土壤呼吸的温度敏感性

土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程,它所释放出的CO2是生物圈向大气圈释放CO2的主要来源之一。土壤呼吸速率对温度变化的敏感性是陆地生态系统碳循环过程中一个十分重要的环节。由于许多大尺度碳循环模型中都涉及土壤呼吸的温度敏感性这一问题,因此对该问题的回答有助于提高对当前陆地生态系统碳通量的估算和对未来气候变化预测的准确性。本文就目前土壤呼吸速率对温度变化的敏感性的主要问题进行了综述,从温度、水分、呼吸底物的数量和质量、酶促反应动力学等几个不同的方面,概述了土壤呼吸温度敏感性的变异范围较大的原因,以及这些因素对土壤呼吸的温度敏感性影响的机理。土壤呼吸是酶促的化学反应,因此其温度敏感性不仅取决于呼吸底物的质量,同样也取决于底物的有效性。

内蒙古锡林河流域土壤呼吸的温度敏感性

2004年9月-2005年9月对内蒙古锡林河流域4种草地类型的土壤呼吸速率及相关水热因子进行了野外测定,应用2种数学模型和不同温度指标对草地土壤呼吸的温度敏感性问题进行了探讨.结果表明,Van′tHoff模型对温度变化较为敏感,显示出冬季的Q10值明显大于夏季的特征,应用Arrhenius模型求算的不同季节的Q10值变化不大.在〉5℃时,Q10值的变动范围,Van′tHoff模型为1.60-2.03,Arrhenius模型为1.48-1.67,略高于全球平均值;2种模型均对水分的变化比较敏感,表现为Q10值随土壤水分的降低而升高的趋势.

暖温带-中温带过渡区4种典型森林土壤呼吸的温度敏感性

温度是全球气候变化最重要的生态因子,过渡区生态系统的能量流动和物质循环过程极易受到气候变化的影响。为揭示暖温带-中温带过渡区森林土壤呼吸对温度变化的响应,选择在暖温带-中温带过渡区分布面积较大的长白落叶松(Larix olgensis)、红松(Pinus koraiensis)、油松(Pinus tabuliformis)人工林和天然阔叶混交林4种森林类型,利用Li-8100红外气体分析仪于2010─2013年连续观测土壤呼吸速率,同时利用森林小气候梯度观测系统连续同步观测大气温度、大气降水和土壤温度等环境因子,系统研究了土壤呼吸速率动态及其温度敏感性。结果表明:长白落叶松、红松、油松和阔叶混交林的年平均土壤呼吸速率(Rs,以CO_2计)分别为(2.31±0.01)、(2.07±0.71)、(1.55±0.03)和(2.24±0.02)μmol·m^2·s^(-1);4种森林类型的Rs与10 cm土壤温度(t_(10))均具有极显著的相关关系(P=0.000<0.01);生长季期间落叶松、红松、油松人工林和天然阔叶混交林的Q_(10)值分别为3.32、4.46、4.12和3.59,其中红松人工林Rs对t10的温度变化最敏感,而天然阔叶林和落叶松人工林的敏感性相对较低。本研究还对非生长季(11月─翌年3月)期间长白落叶松人工林的土壤呼吸进行了连续监测,并依据非生长季期间土壤温度的变化,将非生长季期间的土壤呼吸分为冻结期(t_(10-mean):10.0~2.0℃)、冻融期(t_(10-mean):0.5~2.0℃)和非冻结期(t_(10-mean):>2.0℃)3个阶段。结果显示:长白落叶松人工林在非生长季期间仍有微弱的呼吸作用(以CO_2计,0.01~1.38μmol·m^2·s^(-1)),整个非生长季期间Rs与t_(10)有极显著相关关系(r^2=0.586 3,P=0.000<0.01),非生长季冻结期的Rs与t_(10)无显著相关关系(P=0.503>0.5),冻融期的Rs变化较剧烈,且较冻结期有较明显的增加;整个非生长季落叶松人工林的Q_(10)值为4.65,是生长季的1.40倍。研究结果对进一步阐明气候带过渡区不同森林类型土壤呼吸对气候变化的响应具有重要意义。

