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土壤呼吸的时空变化特征研究进展

张萌 卢杰 任毅华

张萌, 卢杰, 任毅华. 土壤呼吸的时空变化特征研究进展[J]. 四川林业科技, 2021, 42(4): 132−138 doi: 10.12172/202103200001
引用本文: 张萌, 卢杰, 任毅华. 土壤呼吸的时空变化特征研究进展[J]. 四川林业科技, 2021, 42(4): 132−138 doi: 10.12172/202103200001
Zhang M, Lu J, Ren Y H. Research progress on spatial and temporal variation characteristics of soil respiration[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(4): 132−138 doi: 10.12172/202103200001
Citation: Zhang M, Lu J, Ren Y H. Research progress on spatial and temporal variation characteristics of soil respiration[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(4): 132−138 doi: 10.12172/202103200001

土壤呼吸的时空变化特征研究进展


doi: 10.12172/202103200001
详细信息
    作者简介:

    张萌(1997—),女,在读硕士研究生,1992339552@qq.com

    通讯作者: tibetlj@163.com
  • 基金项目:  科技部国家野外科学研究观测站(生态系统)运行补助项目(2015-2020);西藏高原森林生态教育部重点实验室“研究生创新计划项目”(XZA-JYBSYS-2021-Y11)

Research Progress on Spatial and Temporal Variation Characteristics of Soil Respiration

