内蒙古温带典型草原土壤净氮 矿化作用

作为陆地植物生长和生态系统初级生产力的主要限制因子之一，土壤氮素矿化和可利用性对全球变化的响应决定着未来陆地生态系统的碳储量并对全球碳循环产生长远的深刻影响。众所周知，土壤中大部分氮以有机态存在，有机态氮必须经过转化成为无机态氮才能被植物吸收利用。土壤氮素矿化是将有机态氮转化为无机态氮的生物化学过程，决定着土壤中氮素的可利用性。理解氮素在草原生态系统中的转化（包括矿化，硝化作用）过程，有助于我们充分认识草地退化机理，为草地恢复和重建提供理论依据。在中国科学院内蒙古草原生态系统定位站的典型羊草草原区，选取了1979年围封（没有割草和放牧利用）、1999年围封（没有割草和放牧利用）和长期自由放牧三种不同土地利用方式的羊草草地，分别代表人为干扰强度从小到大的梯度，利用室内和野外原状土培育实验两种方法，研究了人为干扰强度和环境因子（温度和水分）对土壤无机氮转化的影响。 室内实验：设置不同的温度梯度和水分梯度，在不同的时间段内在室内对原状土柱进行培养，观察这些因子对土壤净氮矿化的影响。结果表明：（1）土壤无机氮库（NH4+-N和NO3−-N）在不同土地利用变化情况下具有显著差异。但是，经过室内培养，净氮矿化速率和硝化速率之间差异不显著，只有铵化速率表现出显著差异。（2）温度对铵化、硝化和矿化速率有显著影响。但是当培养温度低于5℃时，无论培养时间多长净氮矿化的累积和净氮矿化速率之间差异皆不显著。温度高于15℃的三个温度之间净氮矿化的累积和净氮矿化速率差异极显著。（3）土壤湿度对净硝化和净矿化速率有显著影响，但是对铵化速率没有显著影响，表明当土壤水分限制硝化细菌的活性时，硝化速率对于水分的增加显得更加敏感。（4）培养时间对铵化、硝化和矿化量的积累有极显著影响。随着培养时间的延长铵态氮积累的量较少，但是硝态氮的量随着培养时间延长积累的量很多。（5）我们的研究表明温度、湿度和培养时间之间对净氮矿化的影响存在极显著的互作效应。 野外试验：在三种不同土地利用历史的草地，利用顶盖埋管原位培育法测定土壤的无机氮库、净硝化、铵化和净氮矿化的季节动态。2004年5月开始，每隔30天一次，到11月结束。结果表明：（1）三种不同土地利用方式的草地生态系统土壤中的NO3－-N和NH4+-N含量都表现出明显的季节变化趋势，自由放牧样地与围封25年样地季节趋势基本一致，围封5年样地各月间NO3－-N和NH4+-N含量的差异都达到显著水平。（2）三种不同土地利用方式的草地无机氮的季节动态两两比较发现，NO3－-N浓度在6、7和9月差异极显著;而在8月三个样地之间差异不显著;NH4+-N浓度在5月、7月和8月三个样地之间都达到显著水平，在6月、9月和10月情况有所不同，6月自由放牧地与围封25年间差异不显著，而这两个样地与围封5年的样地差异达显著水平，9月围封25年和围封5年两个样地之间差异不显著，而与自由放牧样地之间差异显著;10月情况又有变化，是自由放牧样地与围封5年的样地之间差异不显著，与围封25年样地之间差异达显著水平;（3）土壤无机氮库和氮素的矿化/硝化速率都存在明显且比较一致的季节动态，但是在个别月份也有较大差异，总的趋势是围封25年的样地硝化速率高于围封5年和自由放牧样地。上述结果表明：在温带典型草原，土地利用方式对土壤氮素库和矿化有着重要影响;各样地之间土壤氮素库和矿化速率的差异可能是由于土壤温度、水分、无机氮库和土壤基质的改变而引起的。

