闞雨晨, 武瑞鑫, 鐘夢(mèng)瑩, 王建勛, 蒲小鵬, 邵新慶

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院， 草地研究所, 北京 100193 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院, 蘭州 730070

干擾對(duì)典型草原生態(tài)系統(tǒng)土壤凈呼吸特征的影響

闞雨晨1,2, 武瑞鑫1,2, 鐘夢(mèng)瑩1, 王建勛1, 蒲小鵬2, 邵新慶1,*

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院， 草地研究所, 北京 100193 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院, 蘭州 730070

由于土地利用格局的改變和人類(lèi)干擾活動(dòng)的加劇，草地生態(tài)系統(tǒng)CO2排放與固定的平衡、碳循環(huán)特征以及碳儲(chǔ)量越來(lái)越受到人們的重視。尤其是定量區(qū)分土壤凈呼吸與土壤總呼吸量之間的比例關(guān)系，以及定量描述草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程等方面的研究尚不夠完善。以河北沽源的典型草原為研究對(duì)象，測(cè)定了火燒、灌溉、施肥、刈割干擾下的天然草地土壤凈呼吸變化動(dòng)態(tài)及其與主要控制因素之間的關(guān)系。結(jié)果表明：不同處理土壤凈呼吸均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，變化趨勢(shì)基本一致?；馃⒐喔群拓赘钐幚矸謩e比對(duì)照的土壤凈呼吸通量降低了28.93%、16.25%和36.82%。土壤溫度、土壤濕度與土壤凈呼吸通量呈指數(shù)相關(guān)(P<0.01)。對(duì)地上生物量、地下生物量、土壤有機(jī)碳含量和土壤全氮含量與土壤凈呼吸之間進(jìn)行逐步回歸分析表明，土壤有機(jī)碳含量(SC)和土壤全氮含量(SN)是土壤凈呼吸通量的主要影響因素。

典型草原; 根去除法; 土壤呼吸; 干擾; 固碳能力

草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體生態(tài)類(lèi)型之一，其碳貯量由于統(tǒng)計(jì)面積和指標(biāo)的不同，導(dǎo)致對(duì)全球草地面積和草地生態(tài)系統(tǒng)碳貯存量的估算值相差較大，全球草地面積約占陸地面積的25%，草地生態(tài)系統(tǒng)約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的20%[1-4]，因此，草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)全球性碳平衡的貢獻(xiàn)不清楚，特別是草地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程與土壤呼吸過(guò)程之間的聯(lián)系尚不明確。近些年，由于土地利用格局的改變和人類(lèi)干擾活動(dòng)的加劇，草地生態(tài)系統(tǒng)CO2排放與固定的平衡、碳循環(huán)特征以及碳儲(chǔ)量越來(lái)越受到人們的重視[5]。在草地植被-土壤-大氣間的生物地球化學(xué)循環(huán)中碳的釋放主要由根系代謝呼吸、土壤礦化作用和微生物活動(dòng)所形成，而土壤溫度、土壤濕度、地上生物量、地下生物量、土壤養(yǎng)分和微生物組成等均能對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸產(chǎn)生較大的影響[6-8]，調(diào)節(jié)溫室氣體的排放量，從而影響全球變化的趨勢(shì)和格局[9]。干擾尤其是人類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生巨大的影響[10]，而對(duì)草地碳循環(huán)的影響更是多面的，過(guò)度干擾會(huì)導(dǎo)致草地由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚碵11-12]，但適時(shí)適當(dāng)?shù)母蓴_能夠提高草地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力，因此，正確評(píng)估干擾在碳循環(huán)中的作用有助于理解各類(lèi)管理利用措施對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響，也能明確對(duì)全球碳循環(huán)CO2釋放的認(rèn)識(shí)[13]。在研究草地生態(tài)系統(tǒng)總呼吸時(shí)，通常以土壤凈呼吸釋放的CO2作為依據(jù)衡量草地向大氣凈釋放碳量。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)干擾對(duì)草地碳循環(huán)影響的研究很多，但對(duì)于定量區(qū)分土壤凈呼吸與土壤總呼吸量之間的比例關(guān)系，以及定量描述草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程等方面的研究較為單薄，尚不夠完善[13]。本文應(yīng)用根去除法[14-16]，定量地將4種不同干擾下的草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤凈呼吸從土壤總呼吸中區(qū)分出來(lái)，旨在探討干擾對(duì)典型草原土壤凈呼吸特征的影響，為草地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸及碳循環(huán)機(jī)理的系統(tǒng)研究提供更為科學(xué)的基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在河北省張家口市沽源縣國(guó)家草地生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)研究站(41°46′N(xiāo)，115°41′ E，海拔1380 m)進(jìn)行。地處華北中部壩上高原，呈波狀丘陵?duì)罘植?，氣候?yàn)榘敫珊荡箨懠撅L(fēng)氣候，除夏季受東南暖濕氣流的影響外，較長(zhǎng)時(shí)間處于蒙古高壓寒冷干旱氣候的控制下，年均溫1℃，1月平均氣溫-18.6 ℃，7月平均氣溫17.6 ℃，≥10℃積溫1513 ℃，無(wú)霜期85—95 d，年平均降水量430 mm，主要集中于7、8月份，占全年降水量的79%，年蒸發(fā)量1735 mm，年均風(fēng)速4.3 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)49 d，沙塵日數(shù)13 d，年日照時(shí)數(shù)2930 h，主要土壤類(lèi)型為栗鈣土。試驗(yàn)樣地為2006年開(kāi)始封育的典型草原，群落建群種為克氏針茅(Stipakrylovii)和羊草(Leymuschinensis)，并兼有貝加爾針茅(Stipabaicalensis)，冷蒿(Artemisiafrigida)和星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等。土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 表層土壤(0—20 cm)理化性質(zhì)