土壤呼吸的温度敏感性——全球变暖正负反馈的不确定因素

基于模型模拟结果表明,全球变暖与大气CO2浓度增加将形成正反馈关系,这种正反馈效应将明显加速21世纪的气候变暖。然而,这些模拟模型都基于一个重要假设,即不同平均驻留时间的土壤有机质分解具有相同的温度敏感性(Q10)。这一假设与酶动力学理论相悖,而且不同学者对不同质量土壤有机质分解温度敏感性的差异的认识存在严重分歧,所以,全球变暖与大气CO2浓度增加的正反馈关系的显著性仍值得商榷。围绕土壤呼吸的温度敏感性问题进行了讨论和评述,涉及1)土壤有机质分解温度敏感性争论的焦点问题;2)通过经验模型曲线拟合估计Q10值存在的分歧及Q10变异的机理解释;3)实验室土壤培养实验估计Q10值存在的问题;4)土壤培养实验中Q10值计算方法的改进。进一步深化有关土壤有机质分解温度敏感性不确定性的认识,将为今后土壤呼吸及其对气候变化响应的相关研究提供参考。

塔里木河流域干旱区棉田土壤呼吸的温度敏感性研究

利用阿克苏绿洲农田试验站连续测定的棉田土壤呼吸值及同步测定的土壤温度与湿度数据,构建通用的土壤呼吸温度敏感性模型.结合构建的模型,对5个常用的土壤呼吸温度模型所模拟的研究区的土壤呼吸变化的温度敏感性进行评析.结果表明:Arrhenius模型能较好的预测研究区的土壤呼吸温度敏感性的变化;研究区土壤呼吸温度敏感性随温度的升高呈下降的趋势.两类试验样地土壤呼吸温度敏感性存在明显的差异性,这可能与两类试验样地土壤呼吸组分的差异有关,这是以后需要重点关注的地方.

夏玉米-冬小麦轮作期土壤呼吸的温度敏感性分析

研究土壤呼吸和温度敏感性(Q_(10))的季节变化对丰富农田土壤的碳循环理论具有重要理论和现实意义。采用动态密闭气室法于2018年6月-2019年6月连续监测北京夏玉米-冬小麦轮作期间农田土壤呼吸速率,研究不同作物生育期Q_(10)值和土壤呼吸变化特征,综合分析土壤温度和土壤含水率对土壤呼吸的影响。结果表明:日内尺度上不同作物生育期土壤呼吸变化均呈单峰型,对土壤温度昼夜变化的响应关系呈顺时针近椭圆曲线;Q_(10)具有明显的季节变化特征,夏玉米苗期、拔节-抽雄、开花-成熟3个时期Q_(10)分别为2.27、6.13、1.28,在整个夏玉米季,土壤体积含水率在19.52%~45.43%变化,水分解释了50%的土壤呼吸变化(P<0.05),临界值土壤体积含水率为27.84%(田间持水量的83.83%),土壤温度只能解释夏玉米季土壤呼吸速率变化的3%(P>0.05),Q_(10)为1.29。冬小麦出苗-分蘖期、越冬期、返青-拔节期、孕穗-抽穗期、开花-成熟期Q_(10)分别为4.17、8.41、6.57、2.53、1.92,与土壤温度呈显著负相关关系(P<0.05),温度能够解释冬小麦季土壤呼吸变化的88%(P<0.01),Q_(10)为2.50。在整个轮作周年,土壤温度和土壤含水率分别解释54%(P<0.01)、28%(P<0.05)的土壤呼吸变化,周年尺度的Q_(10)为1.72。可见,在气候变化背景下,使用Q_(10)预测土壤呼吸需采用合适的时间尺度,同时注意土壤水分对Q_(10)模型适用性的影响。