放牧与围栏羊草草原土壤呼吸作用研究

基于静态箱式法，在内蒙古典型羊草草原围栏与自由放牧样地对土壤呼吸作用及其影响因子进行连续两年野外对比观测。结果表明，围栏内外土壤呼吸作用的日、季动态差异不大，日动态呈单峰型曲线，高峰值一般出现在午间11：0014：00，最低值出现在凌晨1：003：00。从整个生长季节来看，土壤呼吸作用的最大值出现在6月中旬到7月底，随后逐渐降低。整个观测期间围栏与放牧样地土壤呼吸作用平均值分别是219.18 mg CO2•m-2•h-1和111.27 mg CO2•m-2•h-1，围栏样地土壤呼吸作用明显高于放牧样地，可能与土壤含水量改善和生物量增加有关。对影响土壤呼吸作用的因子分析表明，放牧使土壤含水量和相对湿度明显降低，而对气温、大气CO2浓度和光合有效辐射的影响并不大，且放牧使羊草净光合速率的影响明显增加，而对气孔导度和胞间CO2浓度影响不大。围栏样地土壤呼吸作用与各影响因子的相关性从大到小依次为土壤含水量、净光合速率、气温、相对湿度、大气CO2浓度、胞间CO2浓度、气孔导度和光合有效辐射，其中土壤含水量和气温是影响土壤呼吸作用的主要环境因子，净光合速率是主要的生物因子。尽管放牧改变了土壤呼吸速率，但土壤呼吸作用各影响因子的排列顺序基本上没有改变,只是发生了量的变化。选择目前常用的土壤呼吸作用水热因子模型，在放牧与围栏羊草草原分别进行了验证和评估。在低温低湿条件下，土壤呼吸作用主要受温度调控，然而，随着温度升高和水分增加，温度单因子模型不能模拟水分对土壤呼吸作用的激发作用。在干旱半干旱的典型草原区，土壤呼吸作用主要受土壤含水量影响，而如果把温度的调控作用考虑进去能进一步提高模型的预测能力。在围栏样地，水热双因子线性模型的相关系数高于其它模型，可以解释土壤呼吸作用82%以上的变化情况，而对于放牧样地来说，指数模型、指数-乘幂模型和指数-Arrhenius方程的相关系数(R2=0.87-0.88)高于线性模型(R2=0.73-0.79)。 在温室实验中，通过模拟典型草原优势植物种羊草不同密度对土壤呼吸作用的影响，采用根系生物量梯度外推法对羊草种群根呼吸作用与微生物呼吸作用进行了区分。结果表明，羊草根系呼吸速率在生长初期最大, 达到33.5 mg CO2•gDW-1•h-1, 随着植物生长逐渐降低而趋于稳定, 在1.1~2.0 mg CO2•gDW-1•h-1之间变动。整个生长季节根呼吸作用占土壤呼吸总量比例从9.7%逐渐上升到52.9%，平均值为36.8%。尽管随着生长根呼吸速率逐渐降低, 但根系生物量的增加却使根呼吸作用所占比例不断升高。

