华北低山丘陵区土壤CH_4通量对脉冲降雨的响应

基于箱式—激光法的CH4通量自动观测系统(SF-3000)研究脉冲降雨对华北低山丘陵区刺槐人工林土壤CH4通量连续变化的影响。同步观测试验点地表以下5 cm深度处土壤温度(T5)及其土壤含水量(S5)、林内大气温度(Ta)和相对湿度(HR)以及总辐射(Ra)等气象因子。结果表明:降雨显著抑制了土壤CH4通量,这种抑制作用一般能维持几天左右。在降雨前,刺槐人工林土壤CH4通量的日变化表现出"V"型结构;而在降雨后,却较复杂,呈"W"和"V"型两种结构。在不同降雨强度影响下,土壤CH4通量在不同时期的差异显著,但各气象要素在不同时期差异显著不同。

暖温带麻栎林凋落物调节土壤碳排放通量对降雨脉冲的响应

凋落物既是森林生态系统养分循环的重要构件,又是森林土壤环境和功能的关键调节因子。降雨脉冲导致的土壤碳排放变异是陆地生态系统碳汇能力评价的不确定性来源之一。凋落物在调节土壤碳排放对降雨脉冲的响应中的作用仍缺乏科学的评价。通过在暖温带栎类落叶阔叶林中设置不同凋落物处理(对照、去除凋落物和加倍凋落物)和降雨模拟实验以阐明凋落物数量变化对土壤呼吸脉冲的影响。结果表明:模拟降雨脉冲之前,不同凋落物处理下的土壤呼吸存在显著差异;与对照相比,加倍凋落物导致土壤呼吸速率显著增加57.6%,然而,去除凋落物则对土壤呼吸无显著影响。模拟降雨后52小时内,对照、去除凋落物和加倍凋落物样方的土壤累积碳排放量分别为251.69 gC/m^(2),250.93 gC/m^(2)和409.01 gC/m^(2),加倍凋落物处理下的土壤碳排放量显著高于对照和去除凋落物处理;然而,去除凋落物与对照之间无显著差异。此外,不同凋落物处理下土壤呼吸的脉冲持续时间存在显著差异;加倍凋落物显著提高降雨后土壤呼吸脉冲的持续时间,分别比对照和去除凋落物高出262%和158%。多元逐步回归分析表明,土壤总碳排放通量和土壤呼吸的脉冲持续时间与土壤理化特征密切相关;土壤微生物量氮含量可解释土壤总碳排放通量变异的30.3%,而土壤硝态氮和有机碳含量则共同解释了呼吸脉冲持续时间变异的69.5%。该研究表明森林凋落物的数量及其对降雨的滞留作用是调控土壤碳排放通量的重要因素,凋落物对森林生态系统碳循环过程的影响须考量凋落物对土壤微环境的间接作用。

鸡公山麻栎林和水杉林不同凋落物处理下土壤呼吸对降雨强度的响应

降雨脉冲对土壤呼吸具有瞬间的激发效应,地表凋落物是土壤有机碳的重要来源,并影响降雨的下渗过程和土壤含水量。降雨对土壤呼吸的激发效应是否受地表凋落物的影响?这一问题目前尚不清楚。针对我国亚热带-暖温带气候过渡区麻栎(Quercus acutissima)林和水杉(Metasequoia glyptostroboides)林2种林型开展不同凋落物输入水平(对照、添加凋落物和去除凋落物)下模拟降雨事件对土壤呼吸影响研究,以阐明不同凋落物条件下土壤呼吸对降雨脉冲的响应规律。结果表明:就麻栎次生林而言,对照、添加凋落物和去除凋落物处理土壤呼吸速率在降雨10 min时均达到峰值,分别为4.72、11.68和5.12μmol·m^(-2)·s^(-1),添加凋落物增强了降雨脉冲的激发效应,去除凋落物与对照处理土壤呼吸速率在降雨事件后无显著差异(P>0.05)。地表凋落物层对麻栎次生林在降雨后的土壤呼吸速率变化具有重要影响。水杉林3种凋落物水平下土壤呼吸均不存在降雨激发效应,且凋落物添加与去除均显著降低水杉林土壤呼吸速率(P<0.05)。麻栎林土壤呼吸与土壤湿度呈显著正相关关系(P<0.05或P<0.01)。水杉林添加凋落物条件下土壤呼吸速率与土壤温度呈显著正相关关系(P<0.05)。该研究表明土壤呼吸对降雨脉冲的响应与森林类型、地表凋落物覆盖与否有密切关系,因此森林生态系统碳循环的变化除了考虑气候变化以外,还必须考虑林型和地表凋落物状况。