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣地為圍封3a的天然草地。2011年4月在試驗(yàn)地內(nèi)選取土壤質(zhì)地均勻，且生物群落相似的地塊設(shè)置樣地。試驗(yàn)采用了生產(chǎn)中常見(jiàn)的4種草地管理方法作為處理,(1)火燒：2011年4月返青前放火燒地。(2)灌溉[8]：每次測(cè)量前一天灌溉，灌水量為50 L/m2。(3)施肥[17]：5—8月每月10日施用尿素15 g N/m2。(4)刈割：5—8月每月10號(hào)進(jìn)行齊地刈割，從而模擬放牧[18]。樣地面積3 m×9 m，每種處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，未進(jìn)行任何處理的天然草地作為對(duì)照，共15個(gè)樣地。

每個(gè)樣地中隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的樣方應(yīng)用根去除法進(jìn)行處理：將地上植被齊地面剪掉，按照10 cm每層，用鏟子分5層將土壤帶根取出，分別將其中的根系揀出；用60目的尼龍網(wǎng)鋪設(shè)在土坑底部及四周，將去根的土壤按照原來(lái)的層次回填，每月定期觀察，并除去雜草及根系。

1.2.2 土壤呼吸測(cè)定

土壤呼吸采用Li-8100A土壤CO2通量測(cè)量系統(tǒng)(Li-Cor, Inc.,Lincoln, NE, USA)測(cè)定，測(cè)定時(shí)期為2011年和2012年生長(zhǎng)季(5—10月)。測(cè)定頻率為每隔10d測(cè)定1次，遇雨順延，每月2—3次，每次測(cè)量時(shí)間為10:00—12:00。在每個(gè)樣方中打入一個(gè)高10 cm直徑為11 cm的PVC底座，底座永久性的打入地面5 cm，然后將Li-8100A的氣室罩在PVC底座上，測(cè)量土壤CO2通量，每次測(cè)定時(shí)間為90 s。

1.2.3 相關(guān)因素測(cè)定

土壤溫度用系統(tǒng)自帶的土壤溫度探針測(cè)定。在測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，將溫度探針垂直插入PVC環(huán)附近5 cm深的土壤，系統(tǒng)自動(dòng)記錄土壤溫度。

用烘干法(105 ℃)測(cè)定土壤水分。測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)在PVC環(huán)附近用土鉆挖取0—5 cm 深度的土壤，測(cè)定含水量，3個(gè)重復(fù)。

地上生物量、地下生物量、土壤全氮和土壤有機(jī)碳等于2012年8月中旬測(cè)定，均設(shè)3個(gè)重復(fù)。

地上部生物量：在試驗(yàn)地中選取地表植物長(zhǎng)勢(shì)均勻的地塊，面積為0.5 m×0.5 m，剪下地上部植株，105 ℃殺青1 h后，70 ℃烘至恒重，稱(chēng)量；

