土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统碳通量变化的影响.doc

土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统碳通量变化的影响基金项目：干旱气象科学研究基金项目（编号：IAM200919）资助。作者简介：薛红喜（1978.12-），男(汉族)，山西河津人，博士，高工，主要研究方向为大气探测、农业气象。E-mail: 通讯作者：李 琪，讲师，主要研究方向农业气象、生态系统碳循环。E-mail: 薛红喜1，李 琪2,3，黄 瑜2,3，王云龙2,3，吴东丽1（1. 中国气象局气象探测中心，北京 100081，2. 南京信息工程大学 江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室， 江苏南京210044；3. 南京信息工程大学环境科学与工程学院， 江苏 南京 210044）摘要：本文利用涡度相关法对对2008年至2010年期间克氏针茅草原生态系统的生态系统初级生产力（GEP）、生态系统呼吸（Reco）和净生态系统碳交换（NEE）的变化进行观测，探讨了三者的日尺度变化规律及土壤环境因子（土壤温度、土壤水分）对GEP、Reco、NEE的影响。结果显示：土壤环境因子是克氏针茅草原生态系统碳通量的重要驱动因子；2008至2010年各生长季内，土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统年尺度内的GEP呈现极显著相关性；土壤环境因子也与2008至2010年土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统Reco、NEE呈现极显著相关性；土壤温度的升高或者土壤水分的增加都能提高克氏针茅草原生态系统的初级生产力及呼吸作用及净碳通量。其中，土壤温度对这三者的作用更为明显。关键词：土壤环境因子；碳通量；涡度相关法；草原生态系统 1 绪论碳循环是生态系统最重要的循环过程之一。作为陆地生态系统重要的组成部分，草地生态系统是世界上分布最广的植被类型之一，它覆盖了几乎20%的陆地面积，净初级生产力约占全球陆地生物区净初级生产力的1/31。草原在地球碳循环过程中有非常重要的作用。比较其它陆地生态系统，草原的年际间总生产力变化幅度更大，以致于难以确定草原生态系统是碳源或者汇。所以，研究草原生态系统碳循环的过程和作用机理对研究碳循环至关重要。土壤是影响生态系统碳通量变化最直接的因素，土壤呼吸与生物光合作用、呼吸作用积累的生物量直接导致生态系统碳通量的变化。土壤是CO2重要的源和汇，土壤呼吸是生态系统碳通量的重要组成部分和流通过程。土壤是影响生态系统碳通量变化最直接的因素。因此研究土壤温度和水分对草原生态系统碳通量变化的影响，找出两者之间的联系对研究草原生态系统碳通量的特征、研究全球碳通量及碳通量对气候变化的影响有着重要的意义。本文研究内容为土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统碳通量变化的影响。通过整理分析2008-2010年内蒙古克氏针茅草原日尺度上的净生态系统碳交换（NEE）的变化特征和土壤环境因子的特征，对克氏针茅草原生态系统碳通量变化进行研究，找出其特点。并分别对日尺度土壤环境因子变化对比分析，找出土壤环境因子和克氏针茅草原生态系统碳通量的联系，为准确认识克氏针茅草原生态系统碳通量的环境控制机制提供科学依据。2 研究区域概况和研究方法 2.1 研究区域概况 研究区位于内蒙古自治区锡林浩特市东北24km处(440831 N，1161845 E)。此处海拔高度大概1000m，下垫面开阔平坦。该区处于内蒙古典型的克氏针茅草原区，群落里以克氏针茅和羊草为优势草种，伴生有糙隐子草、冰草等禾本科草类以及菊科的冷蒿等。这片草原位于北半球中纬度地区，接近内陆，属温带半干旱草原气候，年平均气温为2.6，1月-22.0，7月均温18.3。日照充足，年均日照总时数约为2600小时。