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    Corresponding author: tibetlj@163.com
  • 摘要: 土壤呼吸的研究早在20世纪之前就已经开始了,国外的研究比国内起步早,目前,有许多研究发现土壤呼吸具有很大的时空变化,为了更加准确了解与探讨土壤呼吸时空变化的规律,本文通过对国内外相关文献的查阅、整理、归纳、总结了其变化特征。时间变化主要有日变化、季变化和年际变化。空间变异主要包括群落水平、景观水平、区域尺度和生物区系尺度四个方面,海拔梯度也会影响土壤呼吸。
  • [1] Gopal Ramdas Mahajan, Bappa Das, Sandrasekaran Manivannan, et al. Soil and water conservation measures improve soil carbon sequestration and soil quality under cashews[J]. International Journal of Sediment Research, 2021, 36(2): 190−206. doi: 10.1016/j.ijsrc.2020.07.009
    [2] 于贵瑞,李文华,邵明安,等. 生态系统科学研究与生态系统管理[J]. 地理学报,2020,75(12):2620−2635. doi: 10.11821/dlxb202012006
    [3] 李新鸽,韩广轩,朱连奇,等. 降雨引起的干湿交替对土壤呼吸的影响: 进展与展望[J]. 生态学杂志,2019,38(2):567−575.
    [4] J. S. Singh, S. R. Gupta. Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J]. The Botanical Review, 1977, 43(4).
    [5] Edward John Russell, Alfred Appleyard. The Atmosphere of the Soil: Its Composition and the Causes of Variation[J]. The Journal of Agricultural Science, 1915, 7(1).
    [6] Henrik Lundegardh. Carbon Dioxide Evolution of Soil and Crop Growth[J]. Soil Science, 1927, 23(6).
    [7] Harry Humfeld. A Method for Measuring Carbon Dioxide Evolution from Soil[J]. Soil Science, 1930, 30(1).
    [8] Golley F B, Odum H T, Wilson R F. The structure and metabolism of a Puerto Rican red mangrove forest in May[J]. Ecology, 1987, 43: 9−19.
    [9] Edwards N T and Sollins P. Continuous measurement of carbon dioxide evolution from partitioned forest floor components[J]. Ecology, 1973, 54: 406−412. doi: 10.2307/1934349
    [10] 王亚军,郁珊珊. 西双版纳热带季雨林土壤呼吸变化规律及其影响因素[J]. 水土保持研究,2016,23(1):133−138+144.
    [11] 龚斌,王风玉,张继平,等. 中亚热带森林土壤呼吸日变化及其与土壤温湿度的关系[J]. 生态环境学报,2013,22(8):1275−1281. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2013.08.001
    [12] 刘彦春,尚晴,王磊,等. 气候过渡带锐齿栎林土壤呼吸对降雨改变的响应[J]. 生态学报,2016,36(24):8054−8061.
    [13] 李耸耸,周贵尧,胡嘉琪,等. 陆地生态系统土壤呼吸对全球气候变化响应的研究进展[J]. 亚热带资源与环境学报,2018,13(2):72−78. doi: 10.3969/j.issn.1673-7105.2018.02.011
    [14] 邓翠,吕茂奎,曾敏,等. 红壤侵蚀区植被恢复对土壤呼吸及其温度敏感性的影响[J]. 土壤学报,2019,56(1):135−145.
    [15] 郑鹏飞,余新晓,贾国栋,等. 北京山区不同植被类型的土壤呼吸特征及其温度敏感性[J]. 应用生态学报,2019,30(5):1726−1734.
    [16] 胡智勇,陈孝杨,陈敏,等. 土壤与大气温度及CO<sub>2</sub>浓度变化对根系呼吸影响研究进展[J]. 江苏农业科学,2018,46(11):1−5.
    [17] HUANG Jin, GAO Zhijuan, CHEN Ji, et al. Diurnal and seasonal variations of soil respiration rate under different row-spacing in a Panicum virgatum L. field on semi-arid Loess Plateau of China[J]. Journal of Arid Land, 2016, 8(3): 341−349. doi: 10.1007/s40333-016-0081-0
    [18] Mengxun Zhu, Wanlai Xue, Hang Xu, et al. Diurnal and Seasonal Variations in Soil Respiration of Four Plantation Forests in an Urban Park[J]. Forests, 2019, 10(6).
    [19] 任涛,李俊良,张宏威,等. 设施菜田土壤呼吸速率日变化特征分析[J]. 中国生态农业学报,2013,21(10):1217−1224.
    [20] 徐洪灵,张宏,张伟. 川西北高寒草甸土壤呼吸速率日变化及温度影响因子比较[J]. 四川师范大学学报(自然科学版),2012,35(03):405−411.
    [21] 张俞,熊康宁,喻阳华,等. 中国南方喀斯特石漠化地区3种经济林土壤呼吸日动态特征[J]. 中南林业科技大学学报,2019,39(1):92−99.
    [22] Mengguang Han, Guangze Jin. Seasonal variations of Q<sub>10</sub> soil respiration and its components in the temperate forest ecosystems, northeastern China[J]. European Journal of Soil Biology, 2018: 85.
    [23] 李思思,贺康宁,田赟,等. 青海高寒区5种典型林分土壤呼吸季节变化及其影响因素[J]. 北京林业大学学报,2016,38(10):95−103.
    [24] 宁亚军,陈世苹,钱海源,等. 浙江古田山亚热带常绿阔叶林不同干扰强度下土壤呼吸的日动态与季节变化[J]. 科学通报,2013,58(36):3839−3848.