绿肥还田结合减氮对麦田土壤呼吸及其温度敏感性的影响

研究绿肥还田结合氮肥减施对麦田土壤呼吸动态及小麦产量的影响,以期为干旱绿洲灌区农田碳减排技术研发提供理论依据。试验于2021—2022年在甘肃河西绿洲灌区开展,以常规施氮无绿肥还田(N100)为对照,设施用15000 kg∙hm^(−2)绿肥+85%氮肥(G_(1)N_(85))、22500 kg∙hm^(−2)绿肥+85%氮肥(G_(2)N_(85))、30000 kg∙hm^(−2)绿肥+85%氮肥(G_(3)N_(85))、15000 kg∙hm^(−2)绿肥+70%氮肥(G_(1)N_(70))、22500 kg∙hm^(−2)绿肥+70%氮肥(G_(2)N_(70))和30000 kg∙hm^(−2)绿肥+70%氮肥(G_(3)N_(70))共7个处理。探讨小麦生育期的土壤呼吸速率、碳排放量、产量及碳排放效率,分析土壤呼吸对土壤温度的响应。结果表明:不同处理下麦田土壤呼吸速率均呈先升高后降低的单峰趋势,全生育期内变化范围为0.8~6.2μmol∙m^(−2)∙s−1。绿肥还田结合氮肥减施显著提高麦田土壤呼吸速率及土壤碳排放总量,与N100相比,平均增幅分别为7.2%~19.8%和5.7%~18.8%;其中G_(3)N_(85)和G_(3)N_(70)较其他处理土壤呼吸速率分别增加2.3%~16.0%和3.3%~19.8%,土壤碳排放总量分别增加2.9%~15.2%和3.1%~18.8%;与G_(3)N_(85)相比,G_(3)N_(70)处理两年平均土壤呼吸速率及土壤碳排放总量分别增加3.3%和3.1%(P<0.05)。绿肥还田结合氮肥减施处理显著降低土壤呼吸温度敏感性(Q10),与N100相比,Q10值降幅为10.4%~18.1%(P<0.05)。绿肥还田结合氮肥减施显著影响了小麦产量和土壤碳排放效率,其中G_(3)N_(85)处理分别显著高于其他处理4.2%~45.6%和0.3%~26.4%(P<0.05)。可见,绿肥还田结合氮肥减施在增强麦田土壤呼吸的同时,显著降低土壤呼吸温度敏感性,提高小麦产量和碳排放效率,其中翻压绿肥30000 kg∙hm^(−2)配合氮肥减量15%处理(G_(3)N_(85))是河西绿洲灌区小麦田节氮减排和提高农田土壤生产力的有效途径。

黄土高原退耕方式与年限对土壤呼吸及其温度敏感性的影响

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的关键过程,明确退耕后土地利用变化对土壤呼吸及其温度敏感性的影响是提升土壤碳汇能力的重要前提。以黄土高原20 a耕地、退耕3、6、10 a的苹果园与撂荒地为研究对象,原位监测样地2018年7-12月的土壤呼吸速率,估算其温度敏感性,并应用偏最小二乘结构方程模型,明确土壤呼吸及其温度敏感性的关键影响因子。结果表明,随退耕年限的增加,撂荒地土壤有机碳和全氮含量呈现先降低后升高的趋势,苹果园则与之相反。监测期间撂荒地平均土壤呼吸速率为2.73~4.65μmol·m^(-2)·s^(-1),苹果园为1.07~3.13μmol·m^(-2)·s^(-1),退耕3 a和6 a撂荒地的土壤呼吸速率显著高于苹果园(P<0.05)。土壤呼吸温度敏感性的变化范围为1.477~4.055,不同退耕方式间土壤呼吸温度敏感性并无显著差异。偏最小二乘-结构方程模型结果表明,土壤因子共解释了土壤呼吸及其温度敏感性34.4%的变化;相比于化学和生物因子,土壤水分与温度等物理因子对土壤呼吸及其温度敏感性的影响更为显著。研究表明,退耕后短期内(0~6 a),苹果园的固碳潜力更大,但随着退耕年限的延长(>6 a),撂荒地更有利于土壤固碳。

