太行山南段低丘区不同土地利用方式土壤碳通量组成及其影响机理

【摘要】为揭示太行山南段森林群落土壤碳组成及其影响因子的变化特征，以加深对森林生态系统碳输入与输出过程的理解。本研究以太行山南段低丘区农田、农田撂荒地、10年刺槐人工林和43年刺槐人工林为研究对象，采用土壤呼吸自动观测系统，结合壕沟法和同位素法区分土壤呼吸组分，进而探讨不同林龄刺槐人工林土壤呼吸及其组分的动态特征及其环境影响机制，主要结论如下：（1）采用土壤质量综合指数对不同土地利用方式土壤质量进行了综合评价，探讨不同土地利用方式对土壤质量的影响。结果表明：随着林龄的增加，刺槐人工林土壤养分的表层富集作用显著，且0-5cm土层土壤改良效果增强；与农田相比，刺槐人工林的土壤物理性状得到改善，养分含量增加，土壤微生物生物量显著提高。不同土地利用方式土壤质量综合指数为43年刺槐林（0.542）>10年刺槐林（0.536）>撂荒地（0.499）>农田（0.498），说明人工造林改善了太行山南段低丘山区的土壤质量。（2）基于LI-8150多通道土壤呼吸自动观测系统的实测数据，对太行山南段刺槐人工林土壤呼吸测定代表性时间进行研究，探讨不同月份土壤呼吸的代表性时刻，并分析土壤呼吸代表性时刻测定值与日均值间偏差大小。结果表明，刺槐人工林的土壤呼吸日变化和季节变化与5cm土壤温度（Ts）的变化格局均趋于一致。各月土壤温度在6-8点达到日最低值，14-16点达到日最高值。除1月土壤体积含水量（W）最低值为18.32%外，其他各月W均在20%以上。刺槐人工林土壤呼吸月均值季节变化呈单峰趋势，在7月最大，1月最低。刺槐人工林在6月-11月8:00-10:00、12月-5月9:00-11:00土壤呼吸测定均值与日均值间的绝对偏差分别为1.27%和4.91%，且土壤呼吸代表时段均值与24h土壤呼吸日均值相对差异均在±10%以内。全年测定期内各月代表性时刻的土壤呼吸测定值与24h日均值呈极显著正相关。因此6月-11月8:00-10:00、12月-5月9:00-11:00土壤呼吸测定均值可作为本研究区刺槐人工林土壤呼吸测定的最佳代表时段。（3）本研究利用13C的自然丰度法来区分土壤呼吸各组分结果发现，土壤CO2气体δ13C随土层梯度减小，植被根系和土壤有机质δ13C则变化不明显。比较埋置管道土壤CO2气体δ13C值与利用GVP（GasVaporProbeKits）50cm土层CO2气体δ13C值，得出本研究区土壤CO2气体50cm土层的δ13C同位素分馏系数为2.03‰。随着土层深度的增加，自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率（fRA）逐渐增大。而异养呼吸对土壤总呼吸的贡献率（fRh）随着土层增加逐渐减小。关于壕沟法和同位素法测定自养呼吸贡献率的差异比较可知，壕沟法fRA（23.50%）与埋置管道稳定同位素法fRA（21.03%）差异不显著。（4）基于气体红外分析技术，以农田、撂荒地为对照，分析43年和10年刺槐人工林土壤呼吸速率的季节变化及其环境影响机制，结果表明：人工造林恢复措施的实施显著的提高了土壤固碳能力。43年和10年刺槐人工林0-5cm土层的土壤有机质含量分别是农田的3.9倍和1.6倍。43年、10年刺槐人工林、撂荒地和农田的全年土壤呼吸平均速率分别为2.33、1.21、2.40、2.04μmol·m-2·s-1，其中撂荒地的全年土壤呼吸平均速率最大，43年刺槐林的全年土壤呼吸平均速率大于10年刺槐林。研究区内四种土地利用方式土壤呼吸速率主要受土壤温度（5cm）的影响。43年刺槐林、10年刺槐林、撂荒地及农田的土壤呼吸温度敏感系数Q10分别为2.47、2.53、2.06、1.56，其中刺槐林的Q10均显著高于农田。四种土地利用方式Q10值均存在显著的季节变异，其主要受温度影响。（5）利用壕沟法来区分太行山南段不同林龄刺槐人工林土壤自养呼吸和异养呼吸，结果表明：刺槐人工林土壤呼吸及其组分均呈明显的季节变化，表现为夏季高、冬季低的格局；10年和43年刺槐林土壤总呼吸月均值均显著高于自养呼吸，与异养呼吸无显著差异。