春秋冬三季干燥少雨，降水主要集中在夏天6至9月，年降水量约为290毫米。土壤为典型的栗钙土。2.2 观测系统 本研究使用涡度相关法观测克氏针茅草原生态系统碳通量。2003年8月装配的开路式涡度相关系统由三维超声风速仪、CR5000数据采集器及开路式LI-7500CO2/H2O分析仪构成，高度为2米。使用热电偶温度传感器Model105T测定10cm土壤处的土壤温度；10cm深处的土壤水分含量则利用土壤水分时域反射仪ModelCS615进行测量。通量采集频率为0.1Hz，土壤环境要素采样频率均为2Hz，由数据采集器CR23X按30min步长计算并存储平均值。2.3 数据处理方法选取了克氏针茅草原生态系统2008年至2010年3年的碳通量观测数据，进行坐标旋转、WPL校正等处理，并对由系统故障、供电、下雨或检修等因素造成的数据丢失进行了剔除。采用查表法和日平均变化法(对缺失气象数据而无法用查表法以及非线性回归法的插补，采用日平均变化法)对通量数据进行插补按30min步长计算平均值，再分别计算日统计数据24。利用Excel和SPSS等软件探讨土壤环境因子和克氏针茅草原生态系统碳通量变化的相关关系，从而深入理解气土壤环境因子和克氏针茅草原生态系统碳通量变化的影响方式16,24。2.4 基本理论公式 生态系统净碳通量的NEE定义式: （I）上划线表示某时间段内的平均值，撇号表示脉动，即瞬时值与平均值的偏差。式（I）中，右边第一项为CO2湍流通量，即单位时间垂直方向上通过单位截面积的CO2的量，为垂直风速，为CO2在此处的浓度；右边第二、第三项为WPL校正项，其中为干空气密度，为水汽密度。此值经过三次坐标旋转后，即为可使用的NEE值。呼吸作用是夜间生态系统植被与大气间的NEE的唯一来源，生态系统夜间的Reco可用Lloyd-Taylor方程进行插补： （II）式（II）中，为参考温度下的生态系统夜间呼吸，为参考温度，取值为283.15K，为温度试验常数，取值为227.13K，为活化能，取值为308.56K。生态系统白天的呼吸根据夜间生态系统呼吸数据建立的函数关系外延到白天后获得的。 由于白天植被与大气之间的净生态系统CO2交换（NEE）是生态系统初级生产力（GEP）和生态系统呼吸（Reco）的总和，因此GEP就可定义为25-28： （III）3 结果分析3.1 克氏针茅草原生态系统碳通量日总值变化图1显示了克氏针茅草原生态系统2008-2010年全年NEE日总值的变化情况。从图1看，2008年生长季（4月26日-11月20日）GEP日总值变化呈“W”型，图中出现两个波谷、两个波峰。在第140、180、240天出现波谷，第150、200天附近出现波峰。在第200天附近达最大值。2009、2010年生长季GEP日总值变化也呈现“W”型，但形状不明显。三年GEP的变化范围基本一致。 图1 2008至2010年GEP日总值变化（左上图为2008年，右上图为2009年，下同）Fig.1 The GEP changes from 2008 to 2010(left top is 2008,right is for 2009,the same below)图2中2008至2010年Reco日总值变化均呈倒“U”型。Reco先随时间变化增大，至200天附近出现最大值，然后随着时间变化减小到0值。对比三年Reco的最大、最小值发现，2008年Reco最小值，约为0.068/gm-2d-1，最大值最大，约为2.133/gm-2d-1；而2009年Reco最小值为0.105/gm-2d-1,最大值为1.692/gm-2d-1；2010年Reco最小值为0.200/gm-2d-1，最大值为1.518/gm-2d-1。从图3可看出NEE日总值呈W型，其波峰波谷所在处同GEP基本保持一致，变化趋势与GEP的日总值变化相同，在第200天附近达最大值。从NEE值的波动范围来看，2008年波动幅度最大，2010年次之，2009年NEE值波动幅度最小。这也与三年GEP的波动幅度相符。说明克氏针茅草原生态系统固碳能力的强弱与此生态系统初级生产力的变化一致。 