应用根去除法对内蒙古温带半干旱草原根系呼吸与土壤总呼吸的区分研究

2005年生长季分别对内蒙古锡林河流域温带半干旱草原中的羊草自由放牧草原、大针茅自由放牧草原和羊草退化草原中的土壤总呼吸速率和去根土壤的呼吸速率进行了野外测定,初步探讨了在草地群落应用根去除法间接进行根系呼吸测定的可能性,并应用该方法对草地群落根系呼吸占土壤总呼吸的比例进行了估测. 结果表明,应用根去除法在不同草地群落进行根系呼吸占土壤总呼吸比例的估测是切实可行的,其比值范围介于25%～45%之间,平均值为3566%,与国内外相关研究比较,大大提高了其比值的估测精度,在草地碳循环研究中具有较高的应用价值.     

内蒙古羊草草原根呼吸和土壤微生物呼吸区分的研究

利用根生物量回归法对内蒙古锡林河流域羊草草原根呼吸和土壤微生物呼吸进行了区分.结果表明,根呼吸占土壤呼吸的比例在13%~52%之间,平均为(24±3)%;土壤微生物呼吸占土壤呼吸的比例在48%~87%之间,平均为(76±3)%.土壤呼吸与根生物量的线性相关性不稳定.根呼吸活力与根冠比具有负指数相关关系(R2=0.661,P=0.20),与0~10、10~20、20~30和30~40 cm土壤含水量均有极显著的正指数相关关系(P<0.000 1).根呼吸与根呼吸活力具有极显著的指数相关关系(R2=0.848,P=0.01),根呼吸对土壤呼吸的贡献量与根呼吸活力具有显著的指数相关关系(R2=0.818,P=0.01).     

秸秆覆盖条件下小麦生长季根系呼吸对土壤呼吸作用的贡献

在紫色土丘陵区连续6年进行秸秆覆盖试验的"旱三熟"农田系统中,于2012年12月—2013年4月小麦生长季内对土壤呼吸进行测定,并对小麦根系生物量、土壤温度、土壤水分和土壤有机碳含量等指标进行监测,以分析土壤呼吸动态变化的影响因素.结果表明,秸秆覆盖措施显著提高了土壤呼吸速率,秸秆覆盖(S)和秸秆覆盖+腐熟剂(SD)处理分别比对照(CK)增加了45.0%和29.4%.曲线估计表明,土壤呼吸作用与根系生物量呈显著线性关系,通过建立二者的线性回归方程,采用生物量外推法估算小麦根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例,在分蘖期(2012年12月)、拔节期(2013年1月)、抽穗期(2012年3月)和灌浆期(2013年4月),根系呼吸分别占土壤呼吸的28.2%、44.0%、56.9%、56.2%,平均贡献为46.3%,并呈先增加再降低的趋势,在抽穗期达到最大,与根系生物量的变化同步.按照不同处理建立根系生物量与土壤呼吸间的线性回归方程,经计算得出CK、S和SD 3个处理中,根系呼吸作用占土壤呼吸作用的比例分别为42.9%、43.8%和43.7%,秸秆覆盖对根系呼吸作用比例无显著影响.     

