陳永金, 陶寶先, 劉加珍, 郭雯雯, 閆勝文, 賈一燦, 尚婉瀅, 吳昊杰

南水北調工程對湖泊濕地土壤呼吸速率及碳排放的影響研究

陳永金, 陶寶先, 劉加珍, 郭雯雯, 閆勝文, 賈一燦, 尚婉瀅, 吳昊杰

聊城大學環(huán)境與規(guī)劃學院, 山東, 聊城 252059

濕地是地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一, 其碳匯功能對應對全球氣候變化具有舉足輕重的作用。為了闡明湖泊濕地土地利用變化條件下不同植物群落土壤呼吸速率變化及其與相關環(huán)境因子的關系, 運用LI-8100A開路式土壤碳通量測量系統(tǒng), 測定了東平湖濕地典型植物群落(香蒲、蘆葦、楊樹林)以及應季作物的春季、夏季土壤呼吸速率, 并對大氣溫度、大氣相對濕度、光照強度、土壤溫度以及土壤水分等環(huán)境因子進行了監(jiān)測。結果表明:東平湖濕地不同植物群落春夏土壤呼吸速率有明顯不同, 夏季呼吸速率高于春季; 不同群落之間土壤呼吸速率也有較大差異, 應季作物土壤呼吸速率均值最大, 其次是香蒲群落和蘆葦群落, 楊樹林群落最小。從整體看, 南水北調東線工程的實施, 擴大了蘆葦、香蒲群落和楊樹林群落的面積, 減少了農作物的面積, 對減少碳排放起到了積極作用。為增強湖泊濕地的碳匯功能, 減少溫室氣體的排放, 應進一步增加濕地植物中木本植物的面積, 減少農作物種植面積; 不同土層溫度對不同群落土壤呼吸速率的影響不同, 香蒲群落土壤呼吸速率與0—5cm土層溫度呈正相關, 蘆葦群落土壤呼吸速率與0—5 cm,5—10cm土層溫度呈正相關, 楊樹林群落土壤呼吸速率與0—5cm, 20—25cm土層溫度呈正相關關系。

東平湖; 土壤呼吸; 濕地; 植物群落; 環(huán)境因子

0 前言

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣釋放CO2 的主要過程[1], 也是陸生植物固定的CO2返回大氣的主要途徑[2,3], 土壤呼吸速率的變化會帶來大氣中CO2濃度的變化[3]。濕地與森林和海洋并稱地球上三大生態(tài)系統(tǒng), 濕地面積占全球陸地總面積的6%, 碳儲量卻占陸地土壤碳總儲量的11%[4,5]。因此, 濕地既是陸地上重要的有機碳庫, 又是多種溫室氣體的源和匯, 在全球碳循環(huán)中占有重要地位[6]。國內外都十分重視濕地土壤呼吸的研究, 美國科羅拉多高山沼澤濕地土壤呼吸速率為1.2—526 mmol.·CO-2m-2·d-1[7], 弗吉尼亞河流濕地土壤碳通量研究發(fā)現, 其呼吸速率為3.1 umol·m-2·s-1 [8]。溫度是影響濕地土壤呼吸速率的主要環(huán)境因子, 科羅拉多高山沼澤濕地土壤呼吸速率與5 cm土層溫度呈極顯著相關[7], 太湖濕地土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著正相關, 與土壤濕度不相關[9], 黃河三角洲濕地土壤呼吸速率日變化與與氣溫關系密切[10-12]。土壤呼吸速率的影響因素還與植物群落類型有關[13], 天津永定河濕地堿蓬群落土壤呼吸速率與土壤溫度和含水率具有顯著相關性, 蘆葦群落不具有相關性[14]; 青藏高原高寒泥炭型濕地土壤呼吸速率與地上生物量、枯落物累積量呈顯著正相關[15]; 人類干擾對濕地土壤呼吸速率有著越來越顯著的影響[16,17], 過量的氮元素的輸入會干擾濕地森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán), 破壞其平衡[18]。不同土地利用方式, 土壤呼吸速率也有差異, 在東北三江平原濕地, 土地開墾為旱田后, 土壤呼吸速率增加, 碳匯功能減弱或喪失[13]。