施用粪肥对我国北方农田土壤呼吸温度敏感性的影响

[目的]本研究旨在探明粪肥施用对我国北方农田土壤呼吸温度敏感性Q_(10)的影响及主要驱动因素,为制定合理的农业管理措施、减少农田土壤CO_(2)排放提供科学依据。[方法]本研究在中国知网、万方数据和Web of Science数据库收集国内外关于施用粪肥对土壤呼吸温度敏感性影响的相关文献,用关键词“粪肥”、“土壤呼吸”、“温度敏感性”和“中国北方”进行检索,共提取已公开发表的16篇文献中试验数据104组。采用整合分析(Meta-analysis)探讨不同粪肥施用条件下各因素对土壤呼吸温度敏感性的影响。[结果]粪肥施用可显著提高土壤呼吸温度敏感性,平均提升幅度为8.11%。施肥类型中,猪粪对土壤呼吸温度敏感性的增幅(12.72%)显著高于鸡粪的增幅(5.56%);粪肥施用量≤15000 kg·hm^(-2)对土壤呼吸温度敏感性的增幅最大(11.48%);单施粪肥的增幅(11.96%)显著高于粪肥配施化肥的增幅(5.22%)。土壤有机碳含量≥12 g·kg^(-1)时土壤呼吸温度敏感性的增幅(7.17%)显著高于6~12 g·kg^(-1)水平(2.23%)时的增幅;土壤初始pH≥7的增幅(8.11%)显著高于pH<7的增幅(3.48%)。不同气候条件下,年均温≤5℃时土壤呼吸温度敏感性的增幅为8.49%,年降雨量为400~600 mm时的增幅(8.98%)显著高于≤400 mm(2.71%)和≥600 mm时的增幅(-3.13%)。此外,随机森林结果表明土壤有机碳含量是影响土壤呼吸温度敏感性变化的关键因素,其解释率达42.6%。[结论]综上,在我国北方农田鸡粪配施化肥且粪肥施用量>15000 kg·hm^(-2)对土壤呼吸温度敏感性的增幅最小,可以有效减缓农田土壤的碳排放,以达到应对全球变暖现状的目的。此外,土壤有机碳含量是影响粪肥施用下中国北方农田土壤呼吸温度敏感性变化的主要驱动因素。

炭基肥对老茶园土壤有机碳矿化温度敏感性的影响

采取室内恒温培养法,以施用炭基肥(BF)、不施炭基肥(CK)的40a茶园土壤为研究对象,设定15℃、25℃和35℃共3种不同温度场景,连续监测土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)矿化特征并分析有机碳矿化温度敏感性,为评估老茶园固碳减排及障碍消减提供参考。结果表明:(1)炭基肥提升了温变场景下茶园土壤pH值和SOC含量。15℃、25℃和35℃培养温度下,BF处理的土壤pH值较CK处理分别增加0.45、0.07和0.28个单位;BF处理的SOC含量较CK处理分别提高22.19%、16.65%和25.50%。(2)炭基肥增加了温变场景下茶园SOC累计矿化量、潜在矿化势(C_(S))及土壤呼吸强度,对SOC矿化呈现正激发效应。15℃、25℃和35℃培养温度下,BF处理的SOC累计矿化量较CK处理分别提高15.61%、46.51%和36.89%。BF处理的C_(S)值随温度升高呈现先增加后减少的变化趋势,25℃培养温度下BF处理的C_(S)值较15℃和35℃培养温度下分别提高147.11%和29.21%。(3)炭基肥降低温度升高处理下茶园SOC矿化温度敏感性。25~35℃温度范围内,BF处理的Q_(10)(土壤有机碳矿化温度敏感性)值较CK处理降低6.25%;BF处理在25~35℃温度范围内Q_(10)值较15~25℃温度范围内的Q_(10)值降低25%。说明施用炭基肥可有效改良40a茶园土壤理化性质,增加土壤固碳,并提升茶园土壤碳库应对温度变化的稳定性,炭基肥利于优化低产老龄茶园可持续生产管理。