不同退化程度羊草草原碳收支对模拟氮沉降变化的响应

2009~2010年,选择内蒙古温带典型草原区2个不同退化程度羊草群落为研究对象,利用小区模拟控制试验,设置0g·(m2·a)-1(CK)、10 g·(m2·a)-1(MN)这2个氮处理水平,模拟研究了大气氮沉降水平变化对植物净初级生产力(NPP),土壤呼吸(Rs)以及整个群落碳收支(NEE)的定量影响,比较了不同退化程度草地群落NEE对等量氮添加的响应差异.结果表明,对于轻度退化羊草草原(样地A),MN处理生长季平均地上生物量(AGB)两年分别比CK增加21.5%及46.8%,而对于中度退化羊草草原(样地B),氮添加在2009年降低了植物AGB及地上NPP(ANPP),在2010年则表现为正效应;两年氮添加均增加了样地A与样地B的根系生物量(BGB)以及样地B的地下NPP(BNPP),但降低了2010年样地A的BNPP;氮输入增加并未明显改变Rs的时间变化规律.与CK处理相比,样地A的MN处理两年土壤微生物呼吸年累积通量较CK分别增加了14.6%与25.7%,而样地B则分别降低了10.4%与11.3%;样地A与样地B两年均表现为大气的碳汇,碳汇强度(以碳计)分别为59.22 g·(m2·a)-1与166.68 g·(m2·a)-1以及83.27 g·(m2·a)-1与117.47 g·(m2·a)-1.相对于CK,样地A两年碳汇增加量分别为15.79 g·(m2·a)-1与82.94 g·(m2·a)-1,样地B分别为74.54 g·(m2·a)-1与101.23 g·(m2·a)-1,单位氮输入量在初始氮水平低的草地群落能获得更大的增汇效应.     

长期开垦与放牧对内蒙古典型草原地下碳截存的影响

以围封26 a草地(E26)为对照,研究了内蒙古典型草原区长期开垦与放牧对土壤-植物根系系统碳截存的影响.结果表明,0～40 cm土壤和根系中的C贮量, E26(7 307.59和950.32 g·m-2)≈连续放牧草地(LG)(7834.01和843.43 g·m-2)>开垦35 a耕地(LC)(4537.04和277.35 g·m-2). E26、LG和LC中,0～40 cm土壤贮存的C分别占各自土壤-根系系统C总贮量的88.49%、90.28%和94.24%.长期开垦完全破坏了草地原生的植被-土壤系统,造成严重的土壤风蚀:相对于E26,比中O～10 cm和10～20 cm砂粒含量分别增加了81%和39%,0～40 cm土层中根系生物量减少了71%;长期开垦导致草地土壤及根系碳截存分别降低了37.9%和70.8%.因此,在草原地区,若将长期开垦的耕地恢复为天然草地,土壤和植物根系将会有较大的固碳潜力.放牧对该区土壤有机碳含量及根系生长的影响较小;但长期放牧样地土壤表层容重显著增加,预示目前放牧压力已达到或接近草地的承载阈值,应及时减小放牧压力以避免草地的进一步退化.     

羊草草原和贝加尔针茅草原生态系统呼吸的差异分析

应用静态暗箱-气相色谱法对羊草草原和贝加尔针茅草原的生态系统呼吸CO2通量进行了测算,分析了生态系统呼吸的影响因素,比较了2种草原生态系统呼吸的差异并分析了产生差异的原因.观测期间羊草草原生态系统呼吸CO2通量平均为(12.03±2.10)mg·(m2·min)-1,显著低于贝加尔针茅草原[(20.09±4.41)mg·(m2·min)-1];而羊草草原生物量显著大于贝加尔针茅草原(p0.001).羊草草原和贝加尔针茅草原生态系统呼吸都与温度(箱内气温、5cm和15cm地温)具有显著的指数函数关系.通过偏相关分析发现,在地温作为控制变量时,生态系统呼吸与土壤Eh、pH间不再具有显著的相关性,Eh、pH对CO2通量的影响可能是由地温变化间接引起的,而CO2通量与活体生物量呈现出了一定的相关性,与凋落物生物量无显著相关性.2种草原的CO2通量都可以用温度指数模型进行很好地模拟,基于地温的模拟效果(R2为0.568～0.639)显著好于基于箱内气温的(R2为0.323～0.426).地温是2种草原生态系统呼吸最重要的影响因素,它掩盖了地上部植物体对生态系统呼吸的影响.在该区域,土壤呼吸占生态系统呼吸比例较高,贝加尔针茅草原较高的有机质含量导致了其生态系统呼吸CO2通量较高.     