湖泊濕地是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 但有關湖泊濕地土壤呼吸速率的研究卻較少, 且集中在西北干旱區(qū)或青藏高原區(qū)[19-21 ], 位于我國東部季風區(qū)的湖泊, 受自然環(huán)境變化和人類活動影響深刻的我國東部湖泊濕地土壤呼吸的研究相對較少[22-24]。東平湖是山東省第二大淡水湖, 也是我國南水北調東線工程重要調蓄樞紐。2014年整個東線工程建成并通水, 東平湖水位由44 m以下提高到46 m, 5000 hm2土地被淹沒, 或因地下水位太高而無法耕種, 農田變成了蘆葦、香蒲濕地或人工楊樹林。分析比較不同植物群落土壤呼吸速率特征, 探討土地利用變化對土壤-大氣碳循環(huán)的影響, 對區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護, 應對全球變化都具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

東平湖位于黃河下游南岸泰安市東平縣西部, 35°30′N—36°20′N, 116°00′E—116°30′E之間, 總面積627 km2。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候、四季分明、降水較為充沛。春季(3—5月)受極地大陸性氣團控制, 溫度回升快, 干燥少雨, 多大風, 常有春旱發(fā)生。夏季(6—8月)受海洋季風影響, 高溫高濕、炎熱多雨, 間有伏旱、內澇、大風及連陰雨等災害性天氣出現。秋季(9—11月)隨著北方大陸高氣壓的重新建立與控制, 氣溫急速下降, 降水量明顯減少, 天氣穩(wěn)定, 常有秋旱發(fā)生。冬季(12—2月)因受大陸冬季季風控制, 天氣干冷, 雨雪稀少。年平均氣溫13.6 ℃, 氣溫年較差4.5 ℃, 無霜期200 d, 年日照時數2401.1 h, 平均風速2.8 m·s-1。東平湖湖區(qū)面積418 km2, 年降水量624.4 mm, 湖區(qū)平均水深2.5 m, 多年平均水文40.68 m[25]。

東平湖是我國南水北調東線工程的重要調蓄樞紐, 也是山東省西水東調的水源地, 地理位置和生態(tài)地位十分重要。東平湖地區(qū)屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候, 四季分明。冬春兩季多風少雨雪, 夏季高溫多雨。東平湖濕地主要由國家級濱湖濕地公園和稻屯洼國家城市濕地公園組成, 濕地生物多樣性高, 有野鴨、脊鳥、令鳥、白鷺、翠鳥和白天鵝等大型鳥類。

2 斷面設置與監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測斷面設置

為了監(jiān)測東平湖濕地土壤呼吸速率, 在東平濱湖國家濕地公園設置3個監(jiān)測斷面, 分別是(1)老湖斷面, 位于東平湖濱老湖鎮(zhèn)。該斷面以人工楊樹林群落(6年齡楊樹)和應季農作物為主; (2)展營斷面, 位于大清河入東平湖處, 該斷面主要有人工楊樹林(2年齡稀疏林)和小麥、玉米等應季農作物, 還有稀疏蘆葦; (3)稻屯洼斷面, 稻屯洼原是東平湖的一部分, 隨著水位的下降, 逐漸脫離的東平湖, 成為獨立的城市濕地。該斷面主要以香蒲和蘆葦群落為主。

2.2 監(jiān)測方法

利用LI-8100A(LI-COR,Lincoln,NE,USA)紅外氣體分析儀測定土壤呼吸速率, 為了比較生長期不同季節(jié)濕地土壤呼吸速率的差異, 呼吸速率監(jiān)測與于2015年4月(春季)和7月(夏季)進行。土壤呼吸的日動態(tài)變化測量在6:00—18:00之間, 每隔1 h測定一次, 每次測量時間為5 min, 同一時段每個觀測點重復測定3次, 分析時采用其均值。在測量土壤呼吸時, 利用LI-8100A附帶的溫濕度計在采樣點附近同時測量土壤濕度; 用溫度計和干濕度計測定近地面的大氣溫度和濕度, 用土壤溫度計測定不同深度的土壤溫度。

