内蒙古农牧交错带草地和小麦生长季生态系统碳通量的变化

内蒙古农牧交错带草地和小麦生长季生态系统碳通量的变化

co植被气候。另外,土地利用变化是影响陆地碳源和碳汇变化的主要因素之一,一方面土地利用直接改变了生态系统的类型,从而改变了生态系统的NPP量及相应的土壤有机碳的输入。另一方面,由于土地利用潜在改变了土壤的理化属性,从而改变了土壤呼吸对温度响应的敏感度,反过来又会间接影响气候变暖条件下土壤有机碳释放的强度,从而影响土壤碳储量的变化(周涛和史培军,2006)。田洪艳等(2001)在草原上选择不同开垦年限的农田进行调查研究发现,随开垦年限的增加天然植被积累的土壤有机质经多年耕种逐渐被消耗,土壤有机质含量逐渐减少。据1998年统计,全球范围内草地开垦成农田导致1cm深土层内的土壤碳损失20%~30%位于内蒙古自治区锡林郭勒盟南部的多伦县,地处浑善达克沙地南缘,总面积3773km1研究场所和方法1.1苏集山510年研究地点设在内蒙古锡林郭勒盟农牧交错区——多伦县十三里滩的克氏针茅草地生态系统。地理范围为115°50′~116°55′E,41°46′~42°39′N。低山丘陵地貌,海拔在1150~1800m之间。属于中温带半干旱大陆性气候,四季分明,冬季严寒漫长,无霜期短(100d左右),年均气温为1.6℃,最暖月(7月)平均气温为18.7℃,最冷月(1月)平均气温为-18.3℃,≥10℃积温为1917.9℃,气温年较差和日较差较大,日照充分。年均降水量为385.5mm,多集中于6~8月,且降水年际变率极大(陈佐忠,1988)。土壤主要为栗钙土,土壤0~20cm深的有机质含量为1.14%±0.15%,土壤全氮含量为0.14%±0.01%,容重约为(1.40±0.04)g·cm与其相距不到100m处是耕作六、七十年的农田,一般该地区的农作物一年一茬,多在4~5月播种,8~9月收获。主要农作物是小麦(Triticumaestivum)、莜麦(Avenanuda)和荞麦(Fagopyrumesculentum),少量黍子(Setariaitalica)和玉米(Zeamays)等。本研究选取主要农作物——小麦田为研究对比对象,其土壤0~20cm深的有机质含量为1.33%±0.06%,土壤全氮含量为0.15%±0.01%,土壤容重约为(1.20±0.03)g·cm1.2土壤气体交换测定分别在克氏针茅草地生态系统和小麦田生态系统各选取5个0.5m×0.5m的样方,共10个,每个样方都在测定前两周安装同化箱基座(0.5m×0.5m),基座高8cm,插入土壤约5cm深。测定群落气体交换测定装置主要包括透明同化箱(透光度在90%以上)、红外线分析仪Li-840(美国Licor公司)、气泵(12V)、电池和笔记本电脑。透明同化箱大小为0.5m×0.5m×0.5m,里面安装了两个风扇以混合均匀箱内的气体,同时还安装了一个数字温度计以检测箱内的温度。此系统为闭路系统,箱内的气体由气泵抽到红外线分析仪Li-840进行大气CO大气温度(Ta)、光辐射(PAR)、土壤温度(Ts)等环境因子的数据由中美碳联盟(USCCC)的气象站提供。1.3地上生物量lai的测定2006年从生长季开始采用样方收割法进行叶面积指数和生物量数据的测定和收集,直至生长季结束。在每个样地取4个0.5m×0.5m大小的样方,地上部分全部收获,区分死的和活的,并挑出所有绿色叶子,通过叶面积仪(Li-3050A,美国Licor公司)进行扫描得出所有绿色叶的叶面积然后除以样方面积即为LAI;将所有地上活的样品在65℃烘干,称重得出地上生物量。草地生态系统的测定频次是每两周1次,而小麦生态系统在生长高峰期测定的频次是1周1次。2结果2.1构建不确定差别两个生态系统相距不到200m,因此两个样地之间的Ta和PAR几乎没差别(图1)。在整个测定阶段,除在测定初期和末期Ta相对较低外(平均15℃以下),其余时期Ta比较恒定,保持在20℃左右,同时大气有效光辐射PAR在800~1400µmol·m2.2最大上生物量的季节动态草地生态系统的地上生物量(BA)自进入生长季(5月)就开始一直线性增加至DOY221到最大(213.7g·m从7月中旬(DOY192)开始,分别对两个样地的地上生物量进行了细分:绿色叶片、枯叶、茎和生殖穗(表1)。可以看出,最大绿叶生物量时期也正是LAI最高点;之后,绿叶的生物量开始下降,草地从DOY234开始下降,小麦田从DOY207开始下降。这时枯叶的生物量开始增加,草地的枯叶到末期DOY266达到最大(34.7g),而小麦田的枯叶到DOY228就达到了最大(88.0g),之后有减少的趋势。对于两个生态系统来说,当地上生物量最大时,茎的生物量也最大。草地生态系统的生殖穗的最高值发生在生物量最大值,而小麦田的生殖穗的最高值发生在生长期末期。2.3两个生态系统群落的气体交换季节变化2.3.1两个生态系统的nbe两个生态系统的NEE有明显的季节变化(图3a)。