青海湖小泊湖湿地不同群落土壤呼吸及温湿度因子响应

刘志凌，陈克龙，王记明，廖振军，芦宝良

（青海师范大学 生命与地理科学学院，青海 西宁810008）

1 引言

土壤呼吸是陆地碳循环的一个重要过程，土壤呼吸作用严格意义上讲是指未受扰动的土壤中产生CO2的所有代谢作用［1］，包括3个生物学过程（植物根呼吸、土壤微生物呼吸及土壤动物呼吸）和1个非生物学过程（含碳物质的化学氧化作用）。土壤呼吸是陆地生态系统碳素循环的主要环节，而且已经成为陆地生态系统向大气中释放CO2最大的源，也是人类活动影响大气CO2浓度升高的关键生态学过程，很早就受到研究者的关注［2］。高寒地区草地拥有丰富的碳储量，占全国草地生态系统的40.1%，其中95%的碳储存在土壤中，约占全国土壤碳储量的55.6%［3，4］。在全球变暖的大背景下，土壤呼吸与温室效应之间正反馈关系势必影响到未来高寒草甸生态系统及整个陆地生态系统功能与全球气候变化的趋势，小泊湖湿地作为青海湖地区高寒湿地之一，其研究对高寒沼泽湿地土壤碳排放有很重要的意义［5］。

2 研究区域概况

青海湖东岸小泊湖湿地位于东经100°46′85″～100°47′21″，北纬36°41′73″～36°42′25″，海拔在3216～3221m，属于青海省海南藏族自治共和县，距离湖东种羊场西北约6km，小泊湖湿地是青海湖生态景观的一个缩影，它是青海湖水位下降后遗留下来的沼泽草甸湿地（图1）。小泊湖湿地区域呈东西长而南北窄，面积约240hm2。该区域野生动物资源丰富，景色秀美，风光旖旎，现已列入国际湿地资源区和青海湖国家名胜风景区之一。

图1 青海湖流域小泊湖湿地

3 研究方法

3.1 样地设置

样地设在小泊湖湿地内，距小泊湖湿地保护站100m，自南向北分别选取6种群落，每个群落随机选取2m×2m的样方两个，分别是芨芨草群落、芨芨草＋马莲花群落、马莲花群落、华扁穗群落、苔草（台地）群落、苔草（洼地）群落。其中前三种群落位于高寒草甸，后三种群落位于高寒沼泽湿地，相邻两个群落间距约为30m左右，呈带状分布。在2m×2m的样方内各放入一个直径为20cm、高度为14cm的PVC管，将PVC管嵌入土壤中，内圈高出土壤表层2cm，经24h的平衡后，土壤呼吸速率恢复到基座放置前的水平，从而避免由于安置气室对土壤扰动造成的短期内土壤呼吸速率的波动。测定前一天将圈内群落露出土壤表层的部分剪去［6］。

3.2 土壤呼吸速率日变化特征的测定

利用土壤碳通量自动测量系统LI－8100A测定土壤呼吸速率。从早晨6：00至夜间24：00每隔2h测定一组土壤呼吸值，深夜0：00至早晨6：00每隔3h测定一组土壤呼吸值。测量选取两个时间点，一是在群落生长季最高峰2012年8月上旬的一天，在天气晴朗的条件下进行日进程测量。二是在9月上旬的一次降水前后测定土壤呼吸速率日变化［7］。

3.3 土壤温湿度数据来源

土壤表层5cm地温和湿度由LI－8100A自带测量系统测定。

3.4 气象数据来源

大气温度与大气相对湿度由自动气象站测定，自动气象站长期测量，每半小时记录一组数据。

3.5 数据处理

利用软件Microsoft Excel以及SPSS19.0对所得数据进行统计、分析和图形处理。

4 结果与讨论

4.1 不同群落土壤呼吸速率日变化特征及温度因子对其的响应

由图2可知，在不同群落土壤呼吸日变化中，马莲花群落土壤呼吸速率最高，芨芨草＋马莲花群落呼吸速率其次，最低的是华扁穗群落。芨芨草、芨芨草＋马莲花、马莲花、华扁穗、苔草（台地）、苔草（洼地）土壤呼吸速率的日最高值分别为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。在日变化过程中，高峰值均出现在14点时刻，最低值基本出现在凌晨3～6点期间。各种群落的日动态均成单峰曲线。早晨8点时，由于温度的升高，土壤呼吸速率迅速增加，至下午16点出现高峰值。随着午后温度的下降，各种群落类型土壤呼吸速率也缓慢地降低。