3 結果與分析

3.1 不同群落春夏土壤呼吸速率比較

3.1.1 春季

老湖監(jiān)測斷面春季土壤呼吸速率在1.0—2.8 μmol·(m2·s)-1之間(圖1a), 楊樹林群落土壤呼吸速率最低為1 μmol·(m2·s)-1, 最高為1.5 μmol·(m2·s)-1, 小麥和油菜群落的呼吸速率最低值為1.6 μmol·(m2·s)-1, 反映了不同土地利用方式對碳排放的巨大差異。從呼吸速率的日變化看, 小麥、油菜和楊樹林三個群落都呈單峰曲線變化, 其中, 小麥和油菜群落表現出較高的一致性, 但小麥的呼吸速率的最高值出現在11:30, 而油菜的最高值出現在12:00, 最低值都出現在早晨8:00。楊樹林群落呼吸速率的最高值出現在14:00, 最低值出現在18:00。

圖1 東平湖濕地不同斷面不同群落土壤呼吸速率日動態(tài)

Figure 1 Diurnal dynamics of soil respiration rate among different plant communities of different sections

展營斷面小麥群落土壤呼吸速率從8:00到12:00變化很小, 14:00出現明顯增加, 16:00達到最高值。然后逐漸下降, 16:00及其以后的呼吸速率明顯高于16:00前。楊樹林群落呼吸速率沒有顯著峰值, 14:00之前呼吸速率處于平穩(wěn)且較低狀態(tài)(圖1b)。

香蒲與蘆葦是稻屯洼濕地最典型的植被, 兩群落呼吸速率在1.4—2.87 μmol·(m2·s)-1之間波動, 香蒲與蘆葦群落土壤呼吸速率日變化趨勢大致相同, 但蘆葦群落明顯高于香蒲群落。香蒲群落土壤呼吸速率日動態(tài)中在18:00達到最大值, 為2.39 μmol·(m2·s)-1; 蘆葦群落的土壤呼吸速率最大值為2.87 μmol·(m2·s)-1, 出現在16:00(圖1c)。

3.1.2 夏季

老湖斷面2種植被7月份土壤呼吸速率日變化整體變化范圍為3.9—6.8 μmol·(m2·s)-1之間, 且2種植被土壤呼吸日動態(tài)曲線都較為平緩。楊樹群落的土壤呼吸曲線在一天之中呈現下降趨勢, 最大值在早上8:00出現, 為4.43 μmol·(m2·s)-1, 最小值出現在18:00, 為3.94 μmol·(m2·s)-1。應季作物群落土壤呼吸最大值出現在上午10:00, 為6.81 μmol·(m2·s)-1, 最小值出現在下午18:00, 為5.49 μmol·(m2·s)-1(圖1d)。

展營斷面楊樹群落土壤呼吸速率在2.0—3.0 μmol·(m2·s)-1之間, 遠低于5.1—6.0 μmol·(m2·s)-1的玉米群落。楊樹群落的土壤呼吸最大值與最小值分別為3.09 μmol·(m2·s)-1和2.41 μmol·(m2·s)-1, 分別出現在14:00和8:00; 而玉米群落的最大值與最小值分別為6.01 μmol·(m2·s)-1和5.35 μmol·(m2·s)-1, 分別出現在14:00和6:00(圖1e)。