    [25] 刘霞,胡海清,李为海,等. 寒温带岛状林沼泽土壤呼吸速率和季节变化[J]. 生态学报,2014,34(24):7356−7364.
    [26] 周晨霓,马和平,郭其强. 西藏色季拉山天然林分土壤呼吸组分量化分离及季节变化特征[J]. 生态科学,2015,34(4):57−63+157.
    [27] 魏书精,罗碧珍,孙龙,等. 森林生态系统土壤呼吸时空异质性及影响因子研究进展[J]. 生态环境学报,2013,22(4):689−704. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2013.04.024
    [28] 周小平,王效科,张红星,等. 黄土高原小麦田土壤呼吸季节和年际变化[J]. 生态学报,2013,33(23):7525−7536.
    [29] 陈书涛,黄耀,邹建文,等. 中国陆地生态系统土壤呼吸的年际间变异及其对气候变化的响应[J]. 中国科学: 地球科学,2012,42(8):1273−1281.
    [30] Jian Bo Wang, Xiao Ling Fu, Hai Xiu Zhong, et al. Seasonal and Interannual Variation of Soil Respiration on the Sanjiang Plain Wentlands in Northeast China[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014: 3636.
    [31] Stephen C Phillips, Ruth K Varner, Steve Frolking, et al. Interannual, seasonal, and diel variation in soil respiration relative to ecosystem respiration at a wetland to upland slope at Harvard Forest[J]. Journal of Geophysical Research. Biogeosciences, 2010, 115(G2).
    [32] 严俊霞,郝忠,荆雪锴,等. 太原晋祠地区果园土壤呼吸的年际变化及其温度敏感性[J]. 环境科学,2016,37(9):3625−3633.
    [33] Eliana M. Jiménez, María Cristina Peñuela‐Mora, Flavio Moreno, et al. Jiménez, María Cristina Peñuela‐Mora, Flavio Moreno, et al. Spatial and temporal variation of forest net primary productivity components on contrasting soils in northwestern Amazon[J]. Ecosphere, 2020, 11(8).
    [34] Wenfang Xu, Xianglan Li, Wei Liu, et al. Spatial patterns of soil and ecosystem respiration regulated by biological and environmental variables along a precipitation gradient in semi‐arid grasslands in China[J]. Ecological Research, 2016, 31(4).
    [35] ArchMiller Althea A., Samuelson Lisa J., Li Yingru. Spatial variability of soil respiration in a 64-year-old longleaf pine forest[J]. Plant and Soil, 2016, 403(1/2).
    [36] 郑甲佳,黄松宇,等. 中国森林生态系统土壤呼吸温度敏感性空间变异特征及影响因素[J]. 植物生态学报,2020,44(6):687−698.
    [37] 张涛,罗雷,雷杰,等. 三峡库区马尾松林土壤呼吸的空间变异特征[J]. 华中农业大学学报,2017,36(1):28−34.
    [38] 丁梦凯,胡晓农,曹建华,等. 桂林毛村不同土地利用方式下土壤呼吸空间变异特征[J]. 环境科学,2019,40(2):924−933.
    [39] Yanchun Liu, Qing Shang, Lei Wang, et al. Effects of Understory Shrub Biomass on Variation of Soil Respiration in a Temperate-Subtropical Transitional Oak Forest[J]. Forests, 2019, 10(2).
    [40] 严俊霞,梁雅南,李洪建,等. 不同取样尺度下华北落叶松人工林土壤呼吸的空间变异性[J]. 环境科学,2015,36(12):4591−4599.
    [41] Fang C, Moncrieff J B, Gholz H L, et al. Soil CO<sub>2</sub> efflux and its spatial variation in a Florid a slash pine plantation[J]. Plant and Soil, 1998, 205: 135−146. doi: 10.1023/A:1004304309827
    [42] Buchmann N. Biotic and abiotic factors controlling soil respiration in Picea abies stands[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32: 1625−1635. doi: 10.1016/S0038-0717(00)00077-8
    [43] 王晓荣,胡文杰,潘磊,等. 森林生态系统土壤呼吸空间异质性研究进展[J]. 西部林业科学,2017,46(3):177−186.
    [44] Baoku Shi, Guang Hu, Hugh A L Henry, et al. Temporal changes in the spatial variability of soil respiration in a meadow steppe: The role of abiotic and biotic factors[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2020: 287.
    [45] Lifei SUN,Kentaro TAKAGI,Munemasa TERAMOTO,et al. Inter-annual variation of soil respiration and its spatial heterogeneity in a cool-temperate young larch plantation in northern Japan: Full Paper[J]. 農業気象,2020,76(3).
    [46] Guoqiang Gao, Marc Goebel, Yan Wang, et al. Spatial–temporal variations of absorptive fine roots in the organic and soil layers of a Larix gmelinii forest[J]. Trees, 2021(prepublish).
