半干旱区草地土壤呼吸特征及其影响因子的观测研究

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采用LI-8100A型多通道自动土壤碳通量仪对黄土高原半干旱区草地生态系统土壤呼吸速率及土壤温度、土壤含水量等环境因子进行长期连续观测,综合揭示了土壤呼吸的动态日变化、季节变化规律,研究了水热因子对土壤呼吸速率的影响。结果表明:(1)生长季干旱期3种典型天气(晴天、多云、阴天)条件下土壤呼吸的日动态均呈“单峰型”曲线,不同天气日变化差异显著,晴天的变幅(0.35~1.4μmolm-2s-1)与日均值(0.64μmolm-2s-1)均大于多云和阴天,晴天和多云天最大值一般出现在中午12:00,而在阴天存在2小时的滞后,3种典型天气条件下的日均值均接近9:00和17:00-18:00的观测值;降水后晴天日变化波动仍为“单峰型”,多云天土壤呼吸速率最值出现时间受太阳辐射影响较大,阴天没有明显的日变化特征,与干旱期相比降水后土壤呼吸速率日变化有了显著的增强;非生长季晴天的土壤呼吸速率日变化仍保持“单峰型”曲线,且强度大于多云和阴天,后两者最值出现时间受太阳辐射调控。非生长季的夜间部分时刻出现了负通量,说明在该时段土壤会吸收二氧化碳。(2)土壤呼吸速率的季节变化特征为从植被返青期开始逐渐增强,到了生长盛期(7-8月)达到最大值,而后从枯黄期(9月)一直到非生长季始终处于下降趋势,12月下降趋于平缓,到了次年1月达最低值。年际对比来看,在生长季水热条件较好且太阳辐射较强的年份土壤呼吸速率更强,而到了非生长季年际差异逐渐减小。(3)在水分成为限制条件时,影响3种典型天气下土壤呼吸速率日变化的主控因素均为土壤含水量,降水后影响晴天和多云天日变化的主控因素分别为土壤温度和土壤含水量,而阴天两种环境因子的作用均较低。非生长季晴天和多云天土壤温度和含水量对日变化均存在一定的贡献且两种环境因子的贡献相差不大,到了阴天土壤含水量对日变化的影响更显著(R~2=0.78)。(4)土壤温度是影响生长季土壤呼吸速率季节变化的主控因子,但单变量模型不足以全面解释生长季土壤呼吸的动态变化。结合了土壤温度和含水量的双变量非线性模型能更好地拟合土壤呼吸速率,对其变异的解释可达74%。而非生长季双变量模型的拟合效果比土壤温度单变量模型差。(5)不同年份土壤呼吸的温度敏感性指数Q10值的变化规律较为类似,都是从植被返青期(5月)开始下降,到了7月达到最小值,而后直至枯黄期一直呈上升趋势。2017-2020年生长季Q10值的变化范围分别为0.92~1.28、1.47~2.40、1.51~2.16、1.33~1.79,平均值为1.10±0.18,2.03±0.65,1.74±0.25,1.52±0.16。
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