稻屯洼斷面2種植被土壤呼吸速率在4–7 μmol·(m2·s)-1之間波動, 香蒲群落土壤呼吸呈先升后降的單峰曲線, 12:00達到最大值, 為6.88 μmol·(m2·s)-1; 最低值則出現在早上8:00, 為4.54 μmol·(m2·s)-1。蘆葦群落的土壤呼吸速率變化也較為平緩, 最大值出現在下午16:00, 為5.52 μmol·(m2·s)-1, 最小值出現在早上8:00, 為4.1 μmol·(m2·s)-1(圖1f)。

3.1.3 春夏土壤呼吸速率差異

利用SPSS軟件中的方差分析比較不同群落以及同一群落不同季節(jié)土壤呼吸速率的差異性。老湖和展營斷面春季楊樹林群落和油菜、小麥群落的呼吸速率差異顯著, 而農作物之間呼吸速率差異性不具有統(tǒng)計顯著性(圖2a,b); 稻屯洼斷面香蒲和蘆葦群落土壤呼吸速率差異性顯著(圖2c); 夏季老湖和展營斷面的楊樹林和小麥群落呼吸速率差異性顯著, 稻屯洼斷面香蒲和蘆葦群落土壤呼吸速率的差異也達到統(tǒng)計顯著性(圖2d-f)。

圖3是楊樹林、蘆葦和香蒲群落春夏土壤呼吸速率的比較, 可以看出, 三個群落的春夏土壤呼吸速率差異性都具有統(tǒng)計的顯著性。

3.2 環(huán)境因子

3.2.1 春季

春季東平湖濕地各監(jiān)測斷面太陽照度日變化顯著, 日出和日落時最低, 峰值出現在10:00—14:00。不同斷面照度也有差異, 其中展營斷面平均照度大于稻屯洼和老湖兩個斷面。不同植物群落照度也有明顯差異, 老湖斷面小麥和油菜群落照度是楊樹林群落的2倍多, 展營斷面的蘆葦群落照度也差不多高出楊樹林近1倍, 稻屯洼斷面香蒲和蘆葦群落照度則比較接近。相同植物群落在不同斷面的照度也有非常顯著的差異, 展營斷面的楊樹林群落照度遠高于老湖斷面, 稻屯洼斷面蘆葦的照度也低于展營斷面, 這是因為展營斷面楊樹林是剛栽種不久的稀疏幼林, 而蘆葦也長得比較稀疏, 因此, 照度最高。的相比較太陽照度, 相同斷面不同群落之間氣溫和大氣相對濕度相差較小(圖4a-c)。

東平湖濕地氣溫的日變化比照度要平緩, 而且同一斷面不同植物群落間氣溫差異不是很大, 但不同斷面氣溫還是有差異的(圖4d-f)。大氣相對濕度的變化與氣溫呈反向變化(圖4g-i)。

土壤溫度表現出明顯的分層結構, 其中0-5cm表層土壤溫度日變化最大, 平均溫度也最高, 越下下層溫度越低, 變化幅度也越小(圖5)。

3.2.2 夏季環(huán)境因子分析

相對于呼吸速率, 環(huán)境因子在不同斷面和不同群落之間的差異性較小, 我們以展營斷面為例, 分析照度、氣溫和大氣相對濕度以及土壤溫度的日變化特征。展營斷面楊樹林和玉米群落照度都呈單峰曲線變化, 最高值為52533 Lx, 出現在楊樹林群落, 但照度均值則是玉米群落大于楊樹林群落, 另外, 楊樹林和玉米群落照度峰值出現的時間也不同, 楊樹林為14:00, 玉米群落出現在12:00(圖6)。兩群落氣溫變化趨勢大體相同, 都呈單峰曲線, 最高值都出現在14:00, 玉米群落平均氣溫高于楊樹林群落。大氣相對濕度變化與氣溫呈反向變化, 楊樹林群落高于玉米群落。

圖2 不同群落土壤呼吸速率的差異性

Figure 2 Difference of soil respiration rates between different communities

圖3 典型群落春夏土壤呼吸速率對比

Figure 3 Comparison of soil respiration rates of typical communities between Spring and Summer

