1、土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化的影響基金項(xiàng)目：干旱氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：IAM200919）資助。作者簡介：薛紅喜（1978.12-），男(漢族)，山西河津人，博士，高工，主要研究方向?yàn)榇髿馓綔y、農(nóng)業(yè)氣象。E-mail: 通訊作者：李 琪，講師，主要研究方向農(nóng)業(yè)氣象、生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。E-mail: 薛紅喜1，李 琪2,3，黃 瑜2,3，王云龍2,3，吳東麗1（1. 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081，2. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇摘要：本文利用渦度相關(guān)法對(duì)對(duì)2008年至2010年期間克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)

2、生產(chǎn)力（GEP）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）和凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換（NEE）的變化進(jìn)行觀測，探討了三者的日尺度變化規(guī)律及土壤環(huán)境因子（土壤溫度、土壤水分）對(duì)GEP、Reco、NEE的影響。結(jié)果顯示：土壤環(huán)境因子是克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量的重要驅(qū)動(dòng)因子；2008至2010年各生長季內(nèi)，土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)年尺度內(nèi)的GEP呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性；土壤環(huán)境因子也與2008至2010年土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)Reco、NEE呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性；土壤溫度的升高或者土壤水分的增加都能提高克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力及呼吸作用及凈碳通量。其中，土壤溫度對(duì)這三者的作用更為明顯。關(guān)鍵詞：土壤環(huán)境

3、因子；碳通量；渦度相關(guān)法；草原生態(tài)系統(tǒng) 1 緒論碳循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)最重要的循環(huán)過程之一。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，草地生態(tài)系統(tǒng)是世界上分布最廣的植被類型之一，它覆蓋了幾乎20%的陸地面積，凈初級(jí)生產(chǎn)力約占全球陸地生物區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力的1/31。草原在地球碳循環(huán)過程中有非常重要的作用。比較其它陸地生態(tài)系統(tǒng)，草原的年際間總生產(chǎn)力變化幅度更大，以致于難以確定草原生態(tài)系統(tǒng)是碳源或者匯。所以，研究草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過程和作用機(jī)理對(duì)研究碳循環(huán)至關(guān)重要。土壤是影響生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化最直接的因素，土壤呼吸與生物光合作用、呼吸作用積累的生物量直接導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化。土壤是CO2重要的源和匯，土壤呼吸是

4、生態(tài)系統(tǒng)碳通量的重要組成部分和流通過程。土壤是影響生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化最直接的因素。因此研究土壤溫度和水分對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化的影響，找出兩者之間的聯(lián)系對(duì)研究草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量的特征、研究全球碳通量及碳通量對(duì)氣候變化的影響有著重要的意義。本文研究內(nèi)容為土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化的影響。通過整理分析2008-2010年內(nèi)蒙古克氏針茅草原日尺度上的凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換（NEE）的變化特征和土壤環(huán)境因子的特征，對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化進(jìn)行研究，找出其特點(diǎn)。并分別對(duì)日尺度土壤環(huán)境因子變化對(duì)比分析，找出土壤環(huán)境因子和克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量的聯(lián)系，為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)

5、碳通量的環(huán)境控制機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。2 研究區(qū)域概況和研究方法 2.1 研究區(qū)域概況 研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市東北24km處(44°0831" N，116°1845" E)。此處海拔高度大概1000m，下墊面開闊平坦。該區(qū)處于內(nèi)蒙古典型的克氏針茅草原區(qū)，群落里以克氏針茅和羊草為優(yōu)勢草種，伴生有糙隱子草、冰草等禾本科草類以及菊科的冷蒿等。這片草原位于北半球中緯度地區(qū)，接近內(nèi)陸，屬溫帶半干旱草原氣候，年平均氣溫為2.6，1月-22.0，7月均溫18.3。日照充足，年均日照總時(shí)數(shù)約為2600小時(shí)。春秋冬三季干燥少雨，降水主要集中在夏天6至9月，年降水量約