根系生物量：用根鉆進(jìn)行取樣，沖洗掉土壤，70 ℃烘至恒重，稱(chēng)量；

土壤全N：采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；

土壤有機(jī)碳：采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

方差分析用于檢驗(yàn)4種不同的干擾措施和對(duì)照樣地之間的土壤凈呼吸通量年均值是否存在差異。用非線性回歸方程分析不同干擾處理下土壤凈呼吸與土壤溫度、土壤凈呼吸與土壤水分之間的關(guān)系；用非線性關(guān)系方程擬合不同干擾處理下土壤呼吸與土壤溫度和土壤水分的關(guān)系模型；采用多元線性逐步回歸分析不同控制因子與土壤凈呼吸通量的關(guān)系并最后建立擬合方程。所有數(shù)據(jù)處理均在SPSS12.0軟件包上進(jìn)行，圖像處理用SigmaPlot 12.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤凈呼吸通量的季節(jié)變化及其與土壤溫度、土壤濕度的關(guān)系

天然草地的日平均土壤呼吸通量在0.41—11.97 μmol m-2s-1之間，2011和2012年土壤凈呼吸通量分別在8月和7月達(dá)到最高(圖1)。火燒處理草地的日平均土壤呼吸通量在0.75—4.41 μmol m-2s-1之間，2011和2012年土壤凈呼吸通量分別在7月和8月達(dá)到最高。灌溉處理草地的日平均土壤呼吸通量在0.24—5.76 μmol m-2s-1之間，2011和2012年土壤凈呼吸通量均在8月達(dá)到最高。施肥處理草地的日平均土壤呼吸通量在0.55—10.98 μmol m-2s-1之間，2011和2012年土壤凈呼吸通量分別在8月和7月達(dá)到最高。刈割處理草地的日平均土壤呼吸通量在0.30—4.25 μmol m-2s-1之間，2011和2012年土壤凈呼吸通量分別在7月和8月達(dá)到最高(圖1)。

由此可見(jiàn)，不同干擾處理土壤凈呼吸均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，趨勢(shì)十分相似。最大值均出現(xiàn)在7月到8月之間，春末和夏季較高，春初和秋冬季較低。春初(5月初)各處理土壤凈呼吸通量均表現(xiàn)為逐漸上升，各處理土壤凈呼吸通量與對(duì)照之間差異不顯著。除施肥處理外，其余各處理增幅均小于對(duì)照。

圖1 2011—2012年不同干擾下土壤凈呼吸通量的季節(jié)性變化動(dòng)態(tài)Fig.1 Seasonal dynamics of net soil respiration flux under different disturbances (mean±SD) from 2011 to 2012

由圖2可以看出，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)期間的土壤凈呼吸通量與土壤溫度進(jìn)行回歸性分析，4種干擾處理(火燒、灌溉、施肥、刈割)和對(duì)照的土壤溫度(T)對(duì)土壤凈呼吸的解釋能力(R2值)均超過(guò)0.8(P< 0.001)。

圖2 不同干擾下土壤凈呼吸通量與土壤溫度和土壤濕度的回歸分析Fig.2 Regression analysis of net soil respiration flux with soil temperature, soil moisture in different plots

土壤濕度對(duì)土壤凈呼吸的解釋力較弱，土壤凈呼吸通量與土壤濕度的回歸分析結(jié)果表明，灌溉、刈割和對(duì)照的土壤濕度對(duì)土壤凈呼吸的解釋能力(R2值)較高，分別為0.6614、0.5928、0.5034(P< 0.001)?；馃褪┓式忉屇芰?R2值)較低，分別為0.37和0.32(P< 0.01)。整個(gè)測(cè)量過(guò)程中土壤濕度存在明顯的干濕交替現(xiàn)象，并且降雨集中在生長(zhǎng)季。

4種處理和對(duì)照天然草地的土壤凈呼吸通量與土壤溫度、土壤濕度的曲線回歸擬合方程均滿足以下指數(shù)方程：

Rs=aebT

式中，Rs為土壤凈呼吸通量(μmol m-2s-1)，T為土壤溫度(℃)，a為溫度為0 ℃時(shí)土壤凈呼吸通量，b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

擬合方程系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同干擾下土壤凈呼吸通量與土壤溫度和土壤濕度的非線性回歸擬合方程系數(shù)

2.2 干擾對(duì)草地土壤凈呼吸通量影響的差異性檢驗(yàn)