根系隔离对土壤酶活性及其温度敏感性的影响

为探究细根和相关菌根真菌对土壤酶活性及其温度敏感性(Q_(10)值)的影响,在亚热带杉木成熟林中设置未隔离(NE)、隔离细根(ER)、隔离菌根(EM)3种处理,并在室内设置不同温度梯度(4、10、20、30、40℃)的培养试验,探索根系碳输入改变对土壤酶活性及其温度敏感性的影响。结果表明:与NE处理相比,ER、EM处理下土壤的β-葡萄糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性显著下降(P<0.05),ER、EM处理间差异不显著(P>0.05);ER处理下土壤的铵态氮(NH_(4)^(+)-N)、硝态氮(NO_(3)^(-)-N)、微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量显著降低(P<0.05),表明本研究中的土壤酶活性可能主要是由植物细根诱导的;不同隔离处理下3种土壤酶的活性均随着培养温度的上升而不断升高,只有ER、EM处理下的酸性磷酸酶活性在30~40℃温度区间开始下降;不同隔离处理下土壤酶的Q_(10)值随温度升高呈先增大后减小的趋势,在20~30℃温度区间达到最大值,该温度区间与土壤温度频率分布最高的温度区间重叠,对应植物生长旺盛的物候期,表明中低纬度森林土壤酶的Q_(10)值与本地植物物候节律存在内在关联。

秸秆隔层结合春灌对河套灌区盐碱地土壤呼吸及其温度敏感性的影响

【目的】探究河套灌区盐碱土壤呼吸对秸秆隔层与灌溉制度的响应,明确土壤呼吸速率与土壤温度、含水量的关系。【方法】采用完全随机区组设计,于2015年分别设置秋浇且春灌(ISA),不秋浇只春灌(IS),不秋浇只春灌+秸秆隔层(SIS)3个处理,于2017、2018年测定土壤呼吸、温度和含水量,并计算土壤呼吸的温度敏感性。【结果】(1)0—20 cm土层温度和含水量波动较为明显,而20—40 cm土层则相对稳定。相较于ISA、IS处理,SIS处理提高了0—40 cm土层温度和20—40 cm土层含水量。(2)2017年的土壤呼吸速率大于2018年;开花期土壤呼吸速率最高,其次为现蕾期、春灌前、播种前、收获期。(3)IS、SIS处理在开花期的土壤呼吸速率均显著高于ISA处理(P<0.05)。相较于ISA处理,IS和SIS处理的土壤呼吸速率分别增加了0.12—0.44和0.06—0.42μmol·m^(-2)·s^(-1)。相较于IS处理,SIS处理的土壤呼吸速率降低0.01—0.49μmol·m^(-2)·s^(-1)。表明不秋浇增加了土壤呼吸,但秸秆隔层降低了土壤呼吸。(4)土壤呼吸速率与土壤温度极显著正相关(P<0.01),与土壤含水量没有显著相关性。0—20和20—40 cm土层温度分别能够解释土壤呼吸速率变化的40.74%—53.84%和39.27%—53.46%。(5)不同处理的土壤呼吸敏感性(Q10)介于1.68—1.98,20—40 cm土层的Q10大于0—20 cm土层的。相较于ISA处理,IS和SIS处理能够降低土壤呼吸敏感性;相较于IS处理,SIS处理能够增加土壤呼吸敏感性。【结论】综合比较,不秋浇只春灌结合秸秆隔层可以提高0—40 cm土层温度和20—40 cm土层含水量,降低土壤呼吸速率,增加土壤呼吸的温度敏感性,可以作为河套灌区节水减排的有效措施。