6、為290毫米。土壤為典型的栗鈣土。2.2 觀測系統(tǒng) 本研究使用渦度相關(guān)法觀測克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量。2003年8月裝配的開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)由三維超聲風(fēng)速儀、CR5000數(shù)據(jù)采集器及開路式LI-7500CO2/H2O分析儀構(gòu)成，高度為2米。使用熱電偶溫度傳感器Model105T測定10cm土壤處的土壤溫度；10cm深處的土壤水分含量則利用土壤水分時(shí)域反射儀ModelCS615進(jìn)行測量。通量采集頻率為0.1Hz，土壤環(huán)境要素采樣頻率均為2Hz，由數(shù)據(jù)采集器CR23X按30min步長計(jì)算并存儲(chǔ)平均值。2.3 數(shù)據(jù)處理方法選取了克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)2008年至2010年3年的碳通量觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐

7、標(biāo)旋轉(zhuǎn)、WPL校正等處理，并對(duì)由系統(tǒng)故障、供電、下雨或檢修等因素造成的數(shù)據(jù)丟失進(jìn)行了剔除。采用查表法和日平均變化法(對(duì)缺失氣象數(shù)據(jù)而無法用查表法以及非線性回歸法的插補(bǔ)，采用日平均變化法)對(duì)通量數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)按30min步長計(jì)算平均值，再分別計(jì)算日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)24。利用Excel和SPSS等軟件探討土壤環(huán)境因子和克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化的相關(guān)關(guān)系，從而深入理解氣土壤環(huán)境因子和克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化的影響方式16,24。2.4 基本理論公式 生態(tài)系統(tǒng)凈碳通量的NEE定義式: （I）上劃線表示某時(shí)間段內(nèi)的平均值，撇號(hào)表示脈動(dòng)，即瞬時(shí)值與平均值的偏差。式（I）中，右邊第一項(xiàng)為CO2湍流通量，即

8、單位時(shí)間垂直方向上通過單位截面積的CO2的量，為垂直風(fēng)速，為CO2在此處的濃度；右邊第二、第三項(xiàng)為WPL校正項(xiàng)，其中為干空氣密度，為水汽密度。此值經(jīng)過三次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后，即為可使用的NEE值。呼吸作用是夜間生態(tài)系統(tǒng)植被與大氣間的NEE的唯一來源，生態(tài)系統(tǒng)夜間的Reco可用Lloyd-Taylor方程進(jìn)行插補(bǔ)： （II）式（II）中，為參考溫度下的生態(tài)系統(tǒng)夜間呼吸，為參考溫度，取值為283.15K，為溫度試驗(yàn)常數(shù)，取值為227.13K，為活化能，取值為308.56K。生態(tài)系統(tǒng)白天的呼吸根據(jù)夜間生態(tài)系統(tǒng)呼吸數(shù)據(jù)建立的函數(shù)關(guān)系外延到白天后獲得的。 由于白天植被與大氣之間的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換（NEE）是

9、生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力（GEP）和生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）的總和，因此GEP就可定義為25-28： （III）3 結(jié)果分析3.1 克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量日總值變化圖1顯示了克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)2008-2010年全年NEE日總值的變化情況。從圖1看，2008年生長季（4月26日-11月20日）GEP日總值變化呈“W”型，圖中出現(xiàn)兩個(gè)波谷、兩個(gè)波峰。在第140、180、240天出現(xiàn)波谷，第150、200天附近出現(xiàn)波峰。在第200天附近達(dá)最大值。2009、2010年生長季GEP日總值變化也呈現(xiàn)“W”型，但形狀不明顯。三年GEP的變化范圍基本一致。 圖1 2008至2010年GEP日總值變化（左上圖

10、為2008年，右上圖為2009年，下同）Fig.1 The GEP changes from 2008 to 2010(left top is 2008,right is for 2009,the same below)圖2中2008至2010年Reco日總值變化均呈倒“U”型。Reco先隨時(shí)間變化增大，至200天附近出現(xiàn)最大值，然后隨著時(shí)間變化減小到0值。對(duì)比三年Reco的最大、最小值發(fā)現(xiàn)，2008年Reco最小值，約為0.068/g·m-2·d-1，最大值最大，約為2.133/g·m-2·d-1；而2009年Reco最小值為0.105/g·

11、m-2·d-1,最大值為1.692/g·m-2·d-1；2010年Reco最小值為0.200/g·m-2·d-1，最大值為1.518/g·m-2·d-1。從圖3可看出NEE日總值呈W型，其波峰波谷所在處同GEP基本保持一致，變化趨勢與GEP的日總值變化相同，在第200天附近達(dá)最大值。從NEE值的波動(dòng)范圍來看，2008年波動(dòng)幅度最大，2010年次之，2009年NEE值波動(dòng)幅度最小。這也與三年GEP的波動(dòng)幅度相符。說明克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的強(qiáng)弱與此生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的變化一致。 圖2 2008年至2010年Reco日總值