由不同干擾對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤凈呼吸通量的差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，除施肥處理外，其余處理與天然草地之間的土壤凈呼吸通量有顯著差異(表3)，其中，火燒處理和刈割處理差異極顯著(P< 0.01)，火燒處理2011年和2012年的R2值分別為0.004和0.001(P< 0.01)；刈割處理2011年和2012年的R2值分別為0.002和0(P< 0.01)。不同干擾草地在CO2排放量上的差異會(huì)對(duì)整個(gè)區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)總排量具有較大的影響。

表3 4種干擾處理與天然草地土壤呼吸通量年均值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

2.3 控制因素對(duì)土壤凈呼吸通量的影響

45個(gè)樣方的土壤凈呼吸通量與影響土壤呼吸的主要控制因素進(jìn)行回歸性分析表明，4種控制因素與土壤凈呼吸通量均呈正相關(guān)關(guān)系。地上生物量、地下生物量、土壤有機(jī)碳、土壤全氮的線性回歸R2值分別為0.526、0.624、0.862、0.854(P< 0.01)(圖3)。

土壤有機(jī)碳、土壤全氮、地上生物量、地下生物量與土壤凈呼吸通量進(jìn)行多元線性逐步回歸分析(表4)，土壤凈呼吸通量(Rs)與土壤有機(jī)碳(SC)和土壤全氮(SN)之間存在顯著的線性關(guān)系，回歸模型最終由土壤有機(jī)碳(SC)和土壤全氮(SN)兩個(gè)變量構(gòu)成。

圖3 不同控制因素與土壤凈呼吸通量的回歸分析Fig.3 Regression analysis of seasonal mean soil respiration with different control factors in different plots

表4 模型概述

對(duì)建立的回歸模型進(jìn)行方差分析(表5)，可以得出在顯著水平為0.01時(shí)，所得到的模型及其回歸系數(shù)均是顯著的。

表5 方差分析表

因此，由表6得出的回歸方程:

Rs=-0.676+0.309SC+0.197SN

可作為最優(yōu)回歸模型，用于土壤凈呼吸通量的預(yù)測(cè)。式中，Rs為土壤凈呼吸通量，SC為土壤有機(jī)碳含量，SN為土壤全氮含量。

表6 回歸分析模型系數(shù)

3 討論

3.1 不同干擾處理下土壤凈呼吸的季節(jié)性變化

冬季植被對(duì)土壤碳的吸收較少，土壤微生物活動(dòng)不強(qiáng)，整個(gè)冬季長(zhǎng)達(dá)半年的土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解作用使得可利用有機(jī)碳含量升高。5月初，覆蓋在土壤表面的積雪融化，土壤內(nèi)部也隨之融凍，土壤的水熱條件逐漸轉(zhuǎn)好，草地群落恢復(fù)了生活和生長(zhǎng)，植物根系活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，土壤微生物的種類(lèi)和數(shù)量也不斷增加，土壤凈呼吸通量開(kāi)始逐漸上升。直至7—8月，水熱條件達(dá)到適宜水平，土壤微生物也進(jìn)入活動(dòng)旺盛期，土壤凈呼吸通量達(dá)到最高值。然而從8月下旬開(kāi)始，隨著氣溫的降低和降水的減少，土壤水熱條件逐漸變差，土壤凈呼吸通量也隨之降低[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同干擾處理土壤凈呼吸均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，試驗(yàn)選取的4種干擾處理對(duì)土壤凈呼吸季節(jié)性規(guī)律影響不大。

草地土壤凈呼吸速率對(duì)氣候變化的敏感性很高，同時(shí)草地土壤呼吸也對(duì)氣候變化有較強(qiáng)的正反饋?zhàn)饔肹20-22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤溫度與土壤凈呼吸通量之間滿足指數(shù)相關(guān)，這是因?yàn)橥寥纼艉粑饕獮槲⑸锏拇x呼吸，受溫度條件變化的制約較明顯[23]，這與李凌浩等、陳述悅等、牟守國(guó)和Davidson等[24-27]的研究結(jié)果一致。4種處理可以明顯地降低土壤凈呼吸通量對(duì)溫度的敏感性，減少土壤溫度升高過(guò)程中的碳釋放量。在植物生長(zhǎng)季內(nèi)，土壤濕度只能在一定程度上制約土壤呼吸，通常在受到水分脅迫時(shí)，土壤濕度對(duì)土壤凈呼吸通量的影響力比較大，土壤濕度低，植物根系和土壤微生物活動(dòng)受到限制，土壤濕度成為控制土壤CO2釋放速率的主要因子。本試驗(yàn)地點(diǎn)具有隱域性特征，地下水位高，土壤濕度始終能夠保持較高水平，基本上能滿足植物根系和土壤微生物活動(dòng)的需要，因此，本研究結(jié)果與該地區(qū)其他研究結(jié)果有所不同[28,29]。

