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

发布时间：2017-09-03 00:11

  本文关键词：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

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【摘要】：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。
【关键词】：德国北部 温带海洋性气候区 土壤呼吸动态变化 耕地 草地 土壤呼吸温度敏感性
【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】：2015
【分类号】：S154
【目录】：

• 摘要5-8
• abstract8-16
• 第一章 绪论16-30
• 1.1 研究目的意义16-17
• 1.2 国内外研究进展17-30
• 1.2.1 土壤呼吸的时间变异17-18
• 1.2.2 土壤呼吸的影响因子18-21
• 1.2.3 土壤呼吸温度敏感性21-25
• 1.2.4 土壤呼吸的测量方法25-28
• 1.2.5 存在的问题28-30
• 第二章 研究目标、内容及方法30-41
• 2.1 研究目标与内容30
• 2.1.1 研究目标30
• 2.1.2 研究内容30
• 2.2 研究区概况30-33
• 2.2.1 地理位置及地形30-31
• 2.2.2 气候特征31-32
• 2.2.3 土壤特征32-33
• 2.2.4 土地利用33
• 2.3 研究方法33
• 2.4 技术路线33-34
• 2.5 实验设计与观测分析34-41
• 2.5.1 实验设计与样品采集、储存34-36
• 2.5.2 土壤呼吸测定36-38
• 2.5.3 土壤微生物性质测定38
• 2.5.4 土壤理化性质测定38-39
• 2.5.5 气象资料收集39
• 2.5.6 数据分析39-41
• 第三章 基于田间动态监测的耕地土壤呼吸、水热因子时间变异研究41-61
• 3.1 田间耕地土壤呼吸及水热因子的日变异特征41-53
• 3.1.1 土壤呼吸的日变化41-47
• 3.1.2 土壤温度的日变化47-48
• 3.1.3 降水的日变化48-53
• 3.2 田间耕地土壤呼吸及水热因子的季节变异特征53-56
• 3.2.1 土壤呼吸的季节变化53
• 3.2.2 土壤温度的季节变化53-56
• 3.2.3 降水的季节变化56
• 3.3 田间耕地土壤呼吸对水热因子的响应56-59
• 3.3.1 土壤呼吸对土壤温度的响应56-57
• 3.3.2 土壤呼吸对降水的响应57-59
• 3.4 小结59-61
• 第四章 基于实验室培养的耕地土壤呼吸及其影响因子季节变异研究61-85
• 4.1 不同季节的田间耕地土壤微生物及理化性质变异特征61-71
• 4.1.1 耕地土壤微生物性质的季节变异61-65
• 4.1.2 耕地土壤物理性质的季节变异65-67
• 4.1.3 耕地土壤化学性质的季节变异67-71
• 4.2 不同季节田间耕地土壤在实验室培养下的土壤呼吸季节变异特征71-80
• 4.2.1 不同季节田间耕地土壤在不同培养温度下的土壤呼吸季节变异71-74
• 4.2.2 不同季节田间耕地土壤在不同培养水分下的土壤呼吸季节变异74-80
• 4.3 基于实验室培养的耕地土壤呼吸对影响因子的响应80-82
• 4.3.1 耕地土壤呼吸对培养温度的响应80
• 4.3.2 耕地土壤呼吸对培养水分的响应80-81
• 4.3.3 耕地土壤呼吸对其他影响因子的响应81-82
• 4.4 小结82-85
• 第五章 基于实验室培养的草地土壤呼吸及其影响因子季节变异研究85-110
• 5.1 不同季节的田间草地土壤微生物及理化性质变异特征85-96
• 5.1.1 草地土壤微生物性质的季节变异85-89
• 5.1.2 草地土壤物理性质的季节变异89-90
• 5.1.3 草地土壤化学性质的季节变异90-94
• 5.1.4 草地与耕地土壤微生物及理化性质特征比较94-96
• 5.2 不同季节田间草地土壤在实验室培养下的土壤呼吸季节变异特征96-105
• 5.2.1 不同季节田间草地土壤在不同培养温度下的土壤呼吸季节变异96-99
• 5.2.2 不同季节田间草地土壤在不同培养水分下的土壤呼吸季节变异99-104
• 5.2.3 基于实验室培养的草地、耕地土壤呼吸比较104-105
• 5.3 基于实验室培养的草地土壤呼吸对影响因子的响应105-107
• 5.3.1 草地土壤呼吸对培养温度的响应105-106
• 5.3.2 草地土壤呼吸对培养水分的响应106
• 5.3.3 草地土壤呼吸对其他影响因子的响应106-107
• 5.3.4 耕地、草地土壤呼吸影响因子的比较107
• 5.4 小结107-110
• 第六章 土壤呼吸温度敏感性的时间变异及其水热因子研究110-120
• 6.1 基于田间监测的耕地土壤呼吸温度敏感性时间变异及对水热因子响应110-114
• 6.1.1 耕地土壤呼吸温度敏感性日变异特征110-112
• 6.1.2 耕地土壤呼吸温度敏感性季节变异特征112-113
• 6.1.3 耕地土壤呼吸温度敏感性对土壤温度和大气降水的响应113-114
• 6.2 基于实验室培养的耕地、草地土壤呼吸温度敏感性季节变异及对水热因子的响应114-117
• 6.2.1 耕地土壤呼吸温度敏感性的季节变异特征114
• 6.2.2 草地土壤呼吸温度敏感性的季节变异特征114
• 6.2.3 耕地、草地土壤呼吸温度敏感性比较及对不同实验室培养温度和水分的响应114-117
• 6.3 不同测定条件下土壤呼吸温度敏感性及其对水热因子响应比较117-118
• 6.3.1 不同测定条件下土壤呼吸温度敏感性的时间变异比较117
• 6.3.2 不同测定条件下土壤呼吸温度敏感性对水热因子响应比较117-118
• 6.4 小结118-120
• 第七章 土壤呼吸时间变异的驱动机理研究120-138
• 7.1 耕地、草地土壤呼吸及其影响因子特征120-123
• 7.2 基于主成分分析的土壤呼吸时间变异驱动因子研究123-128
• 7.2.1 主成分分析在本研究中的应用123
• 7.2.2 主成分分析结果-基于主成分分析的土壤呼吸时间变异驱动机理123-128
• 7.3 基于聚类分析的土壤呼吸时间变异驱动因子研究128-130
• 7.3.1 聚类分析在本研究中的应用128
• 7.3.2 聚类分析结果-基于聚类分析的土壤呼吸时间变异驱动机理128-130
• 7.4 基于不同分析方法结果比较的土壤呼吸时间变异驱动机理与讨论130-137
• 7.4.1 土壤呼吸时间变异的土壤物理驱动机理130-131
• 7.4.2 土壤呼吸时间变异的土壤养分驱动机理131
• 7.4.3 土壤呼吸时间变异的土壤微生物驱动机理131-132
• 7.4.4 土壤呼吸时间变异的关键驱动因子132-137
• 7.5 小结137-138
• 第八章 结论与展望138-143
• 8.1 主要研究结论138-142
• 8.2 有待于进一步加强的研究142-143
• 参考文献143-153
• 致谢153-154
• 作者简介154-155

【参考文献】

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