中亚热带红壤侵蚀裸地植被恢复后土壤呼吸日动态

中亚热带红壤侵蚀裸地植被恢复后土壤呼吸日动态

随着国际气候变化谈判中土地利用、土地利用的变化和森林问题的发展，碳交换项目被纳入一号生态系统碳（c）的储存潜力。对于国际生态系统的碳吸收和储存潜力是普遍的。lal假设，当退化土壤恢复有机碳的60%75%时，世界退化土壤的碳吸收和储存潜力为0.30.8pga-1。中国亚热带山区的山区是土壤侵蚀最严重的地区之一，水土壤侵蚀的生态恢复也取得了巨大成就，但缺乏对碳吸收和储存的研究。土壤呼吸是碳从地面生态系统进入大气的最重要方式。每年土壤释放的碳约占世界碳预算的10%，而侵蚀后土壤植被的变化将显著影响退化土壤碳吸收和储存的精确估计。国内外关于土壤呼吸的研究很多，但主要集中在森林、牧场、耕地和土壤呼吸的影响因素上。然而，对于侵蚀后土壤植被的变化，关于土壤呼吸变化的报道很少。碱吸收法（碱性吸痰法）是一种传统的土壤呼吸法，可以满足野外条件下大规模的批观测，并获得大规模的土壤呼吸数据。然而，由于aa法的精度较低，因此采用了具有精确测量结果的封闭式通风红外气体分析仪（iga）。虽然irga法可以连续监测b2的体积，但设备价格昂贵，因此限制了几个点的同时测量。为了研究aa法与imga法之间的差异以及与现有土壤溶菌法的结果之间的比较，对国内外aga法和iga法的测定结果进行了对比研究。然而，由于不同地区的温度和湿度动态变化较大，这将影响asa法和ia法的测定结果。因此，有必要对不同地区的irga法和asa法的测定结果进行比较研究。自2004年以来，在福建省长汀县河田市，使用irga法（两种机器：li-6400和li-8100）测量了不同季节土壤呼吸变化的日变化，并将平均土壤呼吸率与gaa法进行了比较。1试验地基本情况长汀县河田镇地处福建西部,116°18′～116°31′E,25°33′～25°48′N,属中亚热带季风气候区.年均降雨量1737mm,年均气温17.5～18.8℃,平均无霜期260d,平均日照时数1924.6h,≥10℃积温为4100～4650℃.河田镇属河谷盆地,低山高丘环抱四周,海拔300～500m.土壤为燕山运动早期形成的中粗粒花岗岩发育的红壤,抗蚀能力低.地带性植被(常绿阔叶林)破坏殆尽,现有植被主要以马尾松(Pinusmassoniana)次生林和人工林为主,结构简单,生长差.河田镇是全国极强度水土流失区之一,许多地方表土层丧失殆尽,地表干热化严重,土壤肥力极低,植被恢复困难.据2003年土壤侵蚀遥感资料,该镇水土流失面积达13586.83hm2,占全镇土地面积的46.68%.试验地均位于长汀县河田镇,包括裸地(植被恢复前的对照),在裸地上治理恢复的马尾松林地、板栗(CastaneamollissimaBlume)园及百喜草(PaspalumnotatumFlügge)地(治理前均为A层土壤流失殆尽,B层出露,本底条件相似)和次生林(植被恢复后的参照系统).各试验地基本情况见表1.2土壤呼吸检测在每个试验地中随机布设5个小区,在测定之前齐地剪去小区地面植被,并于次生林和马尾松林2个林地中分别进行保留和清除枯枝落叶层处理.于2004年7月下旬和11月上旬,2005年1月中下旬和4月下旬(分别代表夏季、秋季、冬季和春季)各选定1天,用便携式光合作用测量系统(Li-6400)配合土壤叶室(Li-6400-09)每隔2h测定土壤呼吸速率,根据不同时段CO2排放速率,计算出一天的CO2排放量.