3.2 不同干擾處理對(duì)草地土壤凈呼吸的影響

土壤根系呼吸，土壤微生物和動(dòng)物呼吸，土壤氧化還原作用共同組成了土壤總呼吸，土壤凈呼吸包括了土壤總呼吸中土壤根系呼吸以外的所有部分[30]。草地生態(tài)系統(tǒng)所固定的碳由植物光合作用累積的碳與呼吸作用異化的碳的差值所決定，植物根系呼吸在草地生態(tài)系統(tǒng)土壤釋放碳量中不能起到?jīng)Q定性作用[31]。因此，土壤凈呼吸通量和草地生態(tài)系凈初級(jí)生產(chǎn)力能較好體現(xiàn)土壤與大氣的碳交換情況。本研究中火燒處理，灌溉處理，刈割處理土壤凈呼吸通量低于天然草地，施肥處理的土壤凈呼吸通量與天然草地差異不顯著(P> 0.05)。這說(shuō)明對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)、適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)，能夠通過(guò)減弱或減緩生態(tài)系統(tǒng)的釋碳作用從而增強(qiáng)其固碳能力。很多研究結(jié)果表明，火燒、灌溉、施肥等干擾對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2釋放速率都有明顯的影響[13,32-40]。Aydin等研究發(fā)現(xiàn)土耳其地區(qū)火燒后草原生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸通量升高[34]；Ralph等研究得出，南美洲森林火燒后，土壤CO2釋放速率會(huì)明顯升高，10a以后得以恢復(fù)[35]。Stephen等在澳大利亞北部的研究表明，火燒會(huì)提高土壤呼吸通量[36]。本研究中火燒降低了土壤凈呼吸通量，火燒增加土壤呼吸通量主要體現(xiàn)在增強(qiáng)土壤根系呼吸，因此，火燒在一定程度上可以增強(qiáng)草地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。許多研究認(rèn)為灌溉對(duì)典型草原生態(tài)系統(tǒng)CO2固定效果不明顯，灌溉提升的草地固碳效益不足以填補(bǔ)其對(duì)水資源的消耗[37-39]。郭明英[40-41]等研究發(fā)現(xiàn)草地土壤呼吸通量隨著刈割年限的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。適當(dāng)?shù)呢赘詈头拍晾?，可以增加草地植被多樣性，防止天然草地的退化，進(jìn)而增加草地的固碳能力。施肥會(huì)增加土壤呼吸通量，施肥后的草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力高于天然草地[13,42-43]，但在本研究中施肥處理的土壤凈呼吸通量與天然草地持平，其主要原因大概是較好的水分條件弱化了施肥的效果。

3.3 土壤凈呼吸通量對(duì)各控制因素的響應(yīng)

土壤中碳的釋放主要通過(guò)微生物參與的礦化作用和植物與土壤動(dòng)物的呼吸作用來(lái)完成，受到土壤溫度，土壤濕度，地上/地下生物量，土壤養(yǎng)分等的共同影響。本文探討了含水量和溫度對(duì)土壤凈呼吸的影響，但也認(rèn)為其他控制因素對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤凈呼吸通量有不同程度的影響[13,24]。本試驗(yàn)測(cè)量的是土壤凈呼吸通量，雖然所測(cè)樣方內(nèi)的植物被人為移除，但周?chē)厣仙锪亢偷叵律锪繉?duì)土壤凈呼吸仍有一定影響。土壤有機(jī)碳和全氮等土壤養(yǎng)分是土壤凈呼吸過(guò)程的底物，其含量多少直接影響土壤呼吸的能動(dòng)性，本試驗(yàn)中得到的結(jié)論與此一致。4種因素與土壤凈呼吸通量的回歸分析都有較高的擬合度，在相同的時(shí)間尺度上，土壤有機(jī)碳和土壤全氮是土壤凈呼吸通量的主要控制因素。