12、變化Fig.2 The Reco changes from 2008 to 2010 圖3 2008至2010年NEE日總值變化Fig.1 The NEE changes from 2008 to 20103.2 土壤環(huán)境因子日變化3.2.1 土壤溫度日變化 從圖4可知，2008至2010年土壤溫度的日變化趨勢基本相，呈倒“U”型。從0到第200天，土壤溫度先隨時(shí)間變化升高，至第200天附近達(dá)最大值，而后隨著時(shí)間變化減小，呈對(duì)稱圖形。 圖4 2008至2010年土壤溫度的日變化Fig.4 The temperature changes of soil from 2008 to 20103.2.

13、2 土壤水分日總值變化由圖5可知，2008至2010年土壤水分隨時(shí)間變化先增后減。最小值在0.0490.056m3·m-3間波動(dòng)，其中2008、2010年土壤水分于第200天達(dá)最大值，這與碳通量變化呼應(yīng)。 圖5 2008至2010年土壤水分的日變化Fig.5 The soil moisture changes from 2008 to 20103.3 土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響 圖6為2008至2010年年生長季克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)GEP隨土壤環(huán)境溫度的變化圖。從圖中可以看出， 生長季內(nèi)，GEP與土壤溫度呈二次方關(guān)系，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，GEP與土壤溫度呈極顯著的

14、相關(guān)（p<0.01，下同）關(guān)系。從擬合的趨勢線上可看出，在研究區(qū)域內(nèi)的常見的溫度范圍內(nèi)，克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)GEP絕對(duì)值隨土壤溫度的升高而增大，說明在生長季內(nèi)，土壤溫度對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力的影響為正效應(yīng)。圖6 2008年至2010年土壤溫度對(duì)GEP的影響Fig.6 The effect of soil temperature on GEP from 2008 to 2010圖7顯示了2008至2010年土壤水分對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)GEP的影響。從圖中可以看出，GEP隨土壤水分變化呈“U”型，GEP與土壤溫度呈現(xiàn)較明顯的二次方關(guān)系，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)生長季的GE

15、P與土壤溫度呈極正顯著相關(guān)關(guān)系。當(dāng)土壤水分小于0.15m3·m-3時(shí)，克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)GEP的絕對(duì)值隨著土壤水分的增大而增大；反之，土壤水分大于0.15m3·m-3時(shí)，GEP的絕對(duì)值隨著土壤水分的增大而減小。說明對(duì)于克氏針茅而言，當(dāng)土壤水分保持在大約0.15m3·m-3時(shí)，可以使該生態(tài)系達(dá)到最大的初級(jí)生產(chǎn)力。圖8、圖9分別為2008至2010年克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)Reco隨土壤溫度和土壤水分的變化圖。從圖中可以看出，克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用與土壤溫度呈極顯著的指數(shù)關(guān)系。在研究區(qū)的溫度變化范圍內(nèi)，Reco隨著土壤溫度的升高呈指數(shù)升高。與之相反，Reco與土壤

16、水分呈極顯著負(fù)相關(guān)。Reco與土壤水分之間為二次方關(guān)系，隨著土壤水分含量的增加，該生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用先增加后減弱。 圖7 2008至2010年土壤水分對(duì)GEP的影響Fig.7 The effect of soil moisture on GEP from 2008 to 2010 圖8 2008至2010年土壤溫度對(duì)Reco的影響Fig.8 The effect of soil temperature on GEP from 2008 to 2010圖10、圖11為2008年克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)凈碳通量NEE隨土壤環(huán)境因子變化圖。NEE與土壤溫度成極顯著負(fù)相關(guān)、與土壤水分成極顯著正相關(guān)，且均以二

17、次曲線擬合效果最好。2008年全年NEE絕對(duì)值隨土壤溫度、水分含量的升高，其增加趨勢不明顯。當(dāng)土壤溫度達(dá)到20或者土壤水分達(dá)0.15m3·m-3時(shí)，NEE絕對(duì)值升高較明顯。生長季NEE隨土壤環(huán)境因子變化幅度較大。在非生長季，NEE隨土壤溫度的變化不明顯；生長季期間，NEE值隨土壤溫度變化非常顯著。其中，在非生長季，隨著土壤溫度變化，NEE的值在1至-0.5g·m-2·d-1間波動(dòng)，曲線非常平緩。在2008、2009年生長季，NEE值變化范圍較大，在1至-2g·m-2·d-1間波動(dòng)，并于20其絕對(duì)值達(dá)最大，為3.6g·m-2·