土壤呼吸及其组分与5cm土壤温度之间均呈极显著指数相关；与自养呼吸相比，刺槐人工林异养呼吸更易受土壤温度变化的影响，且5cm土壤温度（Ts）分别解释R10和R43的组分RH和RA的77.82%和38.6%，77.87%和43.43%；刺槐人工林土壤呼吸及其组分与土壤体积含水量均呈极显著相关，0-10cm土壤体积含水量（W）分别解释R10和R43的组分RH和RA的25.54%和10.6%，31.72%和11.55%；R10的Rs、RH与ECp、R43的Rs、RA与ECp间呈极显著相关，但0-10cm土壤电导率（ECp）与各呼吸速率的拟合决定系数均较低。与Ts及W相比，ECp不是土壤呼吸的主要控制因子。不同林龄刺槐土壤呼吸及其组分的Q10季节变化与土壤温度变化相反；刺槐林在生长季（5月-7月）内土壤呼吸及其组分的Q10值大小排序均为RH>Rs>RA。10年刺槐在温度较高的生长季内的总呼吸和自养呼吸的温度敏感性变异要大于43年刺槐，而在温度较低的非生长季则出现相反的现象。不同林龄刺槐的自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率（RC）呈明显季节变化。刺槐林各月份RC值均无显著差异；在本研究中10年和43年刺槐自养呼吸和异养呼吸的年通量对土壤总呼吸年通量的贡献率分别为25.14%和90.69%、30.84%和70.26%，异养呼吸年通量在不同林龄刺槐林土壤总呼吸的年通量中所占的比重较高。
【作者】赵娜；
【导师】孟平；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，生态学，2014，博士
【关键词】太行山南段；自养呼吸；异养呼吸；代表性时段；壕沟法；

【参考文献】
[1]李林波.级配砂砾石基层力学特性及路用性能研究[D].重庆交通大学,交通运输工程,2012,硕士.
[2]马亚锋.阳离子淀粉絮凝剂合成以及处理矿井废水性能研究[D].西北大学,化学工程（专业学位）,2012,硕士.
[3]谢永华.中职生网络成瘾的问题及对策研究[D].湖南师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[4]杨敏.丽江市城郊失地农民社会养老保险问题的研究[D].西南交通大学,社会保障,2014,硕士.
[5]汪生.液态金属薄层中的超声波空化特征及其效应研究[D].哈尔滨工业大学,材料工程,2014,硕士.
[6]靳凤民.蛋白质与典型纳米材料相互作用研究[D].天津大学,2014.
[7]金建成.华砚煤矿安全管理体系构建研究[D].西安科技大学,工商管理,2014,硕士.
[8]沈旦.MiR-205调控非小细胞肺癌细胞发生上皮—间充质转化过程的机制研究[D].苏州大学,内科学,2014,硕士.
[9]李诗言.胃旁路术治疗2型糖尿病机制的研究[D].吉林大学,外科学,2014,硕士.
[10]朱自强,曾思红,鲁光银.重力张量数据的目标体边缘检测方法探讨[J].石油地球物理勘探,2011,03:482-488+500+331-332.
[11]程原生.水库防洪决策支持系统结构设计研究[J].华北水利水电学院学报,2005,03:41-43.
[12]屈小铭.从文体学角度分析威廉·福克纳的《献给艾米丽的玫瑰》[D].辽宁大学,英语语言文学,2012,硕士.
[13]赵颜青.同时分析水中常规阴离子、氯乙酸和三种除草剂的方法研究[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2013,硕士.
[14]占秀芳.匙孔信道中认知无线电能量检测算法研究[D].扬州大学,信号与信息处理,2011,硕士.
[15]周俊花.高中物理教学培养学生科学素养现状研究[D].延安大学,课程与教学论,2014,硕士.
[16]阳敬.柴藿颗粒制备工艺和药效学筛选工艺的研究[D].云南中医学院,中药学,2012,硕士.
[17]张改娜.高阳民众教育思想研究[D].西南大学,中国教育史,2014,硕士.