    [47] 杨红,刘合满,曹丽花,等. 藏东南色季拉山不同海拔森林土壤基础呼吸特征[J]. 浙江农业学报,2018,30(5):832−839.
    [48] 雷海清,傅懋毅,李正才,等. 不同海拔高度毛竹林土壤呼吸变化及其影响因子[J]. 东北林业大学学报,2013,41(2):56−59. doi: 10.3969/j.issn.1000-5382.2013.02.014
    [49] 周利光. 成熟林土壤呼吸沿海拔梯度的动态变化与机理[D]. 内蒙古农业大学, 2010.
    [50] 施政,汪家社,何容,等. 武夷山不同海拔植被土壤呼吸季节变化及对温度的敏感性[J]. 应用生态学报,2008(11):2357−2363.
    [51] 孟庆志,乔建华,赵萌君,等. 高海拔冻土层地区不同土壤温度对花叶海棠光合特性的影响[J]. 西南林业大学学报,2017,37(1):ku26−30.
  • [1] 程建军, 曹爱珍, 陶席, 潘娅, 李俊, 胡昌平.  马尾松人工林土壤氮含量变化分析 . 四川林业科技, 2023, 44(2): 111-115. doi: 10.12172/202204080002
    [2] 段廷璐, 杨学俊, 沈秀英, 郭龙洁, 李迎春, 谭坤, 张淑霞, 王荣兴, 李娜, 肖文.  云南省三江并流区混种鸟群秋季时空分布格局 . 四川林业科技, 2023, 44(5): 32-40. doi: 10.12172/202210190001
    [3] 张燕, 何燕, 郑绍伟, 侯晓云, 汪剑, 黎燕琼.  苦楝花粉飘散对林内空气颗粒物浓度的影响 . 四川林业科技, 2023, 44(5): 102-106. doi: 10.12172/202211290001
    [4] 田莹, 卢杰, 王新靓, 杨琳.  色季拉山川滇高山栎种群结构对海拔梯度的响应 . 四川林业科技, 2023, 44(4): 74-81. doi: 10.12172/202210010001
    [5] 杨学俊, 沈秀英, 郭龙洁, 李迎春, 谭坤, 张淑霞, 王荣兴, 李娜.  高黎贡山鸟类物种多样性纬度和海拔梯度分布格局 . 四川林业科技, 2023, 44(3): 88-94. doi: 10.12172/202208300001
    [6] 吴世磊, 刘怀谷, 陈德朝, 鄢武先, 邓东周, 文智猷, 苏宇.  川西北高寒沙地不同恢复年限对土壤水分变化的影响 . 四川林业科技, 2022, 43(6): 57-62. doi: 10.12172/202103080001
    [7] 聂佩潇, 张彩彩, 龙晓斌, 李延鹏, 肖文.  白马雪山自然保护区植物物种多样性海拔分布格局 . 四川林业科技, 2022, 43(2): 95-100. doi: 10.12172/202107160001
    [8] 李旭华, 张临萍, 何飞, 冯秋红, 潘红丽, 蔡蕾, 宿以明, 刘兴良.  四川卧龙岷江冷杉天然林生物多样性随海拔梯度的响应 . 四川林业科技, 2020, 41(3): 31-38. doi: 10.12172/202002240001
    [9] 罗辑, 李伟, 贾国清, 杨丹荔, 何咏梅.  亚高山暗针叶林的土壤呼吸 . 四川林业科技, 2019, 40(2): 1-4. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2019.02.001
    [10] 李长燕, 彭希.  雅安不同海拔地区的珙桐群落土壤养分特征 . 四川林业科技, 2019, 40(3): 31-36. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2019.03.006
    [11] 杨靖宇, 余凌帆, 鄢武先, 曹小军, 贾晨.  排水条件下川西高原典型高寒沼泽湿地土壤氮素空间变异特征研究 . 四川林业科技, 2018, 39(6): 7-12. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2018.06.002
    [12] 罗晓华, 李军, 宋大刚, 向成华, 何家敏.  阆中农林复合系统不同模式下土壤温度与湿度变化分析 . 四川林业科技, 2017, 38(3): 62-64. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.03.012
    [13] 游秋明, 焦四明, 高俊, 刘凯, 王博, 蔡凡隆.  川西北壤塘县沙化土地土壤化学性质变化研究 . 四川林业科技, 2017, 34(6): 59-63,106. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.06.015
    [14] 张利, 朱欣伟, 黄泉, 康英, 任君芳, 杨华, 陈俊, 李强.  海拔对暗紫贝母生长及总生物碱含量的影响 . 四川林业科技, 2016, 37(2): 80-83. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2016.02.016
    [15] 王纪杰, 鲍爽, 梁关峰, 俞元春.  不同林龄桉树人工林土壤有机碳的变化 . 四川林业科技, 2015, 36(4): 18-21. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2015.04.002
    [16] 杨远兵, 胡进耀, 邓东周, 赵军.  北川县小寨子沟自然保护区花椒病虫害的时间和空间分布特征 . 四川林业科技, 2015, 36(2): 81-85. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2015.02.018
    [17] 刘兴良, 贾程, 何飞, 蔡小虎, 潘红丽, 马文宝, 冯秋红, 姬慧娟.  巴郎山川滇高山栎群落植物科组成的海拔梯度特征 . 四川林业科技, 2015, 36(2): 1-9. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2015.02.001
    [18] 顾国栋, 蒋祺, 兰海, 代沙, 唐平, 和献锋.  野生川续断居群植株表性变异性研究及优良种源初选 . 四川林业科技, 2015, 36(5): 21-24. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2015.05.005
    [19] 王飞, 郭星, 陈国鹏, 黄旭东.  甘肃白龙江干旱河谷不同海拔梯度植物α分析 . 四川林业科技, 2015, 36(6): 47-51. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2015.06.008
    [20] 吴庆贵, 贺静, 曾艳, 邹利娟, 胡进耀.  北川不同海拔珙桐种群年龄结构研究 . 四川林业科技, 2013, 34(5): 25-28. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2013.05.006
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    出版历程
    • 收稿日期:  2021-03-20
    • 网络出版日期:  2021-07-01
    • 刊出日期:  2021-08-25