草地生态系统的NEE由生长初期的-1.71µmolCO两个生态系统相比,在生长初期的NEE没有显著差异;至6月下旬(DOY177)小麦田的NEE(-8.89µmolCO2.3.2两个群落的呼吸季节变化两个生态系统的群落呼吸(TER)也有明显的季节变化(图3b)。草地生态系统的TER由生长初期的5.65µmolCO2.4两个生态系统群落立法特征在DOY169,对两个生态系统分别进行了群落气体交换日变化的测定,发现两个生态系统的群落气体交换日变化趋势相同,数值上也没有显著的统计学差异(图4)。群落初级同化速率(PA)的最高值都出现在9:00左右,而TER的最高值都发生在12:00左右,NEE在12:00左右明显受到抑制。两个生态系统的TER的日变化很接近;草地生态系统的PA上午低于小麦田的PA,而下午两者基本接近;因而草地生态系统的NEE上午低于小麦田的NEE。并且在中午当NEE受到抑制后,下午草地生态系统的NEE恢复的力度大于小麦田(图4a)。2.5两个生态系统群落气体交换的影响运用多元逐步回归分析发现,生物因子(叶面积指数LAI、地上生物量BA)和非生物因子(土壤含水量VWC和土壤温度Ts)中,只有LAI对生态系统的净气体交换NEE有显著性影响(R2.5.1两个生态系统中的nee和lai之间的关系草地生态系统的NEE与LAI有显著的线性关系(R2.5.2ter与ts的关系两个生态系统TER均随Ts的升高而增加(图6);草地生态系统TER与Ts有显著的线性关系(R两个生态系统TER均随VWC的升高而增加(图7);草地生态系统TER与VWC有显著的线性关系(R3讨论3.1植物光照和干旱胁迫的季节和生长策略在本研究中,尽管整个生长季里PAR的日最大值出现在正中午,但两个生态系统的NEE的最高值出现在上午。NEE日变化的这种不对称分布与Li等(2005)在蒙古典型干旱草原的研究结果相似。近中午和午后期间由于高温限制了酶活性以及在强光下较高的VPD导致气孔关闭,生态系统的碳同化作用受到限制。由于午间的强光和高温,半干旱地区许多植物发生光合作用的午间抑制是非常普遍的一种现象(Matosetal.,1998;Zhang&Gao,1999;Fuetal.,2006),也是植物的一种自我保护机制,是一种生存策略(Chavesetal.,2002)。然而,TER的日变化与NEE的日变化不同,最高值出现在中午,和温度有较好的相关。此外,在中午当NEE受到抑制后,下午草地生态系统的NEE恢复能力大于小麦田,说明草地生态系统的植被与农作物相比对干旱胁迫有一定的抗性或耐性。干旱半干旱地区的植被对干旱胁迫的耐性现象是比较常见的(Gratani&Varone,2004;Matosetal.,2004;Chenetal.,2006),这是植物长期适应本地环境的结果,有利于植物的生存(Ni&Pallardy,1991)。生长季测定期间,草地生态系统平均群落净气体交换NEE为-5.33µmolCO在生长季测定期间小麦田的平均群落净气体交换NEE为-7.66µmolCO3.2两个生态系统群落气体交换的季节变化和土壤温度的变化影响草地NEE主要是LAI。NEE随LAI的增加而线性增加,86%NEE的变化可以用LAI来解释这跟很多研究结果类似。Li等(2005)对蒙古典型草原的研究发现NEE与LAI呈线性关系,并且26%的NEE的变化能被LAI的变化所解释。Dugas等(1999)曾研究发现大豆田由于较高的LAI,使得其白天生态系统的净碳通量远超过了百慕大草地和典型草原的净碳通量。对于我们研究的小麦田生态系统,在整个生长季也因高的LAI而使其平均NEE高于草地的平均群落净气体交换。但在生长中后期(LAI>0.5),草地生态系统NEE随LAI的变化较小麦田的敏感(图5),这应该跟小麦的生长特性有关,即生长快,生长期短,且大部分时间用于茎和生殖穗的生长(表1)。很多研究表明,温度和水分是控制陆地生态系统碳通量的重要环境因子(Zhaetal.,2004;Xu&Baldocchi,2004;Lietal.,2005))。两个生态系统TER均随土壤温度、土壤含水量的升高而线性增加,并且发现草地生态系统的TER对土壤温度的敏感性稍高于小麦田,这可能跟生长旺季小麦田的土壤含水量相对较低有关(草地生态系统的VWC平均比小麦生态系统VWC高出5%左右,图1)。有报道指出农作物用水的99%是通过蒸腾而散失的(张永强等,2002),这是由于农作物有较强的光合作用,使得冠层对CO4生态系统碳量的变化在干旱半干旱区域,通过同化箱式法观测对比研究生长季草地生态系统和小麦田生态系统碳通量的变化,发现两个生态系统NEE的变化有明显的日和季节规律,LAI是决定该区域NEE的主要因子。尽管小麦田因LAI高,作物生长快,生长期间整个生态系统群落平均气体净交换量比草地的高,但因其生长期短,并且到生长结束后,大部分的生物量会被农民收获,因而净存留在该生态系统的碳量减少了。草地生态系统的绿色LAI从生长季初(DOY119)的0.03线性增加到旺季的0.97