其中冬季仅观测白天的土壤呼吸速率(冬季晚间温度低于Li-6400的工作范围),由于在春、夏、秋季中测量中,发现9～11时的土壤呼吸速率最接近1天的平均值,因此冬季以9～11时土壤呼吸的平均值作为日平均值.测量之前将土壤叶室的基座(自制的不锈钢基座)提前24h用铁锤轻轻敲入土中2～3cm,5次重复,经过1天的平衡,埋设基座时对土壤呼吸的干扰基本得以消除.每次测量时,把土壤呼吸室靠近土表,观察Li-6400显示的土壤呼吸室内CO2浓度背景值.把6400-09安放在基座,调整制动环的高度使土壤呼吸室尽量贴近土表,土壤温度探针在土壤呼吸室旁插入到土壤5cm深度处.进入测量菜单,以CO2浓度背景值作为目标值,并选择一个适应研究需要的delta值为变化范围,输入土壤呼吸室插入土壤的深度值(为负值),输入循环测量的重复次数为3次,数值记录方式设定为最终的计算结果和瞬时观察值两者同时记录.按下开始键开始测量,根据提示输入保存数据的文件名,并加标识,开始测量.同时,用原位碱液吸收法测定24h土壤表面CO2排放量,即在小区内将已盛有20mLNaOH溶液(1mol·L-1)的玻璃广口瓶置于离地面约2cm的小三角架上,迅速用自制的直径20cm的镀锌铁皮桶(30cm高,一边开口,一边密闭)作为密闭室,倒扣嵌入土壤表层约5cm,并盖土砸实以确保桶与外界无气体交换,每个试验地设置10个重复,同时做3个空白作为对照.24h后取出装有碱液的玻璃瓶,迅速密封后带回实验室,用标准盐酸溶液(1mol·L-1)滴定.0～5cm处地温、气温和土壤相对湿度由Li-6400在测定土壤呼吸速率同时测定.3结果与讨论3.1不同植被类型对土壤呼吸速率的影响侵蚀裸地不同季节土壤日呼吸速率为0.11～0.18μmol·m-2·s-1,植被恢复显著增加了土壤日呼吸速率,马尾松林、板栗园和百喜草地土壤日呼吸速率分别为1.70～5.22μmol·m-2·s-1、0.54～3.24μmol·m-2·s-1和1.10～6.42μmol·m-2·s-1.但植被恢复对土壤呼吸速率日变化曲线的趋势没有影响,侵蚀裸地及植被恢复后土壤呼吸速率日变化一般均呈单峰曲线,最高值一般出现在下午13∶00～17∶00,最低值出现在凌晨3∶00～7∶00,与温度(气温和土温)的最高值和最低值出现时间基本同步(图1),土壤呼吸速率日平均值一般出现在上午9∶00～11∶00.植被恢复后,不同季节土壤呼吸日变化幅度(1天中土壤呼吸速率最高值与最低值之差除以1天的平均值)为10%～82%,而侵蚀裸地土壤呼吸日变化幅度为70%～118%,表明植被恢复后土壤呼吸速率的日变化幅度下降.植被恢复后不同季节土壤呼吸速率日变化幅度亦有明显差异,夏季侵蚀裸地的土壤呼吸速率日变化幅度为118%,植被恢复后下降到30%～67%,春季和秋季裸地的土壤呼吸速率日变化幅度分别为84%和89%,植被恢复后土壤呼吸速率日变化幅度分别为50%～70%和35%～82%.不同植被类型对土壤呼吸速率日变化幅度的影响程度亦不同.马尾松林和次生林不同季节的土壤呼吸日变化幅度分别为16%～70%和10%～67%,春季最高,而侵蚀裸地不同季节的土壤呼吸速率日变化幅度为70%～118%,夏季最高,这主要是林地显著的改善了土壤温度的日变化幅度,裸地不同季节的土温日变化幅度为4.5～10.5℃,而马尾松林和次生林不同季节土温的日变化幅度分别为1.9～3.7℃和1.2～3.2℃,而土壤温度是土壤呼吸的主要影响因素.