    土壤呼吸的时空变化特征研究进展

    doi: 10.12172/202103200001
      作者简介:

      张萌(1997—),女,在读硕士研究生,1992339552@qq.com

      通讯作者: tibetlj@163.com
    基金项目:  科技部国家野外科学研究观测站(生态系统)运行补助项目(2015-2020);西藏高原森林生态教育部重点实验室“研究生创新计划项目”(XZA-JYBSYS-2021-Y11)

    摘要: 土壤呼吸的研究早在20世纪之前就已经开始了,国外的研究比国内起步早,目前,有许多研究发现土壤呼吸具有很大的时空变化,为了更加准确了解与探讨土壤呼吸时空变化的规律,本文通过对国内外相关文献的查阅、整理、归纳、总结了其变化特征。时间变化主要有日变化、季变化和年际变化。空间变异主要包括群落水平、景观水平、区域尺度和生物区系尺度四个方面,海拔梯度也会影响土壤呼吸。

    English Abstract

    • 土壤呼吸是大气与陆地生态系统之间的第二大碳循环通量[1],作为生态呼吸的重要组成部分,土壤呼吸还和生态系统生产力息息相关,生态系统生产力包括总初级生产(GPP)、净初级生产(NPP)和净生态系统生产(NEP)[2]。除了生态学家关心土壤呼吸,其他研究地球系统功能和大气动态的科学家也关心土壤呼吸的研究。每年通过土壤呼吸以CO2的形式释放到大气中的碳比燃烧化石燃料释放的碳多十倍以上[3]。土壤呼吸在不同的条件下会有很大的时间和空间变化,时空变化的差异性较大不仅会对测量结果造成误差,也会增加估算区域和全球的碳收支难度。本文综述了国内外近些年关于土壤呼吸时空变化的一些研究,分析了时空变化的规律,以便更加深入了解土壤呼吸这一过程。