我們以稻屯洼斷面為例, 比較環(huán)境因子的春夏變化。從圖可以看出, 香蒲和蘆葦群落照度和大氣溫度都是夏季高于春季, 而大氣相對濕度則是春季高于夏季(圖7a-c)。夏季氣溫高于春季與太陽高度角有關, 大氣相對濕度夏季高于春季則是由于大氣中水汽含量相對固定, 而夏季氣溫高, 飽和水汽壓大, 因此, 相對濕度出現下降變化。

圖8是稻屯洼斷面香蒲和蘆葦群落春夏土壤平均氣溫的變化, 從整體看, 春夏土壤平均溫度變化趨勢基本一致, 都是早晨6: 00溫度最低, 然后逐漸升高, 在16: 00達到最高溫度后逐漸下降。具體群落來說, 春季蘆葦群落土壤平均溫度略高于香蒲群落, 而夏季香蒲群落土壤均溫又稍高于蘆葦。香蒲群落春夏平均溫差在8.7℃, 而蘆葦群落春夏溫差為7.1℃。

3.3 呼吸速率與環(huán)境因子關系

對土壤呼吸速率與大氣溫度、大氣濕度、照度、土壤水分、土壤溫度進行回歸分析, 結果如表1、表2:

春季東平湖濕地土壤呼吸與大氣溫度的關系呈指數型變化, 夏季呈二次線性關系。4月份四種植被相關系數2按從大到小的順序排列, 依次是:香蒲(0.854)>蘆葦(0.85)>小麥(0.793)>楊樹(0.319); 7月份三種植被相關系數R2按從大到小的順序排列, 依次是:蘆葦(0.81)>香蒲(0.555)>楊樹(0.36)。

圖4 春季環(huán)境因子日動態(tài)

Figure 4 Diurnal dynamics of environmental factors in Spring

圖5 典型群落春季土壤溫度日動態(tài)

Figure 5 Diurnal dynamics of soil temperature of typical communities in Spring

圖6 展營斷面夏季環(huán)境因子日動態(tài)

Figure 6 Daily dynamics of environmental factors of Zhanying Section in Summer

圖7 香蒲、蘆葦群落春夏環(huán)境因子比較

圖8 稻屯洼斷面香蒲和蘆葦群落土壤剖面春夏平均溫度日變化

Figure 8 Diurnal variation of average temperature in soil profile ofand reed communities at Daotunwa Section in Spring and Summer

大氣濕度是與溫度息息相關的環(huán)境因子, 根據4月與7月份與土壤呼吸的相關性曲線分析, 4月份相關系數R2按從大到小排序為:蘆葦(0.866)>香蒲(0.716)>楊樹(0.531)>小麥(0.432), 7月份 R2按從大到小排序為: 蘆葦(0.805)>楊樹(0.552)>香蒲(0.504)。該結論與大氣溫度相似, 蘆葦群落與大氣相對濕度的相關性高于香蒲、楊樹林和小麥群落。不同植物群落由于受氣象因子影響, 會有相當大的差異。近地面大氣濕度會影響土壤微生物, 植物根系等呼吸作用的進行, 從而影響土壤呼吸速率。

表1 春季3種植物群落與各環(huán)境因子擬合曲線

植物群落與照度呈現較平緩的二次多項式關系, 此規(guī)律在4月份與7月份相一致。隨著照度的變化, 各植物群落土壤呼吸速率變化趨勢略有不同, 其中楊樹群落的相關性最高, 相關系數最大(R2=0.738), 其次為小麥(0.445), 蘆葦(0.404), 相關性最小的則是香蒲(0.317)。7月份, 香蒲群落與土壤呼吸的相關性是最高的, 相關系數為0.852, 其次為蘆葦(0.612), 楊樹最小(0.499), 這種現象有可能由于是季節(jié)變化, 大氣濕度與溫度均發(fā)生不同程度的改變, 各種環(huán)境因子發(fā)生微妙變化, 共同作用所引起的。