内蒙古农牧交错区典型草地和农田生态系统碳通量的研究

涡度相关技术是唯一能直接测定大气与植被间CO2通量的标准方法。随着全球变化研究的深入，人类活动干扰下陆地生态系统碳通量研究越来越受到关注，对草地生态系统的研究更是备受关注。本研究选择位于内蒙古典型的农牧交错区——多伦县的典型克氏针茅草地和被开垦的农田为研究对象，利用涡度相关技术，结合各环境因子，在不同时间尺度上探讨了控制内蒙古草地生态系统碳通量可能的生理机制。利用一年多净生态系统CO2气体交换（NEE）通量的观测，量化了这个地区草地生态系统的碳储备量，并进一步阐明了开垦对该区域生态系统物质能量流动的影响。我们还利用Keeling同位素曲线与微气象技术相结合的方法把生态系统夜间呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸;同时利用同化箱式法，把草地生态系统白天群落呼吸进行了区分，进一步了解了不同生态过程对净碳通量的贡献。 结果表明，控制该地区生态系统碳通量主要的环境因子是土壤含水量（VWC）和温度。两个生态系统的植被叶面积指数（LAI）和生物量在非干旱季都要高于干旱季，因而两个生态系统在非干旱季不同环境因子的不同梯度下的NEEmax都比干旱季的要高。两个生态系统NEE的最大日变幅和日最大值在非旱季与旱季十分接近，说明即使土壤水分有所改善，但由于这个地区贫瘠的土壤限制了生态系统的净碳交换量而使这两个生态系统的固碳能力依旧不高。无论是旱季还是非旱季，草地生态系统呼吸的温度敏感系数Q10都随土壤含水量的增加而增加，这除了水分的促进作用外，另外就是生长旺季根生物量的增加。而在两个生长季里农田生态系统的Q10都随土壤含水量的变化不是很规则，这主要是因为农作改变了植被类型和土壤的物理结构从而引起生态系统微环境、微生物活性以及根生物量的改变，结果影响生态系统呼吸对温度的敏感性。 在连续两个生长季里，两个生态系统碳通量随季节的变化都有明显的日变化，7月份的日变化最大，而且农田生态系统的NEE日变幅大于草地生态系统NEE的日变幅。两个生态系统每个月NEE的日最大值都出现在上午8~9点左右，而生态系统的呼吸（RE）的日最大值都发生在下午14~16点左右。冬季两个生态系统各组分碳通量的日进程几乎都没有差异，系统基本处于碳平衡状态。进入春季，幼小的植被限制了生态系统的碳同化。期间的耕作促进了土壤CO2的大量释放，同时较频繁的降雨不仅影响植被吸收光以进行光合固定碳，同时也进一步加大了农田CO2的释放，结果农田生态系统释放的CO2比草地生态系统多。夏季，两个生态系统都是吸收碳的库，农田生态系统因较高的LAI和较低的生态系统呼吸温度敏感性使其NEP远高于草地生态系统的NEP，是一个较强的碳库。秋末，草地生态系统几乎处于碳平衡的状态。农作物的收割，使得大量含不溶性物质较低枯叶和秸秆残留在地里，农田生态系统呼吸释放的碳量显著高于同期草地释放的碳量。通过2005～2006年对两个生态系统碳通量进行一整年的观测，发现两个生态系统年净固碳量相当，草地净固定71.3 g C m-2，农田净固定64.4 g C m-2。但秋季的收获使农田生态系统近70%的生物量被收走，降低了该系统的固碳能力。 为进一步了解不同生态过程对净碳通量的贡献量，我们利用浓度梯度-同位素法与微气象技术相结合的方法，初步将生态系统呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸。草地生态系统在生长旺季自养呼吸占总呼吸80%以上，而农田生态系统在生长季阶段异养呼吸所占整个生态呼吸的比例从60%上升至作物成熟时的80%以上。降雨不仅显著增加草地生态系统呼吸的释放量，而且主要是显著增加了异养呼吸的释放量。此外，我们还利用同化箱式法对草地生态系统的群落呼吸进行区分，结果显示群落总呼吸（Re）有明显的季节变化，最高值在生长季中期。凋落物分解、土壤有机质呼吸、根呼吸和地上植被呼吸在整个生长季平均分别占总生态系统呼吸的19.4%、37.8%、9.8%和32.9%。构建各组分呼吸通量与温度的指数关系，结果显示根呼吸的温度敏感系数最大，土壤有机质的温度敏感性最低。降雨后首先促进了异养呼吸，随后植物的呼吸也开始变大，群落呼吸释放的最高峰出现在雨后第二天。 本研究初步分析了控制内蒙古农牧交错区草地生态系统碳通量的主要因子，量化了该区域草地生态系统的碳储备量，并进一步阐述了开垦对该区域生态系统碳通量的影响。同时尝试不同方法对生态系统碳通量进行了区分，得出了一些具有生态学意义的结果，为进一步探讨控制生态系统碳通量的生理机制提供了可能。