      • 北美和欧洲等地区是最早开始研究土壤呼吸的[4]。最早的研究可以追溯到Wollny(1831)、Boussingault&Levy(1853)和Moller(1879)等人的文章[5]。在20世纪初的时候,土壤呼吸作用主要是在农业用地的实验室中进行的,土壤呼吸作用主要用于评估土壤肥力和生物活性。在十九世纪末的时候,化肥出现了并且应用到农作物的培育中,肥料促进了农作物的生长,大大提高了农业生产力。与此同时出现了一些简单原始测量土壤呼吸的方法,在1905年的时候,Stoklasa&Ernest将不含有CO2的空气装在长颈瓶中的土壤样品的上方,并且根据碱液吸收法把样品中产生的CO2的量测量出来。在1927年的时候,Lundegardh[6]意识到在实验室测量的CO2的量并不能完全代表田间那些未遭到破坏的土壤的情况,在他看来,控制CO2产生的一个主要过程是扩散。他可能是史上第一位在田间测量土壤呼吸速率的科学家,他利用一个气室把土壤的表面盖住一段时间,然后用钢管在气室和土壤中三个不同深度的气体空间采集气体样品,利用碱溶液来测量土壤呼吸。在1930年的时候,Humfeld[7]等人改进了前人的测量方法,他们把静态碱溶液放在气室内,然后用氯酸滴定碱溶液。二十世纪20年代,影响土壤呼吸的主要因素已经确定。在20世纪30年代末至50年代初的时候,关于土壤呼吸的相关研究比较少,可能与这一时期社会动荡有关。到了20世纪50年代,土壤呼吸测量在技术上取得了一定的进步,红外气体分析仪测量开始被用于测量土壤呼吸。在1962年的时候,Golley[8]等人在田间运用红外气体分析仪测定红树林泥炭地的土壤呼吸速率。在1073年的时候,Edwards&Solins[9]等人设计了一个开路系统,把红外气体分析仪和气室两者连接到一起来对土壤呼吸进行测量。有人又把碱吸收法和红外气体分析仪进行比较,有很多研究发现碱吸收法低估了土壤CO2释放,也有一些研究发现,这两个方法没有什么明显区别。从20世纪50年代末到70年代,人们对影响土壤呼吸的因素有了更加深刻的认识。有许多研究表明,土壤呼吸与温度的关系呈指数相关。在20世纪90年代的时候土壤呼吸便成了科学家们密切关注的问题,并取得了巨大的研究进展,测量土壤表面CO2通量的仪器是便携式红外气体分析仪,与传统的碱吸收法或者碱石灰吸收法相比较,红外气体分析仪对技术含量要求较低,并且能很快地测量土壤表面的CO2释放。目前,国外关于土壤呼吸的研究重点主要集中在全球气候变化所产生的响应上。

      • 国内关于土壤呼吸的研究相比国外要晚一些,因为我国是一个农业大国,从古至今农业占据了重要的地位,所以国内早期研究重点放在农田上,最近几年才开始把研究重点扩展到森林生态系统方面,主要涉及热带季雨林[10]、亚热带森林[11]、暖温带落叶阔叶林[12]等。研究的主要内容是土壤年碳通量的估算、土壤呼吸的影响因素和动态特征以及土壤呼吸在应对全球气候变化所采取的响应机制等[13]。国内的一些研究者也取得了一定的成果,例如邓翠[14]等人通过研究发现土壤温度与土壤呼吸的关系极为密切,两者均表现出明显的季节变化。温度还通过影响根系生长进而影响根系呼吸,温度升高时,一年生植物和多年生植物生长更快,而且幼根比老根对温度更加敏感。通过研究侧柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabuliformis)和栓皮栎(Quercus variabilis)发现油松样地的土壤呼吸速率最低,侧柏次之,栓皮栎最大[15]。在干燥的环境下,根系呼吸速率随着温度的升高而降低,但是在潮湿的环境下,根系呼吸速率随着温度的升高而增加[16]。我国对不同森林生态系统土壤呼吸的长期观测越来越多,旨在揭示同一森林生态系统环境中不同环境因子影响土壤呼吸的过程和机制。这些研究成果为研究中国乃至世界森林生态系统土壤碳释放的时空动态奠定了基础,也有利于开展中国陆地生态系统碳循环的研究。