表2 夏季3種植被群落與各環(huán)境因子擬合曲線

春夏土壤呼吸速率與土壤水分擬合方程顯示, 除香蒲的相關系數為0.9以外, 其余的相關系數均在0.1—0.3之間, 表明土壤呼吸速率與土壤水分的相關性并不高, 即土壤含水量不是影響土壤呼吸速率的限制性因子。

土壤呼吸與春夏土壤溫度有很高的相關性, 而且同一植物群落土壤呼吸與春夏土壤溫度的相關程度也有所差異, 例如春季楊樹群落兩種關系的相關系數為0.43, 明顯小于夏季的0.74, 其他植物群落也是如此。春季, 不同植物群落土壤呼吸與土壤溫度的相關性大小順序為: 香蒲(0.82)>蘆葦(0.8)>楊樹(0.434)。詳細分析, 楊樹在10—15 cm處土壤呼吸與土壤溫度的相關性最高(0.64), 香蒲則是在5—10 cm處最高(0.94), 而蘆葦是在20—25 cm處相關性最高(0.9); 夏季3種植物群落的土壤呼吸速率與土壤溫度的相關性都在0—5 cm處最高, 相關性依次為為楊樹(0.95), 蘆葦(0.86), 香蒲(0.77), 越往深處, 會有一些減小或增大的微小波動。整體的相關性從大到小依次為楊樹(0.74)>蘆葦(0.67)>香蒲(0.434), 與春季正好相反, 分析其可能原因為, 各種植物群落土壤呼吸與土壤溫度的相關性對于季節(jié)的敏感性很高。

4 討論

(1)東平湖濕地春夏土壤呼吸速率有顯著差異, 夏季土壤呼吸速率比春季高1倍多。這與多數研究結論相似[26-29]。夏季植物生長到達旺季, 水熱條件逐漸到達最佳狀態(tài), 植物根系呼吸與土壤微生物活動強烈, 使得呼吸速率達到最高水平[29-32]。本研究發(fā)現, 同一季節(jié)農作物群落的土壤呼吸速率高于楊樹林、蘆葦和香蒲群落, 楊樹林群落的土壤呼吸速率低于自然濕地蘆葦和香蒲群落。有學者在新疆艾比湖濕地的研究發(fā)現, 作為草本植物的蘆葦群落土壤呼吸速率大于木本植物檉柳群落[19, 33], 與本研究結論具有一致性。土壤呼吸是土壤有機碳轉化為無機碳的重要過程, 土壤有機碳庫是土壤微生物分解的主要碳源, 其含量高低直接影響著土壤微生物的活性, 從而影響土壤碳排放[34]; Wagner等研究表明, 土壤CO2排放強度主要取決于土壤中碳氮底物的含量及礦化速率[35]; 還有研究認為, 土壤有機碳及生物量是造成土壤CO2排放差異的直接原因[20]。而在東平湖濕地楊樹林, 蘆葦和香蒲群落中,楊樹林群落的土壤有機質明最高[22], 說明土壤有機質含量以及碳氮多少并不是唯一決定土壤呼吸速率的因素。經過進一步對比, 我們發(fā)現, 不論春季還是夏季, 都是楊樹林群落的土壤溫度和大氣溫度最低, 或許氣溫對土壤呼吸速率的影響很重要。當然, 楊樹林是緊挨湖邊的, 地下水較高, 長期淹水也是抑制土壤呼吸速率的重要因素。土壤呼吸速率高低是土壤碳庫中各種形式的碳分解速率的直接體現, 農田生態(tài)系統(tǒng)由于每年有大量有機質及養(yǎng)分的輸入, 其呼吸速率自然最高。蘆葦、香蒲是湖泊濕地上自然生長的植物, 其較高的呼吸速率對濕地的碳源/匯功能有很大影響。在本研究中蘆葦、香蒲群落呼吸速率顯著高于楊樹林群落, 這是由于蘆葦香蒲都是一年生植物, 其生長迅速, 但分解也快。而楊樹林作為木本植物, 其吸收的物質被轉化成植物體的一部分固定起來了, 只有很少一部分以枯枝落葉形式返回土壤中參與碳循環(huán)。從整體看, 南水北調工程的實施, 增加了東平湖濕地香蒲蘆葦和楊樹林群落的面積, 減少了農作物的種植面積, 從碳排放的角度看, 減少了CO2排放, 對應對全球氣候變暖起到了積極作用。從不同植物群落呼吸速率看, 廣植木本植物是維護湖泊濕地土壤碳匯功能, 進一步減少溫室氣體排放的重要途徑之一。

