川西北高寒草甸土壤呼吸研究：季节动态和放牧效应

除植被冠层的光合作用之外，土壤的呼吸作用是陆地生态系统碳收支中最大的通量。土壤呼吸即使发生较小的变化也能显著地减缓或加剧大气中CO2浓度的增加，从而明显影响到全球气候变化。土壤呼吸速率变化与否以及变化的方向可以反映生态系统对环境变化的敏感程度和响应模式。尽管如此，土壤呼吸仍是一个为人们了解不多的生态系统过程。 草地生态系统是陆地生态系统的一个重要组成部分。针对草地土壤呼吸进行野外实验研究和相应方法论的探讨将对区域乃至全球碳源汇性质的准确估算具有重要的科学意义。然而，近几年来关于草地土壤呼吸的主要研究工作都集中在温带草原和部分热带草原，而针对高寒草甸生态系统土壤呼吸的研究报道还很少。 2008年4月至2009年4月期间，我分别在2008年6、8、10、12月和2009年2月和4月分6次对川西北的典型高寒草甸群落的土壤呼吸进行观测，分析了不同类型高寒草甸群落土壤呼吸的季节变化特征以及环境因子和放牧模式对其影响。主要研究结果如下： 1）该地区高寒草甸生态系统在生长季（6月～8月）土壤呼吸速率较大（6.07～9.30μmolCO2¡m-2¡s-1 ） ， 在非生长季（ 12 月～ 2 月） 较小（ 0.16 ～0.49μmolCO2¡m-2¡s-1 ） 。土壤CO2 年累积最大释放量为3963 ～ 5730gCO2¡m-2¡yr-1，其中，生长季土壤CO2的释放量占年总释放量的85%～90%。非生长季占10%～15%。非生长季所占比例略小于冬季积雪覆盖地区的冬季土壤呼吸占年土壤呼吸量的比例（14%～30%）。温度，尤其地温，是影响该地区高寒草甸生态系统土壤呼吸速率的最主要环境因子。土壤呼吸速率与地上生物量和土壤水分之间没有显著相关性，但是土壤含水量过大会导致土壤呼吸速率下降。 2）在观测期内，草丘区的土壤呼吸显著高于对照区的土壤呼吸，其最大土壤呼吸速率为16.77μmolCO2¡m-2¡s-1，土壤CO2 年累积最大释放量为8145gCO2¡m-2¡yr-1，是对照区的近2 倍。由于草丘在高寒草甸中占有较大的面积比例（近30%），因此，它将对高寒草甸生态系统的碳循环起着重要的作用。 3）放牧模式不仅可以影响高寒草甸群落的土壤CO2 排放，而且还可以改变土壤呼吸的温度敏感性（Q10）。本研究表明，在生长季有长期放牧活动干扰时将会增加土壤向大气中释放二氧化碳的速度，促使土壤碳库中碳的流失。禁牧样地的土壤呼吸速率在刚禁牧时先迅速增大，随着禁牧时间的延长土壤呼吸速率将会下降。此外，与其它放牧模式相比，冬季放牧将高寒草甸群落土壤呼吸速率在生长季达到最大值的时间明显向后推迟。不同放牧模式下高寒草甸群落土壤呼吸的Q10 值大小顺序为：禁牧一年群落>冬季放牧群落>禁牧三年群落>夏季放牧群落>自由放牧群落。 4）基于呼吸室技术的观测方法中，测量前的剪草处理可以明显改变该地区高寒草甸群落的土壤温度和土壤呼吸速率。在生长季，剪草处理将使土壤呼吸速率的瞬时响应增加90%左右。由于剪草处理明显增加了剪草样方白天的土壤温度，而土壤温度与土壤呼吸之间存在着极显著的指数相关关系，因而剪草处理导致土壤呼吸速率迅速增加。因此，在高寒地区基于呼吸室技术观测的土壤呼吸应当进行校正。 综上所述，川西北高寒草甸生态系统土壤呼吸速率在生长季较高，而在非生长季较低。土壤温度是影响该地区土壤呼吸的最主要环境因子。在实验观测期，草丘区土壤呼吸速率显著高于对照区的，是对照区土壤呼吸速率的近2倍。由于测量前的剪草处理可以明显改变待测点的土壤呼吸速率，因此，应对在高寒地区基于呼吸室技术观测的土壤呼吸进行校正。 Soil respiration is the second largest component (less than plant phtotosynthesis) of carbon dioxide flux between terrestrial ecosystems and the atmosphere. A minor change in soil respiration rate can significantly slow down or accelerate the increase of atmospheric CO2 concentration that is closely related to global climatic change. In turn, the change in the flux direction and rate of soil respiration may indicate the elasticity and stability of ecosystems to global changes and human disturbance. However, soil respiration is still an ecosystem process that has been poorly understood. Grassland ecosystem is an important component of the terrestrial ecosystem. Accurately estimating the CO2 flux from soil to atmosphere in situ is the key to evaluating the carbon resource and sink regionally or globally. Despite of extensive studies on the temperate and tropic grasslands, the soil respiration of alpine meadows has not substantially been measured. In the current study, soil respiration was measured for an annual cycle from April, 2008 to April, 2009 for the alpine meadow in northwestern Sichuan Province of China to determine the seasonal variation of soil respiration for the typical plant communities. The results are shown as follows: 1) Large seasonal variation of soil respiration was observed in the alpine meadow. The rate of soil respiration was the greatest (6.07～9.30μmolCO2¡m-2¡s-1) in June and the smallest (0.16 ～ 0.49μmolCO2¡m-2¡s-1) occurred from December to February in the non-growing season. The total emission of soil CO2 was estimated as 3963～5730 gCO2¡m-2¡yr-1, 85%~90% of which was released during the growing season, and 10%~15% during the non-growing season which was slightly less than the ratio of winter and annual CO2 flux from soil. Temperature, particularly the soil temperature, was the major environmental factor regulating the soil respiration. Significant and positive relationships were not found between soil respiration and soil moisture and between soil respiration and plant above-ground biomass, but excessive soil water content would decrease in the rate of soil respiration. 2) The rate of soil respiration in grass hummock communities was up to 16.77μmolCO2¡m-2¡s-1, which was about twice as great as in the controls (communities located in low and even sites). Considering the large proportion (about 30% on average) of hummock area in the meadow, it can be concluded that the hummocks played an important role in the carbon cycling of the study ecosystem. 3) Grazing patterns affected the flux of CO2 emission and the temperature sensitivity of soil respiration (Q10) in the alpine meadow. Grazing during growing season increased the rate of soil respiration. The rate of soil respiration increased significantly immediately after the alpine meadow being fenced, but thereafter decreased. In addition, grazing in winter delayed the peak respiration rate relative to the non-grazing mode. The Q10 value was the largest in the non-grazed area for one year, and next came the area with grazing in winter, followed by the non-grazed area for three years, the area with grazing in summer, and the non-limited grazed area. 4) In the chamber-based techniques, clipping manipulation before each measurement increased the transient rate of soil respiration by about 90% in the summer of the alpine meadow. As increase in soil temperature at daytime in the clipped plots by clipping and the exponential relationship between soil respiration and temperature, clipping manipulation led to increase in the rate of soil respiration. This suggested that a correction should be done for the techniques if employed in alpine and cold regions. In summary, the rate of soil respiration in the alpine meadow was the greatest in June and the smallest occurred from ecember to February in the non-growing season. Soil temperature was the major environmental factor regulating the soil respiration. The rate of soil respiration in grass hummock communities was up to 16.77μmolCO2¡m-2¡s-1, which was about twice as great as in the controls. A correction should be done for the techniques if employed in alpine and cold regions, because of the effect of clipping manipulation on soil temperature and respiration.