干旱沙区生物土壤结皮覆盖土壤CO_2通量对脉冲式降雨的响应

水分是干旱区生态过程中主要限制因子,降水可通过改变土壤的干湿状况直接影响土壤的生态过程,继而引起土壤碳库的变化。生物土壤结皮作为干旱区主要的地表覆盖物,其自身不但可以进行呼吸作用,还能充分利用有限的水分通过光合作用固碳,改变土壤圈与大气圈之间的碳交换通量。通过模拟0、2、5、8、15mm降雨,利用红外气体分析仪,对腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区主要的生物土壤结皮覆盖土壤净CO2通量进行了原位测定,探讨生物土壤结皮覆盖土壤CO2释放和光合固定CO2(吸收)共同作用下的土壤净CO2通量对模降雨的响应特征。结果表明:(1)降雨会迅速激发生物土壤结皮覆盖土壤CO2释放,降雨激发CO2释放速率和有效时间取决于降雨量,降雨量越高,激发程度越低,激增的生物土壤结皮覆盖土壤CO2释放(源)效应有效时间随降雨量的增加而延长;降雨激发的土壤碳释放总量随着降雨量的增加显著增加,且藓类结皮覆盖土壤碳释放总量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(2)降雨引起生物土壤结皮覆盖土壤CO2吸收速率在初期呈单峰变化,后逐渐回归到降雨前的水平,随降雨量的增加,CO2吸收的效应的时间越长,峰值越高;降雨量越高,生物土壤结皮光合碳固定量越多,当降雨量增加到15mm时,藻类结皮光合碳固定量显著低于8mm时的碳固定量;降雨量<5mm时,藓类结皮光合碳固定量显著低于藻类结皮(P<0.05),≥5mm时,藓类结皮光合碳固定量显著高于藻类结皮(P<0.05)。(3)干旱荒漠地区生物土壤结皮覆盖土壤,在无降雨的干旱期表现为较低水平的净碳排放效应,不同程度降雨的初期阶段都有短暂的增加土壤碳的汇效应,且碳汇效应的时间随降雨量的增加而延长;适度的降雨会降低长期干旱藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放量,而过高或过低的降雨都会不同程度地增加藻类结皮覆盖土壤向大气的碳排放,降低土壤碳的储量。不论降雨量大小,降雨都会增加藓类结皮覆盖土壤更多碳向大气排放,但随着降雨量的增加,源效应逐渐减弱。降雨量≤8mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放总量显著高于藻类结皮(P<0.05),当降雨量>8mm时,藓类结皮覆盖土壤净碳排放量显著低于藻类结皮覆盖土壤(P<0.05)。因此,干旱区在估算生物土壤结皮覆盖土壤与大气碳交换对降雨的响应规律时,应该充分考虑降雨量大小对生物土壤结皮碳固定量和土壤碳释放组分的效应,明确降雨事件大小对不同类型生物土壤结皮覆盖土壤与大气之间碳交换的作用。