(2)東平湖濕地土壤呼吸呼吸速率日動態(tài)隨季節(jié)與植物群落變化而有顯著變化。香蒲群落春夏季節(jié)土壤呼吸速率日動態(tài)都表現為明顯單峰曲線; 蘆葦群落春季土壤呼吸速率日動態(tài)表現為非對稱性單峰曲線, 夏季則接近雙峰曲線; 楊樹林群落春季和夏季土壤呼吸速率最高值和最低值之差都只有0.3 μmol·(m2·s), 峰谷變化很小。展營斷面, 夏季楊樹林群落土壤呼吸速率日動態(tài)表現呈從早到晚幾乎呈單調下降變化, 與前人在同一研究區(qū)研究結果有一定相似性[23],國內外其他地區(qū)的研究也有類似的結論[8,35-37]。溫度是影響土壤呼吸強度最主要的環(huán)境因子之一, 并對土壤中植物根系生長、微生物代謝以及有機質的分級來調控土壤呼吸[36-39], 至于會出現某些群落下土壤呼吸速率不隨氣溫變化發(fā)生顯著變化的的原因, 有研究認為可能是由于土壤異養(yǎng)微生物競爭不充足的土壤有機質基質來源的結果[38]; 還有研究認為, 是由于土壤活性炭對溫度的變化比較敏感, 而惰性碳部分對溫度的變化不敏感[39]。

(3)土壤溫度與土壤呼吸速率關系密切, 東平湖濕地不同植物群落土壤呼吸速率與不同土層溫度表現出不同的關系: 香蒲群落土壤呼吸速率變化主要受0—5 cm土層溫度變化的影響, 隨著該層溫度的升降而增減; 蘆葦群落土壤呼吸速率變化與0—5和5—10 cm土層溫度變化高度同步性, 人工楊樹林群落土壤呼吸速率與0—5, 5—10, 以及20—25 cm土層溫度同步變化。國內外有關土壤呼吸速率與不同深度土層關系的研究也較多: 美國科羅拉多高山沼澤濕地土壤呼吸速率與5 cm土層溫度呈極顯著相關[7]; 在淮南的大通濕地深度土壤溫度是蘆葦群落土壤呼吸強度主要受10 cm土層溫度變化的影響[39]; 在崇明島濕地, 林帶土壤呼吸速率與土壤5 cm處溫度的相關性最高[41]; 博斯騰湖蘆葦濕地, 近地面溫度和5 m土壤溫度與CO2排放通量呈現極顯著的正相關關系[20]; 安落葉松沼澤與5—15 cm土壤溫度存在極顯著相關性[26,29,42]。土壤呼吸主要是植物根部以及與根部共生的微生物的呼吸, 植物根系分布深度決定了土壤呼吸速率與不同土層溫度的關系。香蒲是多年生草本植物, 其根系較淺, 故土壤呼吸速率僅決定于表層土壤溫度; 蘆葦也是多年生草本植物, 其根狀莖分布深度大于香蒲, 因此, 土壤呼吸速率與0—5 cm和5—10 cm土層溫度同步變化; 而楊樹作為高大喬木, 其根系分布較深, 因此其呼吸速率與最深土層的關系密切。

