青海湖小泊湖濕地不同群落土壤呼吸及溫濕度因子響應(yīng)

劉志凌，陳克龍，王記明，廖振軍，蘆寶良

（青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧810008）

1 引言

土壤呼吸是陸地碳循環(huán)的一個(gè)重要過程，土壤呼吸作用嚴(yán)格意義上講是指未受擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用［1］，包括3個(gè)生物學(xué)過程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤動(dòng)物呼吸）和1個(gè)非生物學(xué)過程（含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用）。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，而且已經(jīng)成為陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣中釋放CO2最大的源，也是人類活動(dòng)影響大氣CO2濃度升高的關(guān)鍵生態(tài)學(xué)過程，很早就受到研究者的關(guān)注［2］。高寒地區(qū)草地?fù)碛胸S富的碳儲(chǔ)量，占全國草地生態(tài)系統(tǒng)的40.1%，其中95%的碳儲(chǔ)存在土壤中，約占全國土壤碳儲(chǔ)量的55.6%［3，4］。在全球變暖的大背景下，土壤呼吸與溫室效應(yīng)之間正反饋關(guān)系勢必影響到未來高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)及整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能與全球氣候變化的趨勢，小泊湖濕地作為青海湖地區(qū)高寒濕地之一，其研究對(duì)高寒沼澤濕地土壤碳排放有很重要的意義［5］。

2 研究區(qū)域概況

青海湖東岸小泊湖濕地位于東經(jīng)100°46′85″～100°47′21″，北緯36°41′73″～36°42′25″，海拔在3216～3221m，屬于青海省海南藏族自治共和縣，距離湖東種羊場西北約6km，小泊湖濕地是青海湖生態(tài)景觀的一個(gè)縮影，它是青海湖水位下降后遺留下來的沼澤草甸濕地（圖1）。小泊湖濕地區(qū)域呈東西長而南北窄，面積約240hm2。該區(qū)域野生動(dòng)物資源豐富，景色秀美，風(fēng)光旖旎，現(xiàn)已列入國際濕地資源區(qū)和青海湖國家名勝風(fēng)景區(qū)之一。

圖1 青海湖流域小泊湖濕地

3 研究方法

3.1 樣地設(shè)置

樣地設(shè)在小泊湖濕地內(nèi)，距小泊湖濕地保護(hù)站100m，自南向北分別選取6種群落，每個(gè)群落隨機(jī)選取2m×2m的樣方兩個(gè)，分別是芨芨草群落、芨芨草＋馬蓮花群落、馬蓮花群落、華扁穗群落、苔草（臺(tái)地）群落、苔草（洼地）群落。其中前三種群落位于高寒草甸，后三種群落位于高寒沼澤濕地，相鄰兩個(gè)群落間距約為30m左右，呈帶狀分布。在2m×2m的樣方內(nèi)各放入一個(gè)直徑為20cm、高度為14cm的PVC管，將PVC管嵌入土壤中，內(nèi)圈高出土壤表層2cm，經(jīng)24h的平衡后，土壤呼吸速率恢復(fù)到基座放置前的水平，從而避免由于安置氣室對(duì)土壤擾動(dòng)造成的短期內(nèi)土壤呼吸速率的波動(dòng)。測定前一天將圈內(nèi)群落露出土壤表層的部分剪去［6］。

3.2 土壤呼吸速率日變化特征的測定

利用土壤碳通量自動(dòng)測量系統(tǒng)LI－8100A測定土壤呼吸速率。從早晨6：00至夜間24：00每隔2h測定一組土壤呼吸值，深夜0：00至早晨6：00每隔3h測定一組土壤呼吸值。測量選取兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，一是在群落生長季最高峰2012年8月上旬的一天，在天氣晴朗的條件下進(jìn)行日進(jìn)程測量。二是在9月上旬的一次降水前后測定土壤呼吸速率日變化［7］。

3.3 土壤溫濕度數(shù)據(jù)來源

土壤表層5cm地溫和濕度由LI－8100A自帶測量系統(tǒng)測定。

3.4 氣象數(shù)據(jù)來源

大氣溫度與大氣相對(duì)濕度由自動(dòng)氣象站測定，自動(dòng)氣象站長期測量，每半小時(shí)記錄一組數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)處理

利用軟件Microsoft Excel以及SPSS19.0對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和圖形處理。

4 結(jié)果與討論

4.1 不同群落土壤呼吸速率日變化特征及溫度因子對(duì)其的響應(yīng)

由圖2可知，在不同群落土壤呼吸日變化中，馬蓮花群落土壤呼吸速率最高，芨芨草＋馬蓮花群落呼吸速率其次，最低的是華扁穗群落。芨芨草、芨芨草＋馬蓮花、馬蓮花、華扁穗、苔草（臺(tái)地）、苔草（洼地）土壤呼吸速率的日最高值分別為4.51μmol·m－2·s－1、12.22μmol·m－2·s－1、13.40μmol·m－2·s－1、2.55μmol·m－2·s－1、5.28μmol·m－2·s－1，3.89μmol·m－2·s－1。在日變化過程中，高峰值均出現(xiàn)在14點(diǎn)時(shí)刻，最低值基本出現(xiàn)在凌晨3～6點(diǎn)期間。各種群落的日動(dòng)態(tài)均成單峰曲線。早晨8點(diǎn)時(shí)，由于溫度的升高，土壤呼吸速率迅速增加，至下午16點(diǎn)出現(xiàn)高峰值。隨著午后溫度的下降，各種群落類型土壤呼吸速率也緩慢地降低。