不同处理方式下湿地松人工林土壤呼吸及温度敏感性变化

研究碳输入处理对沿海地区湿地松人工林土壤碳排放的影响,分析不同碳输入下各组分(植物根系、凋落物层及矿质土壤)的呼吸速率及其贡献,为人为干扰下滨海沙地碳循环模式和未来沿海地区气候变化提供参考。在福建省长乐大鹤国有防护林场的湿地松人工林中,采用随机区组试验改变湿地松人工林地上、地下碳输入方式,设置对照(SC)、去除根系(SR)、去除凋落物(SL)、环割(SG)、环割+去根(SGR)、环割+去凋落物(SGL)6个处理,采用开路式碳通量测定系统Li-8100测定不同处理样地每月的土壤呼吸速率、土壤温度和土壤湿度,并计算不同呼吸组分的速率和温度敏感性(Q_(10))。结果表明:1)观测期间,不同处理土壤呼吸年通量由大到小依次为对照(23.82 t·hm^(-2))、环割(20.04 t·hm^(-2))、去除凋落物(19.74 t·hm^(-2))、去除根系(14.4 t·hm^(-2))、环割+去凋落物(14.39 t·hm^(-2))、环割+去根(14 t·hm^(-2)),与对照相比碳输入减少后土壤呼吸均有所降低。2)不同处理间的土壤湿度差异极显著(P<0.01),土壤温度差异不显著(P>0.05)。3)湿地松林地异养呼吸在总呼吸中占比60.4%,自养呼吸占比39.6%。各组分呼吸速率对总呼吸速率的贡献率分别为矿质土壤呼吸(43.3%)、根系呼吸(39.6%)、凋落物层呼吸(17.2%)。4)不同处理使土壤呼吸温度敏感性(Q_(10))均有所升高(除环割+去根处理),各处理Q_(10)依次为环割+去凋落物>去除凋落物>去除根系>环割>环割+去根=对照。不同碳输入处理对土壤CO_(2)排放有明显影响,碳输入方式是影响森林土壤呼吸速率的重要因子。

降雨梯度对林地土壤呼吸温度敏感性影响研究进展

在全球气候变化背景下,降雨格局改变导致生态系统碳循环发生变化,土壤呼吸温度敏感性(Q 10)是土壤呼吸机理研究和碳排放模型构建与预测的重要内容,探究降雨梯度下林地土壤呼吸温度敏感性的影响因素具有重要意义。以我国生态气候区作为降雨梯度表征,基于公开发表的文献资料,重点总结以我国干旱、半干旱和半湿润3个气候区确定的降雨梯度下,林地土壤呼吸温度敏感性影响的研究进展和作用机理。结果表明,降雨梯度下降雨格局改变会对土壤水热状况、土壤底物、土壤微生物群落及其酶活性等产生影响,土壤水分、土壤温度、土壤有机质、土壤微生物及酶活性和林地植被类型都会影响土壤呼吸强度,导致土壤呼吸温度敏感性发生变化;降雨梯度下,各因素对土壤呼吸温度敏感性影响程度不同,且各因素相互作用,导致林地土壤呼吸温度敏感性存在不确定性。针对目前林地土壤呼吸温度敏感性研究所存在的问题,建议今后应进一步统一土壤呼吸测定标准,通过长期野外实验结合室内模型推演增加试验结果的准确性,扩大研究范围,准确估算未来气候变化条件下林地的土壤呼吸温度敏感性。

凋落物输入对土壤呼吸温度敏感性的影响

目的 明确凋落物输入对土壤呼吸温度敏感性(Q_(10))的影响,对准确理解全球气候变化具有重要的意义。方法 利用已发表的47篇研究论文,从凋落物管理措施、植被类型、气候、地形、土壤理化性质等调控因素揭示凋落物输入对土壤呼吸温度敏感性的影响。结果 (1)不同底物调控下,凋落物Q_(10)显著大于土壤呼吸Q_(10),且呈现出对照Q_(10)>倍增Q_(10)>去凋Q_(10)的趋势;(2)不同植被因素条件下,Q_(10)的增加程度在不同植被类型下呈现出阔叶林>混交林>针叶林>草的趋势,且Q_(10)随着林龄的增加而增大;(3)不同气候条件下的Q_(10)随着温度的增加而呈现出逐渐降低的趋势,而随着降雨量增加Q_(10)则呈现出先增后减的趋势;(4)不同海拔梯度条件下,高海拔Q_(10)最大,而低海拔Q_(10)最低;(5)不同理化性质条件下,Q_(10)随着容重的增加而呈负相关,pH以及SOC与Q_(10)呈正相关,Q_(10)随着C∶N的增大呈现先增大后减小的趋势。结论 凋落物输入后会导致Q_(10)发生变化,但这种变化会受到植被类型、气候、地形以及土壤理化性质等因素的调控。