板栗园和百喜草地不同季节土壤呼吸的日变化幅度分别为42%～57%和40%～82%,高于林地,而土壤温度的日变化幅度分别为6.7～8.3℃和6.7～9.0℃,亦高于林地.而秋季和冬季土壤温度日变化幅度甚至高于裸地(秋季板栗落叶而百喜草已枯死,地面缺乏植被遮蔽),但土壤呼吸日变化幅度仍比裸地低,表明土壤呼吸日变化不仅受土壤温度的控制,还受土壤湿度、微生物类群等因素的影响.多数研究结果表明土壤呼吸日变化动态与土壤温度日变化动态基本一致,呈明显的单峰曲线.中亚热带东部青冈常绿阔叶林、毛竹林和茶园3种群落土壤呼吸速率于12∶00～14∶00最高,早晨和傍晚时较低,北京山地温带森林秋季的土壤呼吸日变化12∶00～16∶00最高,黎明前最低,与土壤温度变化趋势基本一致,六盘山林区天然次生林、人工林、农田、草地的土壤呼吸速率最高值出现在13∶00～15∶00,最低值出现在凌晨4∶00～8∶00,这些研究结果虽然地处不同纬度,但都与本文的研究结果相似,表明温度是控制土壤呼吸速率日变化的主要因素.但土壤呼吸速率的日变化同时也受到当日降水情况、云量、风速等气象条件以及植物种类的影响,因而并不与土壤温度昼夜变化完全一致.如辽东栎林土壤呼吸日变化13∶00左右最高,9∶00以前或15∶00以后相对较低,日变化幅度随天气状况而发生变化.西藏高原农田生态系统(冬小麦、青稞)由于土壤温度很低,越冬期的土壤呼吸速率日变化不明显.峨眉冷杉林区土壤呼吸速率的最高值出现在20∶00～22∶00,而最低值出现在凌晨4∶00左右,而采伐迹地受降雨影响,最低值出现在18∶00.3.2不同季节和不同性别土壤呼吸速率的变化IRGA法测定的土壤呼吸速率在0.11～6.65μmol·m-2·s-1之间,AA法测定土壤呼吸速率在0.14～3.31μmol·m-2·s-1之间(图2),AA法测定的土壤呼吸速率为IRGA法的27.5%～218%,平均为76.2%.土壤呼吸速率越高,二者差异越大,土壤呼吸越低,差异越小,当土壤呼吸速率小于0.2～0.3μmol·m-2·s-1(约207～311mg·m-2·d-1)时,AA法测定的土壤呼吸速率高于IRGA法,为IRGA法的136%～218%,平均为IRGA法的177%,平均比IRGA法高估了77%;当土壤呼吸速率大于0.2～0.3μmol·m-2·s-1时,AA法测定结果为IRGA法的27%～93%,平均为IRGA法的59%,平均比IRGA法低估了41%.土壤呼吸速率较高时,AA法低估了土壤CO2的释放,因为密闭室内CO2扩散速度比碱液吸收CO2的速度快,CO2积累,使气室内CO2浓度高于土壤的CO2浓度,从而抑制了土壤CO2释放速率.同时,碱液吸收CO2后,表层溶液饱和,向下层溶液扩散的速率较慢,因而CO2的吸收速率随时间增加而下降.而在土壤呼吸速率较低的情况下,密闭室内的碱液对CO2吸收的速率快于土壤排放CO2的速率,造成密闭室内的CO2浓度低于土壤中的CO2浓度,加速了土壤CO2的释放速率,因而造成结果偏高.Nay等通过模拟试验认为,在CO2通量较高时,AA法测定值比理论值低估了57%,而在CO2通量较低时,AA法高估了约25%.Jensen等则认为在土壤呼吸速率高于100mg·m-2·d-1时,IRGA法测定结果最高可比AA法的高5倍,在土壤呼吸速率低于100mg·m-2·d-1时,IRGA法仅为AA法的12%左右.Yim等应用AA法测定的土壤呼吸速率为IRGA法的79%～128%,当土壤呼吸速率高于300mg·m-2·d-1时,AA法测定结果平均比IRGA法的低19%,反之,AA法测定结果平均比IRGA法的高26%.King和Harrison测定的结果则认为在土壤呼吸速率高于0.9g·m-2·d-1时,AA法低估了土壤呼吸速率,反之,则高估了土壤呼吸速率.