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陆地生态系统的温室气体排放作为全球气候变化的研究热点,包括农田、草地、湿地和森林生态系统温室气体排放通量已进行了大量的研究,并取得较大成果。我国沙漠和沙化土地面积(约174.31万平方千米),占国土面积的18.12%,是陆地生态系统主要的组成部分,迄今为止,未见有系统性沙地生态系统温室气体通量的研究和报道,基于此,本文以内蒙古锡林浩特沙地生态系统为研究对象,采用静态箱—气相色谱法,对我国沙地生态系统温室气体(CO2,CH4和N2O)通量的昼夜变化、生长季日变化特征进行了较为系统的研究,分析了温度、水分、微地形和植被等对温室气体通量变化的影响。主要结论如下:
(1)沙地生态系统温室气体通量昼夜变化和生长季日变化特征。沙地生态系统生长季CH4通量昼夜变化均值分别为-60.601μgm-2h-1(2009年7月22-23日)和-90.888μgm-2h-1(2009年8月23-24日),CO2昼夜变化均值分别为411.601mgm-2h-1(2009年7月22-23日)、336.601mgm-2h-11(2009年8月23-24日),231.362mgm-2h-1(2010年8月24-25日),N2O昼夜通量均值为3.521μgm-2h-1(2010年8月24-25日)。箱温和CH4及CO2通量有显著线性相关性,和N2O没有线性相关性。
2009年生长季(5-8月)植被覆盖较好区,CH4通量平均值为-75.4μgm-2h-1,CO2排放平均值为307.9mgm-2h-1。2010年生长季(6-8月)植被覆盖较好区CH4通量平均值为-49.3μgm-2h-1,CO2吸收平均值为311.4mgm-2h-1,N2O排放通量为6.3μgm-2h-1;植被覆盖稀少区CH4通量平均值为-54.7μgm-2h-1,CO2吸收平均值为52.9mgm-2h-1,N2O排放通量为6.5μgm-2h-1。
植被覆盖对土壤各层空气中温室气体浓度影响显著。沙地土壤剖面0-100cm土壤空气中温室气体浓度值变化:植被较好区土壤空气中CH4浓度值由1.862ul1-1降至0.386ull-1,植被稀少区由1.861ull-1降至0.602ull-1;CO2浓度分别由384ull-1和378ull-1增加至2249ull-1和1034ull-1;N2O浓度分别由0.323ull-1和326ull-1增加至0.341ull-1和0.331ull-1。在检测土壤深度内,均没有发现3种气体浓度明显的拐点。
(2)坡位对沙地温室气体的影响。坡位对温室气体CH4、CO2和N2O的通量均有一定的影响,表现为坡上>坡中>坡下。土壤剖面(0-100cm)空气中3种温室气体浓度值规律一致,沙地生态系统土壤空气中浓度值CH4为坡上<坡中<坡下,CO2和N2O均为坡上大于坡中坡下。
(3)温度对沙地温室气体的影响。箱温和土壤0-15cm温度均与CH4和CO2通量有显著相关性,与N2O通量没有发现显著相关性。
(4)水分对沙地温室气体的影响。自然降雨后,未遮雨处理沙地生态系统CO2通量在植被覆盖较好区显著高于遮雨处理,而在植被覆盖稀少区没有显著差异。未遮雨处理N2O排放通量植被较好区小于遮雨处理,植被覆盖稀少区,遮雨和未遮雨处理N2O排放通量基本一致。
人工浇水处理实验:增水50%处理提高了沙地生态系统CH4的吸收通量,降低CO2排放通量和N2O的排放通量。减水50%降低了CH4的吸收通量,对CO2的排放通量没有显著影响,提高了N2O的排放通量。浇水后CO2立即出现排放峰值,CH4的排放峰值出现在浇水后的1-3d,N2O浇水后会立即出现一个较小的峰值,浇水后几天还会出现1-2个排放峰值,平均峰值出现在浇水后86h。浇水后排放规律,CH4吸收通量先增加后减少,CO2为持续降低,N2O规律每次浇水后差异较大,且同一次浇水后,处理间也存在着差异。
浇水处理结束后,土壤剖面空气中3种温室气体浓度值同土层间均没有显著性差异,CH4和CO2随着土层的加深,浓度值分别减少和增加,均没有出现极小值和极大值的拐点,N2O浓度先增加后降低,拐点(极大值)随着浇水量的增加而土层加深。
(5)植被对沙地生态系统温室气体的影响。植被类型和地上地下生物量对沙地生态系统CH4和N2O通量没有显著影响,CO2的排放通量和地上地下生物量均成正相关关系。植被类型和生物量没有改变沙地土壤含水量的变化,但是对土壤温度的影响显著,表现为生物量越大温度越低。植被类型间均没有发现相同土层土壤空气中温室气体浓度差异,但是均值差别较大,重复间变异较大掩盖了植被的作用。
沙地生态系统做为CH4吸收汇,CO2和N2O氧排放源,是陆地生态系统温室气体通量重要的组成部分,对全球气候变化有重要的意义,环境因子对沙地温室气体通量变化有显著的影响,尚需更深入的研究和认识。