沿海拔梯度神农架土壤呼吸特征及其温度敏感性

[目的]深入了解森林生态系统土壤呼吸特征及其温度敏感性的变异规律。[方法]以神农架自然保护区不同海拔梯度上有机和矿质层的土壤为研究对象,探讨不同海拔梯度土壤的呼吸特征及其温度敏感性。[结果]随着海拔梯度的增加,土壤CO_(2)产生率先升高后降低,在海拔1892 m处达到最大值,而土壤呼吸对温度的敏感性(Q_(10))则随海拔的升高呈现增加的趋势;多数海拔梯度下,B层(20~40 cm)土壤CO_(2)产生率明显高于A层(0~20 cm),Q_(10)则与之相反;土壤性质影响了土壤呼吸的温度敏感性,0~40 cm土壤的Q_(10)与EC、SOC、TN、MBC存在显著正相关。[结论]在气候变化的背景下不同海拔梯度的Q_(10)可能发生分异。

麦玉轮作长期秸秆还田下土壤呼吸及有机碳库对温度变化的响应

为探明华北麦玉轮作区长期秸秆还田下增温对土壤呼吸及土壤碳库的影响,本试验基于41年不同秸秆还田水平(分别为0 kg/hm^(2)(S1)、2250 kg/hm^(2)(S2)、4500 kg/hm^(2)(S3)和9000 kg/hm^(2)(S4))田间定位试验,采集土壤样品后分别在15、25和35℃下进行125 d的室内恒温培养,针对土壤呼吸速率及有机碳组分含量进行监测。结果表明:在整个培养期间,土壤呼吸速率呈现先下降后平稳的变化趋势,秸秆还田量与温度显著影响土壤呼吸速率和呼吸累积释放量。各处理间土壤呼吸速率和呼吸累积释放量整体为35℃>25℃>15℃,S4>S3>S2>S1。秸秆还田量和温度显著影响土壤有机碳及各组分含量,培养后S4处理土壤有机碳含量显著高于其他处理,S3和S4处理土壤颗粒有机碳和微生物量碳含量显著高于其他处理,随培养温度的提高土壤有机碳组分呈降低趋势。土壤呼吸与土壤有机碳、颗粒有机碳、微生物量碳含量呈显著正相关。S3和S4处理较S1和S2处理可以显著降低土壤呼吸温度敏感性(Q_(10))。总的来看,华北麦玉轮作区长期中量和高量秸秆还田可以提高土壤有机碳库,降低土壤呼吸温度敏感性,减缓CO_(2)的释放,且4500 kg/hm^(2)还田量具有更高的固碳潜力与空间。