图2 2008年至2010年Reco日总值变化Fig.2 The Reco changes from 2008 to 2010 图3 2008至2010年NEE日总值变化Fig.1 The NEE changes from 2008 to 20103.2 土壤环境因子日变化3.2.1 土壤温度日变化 从图4可知，2008至2010年土壤温度的日变化趋势基本相，呈倒“U”型。从0到第200天，土壤温度先随时间变化升高，至第200天附近达最大值，而后随着时间变化减小，呈对称图形。 图4 2008至2010年土壤温度的日变化Fig.4 The temperature changes of soil from 2008 to 20103.2.2 土壤水分日总值变化由图5可知，2008至2010年土壤水分随时间变化先增后减。最小值在0.0490.056m3m-3间波动，其中2008、2010年土壤水分于第200天达最大值，这与碳通量变化呼应。 图5 2008至2010年土壤水分的日变化Fig.5 The soil moisture changes from 2008 to 20103.3 土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统碳通量的影响 图6为2008至2010年年生长季克氏针茅草原生态系统GEP随土壤环境温度的变化图。从图中可以看出， 生长季内，GEP与土壤温度呈二次方关系，显著性检验结果表明，GEP与土壤温度呈极显著的相关（p0.01，下同）关系。从拟合的趋势线上可看出，在研究区域内的常见的温度范围内，克氏针茅草原生态系统GEP绝对值随土壤温度的升高而增大，说明在生长季内，土壤温度对该生态系统的初级生产力的影响为正效应。图6 2008年至2010年土壤温度对GEP的影响Fig.6 The effect of soil temperature on GEP from 2008 to 2010图7显示了2008至2010年土壤水分对克氏针茅草原生态系统GEP的影响。从图中可以看出，GEP随土壤水分变化呈“U”型，GEP与土壤温度呈现较明显的二次方关系，显著性检验结果表明，克氏针茅草原生态系统生长季的GEP与土壤温度呈极正显著相关关系。当土壤水分小于0.15m3m-3时，克氏针茅草原生态系统GEP的绝对值随着土壤水分的增大而增大；反之，土壤水分大于0.15m3m-3时，GEP的绝对值随着土壤水分的增大而减小。说明对于克氏针茅而言，当土壤水分保持在大约0.15m3m-3时，可以使该生态系达到最大的初级生产力。图8、图9分别为2008至2010年克氏针茅草原生态系统Reco随土壤温度和土壤水分的变化图。从图中可以看出，克氏针茅草原生态系统呼吸作用与土壤温度呈极显著的指数关系。在研究区的温度变化范围内，Reco随着土壤温度的升高呈指数升高。与之相反，Reco与土壤水分呈极显著负相关。Reco与土壤水分之间为二次方关系，随着土壤水分含量的增加，该生态系统呼吸作用先增加后减弱。 图7 2008至2010年土壤水分对GEP的影响Fig.7 The effect of soil moisture on GEP from 2008 to 2010 图8 2008至2010年土壤温度对Reco的影响Fig.8 The effect of soil temperature on GEP from 2008 to 2010图10、图11为2008年克氏针茅草原生态系统净碳通量NEE随土壤环境因子变化图。NEE与土壤温度成极显著负相关、与土壤水分成极显著正相关，且均以二次曲线拟合效果最好。2008年全年NEE绝对值随土壤温度、水分含量的升高，其增加趋势不明显。当土壤温度达到20或者土壤水分达0.15m3m-3时，NEE绝对值升高较明显。生长季NEE随土壤环境因子变化幅度较大。在非生长季，NEE随土壤温度的变化不明显；生长季期间，NEE值随土壤温度变化非常显著。其中，在非生长季，随着土壤温度变化，NEE的值在1至-0.5gm-2d-1间波动，曲线非常平缓。在2008、2009年生长季，NEE值变化范围较大，在1至-2gm-2d-1间波动，并于20其绝对值达最大，为3.6gm-2d-1。