全球气候变暖是世界最严重环境问题之一,对人类生存环境造成严重威胁。德国北部温带海洋性气候区是德国重要的农业生产基地,近年来为应对欧盟温室气体减排计划,该区大面积草地、耕地之间出现转化,政府及环保组织迫切需要了解该地区耕地、草地转换对温室气体排放产生何种影响,对该地区农业用地(耕地、草地)土壤呼吸进行研究已经成为当地地方政府乃至国家的重要需求。土壤呼吸具有很强的动态变化性,土壤呼吸强度大小对大气中二氧化碳浓度升高及其导致的全球气候变暖具有直接影响。开展德国北部温带海洋性气候区农用地土壤呼吸动态变化及其驱动机理研究,将可为该区准确评估CO2排放及制定合理的CO2减排措施提供重要科学依据,并可深化对土壤呼吸过程与机理的认识,促进碳循环理论的进一步发展。本论文采用田间实时动态监测、实验室培养测定、主成分分析和聚类分析等方法,选择2010年10月至2011年7月,以及2011年11月和2012年4月至7月为研究时段,对德国北部温带海洋性气候区农用地土壤呼吸动态变化及其驱动机理进行了研究,分析研究了耕地、草地土壤呼吸及其影响因子时间变异,耕地、草地土壤呼吸温度敏感性时间变异,以及土壤呼吸时间变异的驱动机理。主要结论如下:(1)分析了基于田间动态监测的耕地土壤呼吸时间变异特征。2010年10月至2011年7月,各月耕地土壤呼吸平均速率日变化模式基本相似,绝大多数总体皆呈现峰后时段偏高峰前时段偏低的非对称性单峰状变化曲线,各月耕地土壤呼吸平均速率日变化范围为:最大值在3-236 mg CO2 m-2 h-1间,平均为99 mg CO2 m-2 h-1,最小值在2-154 mg CO2 m-2 h-1间,平均为67 mg CO2 m-2 h-1,平均值在2-186 mg CO2 m-2 h-1间,平均为78mg CO2 m-2 h-1,最大值多出现在12:00-16:00间,最小值多出现在04:00-08:00间,最大、最小及平均值的两端均分别出现在2011年1月和5月;耕地土壤呼吸速率的季节变化特征表现为冬季最低而夏季最高,春秋季节处于中等水平且春季高于秋季。各月耕地土壤呼吸平均速率平均值在59-4473 mg CO2 m-2 day-1间,两端分别出现在2011年1月和5月。冬季、春季、夏季、秋季各月耕地土壤呼吸平均速率平均值分别为412、2519、3720、1845 mg CO2 m-2 day-1。(2)研究了基于实验室培养的耕地土壤呼吸季节变异特征。对2011年11月和2012年4月至7月不同季节的田间土壤实验室培养表明,耕地土壤呼吸速率月中值分别在5-40℃各培养温度的30%、50%、70%田间持水量下于0.00-8.84μgco2g-1h-1间呈现一致的季节变化特征,均表现为在较低培养温度时(5-15℃)冬季高于次年春夏季,在中等至较高培养温度时(20-40℃)冬季低于次年春夏季的季节变化。在全部培养水分下,月中值在培养温度5-15℃时,其最大值均出现在2011年11月,为4.56-5.18μgco2g-1h-1,最小值出现于2012年4-7月,均为0.00μgco2g-1h-1;在培养温度20-40℃时,其最大值出现于2012年4-6月,为2.87-7.84μgco2g-1h-1,最小值主要出现在2011年11月,多数为0.00μgco2g-1h-1。(3)揭示了基于实验室培养的草地土壤呼吸季节变异特征。对2011年11月和2012年4月至7月不同季节的田间土壤实验室培养表明,草地土壤呼吸速率月中值分别在5-40℃各培养温度的30%、50%、70%田间持水量下于0.00-30.83μgco2g-1h-1间呈现一致的季节变化特征,均表现为在较低培养温度时(5-10℃)冬季高于次年春夏季,在中等培养温度时(15-30℃)自2012年4月的最大值向7月递减,在较高培养温度时(35-40℃)冬季低于次年春夏季。在全部培养水分下,月中值在培养温度5-10℃时,其最大值均出现在2011年11月,为5.04-5.63μgco2g-1h-1,最小值出现于2012年4-7月,为0.00-1.44μgco2g-1h-1;在培养温度15-30℃时,其最大值均出现在2012年4月,为6.50-19.87μgco2g-1h-1,最小值主要出现在2012年7月,为2.90-10.52μgco2g-1h-1;在培养温度35-40℃时,其最大值均出现在2012年4月,为21.15-26.12μgco2g-1h-1,最小值均出现于2011年11月,为11.00-12.57μgco2g-1h-1。(4)辨析了耕地、草地土壤呼吸影响因子大小与季节变异的异同。对于2011年11月和2012年4月至7月不同季节的田间土壤,本研究中观测研究的大部分项目包括土壤细菌生物量、可溶性碳、硝态氮等在草地含量是耕地含量的1-3倍,土壤细菌平均细胞体积、比表面积和代谢熵,以及田间土壤温度、水分在耕地和草地土壤中含量差异较小,仅土壤有效磷含量在耕地比草地更高,约为1.5倍。耕地和草地土壤微生物及理化性质季节变化特征基本一致,表现为土壤细菌总个数、细菌生物量、细菌总表面积、细菌平均细胞体积等冬季高于次年春夏,土壤细菌比表面积、代谢熵、土壤温度、大气温度、土壤硝态氮及土壤亚硝态氮等冬季低于次年春夏季。(5)探索了耕地、草地土壤呼吸温度敏感性的时间变异特征及差异。基于田间连续监测的耕地土壤呼吸温度敏感性于2010年10月至2011年7月研究期间的平均值在日变化上波动于1.76-2.38之间,呈现q10值在0:00-04:00和20:-00:00较高,高于2.3,在10:00-16:00较低,低于2.0的日变化特征,以及各月值变化范围为1.18-5.49,冬季月份q10值较高,高于4.0,春夏季月份q10值较低,低于1.5的季节变化特征;基于实验室培养的土壤呼吸温度敏感性于2011年11月及2012年4月至7月在季节变化上,在5-40℃培养温度及30%-70%田间持水量培养水分下,耕地q10值变化总体皆较小,且主要分布在1.0左右,在10-20℃培养温度及30%-70%田间持水量培养水分下,草地q10值季节变化特征为冬季低春夏季高,变化范围为1.0-3.0,其中最小值出现在2011年11月,最大值出现在2012年4月;基于实验室培养的耕地Q10值及其季节变化范围低于草地。基于实验室培养的耕地、草地Q10值比基于田间监测的耕地Q10值的时间变异幅度小得多,但两种方法获得Q10值皆随土壤温度升高而显著下降,土壤水分对Q10值影响较小。(6)阐明了土壤呼吸时间变异的驱动机理。主成分分析与层次聚类分析对土壤呼吸时间变异关键驱动因子提取得到了一致结果,影响耕地、草地土壤呼吸时间变异最关键驱动因子为土壤温度和代谢熵。其他共同关键驱动因子还包括土壤有机碳含量、土壤容重、田间持水量和土壤细菌生物量。此外,土壤呼吸时间变异关键驱动因子针对草地另外包括粉粒含量、硝态氮含量和pH值;针对耕地则另外包括黏粒含量、粉粒含量、有效磷含量和平均细胞体积。