呼吸量苜蓿地(981g m-2)达小麦(357g m-2)的2.75倍。土壤呼吸温度敏感系数(Q10)苜蓿地较小麦地2011年提高24.5%,2012年提高2.4%。苜蓿地SOC含量(10.5g kg-1)较小麦地(6.5g kg-1)提高61.5%,微生物量碳(204mg kg-1)较小麦地(152mg kg-1)提高34%,0~5cm土壤水分含量同期高于小麦地,但二者土壤温度差异不显著。土壤水分、SOC、微生物量碳等是造成二者呼吸差异的因素,水土流失治理提高了土壤有机碳蓄积量。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S157;S154

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【参考文献】
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