圖2 各種群落土壤呼吸值與群落土壤表層5cm地溫日變化關(guān)系

根據(jù)不同群落土壤呼吸值與其土壤表層5cm地溫之間的相關(guān)性分析，顯示土壤溫度每個(gè)數(shù)值隨時(shí)間的趨勢變化，5個(gè)群落土壤呼吸速率的變化趨勢與土壤表層5cm地溫的變化趨勢基本吻合，說明土壤溫度對(duì)于土壤呼吸速率的影響較大，土壤呼吸速率隨著溫度的升高而逐漸增加，在中午14點(diǎn)時(shí)達(dá)到最高值，此時(shí)土壤表層5cm地溫也達(dá)到最大值，之后隨著溫度的降低而減小。高寒地區(qū)的熱量條件是增強(qiáng)土壤生命活動(dòng)以及提高生化反應(yīng)速率的主要因素［8，9］，生長季充足的降水降低了土壤水分對(duì)土壤呼吸的限制作用，使得溫度成為影響土壤呼吸的重要環(huán)境因子之一。

4.2 一次降水前后土壤呼吸日變化及濕度對(duì)土壤呼吸速率的影響

降雨數(shù)量和降雨時(shí)間的變化會(huì)引起土壤含水量的變化，從而影響土壤CO2通量。在小泊湖沼澤濕地中，水分含量較高，土壤體積含水量在45%～65%之間，在9月份上半月的一次降水前后，測定其土壤體積含水量變化不大，波動(dòng)在1%～3%之間，大氣相對(duì)濕度增加7%。此次降雨強(qiáng)度不大，但持續(xù)時(shí)間較長，降雨引起的土壤表層5cm地溫與氣溫下降明顯。一次降雨后，氣溫下降3℃，5cm地溫平均下降2℃，從而影響土壤碳通量的釋放（圖3），降雨前芨芨草、芨芨草＋馬蓮花、馬蓮花、華扁穗、苔草群落（臺(tái)地）和苔草群落（洼地）的日均值為4.93μmol·m－2·s－1、7.08μmol·m－2·s－1、6.27μmol·m－2·s－1、1.61μmol·m－2·s－1、3.11μmol·m－2·s－1和4.06μmol·m－2·s－1，降雨后分別為3.90μmol·m－2·s－1、4.18μmol·m－2·s－1、4.74μmol·m－2·s－1、0.69μmol·m－2·s－1、3.06μmol·m－2·s－1和4.50μmol·m－2·s－1。苔草群落（洼地）土壤表層被水覆蓋，土壤體積含水量為61.06%，均無變化，但其土壤呼吸速率波動(dòng)較大，且日均值小幅增加；苔草群落（臺(tái)地）降水前后土壤體積含水量均為57%，日均溫升高0.5℃，土壤呼吸速率在降雨后有所減小，但幅度不是很大。其余群落降雨后，土壤呼吸速率明顯減小，幅度約1～3μmol·m－2·s－1。

圖3 一次降水前后土壤呼吸日變化特征

土壤濕度是影響土壤呼吸的重要因子，表層土壤含水量波動(dòng)較大，與土壤呼吸間的關(guān)系可能更明顯［10，11］，土壤地表溫度對(duì)土壤呼吸速率的影響一致時(shí)芨芨草、芨芨草＋馬蓮花、馬蓮花、華扁穗、苔草（臺(tái)地）群落表層土壤含水量的增加會(huì)抑制土壤CO2釋放的速率，苔草（洼地）群落水分條件較高，表層土壤含水量在60%以上，但其土壤呼吸速率隨濕度的增加而小幅增長，由此，濕地各群落表層土壤含水量較高，抑制了土壤的CO2的釋放。

土壤濕度對(duì)前5種群落土壤呼吸速率呈極顯著正相關(guān)影響，表明土壤水分對(duì)其呼吸有促進(jìn)作用；而對(duì)苔草（洼地）土壤呼吸速率呈負(fù)相關(guān)影響，與當(dāng)土壤水分含量較低的情況下，隨著土壤水分含量的增加，土壤呼吸速率也隨著增加，但當(dāng)土壤水分含量增加到一定程度時(shí)，土壤呼吸速率則表現(xiàn)出降低的趨勢有相似之處。這可能與草甸有放牧影響，導(dǎo)致該樣地容重大、孔隙度小、透水性和水導(dǎo)率下降，土壤水分不容易快速下滲，形成積水從而減緩了呼吸速率有關(guān)。

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