基于组分区分的亚热带湿地松人工林土壤呼吸对氮添加的响应

氮沉降在很大程度上会对土壤呼吸产生扰动,进而影响到生态系统碳收支.以我国亚热带湿地松人工林为研究对象,通过定位模拟氮沉降控制试验,定量研究根系呼吸和微生物呼吸对氮添加的响应差异,并通过土壤环境的同步监测,初步探讨影响上述过程的生物地球化学与微生物学机理.结果表明:不同氮素添加水平下土壤呼吸速率及其组分总体上都呈现出单峰曲线特征,峰值出现在7月或8月,氮添加对土壤呼吸的季节模式没有明显影响.CK（0,对照）、LN〔60 kg/（hm2·a）,低氮〕和HN〔120 kg/（hm2·a）,高氮〕处理下土壤总呼吸速率的年均值分别为3.91、2.30和1.73 μmol/（m2·s）,各组根系呼吸速率年均值分别为1.41、0.87和0.66 μmol/（m2·s）,各组微生物呼吸速率年均值分别为2.50、1.44和1.07 μmol/（m2·s）.施氮后土壤总呼吸及其组分都受到明显抑制,并且随着施氮水平的提高,土壤总呼吸及其组分明显减小.与对照样地微生物呼吸占比65.2%相比,低氮和高氮处理下微生物呼吸占比显著降低,降幅分别为62.6%和62.1%,说明氮素添加对微生物呼吸的抑制作用大于根系呼吸.施氮后一年,氮素输入对土壤呼吸的抑制在消退.施氮对表层土壤w（TOC）（TOC为总有机碳）、w（NH₄+）、w（NO₃-）、w（DOC）（DOC为可溶性有机碳）、w（DON）（DON为可溶性有机氮）、w（MBC）（MBC为微生物生物量碳）和w（MBN）（MBN为微生物生物量氮）都没有显著影响.氮素添加主要是通过降低土壤pH、加速湿地松人工林土壤酸化,对影响土壤有机质转化的土壤脲酶和蔗糖酶活性产生显著抑制,从而影响到土壤微生物活性,导致土壤微生物呼吸降低,这可能是土壤呼吸对氮添加响应的关键机制.      

基于BaPS系统的旱地土壤呼吸作用及其分量确定探讨

应用气压过程分离(BaPS)方法研究了大豆和玉米种植下土壤呼吸速率及其分量的动态变化,并同时用气相色谱仪分析了实验期间BaPS系统内的CO2气体浓度,对2种方法测定的土壤呼吸速率进行了比较.结果表明:(1)BaPS方法与气相色谱测得的土壤呼吸速率具有一致性和可比性;(2)大豆田根区土壤呼吸速率随根系生长有明显的季节变化,速率为(29.8±6.4)mg·kg-1·d-1(以C计),非根区土壤呼吸速率在整个生长季数值较低并且季节变化不明显,为(14.4±5.1)mg·kg-1·d-1(以C计);玉米种植下土壤呼吸有类似的规律,差别在于玉米根系生物量比大豆大,呼吸速率也高,根区呼吸速率为(70.8±38.6)mg·kg-1·d-1(以C计),非根区为(18.1±8.7)mg·kg-1·d-1(以C计);(3)根起源呼吸是土壤呼吸的重要组成部分,根区与非根区土壤呼吸速率的差值可以认为来自于根系活动,研究发现大豆田根起源呼吸占土壤呼吸的50%,玉米田根起源呼吸占到69%;(4)利用根起源呼吸与根系生物量的相关关系,得到大豆根起源呼吸系数为0.048mg·mg-1·d-1,玉米的根起源呼吸系数较小为0.042mg·mg-1·d-1.     

