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干旱区白刺荒漠生态系统土壤呼吸对增雨的响应

贾子毅  
【摘要】:气候模型预测,干旱区荒漠生态系统极端降水事件有增加的趋势,并且荒漠生态系统碳循环过程对降水格局(量、时间、频率)的改变高度敏感。为了研究荒漠生态系统土壤呼吸与降雨的关系,本研究选择在我国内蒙古白刺荒漠生态系统中进行人工模拟增雨实验。增雨实验共设置4个增雨处理即分别增加年降水量的25%、50%、75%和100%,1个对照,对照和每个处理各4个重复,共20个实验样地,采用随机区组排列。增雨实验从2008年至2010年连续进行,每年5月至9月进行平均增雨。2010年在每个月人工增雨之前1天和增雨之后第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21天每天测定一次白刺灌丛下和裸地土壤呼吸,同时在每月人工增雨后进行3次全天土壤呼吸的测定。在测量土壤呼吸速率时同步测量土壤水分含量和土壤温度。主要结论如下: (1)绝大多数情况下,裸地和灌丛下一样,无论是天然还是人工降雨,都可以使土壤呼吸速率增加,说明土壤水分含量决定荒漠生态系统的碳平衡。在灌丛下,主要生长季(5月-9月)增雨处理样地(+25%到+100%)土壤呼吸碳释放量比对照样地大约增加了33%~105%;在裸地,大约增加了3%~56%。研究发现,随着人工降雨量的增加,植物地上生物量呈逐渐增大的趋势,这意味着白刺根部可能会被供应更多的光合产物,进而刺激白刺根呼吸。所以,从碳平衡的角度来看,这一过程可以补偿由于降雨增多所导致的土壤呼吸碳损失。 (2)在生长季内(5月-9月),裸地上,对照样地以及各增雨处理的土壤呼吸速率均未表现为单峰曲线。无论土壤水分含量如何变化,裸地土壤呼吸速率与土壤温度的相关程度不高。裸地土壤呼吸主要与降雨的波动密切相关:降雨之后,裸地土壤呼吸会有较为明显的增加,之后迅速下降。土壤呼吸增加的幅度与土壤水分变化的幅度成明显的正相关关系。从整个生长季来看,灌丛下土壤呼吸速率在6月达到峰值。这一方面可能与白刺生长的季节性节律有关,即白刺在一年中这段时间属于生长旺季,根呼吸活跃;另一方面也与这段时间水热配合同步有关。 (3)土壤呼吸速率对增雨的响应幅度和持续时间不仅和降雨量大小有关,还与覆盖类型和降雨时间密切相关。具体来说,裸地土壤呼吸速率在生长季早期(6月)对降雨响应最为敏感,而在生长季中期(8月)和末期(9月)对降雨响应的敏感度下降;灌丛下土壤呼吸速率对生长季早期和晚期的降雨反应最为敏感,而在生长季中期对降雨的敏感度下降(增雨100%处理除外)。不同植被覆盖对降雨响应的差异可归结为白刺根呼吸的作用。降雨时间对土壤呼吸速率的影响主要和降雨之前的土壤水分状况和白刺的生理活动密切相关。因此,在干旱区荒漠生态系统中,土壤呼吸对未来降雨格局的响应会受到植被覆盖状况和降水时间的共同调控。 (4)无论是裸地还是灌丛下,增雨处理均提高了其土壤呼吸温度敏感性。灌丛下土壤呼吸的温度敏感性对土壤水分的变化更敏感,这可能与白刺冠层的光合作用有关。尽管裸地和灌丛下Q_(10)之间无显著差异,但裸地Q_(10)的季节波动更大,而灌丛下Q_(10)的季节波动较小。随着土壤水分条件的改善,灌丛下和裸地土壤呼吸“迟滞效应”更加明显,并且灌丛下的增强幅度要大于裸地。 (5)比叶面积SLA、地上生物量以及白刺叶片净光合速率与土壤呼吸速率存在极显著的相关关系。白刺叶片净光合速率、土壤温度和土壤水分含量的三因素模型对土壤呼吸速率的解释度最高,指数-幂函数-幂函数模型的拟合度最好,可以解释土壤呼吸变率的58%。由于土壤呼吸会受到生物因素以及非生物因素的综合影响,因此多因素模型可能会提高对土壤呼吸变异的解释度。


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