黄土丘陵区典型群落特征及其与环境因子的关系

研究了安塞县黄土丘陵区4种典型群落分布、物种多样性、生物量变化与环境因子的关系。结果表明,所选群落的盖度和地上、地下生物量随退耕年限增加而明显增加,土壤水分、粘粒含量也有增加趋势;典范对应、多元回归和通径分析表明,群落的分布及变化受环境因子综合影响,土壤有机质、恢复年限、粘粒含量、坡向、海拔、硝态氮含量等是影响退耕地典型群落特征及分布的主要因子;土壤全磷含量对生态优势度,有机质、全氮含量分别对地上、地下生物量有最大正效应。本研究为黄土丘陵半干旱区退耕地植被恢复重建提供了理论依据。

黄土丘陵沟壑区林地水文生态效应

根据安塞水土保持试验站1993～2002年林地径流小区的降雨产流产沙的定位观测资料及2002年土壤含水量资料,分析了不同树种对坡面尺度降雨产流产沙及土壤水分的影响。结果表明:场降雨径流小区的产流量、产沙量与降雨量具有较好的相关性;多元回归分析表明,场降雨产流量和产沙量与降雨量和最大30min雨强的乘积呈正相关,与植被覆盖度呈负相关,场降雨产沙量回归方程复相关系数为0.253,各处理场降雨产流量回归方程复相关系数的变化范围为0.465～0.723,均达到了极显著的水平(P<0.01)。同时,各树种均具有良好的减流减沙功能,与农地相比,年均产流量和产沙量分别减少4.8%～52.9%和26.8%～86.0%;沙棘纯林及其混交林的减流减沙效益优于油松纯林。同时,沙棘纯林及其各混交林在造林初期就表现出良好的减流减沙效益,随着树龄的增长,其作用更加明显;而油松纯林在造林初期作用不明显,甚至出现产流量和产沙量大于农地的现象,但随着树龄的增长,减流减沙作用逐渐呈现并增大。沙棘纯林及其混交林30cm以下土壤含水量在整个生长季中均呈递减趋势,生长季初(4月份)土壤含水量最高,而生长季末(10月份)降到最低值。2002年沙棘纯林的...