冬小麦返青-拔节期土壤的自养和异养呼吸研究

以种植了4个不同密度冬小麦的土壤为研究对象,在返青-拔节期应用根生物量外推法定量研究了土壤呼吸的各组分,即自养呼吸(根呼吸)和异养呼吸.2006年2月27日、3月6日、3月13日、3月20日4次的测定结果表明,土壤的异养呼吸速率分别为68.5,62.8,76.8,119.6mg·m-2·h-1;由于小麦生长的补偿效应使得不同种植密度下的根生物量差异减小,在3月27日的试验中,根生物量外推法不能确定出土壤异养呼吸的数值.进一步的分析结果表明,在每个采样日不同种植密度下的小麦根呼吸系数均无显著差异;而所有小麦种植密度的平均根呼吸系数随作物生长呈下降趋势.可将根呼吸系数(Rre)表示为根系氮含量(N)和土壤体积含水量(W)两因子的指数影响函数,其表达式为:Brc=0.001e(0.375W 5.503N).式中,W,N分别为土壤体积含水量和根系氮含量,Rrc 为根呼吸系数,决定系数 R2=0.966.应用根系氮含量和土壤湿度这两个因子可较好的模拟根呼吸系数的动态变化.对于与田间实际小麦种植密度接近的处理而言,在返青-拔节期根呼吸占土壤呼吸的比例在28%～81%之间变异.     

退化羊草草原在浅耕翻处理后植物群落生物量组成动态研究

利用统计方法研究了退化羊草草原浅耕翻后17年的群落生物量组成变化规律,结果表明:浅耕翻处理后地上生物量增长与恢复年限呈单峰型曲线,且在演替的前期和中期,群落生产力与降水并没有显著的相关关系,生物量的高低主要受群落组成结构的影响。群落地上生物量组成中禾本科占主导地位,藜科、菊科和蔷薇科在恢复前期和中后期比例增加,且与禾本科有一定的负相关关系。从生活型组成来看,根茎禾草生物量占总生物量的90%以上,群落初级生产力及其年度动态与多年生根茎禾草和多年生杂类草2个功能群的地上生物量均有极显著的相关关系。就群落生物量植物水分生态类型组成来看,中旱生、旱生植物占有绝对的优势,群落地上生物量与中旱生植物、旱生植物功能群地上生物量也具有较显著的正相关关系。多样性指数在处理后的总变化趋势为开口向上的抛物线状。植物群落多样性变化主要归功于其物种的均匀性变化。同时禾本科、菊科、蔷薇科植物生物量,根茎禾草、丛生禾草、直根型杂类草的生物量与多样性指数呈显著或极显著的线性相关关系。浅耕翻对更新退化羊草草原、提高产草量、改善草质均有明显效果,从利用的角度看,浅耕翻处理后第四年即根茎禾草占优势以后可有计划地利用。     

放牧与围栏羊草草原土壤呼吸作用及其影响因子

基于静态箱式法连续2a的测定资料,比较分析了内蒙古典型羊草草原放牧与围栏样地土壤呼吸作用及其与各影响因子的关系.结果表明:①围栏内外土壤呼吸作用日、季动态差异不大,但围栏样地土壤呼吸速率明显高于放牧样地,其平均值分别是219.18 mg·(m²·h)^-1和111.27 mg·(m²·h)^-1,围栏样地土壤呼吸作用的升高可能与地下生物量增加和土壤水分改善有关;②对影响土壤呼吸作用的因子分析表明,放牧使土壤水分和相对湿度的影响明显降低,而对气温、大气CO₂浓度和光合有效辐射的影响并不大,且放牧使羊草净光合速率的影响明显增加,而对气孔导度和胞间CO₂浓度影响不大;③围栏样地土壤呼吸作用与各影响因子的相关性从大到小依次为土壤水分、净光合速率、气温、相对湿度、大气CO₂浓度、胞间CO₂浓度、气孔导度和光合有效辐射,其中土壤水分和气温是影响土壤呼吸作用的主要环境因子,净光合速率是主要的生物因子.尽管放牧改变了土壤呼吸速率,但土壤呼吸作用各影响因子的排列顺序基本上没有改变,只是发生了量的变化.     