CO_(2)浓度升高及增温下谷子土壤酶活性及其温度敏感性

研究作物重要生长阶段土壤酶活性及其温度敏感性对CO_(2)浓度升高及增温的响应,对于评价气候变化对作物生产的影响以及评估土壤生态系统的功能稳定性具有重要意义。利用人工气候室模拟不同水分(充分供水和轻度干旱)、CO_(2)浓度升高(由400μmol·mol^(-1)升高至700μmol·mol^(-1))和增温(由22℃升高至26℃)条件,以3个因素交互作用下盆栽谷子(Setaria italica)土壤为研究对象,分析了谷子灌浆期土壤中β-葡糖苷酶(βG)、β-N-乙酰葡糖苷酶(NAG)、纤维素酶(CBH)和β-木糖苷酶(βX)活性的温度敏感性。结果表明,对照(CK)在充分供水条件下土壤βG、NAG、CBH和βX的酶活性随着培养温度增加呈先升高后降低的趋势,在25℃时酶活性最高。在最适温度下(25℃),与CK相比,CO_(2)浓度升高使谷子灌浆期土壤βG酶活性显著降低,而对土壤NAG、CBH、βX酶活性的抑制作用较小;CO_(2)浓度升高和增温的交互作用在不同水分条件下表现不同,具体表现为轻度干旱条件下酶活性受到抑制,而充分供水时无显著差异。此外,CO_(2)浓度和温度显著影响谷子灌浆期土壤酶活性的温度敏感性(Q_(10))CO_(2)浓度升高使土壤胞外酶活性的Q_(10)显著增大,而增温使Q_(10)相对减小。在充分供水条件下,增温抵消了CO_(2)浓度升高对酶活性Q_(10)的影响,二者的交互作用对Q_(10)无显著影响。然而,在轻度干旱条件下,CO_(2)浓度升高和增温对Q_(10)影响显著,即CO_(2)浓度、温度及水分三者对Q_(10)的交互作用显著。同时,CO_(2)浓度与水分对Q_(10)有显著的交互作用,但与仅CO_(2)浓度升高以及3个因素交互作用的影响无明显差异。冗余分析显示,除CO_(2)浓度和温度外,Q_(10)还受到微生物量、土壤养分等环境因子的影响。本研究表明CO_(2)浓度、温度和水分以及三者之间的交互作用对土壤酶活性及其温度敏感性的影响复杂,特别是CO_(2)浓度升高抑制了土壤酶的温度敏感性,减弱了土壤碳氮循环相关酶的代谢功能及其稳定性,进而影响土壤生态系统的功能稳定性。

土壤呼吸温度敏感性的影响因素和不确定性

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一,其对温度升高的敏感程度在很大程度上决定着全球气候变化与碳循环之间的反馈关系。为了深刻理解地下生态过程对气候变化的响应和适应,综述了土壤呼吸温度敏感性(Q10)的影响因子及其内在机制,并分析了当前研究存在的不确定性。土壤生物、底物质量和底物供应显著调控着土壤呼吸的Q10值,但研究结论仍然有很大差异。温度和水分等环境因子则通过对土壤生物和底物的影响而作用于土壤呼吸的温度敏感性,一般情况下,随着温度的升高,土壤呼吸的Q10值下降;水分过高或过低时Q10值降低。从土壤温度测定深度、时空尺度、土壤呼吸不同组分温度敏感性差异、激发效应以及采用方法的不同等几方面分析了温度敏感性研究存在的不确定性。并在此基础上,提出了未来重点研究方向:(1)土壤呼吸不同组分温度敏感性差异的机理;(2)底物质量和底物供应对温度敏感性的交互影响;(3)生物因子对土壤呼吸温度敏感性的影响。

不同土地利用方式下土壤呼吸及其温度敏感性

采用静态箱-气相色谱法对四川盆地中部紫色土丘陵区3种土地利用方式(林地、草地和轮作旱地)土壤呼吸进行测定,结果表明,林地、草地和旱地土壤呼吸速率变化范围分别为78.63～577.97、39.28～584.18和34.48～484.65mg CO·2m-·2h-1,年平均土壤呼吸速率分别为264.68、242.91、182.21mgCO·2m-·2h-1。3种土地利用方式的土壤呼吸速率季节变化趋势均呈单峰曲线,林地和草地土壤呼吸速率最大值均出现在夏末(7月底与8月初之间),旱地土壤呼吸速率最大值出现的时间比林地和草地要早,在6月底与7月初之间;最小值均出现在12月底与翌年1月初之间。土壤温度和土壤湿度是影响本地区土壤呼吸的主要因子,双因素关系模型(R=aebTwc)较好地拟合了土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸的影响,二者共同解释了土壤呼吸变化的64%～90%。土壤呼吸的温度敏感性指数Q10值受土壤(5cm处)温度和土壤(0～10cm)湿度的影响。分析表明3种土地利用土壤的Q10值与土壤温度呈显著负相关关系,而与土壤湿度呈显著正相关关系。