黄土高原旱作麦田CO_2通量的研究

【摘要】本试验于2011-2013连续三年在黄土高原旱作麦田进行，通过涡度相关系统连续观测与土壤呼吸测定系统定期观测相结合的方法，系统研究了黄土高原旱作麦田生态系统CO2通量的动态变化特征及其环境响应机制。本研究主要得出了以下结论：1.麦田土壤呼吸的变化特征（1）从返青到成熟期，麦田土壤呼吸速率的季节变化比较大，而且在不同年份间的变化差异也较大。在2012年5月16日（小麦孕穗期）土壤呼吸速率达到最大值(299.68mgm-2h-1)，在3月27日（返青期）土壤呼吸速率达到最小值（133.67mgm-2h-1）；在2013年，土壤呼吸速率的最大值(363.18mgm-2h-1)出现在5月20日（抽穗期），土壤呼吸速率的最小值（132.59mgm-2h-1）出现在3月24日（返青期）。综合两年的测定结果，土壤呼吸的日均最大值（2012，0.017Mgha-1；2013，0.021Mgha-1）均出现在5月份，而日均最小值（2012,0.010Mgha-1；2013,0.009Mgha-1）均出现在3月份。（2）通过2012和2013两年的研究结果表明：麦田土壤呼吸速率与土壤微生物量碳、细菌/真菌之间达到极显著正相关水平(P<0.01)，与过氧化氢酶活性、活根生物量达到显著正相关水平（0.01<P<0.05）。脲酶活性、蛋白酶活性、蔗糖酶活性与土壤呼吸速率之间的正相关性没有达到显著水平(P>0.05)，而土壤微生物量氮与土壤呼吸速率之间达到显著负相关水平（0.01<P<0.05）。（3）麦田土壤呼吸速率具有明显的日变化格局，日变化趋势呈单峰曲线，峰值出现在11:00（开花期、灌浆期和成熟期）或13:00（返青期和拔节期）左右，最低值出现在早晨7:00左右。土壤呼吸速率与0-30cm土层温度呈显著相关关系，且可以用一元二次方程模型很好的拟合(R范围为0.52~0.56,P＜0.05)，其中与0-15cm地温的相关性最好(R=0.56*)。土壤呼吸速率与0-15cm土层含水量的相关性最好(R=0.60*)。在同一土层深度下，利用土壤温度和水分的双变量关系模型所得到的方程决定系数，明显高于单因素模型的决定系数。（4）在整个观测期间，麦田土壤呼吸速率均高于裸地处理。通过对0-15cm和15-30cm两个土层研究发现：同一土层深度下，裸地土壤呼吸速率与土壤含水量的相关性均小于麦田处理，并且随着土层深度的增加，相关系数逐渐减小。在同一土层深度下，麦田土壤呼吸速率与土壤温度的相关性均小于裸地处理，并且随着土层深度的增加，两处理的相关系数都逐渐减小。2.麦田生态系统CO2通量的变化特征（1）麦田生态系统CO2通量的日变化成单峰曲线趋势。在播种分蘖期，CO2通量值较小，约为10-3数量级。返青至灌浆期，在一天当中，麦田生态系统在7:30-8:00之间，由释放CO2转变成吸收CO2，即由碳源转变成碳汇，下午18：00左右由碳汇转变成碳源。在成熟期，麦田生态系统全天表现为CO2释放。CO2日通量最大值发生在拔节孕穗期。播种分蘖期、越冬期、灌浆期和成熟期整个麦田生态系统表现为碳源，其它生育时期表现为碳汇。其中播种分蘖期单位面积上释放的CO2量最多，为69.2423gCO2m-2，成熟期释放的最少，为16.7605gCO2m-2；而拔节孕穗期单位面积上吸收的CO2量最多，为254.6388gCO2m-2，抽穗期单位面积上吸收的CO2最少，为65.1799gCO2m-2。麦田生态系统在小麦生长季单位面积吸收CO2量约为400gCO2m-2。（2）2012和2013年日平均CO2通量变化范围分别为-18.32~2.11gm-2d-1和-16.36~2.35gm-2d-1。2013年麦田生态系统进入明显碳汇的时间（小麦播种后177d）晚于2012年（小麦播种后157d）。2013年，小麦返青至抽穗期麦田生态系统的碳汇功能低于2012年同期，而小麦灌浆至成熟期，整个麦田生态系统的碳源功能明显大于2012年同期。在小麦生长季，黄土高原旱作麦田生态系统CO2净吸收量大于同期其它麦田生态系统，但低于玉米田生态系统。（3）麦田生态系统CO2通量与5cm地温成极显著线性相关关系（P<0.01）。2012年5cm地温与CO2通量的相关性大于2013年。夜间CO2通量与气温成指数相关关系，且相关性达到极显著水平（P<0.01）。白天CO2通量与光合有效辐射成二次函数关系，且相关性达到极显著水平（P<0.01）。当光合有效辐射较低时，麦田生态系统CO2吸收通量随光合有效辐射的增加而增加；当光合有效辐射超过一定的阈值后，CO2吸收通量随光合有效辐射的增加而降低。（4）在起身期和抽穗期，CO2通量与大气温度达到极显著相关水平（P<0.01），在拔节孕穗期两者的相关性达到最大（P<0.01）；白天CO2通量与光合有效辐射在起身期、拔节孕穗期和抽穗期达到极显著相关水平（P<0.01）；夜间CO2通量与5cm地温在拔节孕穗期和抽穗期达到极显著相关水平（P<0.01）。由于降水等条件的影响，使得各生育时期的CO2通量与气温、地温和光合有效辐射的相关性被不同程度的弱化。（5）地下生物量、SPAD值和叶面积指数与CO2通量之间呈负相关关系，且叶面积指数与CO2通量之间的相关性达到极显著负相关水平（P<0.01）,地上生物量与CO2通量之间呈正相关关系，但没有达到显著水平（P>0.05）。通过对CO2通量和土壤影响因子之间进行多元线性逐步回归分析，结果表明在土壤影响因子中过氧化氢酶活性这1个自变量可以解释77%CO2通量的变异，随着土壤中过氧化氢酶活性的变化，麦田生态系统CO2通量的变化方向与之相反。（6）不同生育时期，麦田土壤呼吸释放的CO2对于麦田生态系统CO2通量的贡献不同。小麦灌浆后期至成熟期，土壤呼吸释放的CO2量对麦田生态系统CO2通量具有决定性影响。
【作者】郭强；
【导师】廖允成；
【作者基本信息】西北农林科技大学，作物栽培学与耕作学，2014，博士
【关键词】黄土高原；旱作麦田；土壤呼吸；生态系统碳通量；环境响应机制；

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