18、d-1。由于克氏針茅草原處于大陸性半干旱地區(qū)，生長季與非生長季土壤水分變化不大，土壤水分分布在0.049至0.26m3·m-3間。土壤中水分含量約為0.11至0.16m3·m-3，NEE波動(dòng)較大，為1至-2g·m-2·d-1，說明此含量的土壤水分能極大地促進(jìn)該生態(tài)系統(tǒng)凈碳通量的增長；土壤水分含量較高時(shí)（0.16g·m-2·d-1以上），NEE值降低并逐漸趨向于0值，此時(shí)為由非生長季進(jìn)入非生長季時(shí)期。其分布特征與2008年相似。與2008年相比，2009年全年克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)全年的固碳能力、初級(jí)生產(chǎn)力以及呼吸作用均有所下降。這跟20

19、09年土壤水分較少，土壤溫度較低有關(guān)。圖9 2008至2010年土壤水分對(duì)Reco的影響Fig.9 The effect of soil moisture on Reco from 2008 to 2010圖10 2008年至2010年土壤溫度對(duì)NEE的影響Fig.10 The effect of soil temperature on NEE from 2008 to 2010圖11 2008至2010年土壤水分對(duì)NEE的影響Fig.11 The effect of soil moisture on NEE from 2008 to 20103.4 結(jié)果分析由SPSS統(tǒng)計(jì)軟件檢測結(jié)果表明以上

20、所有方程的自變量和因變量都達(dá)到了極顯著相關(guān)（p0.01），說明土壤環(huán)境因子是克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量的重要驅(qū)動(dòng)因子。 綜合2008至2010年克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量日總值變化及碳通量與土壤溫度的關(guān)系，可以知10cm土壤層溫度與克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力、凈碳通量的關(guān)系均可用二次方程表示，與呼吸作用的關(guān)系可用指數(shù)方程表示。隨著土壤溫度的升高，GEP絕對(duì)值增加，說明土壤溫度升高能使克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)碳固碳能力增加。由圖知，在相同溫度范圍內(nèi)，三年的變化趨勢基本相同。即該生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用隨土壤溫度升高而增強(qiáng)。分別對(duì)比三年中土壤溫度對(duì)GEP、Reco、NEE的決定系數(shù)可知，土壤溫度對(duì)該生態(tài)系

21、統(tǒng)呼吸作用的影響較另外兩者更大。2008至2010年土壤水分對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力、呼吸作用、凈碳通量的影響用二次方程擬合效果較好。GEP與土壤水分成“U”型關(guān)系，土壤水分達(dá)0.15m3·m-3時(shí)出現(xiàn)極值。當(dāng)土壤水分小于0.15m3·m-3時(shí)，GEP絕對(duì)值隨著土壤水分的增加而增大。說明當(dāng)土壤水分小于0.15m3·m-3時(shí)，有利于此生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力增加。當(dāng)土壤水分大于0.15m3·m-3后，GEP絕對(duì)值隨著土壤水分的增加而減小；說明這個(gè)量級(jí)的土壤水分可以使初級(jí)生產(chǎn)力降低。土壤水分含量增加有利于克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)的呼吸作用，對(duì)NEE的影響不大

22、。4 結(jié)論（1）2008至2010年各生長季內(nèi)，土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)年尺度內(nèi)的GEP呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性；土壤環(huán)境因子也與2008至2010年土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)Reco、NEE呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性。（2）2008至2010年土壤環(huán)境因子對(duì)克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)年尺度內(nèi)GEP、NEE與土壤環(huán)境因子（土壤溫度、土壤水分）二次方擬合效果最好。Reco與土壤溫度呈指數(shù)關(guān)系，與土壤水分成二次方關(guān)系。（3） 土壤溫度的升高或者土壤水分的增加都能提高克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力及呼吸作用及凈碳通量。其中，土壤溫度對(duì)這三者的作用更為明顯。 參考文獻(xiàn)1 耿元波,董云社,齊玉春.草地生態(tài)系

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