[18]郭朝晖,徐国栋,刘斌,陈立新,卢克斌,张振山,刘如九,柴天佑.宝钢连铸板坯动态轻压下模型的研究与开发思想(上)[J].冶金自动化,2007,03:1-4.
[19]钱敏.家蚕AFLP标记连锁图的构建及全茧量、茧层量的QTL定位研究[D].西南农业大学,特种经济动物饲养,2004,硕士.
[20]王爱伟.精神损害赔偿数额的实务考量[D].黑龙江大学,法律,2013,硕士.
[21]丁大明.网络安全技术研究及其在工程中的应用[D].福州大学,信息与通信工程,2003,硕士.
[22]陆玉熊.基于ERK1/2通路探讨高压氧对MCAO大鼠大脑皮质损伤的作用及其机制[D].吉林大学,病理学与病理生理学,2013,硕士.
[23]朱映瑶.光谱法和分子模拟技术研究甾类药物与牛血清蛋白的相互作用[D].浙江工业大学,2013.
[24]刘珍.通货膨胀对我国股票收益率影响研究[D].山东财经大学,金融学,2012,硕士.
[25]贺琛.新闻传播者的道德责任研究[D].中南大学,哲学,2013,博士.
[26]郭延光.城市公共环境中导向系统的分类设计[D].吉林大学,艺术设计,2014,硕士.
[27]韩一萍.个税递延型养老保险研究[D].河北经贸大学,财政学,2014,硕士.
[28]楚振龙.中学物理教学中学生提出问题能力培养研究[D].东北师范大学,教育,2003,硕士.
[29]李肖城.滚动轴承复合故障信号检测技术研究[D].哈尔滨工业大学,机械工程,2014,硕士.
[30]余玉华.基于哈特曼—夏克波前传感器的图像复原[D].浙江大学,光学工程,2013,硕士.
[31]郝诗磊.无线局域网接收机射频前端电路研究与设计[D].复旦大学,微电子学与固体电子学,2012,硕士.
[32]姬常青.改性聚芳噁二唑纤维的染色及光稳定性研究[D].苏州大学,纺织工程（专业学位）,2014,硕士.
[33]蒋美仙,徐畅,禹美凤,鲁洪祥,赵晏林.基于AHP和目标规划的物流配送中心集成选址模型研究[J].浙江工业大学学报,2012,05:562-566.
[34]孙丰衍.王安忆《天香》与《红楼梦》的比较研究[D].上海师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[35]张留伟.电火花沉积司太立合金涂层的组织和性能研究[D].湖北工业大学,材料加工工程,2014,硕士.
[36]欧阳秀.教育硕士研究生科研能力评价指标体系研究[D].华中师范大学,现代教育技术,2013,硕士.
[37]蒋晓晨.聚合物电致发光二极管（PLED）的电极调控及修饰[D].苏州大学,材料学,2014,硕士.
[38]付玲馨.长沙市区域性物流中心城市建设研究[D].湖南师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[39]史秀珍.试探函数法求解非线性偏微分方程的精确解[D].内蒙古师范大学,计算数学,2012,硕士.
[40]刘芮君.一种新型壳体电容式压力检测系统的研究[D].中北大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[41]翟新梅.人胃溃疡肥大细胞、巨噬细胞的反应[D].山西医科大学,组织学与胚胎学,2002,硕士.
[42]张志彬.间歇式染色过程非线性建模与控制研究[D].华侨大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[43]王佳.水热法制备氧化钛纳米棒阵列结构及其光电性能研究[D].浙江大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[44]罗培丽.纳米材料/氨基酸修饰电极的制备及应用[D].郑州大学,环境科学,2013,硕士.
[45]冯进伟.H.264/SVC流媒体系统优化与实现[D].北京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[46]陈跃平.酒精对特发性股骨头坏死骨髓成骨微环境作用机制研究[D].南方医科大学,骨外科学,2014,博士.
[47]凌果元.疏肝消脂Ⅲ方胶囊慢性毒理学实验研究[D].广州医科大学,中西医结合临床,2014,硕士.
[48]王晓芍.风力压缩空气式苦咸水淡化试验研究[D].山东大学,流体机械及工程,2013,硕士.
[49]宋康康.融合深度信息的Mean Shift视频目标跟踪算法研究[D].宁波大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[50]潘雯.癌症相关创伤后应激障碍临床心理特征与心率变异性的相关研究[D].苏州大学,精神病与精神卫生学,2013,硕士.