杨晶等则认为土壤呼吸速率低于0.42g·m-2·d-1时,AA法测定结果比IRGA法的高26%,反之,AA法测定结果是IRGA法的69%.AA法的气室经过24h的密闭,气室内的温度与湿度发生改变,从而影响观测精度,而布置密闭气室时对土壤的扰动也将影响土壤呼吸速率.由于土壤CO2通量对压力的波动非常敏感,密闭的气室在压到土壤表面时将导致显著的压力变化,将影响土壤CO2的扩散速率,而土壤水蒸气和气室头部对空气的加热也会导致气压增大,因此Li-6400-09土壤呼吸室设计成透气的,使气室内外的气压动态平衡,从而减小测定误差.使用Li-6400-09系统测量土壤CO2通量取决于气室中CO2浓度,随着气室内CO2浓度升高土壤CO2通量明显下降,Healy等发现气室对土壤气体浓度梯度产生干扰,并将导致低估土壤CO2通量真实值,由于Li-6400-09是在设定浓度下的最终土壤呼吸值,因此观测前准确的设定CO2浓度的背景值和δ值将降低这种误差.气室内的风速也影响观测结果,Li-6400气室内土壤表面1cm高的风速为0.4m·s-1,高于森林土壤表面风速(通常土壤表面2cm的风速在0.1～0.2m·s-1之间),风的扰动增强,从而高估了土壤呼吸速率,而在刮风环境下,风吹动时使土壤呼吸室泄压口处产生气压波动,从而影响观测值的稳定性.此外,由于土壤呼吸的异质性大,而Li-6400-09呼吸室设计面积过小(71.6cm2),使用土壤隔离环面积也仅为80cm2,也是导致观测误差的重要原因之一.土壤呼吸速率最高的夏季,AA法的测定结果平均为IRGA法的50.9%,而土壤呼吸速率>0.3μmol·m-2·s-1时,AA法的测定结果平均仅为IRGA法的35.3%.冬季AA法的测定结果平均高于IRGA法,是IRGA法的104.3%,在土壤呼吸速率>0.3μmol·m-2·s-1时,AA法的测定结果是IRGA法的85.3%,2种方法测定结果很接近.这主要是由于夏季的土壤呼吸速率较高,而冬季的土壤呼吸速率较低,因而不同季节用2种方法测定的结果差异变大.对2种方法测定的土壤呼吸速率进行相关分析,发现IRGA法和AA法测定结果之间具有明显的幂函数关系(y=1.5145x1.5213,R2=0.91,p<0.01,图3),相关性明显大于线性函数的(R2=0.78).这个结果与我国温带草本群落测定结果并不一致,杨晶等发现IRGA法与AA法的测定结果具有极显著的线性相关关系(R2=0.87,p<0.01).这主要与测定时土壤呼吸速率的大小和变化幅度有关,农牧交错区草本群落的用IRGA法测定的平均土壤呼吸速率在312～2043mg·m-2·d-1之间,相应用AA法测定的土壤呼吸速率在394～894mg·m-2·d-1之间,AA法测定的土壤呼吸速率平均是IRGA法的44%～126%;而本文用IRGA法测定的土壤呼吸速率在83～6895mg·m-2·d-1之间,相应AA法测定的土壤呼吸速率在197～3432mg·m-2·d-1之间,AA法测定的土壤呼吸速率平均是IRGA法的27%～300%.本研究的土壤呼吸速率范围更