4 結(jié)論

不同干擾處理土壤凈呼吸均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，并且趨勢(shì)十分相似。均以春末和夏季較高，春初和秋季排放量則處于較低水平。在北方溫帶草原區(qū)域，溫度比水分更能解釋土壤凈呼吸的年際變化。水分對(duì)土壤凈呼吸的調(diào)節(jié)作用不僅要考慮氣候特征，更應(yīng)注意隱域性地帶的水分分布特征。土壤有機(jī)碳含量和土壤全氮含量是土壤凈呼吸通量的決定性因素，不同干擾處理在特定的時(shí)空條件下，都與天然草地的土壤凈呼吸有顯著差異，在適時(shí)適度的情況下均能增強(qiáng)草地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。

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The response of net soil respiration to different disturbances in a typical grassland of northern China

KAN Yuchen1,2, WU Ruixin1,2, ZHONG Mengying1, WANG Jianxun1, PU Xiaopeng2, SHAO Xinqing1,*

1GrasslandScienceDepartment,CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China2PrataculturalCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China

The release of carbon (C) in the biogeochemical cycle of grassland vegetation, soil, and the atmosphere mainly results from metabolism and respiration in roots, soil mineralization, and microbial activities. Soil temperature, soil moisture, above-ground biomass, below-ground biomass, soil nutrition, and microbiological composition can all affect soil respiration in grassland ecosystems. Fire has been identified as one of the most important factors controlling ecosystem processes and the C cycle. Soil nitrogen (N) availability influences plant growth, net primary productivity, and litter decomposition, all of which can affect the supply of C substrate for plant roots and soil microorganisms. Mowing, contrary to grazing, non-selectively affects all plants in a community by removing their above-ground biomass, traditionally only once or twice a year. Rainfall can affect the mineral composition of grasses. Correctly evaluating the effects of different disturbances on the grassland C cycle has contributed to understanding the effects of various management practices on grasslands. Soil net respiration plays an important role in regulating the responses of ecosystems and global C cycling to natural and anthropogenic disturbances. When total soil respiration is investigated, the net soil respiration flux is usually taken as a basis for measuring the net C release from grasslands to the atmosphere. Therefore, research on the quantitative distinction between net soil respiration and total soil respiration and quantitative descriptions of the C cycle processes of grassland ecosystems has imperfections. To address this, a grassland in the Hebei Guyuan national grassland ecosystem field scientific observation station was used as to investigate soil net respiration dynamics by the root exclusion method under irrigation, N fertilization, mowing, and burning, and in an undisturbed grassland from April 2011 to October 2012. The results showed consistent and obvious seasonal changes in soil net respiration under the different disturbances. Soil net respiration under all disturbance types was higher in late spring than in summer and lower in early spring and autumn. The soil net respiration rate under burning, irrigation, and mowing was decreased by 28.93%, 16.25%, 36.82%, respectively, compared with undisturbed grassland. The soil temperature and soil moisture were exponentially correlated with soil net respiration rate (P<0.01). Regression analysis of the seasonal mean soil net respiration with above-ground biomass, below-ground biomass, soil organic C content, and soil total N contents demonstrated that soil organic C and total N content were the main influences on soil net respiration. Therefore, it was concluded that in the north temperate grassland area, soil temperature can better explain the inter-annual variability of soil net respiration than can soil moisture. The regulating action of soil moisture on soil net respiration should consider not only climate characteristics but also intra-zone water distribution. Soil organic C and total N content are crucial factors for soil net respiration. Under certain time-space conditions, soil net respiration under the disturbances was significantly different than in undisturbed grassland. Irrigation, N fertilization, mowing, and burning can all increase the C sequestration ability of grassland ecosystems. The different mechanisms by which irrigation, burning, mowing, and N fertilization were found to influence soil net respiration will facilitate the simulation and projection of ecosystem C cycling in the semi-arid grassland of northern China.

typical grassland; root exclusion method; soil respiration; disturbance; carbon sequestration ability

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAC01B02); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203006)

2014-01-06;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401060031

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shaoxinqing@163.com

闞雨晨, 武瑞鑫, 鐘夢(mèng)瑩, 王建勛, 蒲小鵬, 邵新慶.干擾對(duì)典型草原生態(tài)系統(tǒng)土壤凈呼吸特征的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(18):6041-6050.

Kan Y C, Wu R X, Zhong M Y, Wang J X, Pu X P, Shao X Q.The response of net soil respiration to different disturbances in a typical grassland of northern China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6041-6050.