陕北水蚀风蚀交错区两种生物结皮对土壤饱和导水率的影响

该文以陕北水蚀风蚀交错区普遍发育的地表和地上两种生物结皮为研究对象,分别以3种非生物结皮(无结皮、物理结皮、去除生物结皮)为对照,使用盘式入渗仪测定其饱和导水率。结果表明:与无结皮土壤相比,两种类型生物结皮均可极显著降低土壤饱和导水率;与去除生物结皮土壤相比,两种类型生物结皮对土壤饱和导水率的降低均不显著;与有物理结皮发育的土壤相比,地表生物结皮对土壤饱和导水率的降低不显著,而地上生物结皮对土壤饱和导水率的降低显著。一方面,两种生物结皮对土壤饱和导水率均有明显降低作用,预示生物结皮在降雨活动中可能会增加径流、降低入渗,阻碍研究区水分亏缺条件下的植被恢复和生态与环境建设。另一方面,与不同的对照相比,生物结皮对土壤饱和导水率的影响截然不同,该结论可在一定程度上解释当前有关生物结皮影响土壤水分入渗方面所存在的分歧。

人工苜蓿草地土壤理化性状变化

为了明确西北旱地种植苜蓿对土壤物理性状、水分和养分的影响,对其进行了较为详尽地探讨。种植苜蓿能增加土壤团聚体含量,提高土壤通气透水能力。苜蓿生长发育时需要大量消耗土壤水分,连续多年种植苜蓿会导致土壤干燥化;种植苜蓿能提高土壤有机质和氮素水平,降低土壤磷、钾含量。施肥既能平衡土壤养分又能增加产草量。

陕北水蚀风蚀交错区两种生物结皮对土壤理化性质的影响

以黄土高原陕北水蚀风蚀交错区六道沟小流域为例,研究了该区以苔藓为主要成分的沙土和黄土两种生物结皮对土壤理化性质的影响。结果显示:(1)两种生物结皮均能显著增加土壤饱和含水量和田间持水量,降低容重和饱和导水率,其中沙土生物结皮还可明显粘化0～25cm土壤质地;(2)两种生物结皮均能不同程度的增加土壤全量养分、速效养分以及有机质含量,降低pH值,但其影响多数集中在表层或结皮层;(3)土壤化学性质中,全氮、速效磷和有机质受生物结皮影响程度较大,而全氮、速效钾和有机质受生物结皮影响土层较深;(4)沙土生物结皮对土壤理化性质的影响程度大于黄土生物结皮。两种类型生物结皮对所研究土壤理化性质的影响总体有利于该区生态环境的改善,且沙土生物结皮较黄土生物结皮具有更为重要的生态功能。

土壤水分特征曲线在作物非充分灌溉适宜水分下限确定中的应用

SPAC系统中水总是从水势高处流向水势低处,土壤水势的高低是影响植物根系吸水速率的主要因素。相对于土壤含水量来说,用土壤水势作作物非充分灌溉的下限指标更具科学性,更利于水分下限指标的推广应用。试验结果表明,对于整个生育期来说,-200 kPa是比较适宜的大棚番茄土壤水势下限。在这一指标的推广过程中,须先测定当地土壤水分特征曲线,并从曲线上找出该适宜水势对应的土壤含水量,通过控制土壤含水量达到控制土壤水势的目的,从而实现精量灌溉。

黄土高原沟壑区不同树种的水土保持效益及其适应性评价

研究黄土高原沟壑区不同树种幼林的水土保持效益及其适应性。【方法】以草地为对照,对黄土高原沟壑区刺槐、油松、沙棘、侧柏纯林及其混交林径流小区的产流产沙情况、土壤水分状况及各树种的生理特性进行了分析。【结果】造林初期,各树种及其不同造林方式的水土保持效益均比较差,处于水土保持功能低下阶段,土壤侵蚀的差异主要是由植被的不同覆盖度引起的,二者呈二次多项式关系;回归分析表明,当覆盖度达53%时土壤侵蚀较为轻微。草地和各树种林下0~250 cm土层土壤水分变化较大,其中以刺槐消耗土壤水分最多,其次是侧柏,油松、沙棘和草地之间差异不明显;刺槐纯林与其混交林下土壤水分的差异比较明显,而其他树种不同造林方式下的土壤水分无明显差异。各树种叶片的水分利用效率表现为侧柏>油松≈沙棘>刺槐,油松与沙棘混交造林后两者的水分利用效率都有显著提高;各树种叶片的蒸腾速率表现为刺槐≈沙棘>油松>侧柏,沙棘与油松或刺槐混交后,油松与刺槐的蒸腾速率均有所降低,而沙棘变化不显著。【结论】综合考虑树种的水保效益及其适应性可以发现,沙棘与油松混交可能是黄土高原沟壑区较为适宜的一种造林方式。