森林土壤呼吸对降雨脉冲的响应研究进展

森林生态系统的土壤碳储量是陆地生态系统碳库的重要组成部分。土壤呼吸则是土壤碳库参与陆地碳循环的主要方式,其受到诸多生物和非生物因子的综合调控。偶发性降雨会引起森林土壤湿度的瞬间增加,进而导致土壤呼吸速率的快速提高。文中介绍了森林土壤呼吸及其组分,综述了降雨脉冲效应的特征和诱导机制(包括物理替代机制、微生物代谢机制、土壤养分限制机制及光化学调控机制等),分析了当前降雨脉冲研究存在的不足并展望了未来的研究重点,认为森林生态系统是未来开展降雨脉冲效应研究的重要方向,探究森林土壤呼吸不同组分对降雨脉冲的响应差异与机制也是潜在的重要研究方向。

黄土丘陵区混交林中油松和沙棘树干液流对降雨脉冲的响应

以黄土丘陵区油松-沙棘混交林为研究对象,运用热扩散式探针(TDP)于2015年6—10月对油松和沙棘的树干液流密度(F_d)进行连续观测,同步测定了光合有效辐射(PAR)、水汽压亏缺(VPD)和土壤水分(SWC)等环境因子,分析两树种对降雨利用的差异.采用Threshold-delay模型、多元回归分析和偏相关分析方法,研究两树种F_d对降雨的响应过程,并确定环境因子对F_d的影响.结果表明:随着降雨量递增,两树种F_d的最大变化量都先上升后降低;其中0~1 mm降雨范围内,油松F_d(-16.3%)和沙棘F_d(-6.3%)都明显降低;1~5 mm降雨范围内,油松F_d(-0.4%)降低而沙棘F_d(9.0%)明显升高.油松和沙棘F_d对降雨响应的最小降雨阈值(R^L)分别为6.4和1.9 mm,滞后时间(τ)为1.96和1.67 d.降雨前油松F_d峰值集中在12:00—12:30(70%),沙棘F_d峰值分别集中在10:30—12:00(48%)和16:00—16:30(30%);降雨后油松F_d峰值集中在11:00—13:00(40%),沙棘F_d峰值分别集中在12:00—13:00(52%)和16:30—17:00(24%).降雨前影响油松和沙棘F_d的环境因子大小顺序为PAR>VPD;降雨后影响油松F_d的环境因子大小顺序为PAR>VPD>0~20 cm SWC(SWC_(0~20)),影响沙棘F_d的环境因子大小顺序为SWC_(0~20)>PAR>VPD.油松-沙棘混交林对水分利用的稳定性较高.

有机物添加对伊犁河谷灰钙土蓄水性能的影响

为研究不同有机物添加下土壤水分动态及其对降雨的响应,于2020年5月至9月,在伊宁市荒山北坡灰钙土样地上,设置5个1 m×1 m小区,设计对照、深松、添加干羊粪、凋落物、纸屑共5个处理。用TDR、Watch dog水分传感系统监测0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土层水分动态,分析了5种措施的保水效果及对降雨的响应规律。结果表明,降雨可显著提高干羊粪和深松处理0~40 cm土壤水分。小时和日尺度下,深松与干羊粪处理土壤水分变化对降雨响应更敏感。与对照相比,各处理监测期内0~40 cm土层储水量增幅分别为深松23.2%~67.2%、干羊粪38.9%~87.9%、凋落物23.3%~80.8%、纸屑29.1%~84.0%。不同土层土壤水分含量的影响表现为20~40 cm>10~20 cm>0~10 cm(P<0.05)。总体上,深松与添加干羊粪处理土壤储水增量及水分滞留时间与降雨量相关关系显著(P<0.05)。有机物添加后,20~40 cm土壤储水增量和水分滞留时间对降雨响应更为敏感。整个监测期除对照外,4种措施对土壤蓄水能力具有明显的提高作用,各措施中添加干羊粪处理保水效果最好。深松土壤和施入畜粪是适合伊犁河谷丘陵区土壤水库扩蓄增容的有效手段。