由于克氏针茅草原处于大陆性半干旱地区，生长季与非生长季土壤水分变化不大，土壤水分分布在0.049至0.26m3m-3间。土壤中水分含量约为0.11至0.16m3m-3，NEE波动较大，为1至-2gm-2d-1，说明此含量的土壤水分能极大地促进该生态系统净碳通量的增长；土壤水分含量较高时（0.16gm-2d-1以上），NEE值降低并逐渐趋向于0值，此时为由非生长季进入非生长季时期。其分布特征与2008年相似。与2008年相比，2009年全年克氏针茅草原生态系统全年的固碳能力、初级生产力以及呼吸作用均有所下降。这跟2009年土壤水分较少，土壤温度较低有关。图9 2008至2010年土壤水分对Reco的影响Fig.9 The effect of soil moisture on Reco from 2008 to 2010图10 2008年至2010年土壤温度对NEE的影响Fig.10 The effect of soil temperature on NEE from 2008 to 2010图11 2008至2010年土壤水分对NEE的影响Fig.11 The effect of soil moisture on NEE from 2008 to 20103.4 结果分析由SPSS统计软件检测结果表明以上所有方程的自变量和因变量都达到了极显著相关（p0.01），说明土壤环境因子是克氏针茅草原生态系统碳通量的重要驱动因子。 综合2008至2010年克氏针茅草原生态系统碳通量日总值变化及碳通量与土壤温度的关系，可以知10cm土壤层温度与克氏针茅草原生态系统初级生产力、净碳通量的关系均可用二次方程表示，与呼吸作用的关系可用指数方程表示。随着土壤温度的升高，GEP绝对值增加，说明土壤温度升高能使克氏针茅草原生态系统碳固碳能力增加。由图知，在相同温度范围内，三年的变化趋势基本相同。即该生态系统呼吸作用随土壤温度升高而增强。分别对比三年中土壤温度对GEP、Reco、NEE的决定系数可知，土壤温度对该生态系统呼吸作用的影响较另外两者更大。2008至2010年土壤水分对克氏针茅草原生态系统初级生产力、呼吸作用、净碳通量的影响用二次方程拟合效果较好。GEP与土壤水分成“U”型关系，土壤水分达0.15m3m-3时出现极值。当土壤水分小于0.15m3m-3时，GEP绝对值随着土壤水分的增加而增大。说明当土壤水分小于0.15m3m-3时，有利于此生态系统的初级生产力增加。当土壤水分大于0.15m3m-3后，GEP绝对值随着土壤水分的增加而减小；说明这个量级的土壤水分可以使初级生产力降低。土壤水分含量增加有利于克氏针茅草原生态系统的呼吸作用，对NEE的影响不大。4 结论（1）2008至2010年各生长季内，土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统年尺度内的GEP呈现极显著相关性；土壤环境因子也与2008至2010年土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统Reco、NEE呈现极显著相关性。（2）2008至2010年土壤环境因子对克氏针茅草原生态系统年尺度内GEP、NEE与土壤环境因子（土壤温度、土壤水分）二次方拟合效果最好。Reco与土壤温度呈指数关系，与土壤水分成二次方关系。（3） 土壤温度的升高或者土壤水分的增加都能提高克氏针茅草原生态系统的初级生产力及呼吸作用及净碳通量。其中，土壤温度对这三者的作用更为明显。 参考文献1 耿元波,董云社,齐玉春.草地生态系碳循环研究评述J.地理科学进展, 2004, 23(3): 7481.2 赵有益,龙瑞军,林慧龙,等.草地生态系统安全及其评价研究J.草业学报, 2008, 17 (2): 143150.3 Graetz.Changes in land use and land cover A.A Global PerspectiveC.Cambridge:Cambridge 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