基于SHAW模型的黄土高原半干旱区农田土壤水分动态模拟

黄土高原半干旱区土壤蒸发强烈,准确地掌握土壤水分动态对于旱地农业水分管理至关重要。应用基于物理基础的一维水热耦合SHAW(The Simultaneous Heat and Water)模型,模拟了陕西子洲岔巴沟流域1964~1967年土壤水分和土壤蒸发的动态特征,以及神木六道沟流域2006年坡地和梯田土壤水分变化。结果表明,除表层土壤水分模拟结果偏差较大,其他土层模拟值与实测值基本吻合,模拟期土壤水分模拟的相对平均绝对误差(Relatively Mean Absolutely Error,RMAE)为5.2%~11.4%。1964~1967年土壤累积蒸发量模拟值与实测值平均相对偏差为0.8%~6.1%,土壤蒸发的模拟值与实测值较为一致。因此,SHAW模型可以用于黄土高原半干旱区农田土壤水分动态规律研究。

黄土高原典型小流域综合治理的水文生态效应(英文)

从流域产流规律及水土保持措施改变引起的土壤水分状况和流域蒸散发的变化等方面评价了黄土丘陵沟壑区泉家沟流域水土保持措施变化对流域水分生态环境的影响。结果表明:水土保持与生态建设过程改变了土地利用结构,对小流域水环境变迁具有很大的影响作用,主要表现在:减少地表径流量,径流模数1996～2000年平均较1980～1985年减少了36.1%;不同治理措施土壤水分状况不同,灌木林地、人工草地和乔木林地均存在深度和厚度不等的土壤"干层";不同地貌部位土壤储水差异很大,阴坡的水分环境优于阳坡,沟底优于峁顶,缓坡优于陡坡;林草措施对流域总蒸散量起着决定性作用,1991～1995年流域林草地面积达到最大,总蒸散量也达到最大,与治理初期相比,总蒸散量累计增加了56.3mm。

黄土塬区旱作农田高生产力的水分环境效应与产量波动性

以长武生态站水肥产量效应的长期定位试验资料为基础，结合模型预测的分析方法，揭示出黄土高原旱作塬区高产农田的水分环境效应在于过度消耗土壤水库，降低土壤含水量，使作物生长转而过度依靠年度降水，出现年际产量的高波动性。指出旱作高产高波动性具有可持续性，它是当前旱作农业的基本特点。

关于黄土丘陵典型地区植被建设中有关问题的研究Ⅲ、乡土树种在造林中的意义

根据调查资料 ,论述了外来种和乡土树种在土壤水分 ,林下自然条件下更新等方面的有利和不利因素 ,探讨了经济效益 ,乡土树种的不可替代作用等问题 ,最后提出了“延安试验研究区造林应以乡土树种为主体 ,辅以外来树种”的思路 ,针对这一思路提出了对策

关于黄土丘陵典型地区植被建设中有关问题的研究Ⅰ、土壤水分状况及植被建设区划

根据植被调查和土壤水分调查资料 ,讨论了黄土丘陵典型地区的造林的水分条件和植被地带的划分。水分不足是造林的限制因子 ,在现有天然林及人工林中普遍存在土壤干层 ,所以 ,延安研究区南部应属干旱森林区 ,北部属森林草原区。并根据土壤水分现状和植被现状 ,进行了植被建设区划 ,其划分两个一级区和两个二级区

利用城乡废弃资源提高土壤保水保肥功能

以生活炉渣、建筑废料、生物秸秆等城乡废弃资源为原料,制备一种面向节水农业的环保新产品———土壤扩蓄增容肥.实验结果表明:在棉花苗期,6种土壤扩蓄增容肥配方的节水效果较土对照高300倍,干物质积累增加4.77%~50.00%.6种配方的皮棉产量均比对照高,增产幅度为4.70%~14.25%,纤维物理性状有所改善.产量高低顺序依次是,玉米秸秆>小麦秸秆>生活炉渣>秸秆木炭>建筑废料>煤矸石>CK.利用城乡废弃资源生产的扩蓄增容剂,不仅能改良土壤物理和化学性状,更是棉花增产、优质、节水、降低生产成本的关键技术措施之一,具有显著的生态效益、社会效益和经济效益.