      • 土壤呼吸速率在一天当中是处于不断的变化中,通常情况下,在上午的时候,温度在逐渐升高,土壤呼吸速率也会增加达到最大值,下午的时候温度逐渐降低,所以土壤呼吸速率也会降低[17]。在大多数情况下,土壤温度的函数可以用来解释土壤呼吸的日变化,因为在日尺度上最容易发生变化的就是土壤温度。土壤CO2通量也会因为降雨的缘故而出现突然增加的情况,特别是在经历很长一段时间的干旱以后,大气压和湿度波动也会影响土壤CO2释放的昼夜模式。一般在森林中郁闭度高的地方,土壤温度不会发生很大的变化,所以土壤呼吸的日变化也不大。在干旱生态系统中,由于夜间相对湿度增加,有利于土壤微生物的活动,所以夜间的土壤呼吸速率甚至比白天的还要高[18]。一般情况下,CO2通量与日平均值在10:00左右的时候最为接近。但是如果只用一天当中最热的时间测得的土壤呼吸来估计日平均值,则估计的日土壤呼吸速率将与月土壤呼吸速率有相当大的偏差。任涛[19]等人在2009年冬季的时候和2010年春季的时候分别采用CO2红外分析仪-动态箱法在不同施肥条件下的设施菜田进行了土壤呼吸速率日变化特征的监测,通过监测发现:有机肥的使用和秸秆可以使菜田的土壤呼吸速率显著提高,土壤呼吸速率的日变化特征不会随着季节的变化而变化,在不同的季节也基本保持一致,在下午14:00—17:00会出现最大值。徐洪灵[20]等人在实验中选取了3块样地,研究结果发现,这三块样地的土壤呼吸速率变化趋势都是呈单峰型,日均速率最大的是浅丘山地草甸(5.34±0.339 μmol·m−2·s−1),其次是浅丘山地灌丛(5.14 ± 0.225 μmol·m−2·s−1),最小的是丘前阶地草甸(4.49 ± 0.282 μmol·m−2·s−1)。张俞[21]等人在喀斯特石漠化地区选取了三种经济林监测其土壤呼吸速率,三种经济林分别是核桃林(Julans regia)、花椒林(Zanthoxylum bungeamum)和枇杷林(Eriobotrya japonica),研究结果表明:核桃林的土壤呼吸速率和日平均值偏离程度相对较小是出现在晚上0:00和早上11:00的时候;枇杷林的土壤呼吸速率和日平均值偏离程度相对较小是出现在中午12:00的时候;而花椒林的土壤呼吸速率和日平均值偏离程度相对较小是出现在早上9:00、下午15:00和晚上21:00的时候。

      • 土壤呼吸的季节变化几乎是所有生态系统中都会观察到的一个方面,通常情况下,土壤呼吸速率在夏季的时候最高,在冬季的时候最低[22]。季节变化通常是由于温度、湿度和光合产物等因素的变化而引起的。李思思[23]等人在青海高寒地区通过对五种不同典型林分土壤呼吸的季节变化进行试验分析,通过试验研究结果得知它们各自的土壤呼吸速率在季节变化方面也表现出明显的变化,在七月份的时候土壤呼吸速率达到最大值。宁亚军[24]等人通过监测四种不同类型的森林测量土壤呼吸速率,通过监测发现这4种林型的土壤呼吸速率在季节变化上有很大的不同,每种林型土壤呼吸速率的最大值发生在不同的时间,次生林Ⅱ和人工林都是在六月中旬的时候达到峰值,次生林Ⅰ在七月中旬的时候达到峰值,老龄林在八月中旬的时候达到峰值,之后开始下降到次年1月份。刘霞[25]等人以白桦岛状林沼泽、兴安落叶松(Larix gmelinii)岛状林沼泽为研究对象,通过一系列研究发现它们在生长季的时候土壤呼吸速率有明显的季节规律,高峰期都出现在夏季。周晨霓[26]等人为了测量土壤呼吸组分采用挖沟断根法进行了分离实验,研究结果和大多数结果一致:土壤呼吸速率夏季大冬季小。冷杉的最大土壤呼吸出现时间比林芝云杉早1个月。微生物呼吸在两种林分中占比最高,其次是叶呼吸和根呼吸。但是不同组分在不同季节所占比例也会不同,例如在春季晚期和初夏的时候占总呼吸的比例较高的是枯枝落叶,两种林分土壤呼吸速率在季节变化方面表现出基本一致,它们的峰值都是在夏季的时候出现。

