不同重构土体土壤呼吸特征及其对水热变化的响应

发布时间：2020-06-16 03:02

【摘要】：全球气候变暖是关乎人类存亡的严重环境问题之一,土壤呼吸因参与全球生态系统碳循环进而影响全球气候被学者们广泛关注。目前有关土壤呼吸的研究主要集中在不同生态系统及时空变化,初步形成了土壤呼吸的相关理论与研究方法。近年来,土地整治工程从传统的土地平整发展为土体重构,各种重构土体逐渐成为今后补充耕地资源的重要手段,但有关重构土体土壤呼吸的研究还鲜有报道。本研究以添加蛭石、页岩、沙和砒砂岩4种应用于农业栽培的重构土体为研究对象,在陕西省宝鸡市眉县汤峪镇上王村荒石滩地土体重构试验区,采用田间动态监测方法,选择2017年11月至2018年10月为研究时段,应用土壤碳通量测量系统(LI-8100)对4种重构土体土壤呼吸日变化、季节变化以及降雨后土壤呼吸动态变化进行监测,同时对4种重构土体土壤的水热因子进行观测,研究了重构土体土壤呼吸动态特征及其驱动因素。主要研究进展及结论如下:(1)阐明了4种重构土体土壤呼吸日变化特征及其对土壤温度和土壤体积含水量的响应关系。在研究时段内,4种重构土体土壤呼吸的日动态过程均呈现单峰曲线,一般最高值出现在北京时间10:00、12:00或者14:00,最低值出现在6:00或20:00。不同重构土体土壤呼吸日平均值的最大值和最小值分别出现在2017年8月份和2018年12月份,观测月份内重构土体日变化幅度的排序为添加沙页岩砒砂岩蛭石。4种重构土体土壤呼吸组分中异养呼吸和自养呼吸变化模式基本类似,达到峰值的时间出现在10:00或12:00,谷值的时间出现在6:00或20:00,异养呼吸对土壤总呼吸的贡献显著高于自养呼吸。构建了4种重构土体土壤呼吸对土壤温度和体积含水量的响应关系模型,土壤呼吸对土壤温度的响应呈显著的指数关系,而对土壤体积含水量呈二次曲线关系,对土壤温度和含水量双因素则呈幂-指数模型关系。土壤温度和体积含水量均能够解释土壤呼吸的日变化特征,但是解释能力不同。双因素模型解释能力一般高于50.0%,单因素模型中温度的解释能力显著高于水分,水分的解释能力不强,一般低于50.0%。(2)明确了4种重构土体土壤呼吸季节变化特征及其对土壤温度和土壤体积含水量的响应关系。观测期间4种重构土体月平均土壤温度变化与土壤呼吸最大值和最小值出现的月份基本一致,土壤体积含水量受降水量的影响较大;重构土体月平均土壤总呼吸和各组分的呼吸速率夏季最高,冬季最低,最大值和最小值均分别出现在2018年8月和2018年1月,观测月份4种重构土体土壤异养呼吸和自养呼吸的呼吸速率差异显著(p0.05),1月份4种重构土体异养呼吸对总呼吸的月均贡献率最大,自养呼吸最小,6月份添加蛭石、页岩、砒砂岩的重构土体异养呼吸对总呼吸的月均贡献率最大,自养呼吸最小,7月份添加沙的重构土体异养呼吸对总呼吸的月均贡献率最大,自养呼吸最小;重构土体土壤呼吸与水热因子之间的关系函数均显示双因子模型(幂-指数模型)能够更好的表征他们之间的关系,单因子模型中土壤温度(指数模型)的解释能力远高于水分(二次曲线模型),重构土体土壤呼吸与土壤水热因子之间的季节变化及年变化的关系可用指数函数和幂-指数函数来表征。(3)揭示了降雨过程中重构土体土壤呼吸及其组分和水热因子的动态变化规律。2次降雨均显著降低了土壤温度和改善了土壤水分状况;第1次降雨显著刺激了不同重构土体的土壤呼吸速率,但抑制了土壤异养呼吸速率,激发了土壤自养呼吸速率;第2降雨整体上抑制了不同重构土体的土壤呼吸速率,但土壤异养呼吸速率的抑制程度强于自养呼吸速率;2次降雨的不同时期,4种重构土体土壤呼吸速率与土壤温度的指数模型、与体积含水量的二次曲线模型以及与土壤温度和水分的幂-指数模型,可作为判定降雨不同时期影响重构土体土壤呼吸主要因子。降雨前土壤体积含水量变化情况能够决定土壤呼吸速率变化的主要影响因子,土壤体积含水量变化明显,水分是主要影响因子,土壤体积含水量比较稳定,则土壤温度是主要影响因子,降雨过程中受到土壤温度和水分的共同作用,降雨结束后水分是重构土体土壤呼吸速率的主要影响因子。(4)研究了不同时间尺度下4种重构土体土壤呼吸及其组分对温度敏感性变异特征。日变化尺度下添加沙的重构土体敏感性最高,添加蛭石的重构土体温度敏感性最低;季节变化尺度下4种重构土体土壤总呼吸、自养呼吸、异养呼吸的Q_(10)值冬季和夏季排序均为沙页岩砒砂岩蛭石,春季和秋季重构土体土壤总呼吸、自养呼吸、异养呼吸的Q_(10)值排序不一致,但春、秋季节的Q_(10)值差异不显著(p0.01);4种重构土体土壤呼吸及其组分的温度敏感性随温度的升高而逐渐降低,在夏季最低,冬季最高,不论是日变化还是季节变化4种重构土体土壤自养呼吸温度敏感性大于异养呼吸和土壤总呼吸,即自养呼吸的温度敏感性高于异养呼吸和土壤总呼吸。综上,本文主要研究不同时间尺度下以及降雨过程中4种重构土体土壤呼吸动态变化及水热因子变化特征,阐明了4种重构土体土壤呼吸及其组分与水热影响因子相变化与适应的规律;揭示了重构土体土壤呼吸对降雨响应的规律;在不同时间尺度下总结了4种重构土体土壤呼吸及其组分温度敏感性特征。开展重构土体土壤呼吸动态变化特征研究,可为该区准确评估CO_2排放及制定合理的CO_2减排措施提供科学依据,还能够进一步认识土壤呼吸动态变化过程及驱动机理,促进碳循环理论的进一步发展。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154
【图文】：

进行长期定位试验（图2-1）。其中蛭石、页岩、砒砂岩、沙用量均为 1×10-3方/m2。重构土体试验样地规格均为 20×30 m2。试验样地土壤理化性质见表 2-1。图 2-1 试验样地立体图Fig.2-1 Stereograms of the test sample表 2-1 4 种重构土体 0~50 cm 土壤基本理化性质Table 2-1 Basic physical and chemical properties of four reconstructed soil mass at 0~50 cm depth检测指标Detection Indicator重构土体类型 Reconstituted soil mass types蛭石Meteorite页岩Shale沙Sand砒砂岩Soft rockpH 8.55 8.49 8.51 8

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本文编号：2715432