5 結論

(1) 東平湖濕地不同植物群落土壤呼吸速率差異顯著, 人工楊樹林群落呼吸速率低于農作物和蘆葦、香蒲群落的土壤呼吸速率。南水北調東線工程的實施, 增加了東平湖濕地整體面積, 蘆葦香蒲群落和楊樹林群落面積增加, 農田面積減少, 整體上減少了CO2的排放, 進一步增加木本植物的面積是維護湖泊濕地碳匯功能, 緩解全球溫室效應的途徑之一;

(2) 相同植物群落春夏呼吸速率差異明顯, 香蒲群落土壤呼吸速率春夏日變化都呈明顯單峰曲線變化, 蘆葦群落夏季單峰曲線不明顯, 楊樹群落春夏日變化都很小, 展營斷面楊樹林呈單調小幅增加變化, 而老湖斷面楊樹林群落夏季土壤呼吸速率呈單調下降變化;

(3) 土壤呼吸速率與溫度關系密切, 楊樹林群落土壤呼吸速率與15—20 cm深度土層溫度呈極顯著正相關, 蘆葦與5—10 cm土層溫度呈極顯著正相關, 香蒲群落與0—5 cm土層溫度呈極顯著正相關。由此可見, 植物根系分布深度決定了呼吸速率與不同土層溫度的關系。

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Analysis on effects of South-to-North Water Transfer Project on soil respiration rate and carbon emission in lacustrine wetlands

Chen Yongjin, TAO Baoxian, Liu Jiazhen, GUO Wenwen, YAN Shengwen, JIA Yican, SHANG Wanying, WU Haojie

School of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng, 252059, China

Wetland is one of the three major ecosystems on the Earth, and its carbon sink function plays an important role in global climate change. In order to clarify the change of soil respiration rate of different plant communities in the wetland of lake and its relationship with related environmental factors, the LI-8100A open-circuit soil carbon flux measurement system was used to determine typical plant communities (,and) in the wetland of Dongping Lake. And the environmental factors were monitored ad collected.The results indicated that the soil respiration rates of different plant communities were significantly different in spring and summer, and higher in summer than in spring. There were also significant differences in soil respiration rates among different communities. The mean values of soil respiration rates of crops in season were the highest, followed byandcommunities, and the lowest incommunities. Overall, the implementation of the East Route Project of South-to-North Water Transfer has expanded the area of,andcommunities, and reduced the area of crops, playing a positive role in reducing carbon emissions. In order to enhance the carbon sink function of lake wetlands and reduce greenhouse gas emissions, the area of woody plants in wetlands should be further increased and crop planting area should be reduced. Temperature exerted different effects on soil respiration rate of different communities. Soil respiration rate ofcommunity was positively correlated with soil temperature of 0-5 cm layer, and that ofcommunity was positively correlated with soil temperature of both0-5cm and 5-10 cm layer, and that ofcommunity was positively correlated with the temperature of 0-5 cm and 20-25 cm layer.

Dongping Lake; soil respiration; wetland, plant community; environmental factor.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.026

陳永金, 陶寶先, 劉加珍, 等. 南水北調工程對湖泊濕地土壤呼吸速率及碳排放的影響研究[J]. 生態(tài)科學, 2020, 39(4): 207–217.

Chen Yongjin, Zhang Baohua, Liu Jiazhen, et al. Analysis on effects of South-to-North Water Transfer Project on soil respiration rate and carbon emission in lacustrine wetlands[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 207–217.

Q148

A

1008-8873(2020)04-207-11

2019-12-20;

2020-06-06

國家自然科學基金(40901276, 40871239)；國家科技支撐計劃項目(2014BAC15B02)；聊城大學社科平臺項目（321021915，32102916）資助

陳永金(1968—), 男, 山東臨沂人, 博士, 副教授, 主要從事濕地生態(tài)水文過程研究, E-mail:chenyongjin@lcu.edu.cn

劉加珍, 主要從事生態(tài)恢復與保護研究, Email: liujiazhen@lcu.edu.cn