图2 各种群落土壤呼吸值与群落土壤表层5cm地温日变化关系

根据不同群落土壤呼吸值与其土壤表层5cm地温之间的相关性分析，显示土壤温度每个数值随时间的趋势变化，5个群落土壤呼吸速率的变化趋势与土壤表层5cm地温的变化趋势基本吻合，说明土壤温度对于土壤呼吸速率的影响较大，土壤呼吸速率随着温度的升高而逐渐增加，在中午14点时达到最高值，此时土壤表层5cm地温也达到最大值，之后随着温度的降低而减小。高寒地区的热量条件是增强土壤生命活动以及提高生化反应速率的主要因素［8，9］，生长季充足的降水降低了土壤水分对土壤呼吸的限制作用，使得温度成为影响土壤呼吸的重要环境因子之一。

4.2 一次降水前后土壤呼吸日变化及湿度对土壤呼吸速率的影响

降雨数量和降雨时间的变化会引起土壤含水量的变化，从而影响土壤CO2通量。在小泊湖沼泽湿地中，水分含量较高，土壤体积含水量在45%～65%之间，在9月份上半月的一次降水前后，测定其土壤体积含水量变化不大，波动在1%～3%之间，大气相对湿度增加7%。此次降雨强度不大，但持续时间较长，降雨引起的土壤表层5cm地温与气温下降明显。一次降雨后，气温下降3℃，5cm地温平均下降2℃，从而影响土壤碳通量的释放（图3），降雨前芨芨草、芨芨草＋马莲花、马莲花、华扁穗、苔草群落（台地）和苔草群落（洼地）的日均值为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，降雨后分别为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）土壤表层被水覆盖，土壤体积含水量为61.06%，均无变化，但其土壤呼吸速率波动较大，且日均值小幅增加；苔草群落（台地）降水前后土壤体积含水量均为57%，日均温升高0.5℃，土壤呼吸速率在降雨后有所减小，但幅度不是很大。其余群落降雨后，土壤呼吸速率明显减小，幅度约1～3μmol·m－2·s－1。

图3 一次降水前后土壤呼吸日变化特征

土壤湿度是影响土壤呼吸的重要因子，表层土壤含水量波动较大，与土壤呼吸间的关系可能更明显［10，11］，土壤地表温度对土壤呼吸速率的影响一致时芨芨草、芨芨草＋马莲花、马莲花、华扁穗、苔草（台地）群落表层土壤含水量的增加会抑制土壤CO2释放的速率，苔草（洼地）群落水分条件较高，表层土壤含水量在60%以上，但其土壤呼吸速率随湿度的增加而小幅增长，由此，湿地各群落表层土壤含水量较高，抑制了土壤的CO2的释放。

土壤湿度对前5种群落土壤呼吸速率呈极显著正相关影响，表明土壤水分对其呼吸有促进作用；而对苔草（洼地）土壤呼吸速率呈负相关影响，与当土壤水分含量较低的情况下，随着土壤水分含量的增加，土壤呼吸速率也随着增加，但当土壤水分含量增加到一定程度时，土壤呼吸速率则表现出降低的趋势有相似之处。这可能与草甸有放牧影响，导致该样地容重大、孔隙度小、透水性和水导率下降，土壤水分不容易快速下渗，形成积水从而减缓了呼吸速率有关。

［1］Schlesinger W H.Biochemistry：An Analysis of Global Change，1997.

［2］Wollny E.Untersuchungen uber den Einfluss der physikalischen Eigenschaften des Bodens auf dessenGehalt an freier Kohlensaure［J］.Forschende Gebiete－Agricultural Physics，1831，4：1～28.

［3］Lundegardh H.Carbon dioxide evolution of soil and crop growth［J］.Soil Sci，1927，23：417～453.

［4］Tans P P.Oxygen isotopic equilibration between carbon diocide and water in soils［J］.Tellus，1988，50B：163～178.

［5］Davidson E A，BeIk E，B one R D.Soil water content andtemperature as independent or confounded fact.rs controllingsoil respiration in a temperate mixed hardwood forest［J］.Global Change Biology，1998，4：217～227.

［6］Zhou X，Fei S，Sherry R，Luo Y.Root biomass dynamics under warming and doubled precipitation in a tallgrass prairie.Ecosystems 2012，DOI：10.1007/s10021－012－9525－3.

［7］Luo Y，Zhou X.Soil Respiration and the Environment.Academic Press/Elsevier，San Diego：CA，USA，2006：328.

［8］张 芳，王 涛，薛 娴，等.影响草地土壤呼吸的主要自然因子研究现状［J］.中国沙漠，2009（5）：90～95.

［9］钟华平，樊江文，于贵瑞，等.草地生态系统碳循环研究进展［J］.草地学报，2005（S1）：69～75.

［10］王风玉，周广胜，贾丙瑞，等.水热因子对退化草原羊草恢复演替群落土壤呼吸的影响［J］.植物生态学报.2003（5）：72～77.

［11］张丽华，陈亚宁，李卫红，等.准噶尔盆地梭梭群落下土壤CO2释放规律及其影响因子的研究［J］.中国沙漠，2007，27（2）：266～272.