锡林河流域典型草原碳素生物小循环研究

应用生物地球化学分室方法研究了内蒙古锡林河流域2个典型草原群落——羊草草原和大针茅草原的碳素生物小循环,研究表明:①生长季禁牧的羊草草原植物分室碳素净固定量为165.50 gC.m-2,土壤分室碳素净排放量为174.36 gC.m-2,系统碳素净固定量为-8.86 gC.m-2,基本处于平衡状态,植物分室的碳输入和碳输出也近于平衡状态;②生长季禁牧的大针茅草原植物分室碳素固定量为130.04 gC.m-2,土壤分室碳素净排放量为128.28 gC.m-2,系统碳素净固定量为1.76 gC.m-2,基本处于平衡状态,植物分室的碳输入和碳输出在降水量大的年份以输入为主,在降水量小的年份近于平衡状态;③水热等生境条件较适宜的羊草草原碳素周转量比大针茅草原要大得多,水分是典型草原碳素循环量的主要影响因素。     

不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响

为了探明不同耕作措施对旱作夏玉米田土壤呼吸及根呼吸的影响,采用定位试验,对比研究了深松耕(ST)、免耕(NT)、旋耕(RT)和翻耕(CT)这4种耕作方式下土壤呼吸速率的动态变化特征;并利用根去除法研究了根呼吸对土壤呼吸的贡献.结果表明,夏玉米生长季,4种耕作方式下土壤呼吸速率随生育期均呈单峰型变化趋势,在抽雄期达到最大,各生育期土壤呼吸速率大小顺序依次表现为:抽雄期开花期灌浆期成熟期拔节期苗期.不同耕作措施对平均土壤呼吸速率的影响表现为CTSTRTNT;土壤呼吸速率与土壤温度的相关系数达到显著性水平(P0.05),不同耕作措施下5 cm地温可以解释土壤呼吸速率变异的35%~75%.而土壤呼吸速率与土壤水分的相关系数却未达到显著性水平.夏玉米生长季中,不同耕作措施下根呼吸作用占土壤呼吸作用的比例在45.13%~56.86%之间波动,均值为51.72%.因此,利用根去除法可以用来了解作物生长对土壤碳排放的贡献及比较不同耕作措施对根系呼吸贡献的影响,从而为筛选出减缓农田土壤有机碳分解的耕作措施提供依据.     

不同轮作和管理措施下根系呼吸对土壤呼吸的贡献

根系呼吸对土壤呼吸的贡献是研究土壤碳排放和土壤碳平衡的重点和难点.本研究采用根系排除法联合运用Li-8100土壤碳通量系统测定了华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟传统管理体系(Con.W/M)、冬小麦-夏玉米一年两熟优化管理体系(Opt.W/M)、冬小麦-夏玉米(或夏大豆)-春玉米两年三熟优化管理体系(W/M-M、W/S-M)和春玉米一年一熟优化管理体系(M)作物根区土壤呼吸和非根区土壤呼吸,以根区和非根区土壤呼吸差异除以根区土壤呼吸计算根系呼吸的贡献.结果表明,根区土壤呼吸和非根区土壤呼吸具有明显的季节变化特征,二者具有显著的拟合关系.Con.W/M和Opt.W/M处理小麦季非根区土壤呼吸可分别解释根区土壤呼吸变异的65%和87%,玉米季非根区土壤呼吸的分别解释根区土壤呼吸变异的48%和65%.W/M-M、W/S-M和M处理春玉米非根区土壤呼吸可分别解释根区土壤呼吸变异的68%、76%和58%.Con.W/M处理小麦和玉米季根系呼吸对土壤呼吸贡献分别为25.0%和29.6%,Opt.W/M处理则分别为31.1%和35.0%.不同轮作和管理措施对春玉米根系呼吸的贡献无显著影响,W/M-M、W/S-M和M处理春玉米季根系呼吸贡献分别为23.7%、24.8%和24.9%.5 cm土壤温度对根区土壤呼吸的影响程度大于非根区土壤呼吸.