      • 土壤呼吸除了日变化和季节变化还有年际变化,出现年际变化的主要原因包括:第一是因为气候的年际变化(如温度、夏季干旱、冬季雪的深度及融化时间等);第二是因为气候变化和扰动而产生的生态和生理过程的变化(如生长季长度、群丛结构和展叶时间);第三是因为营养可利用性发生变化[27]。在大多数的试验研究中,气候变化是导致土壤呼吸发生年际变化的主要因子。周小平[28]等人以农田土壤呼吸的年际变化为研究对象,结果表明:土壤呼吸表现出明显的年际,环境因子的季节变化可以解释58.4%的年际变化。陆书涛[29]等人通过对1970—2009年这四十年间中国土壤呼吸量的变异分析发现,不同生态系统的土壤呼吸量每年都存在差异,平均土壤呼吸量为4.83。通过在美国新英格兰州哈佛森林进行了长达5年的土壤呼吸研究发现,造成土壤呼吸年际变化的与干旱的发生以及在春季的时候土壤呼吸大幅度增加的时间有关,由土壤呼吸时间增加引起的年际变化占总变化的33%~59%[30]。另外,哈佛森林土壤呼吸年际变化高达0.23 kgC·m−2·a−1[31]。严俊霞[32]等人在2006—2012年对太原晋祠地区的一片果园地进行每个月1—3次土壤呼吸的测定,对土壤呼吸的年际变化和季节变化进行了试验分析。研究结果显示:土壤呼吸在年际变化上面并没有表现出明显的差异,年平均值是(5.32±3.31)μmol·m−2·s−1。土壤呼吸的温度敏感性指数(Q10)的值在不同的测定深度也是不一样的,在5 cm处计算为1.54~2.20,10 cm处为1.68~2.48,15 cm处为1.82~2.46。当土壤温度测定深度为5 cm时,土壤呼吸的值是2.37~2.81 μmol·m−2·s−1,当土壤温度测定深度为10 cm时,土壤呼吸的值是2.43~3.13 μmol·m−2·s−1,当土壤温度测定深度为15 cm时,土壤呼吸的值是2.59~3.47 μmol·m−2·s−1。在2004~2012年对亚马逊西北地区(哥伦比亚)5个森林的净初级生产力组分的年际变化进行了评估,尽管该地区被认为是相对季节性的,但在壤土森林群以及细根质量中,凋落物表现出了较高的季节性[33]

      • 目前,在对土壤呼吸时空变异性研究中,关于时间变化的研究比空间变化的研究要多得多,土壤呼吸的空间变异性又影响着估算区域碳收支,所以需要对空间变异性有一定了解。土壤呼吸的空间变异性可大可小,小到几平方厘米而大到几公顷甚至全球范围,它可以发生在不同的尺度上[34]。具体尺度分为四种:即群丛水平、区域尺度、景观水平和生物群系尺度。即使是在相对均质的土壤中,土壤CO2通量在群丛水平上也会表现出一些变异性[35]。景观是由斑块、廓道、基质等组成的空间异质性区域,规模从几公顷到数百平方公里不等,所以土壤呼吸会发生很大的变化。区域和大陆规模土壤的碳流是不同生态系统对气候和土壤条件,生物因子,景观格局,自然干扰和土地利用管理方法相互作用的响应的产物[36]。所以,在区域范围内,土壤呼吸存在较大的空间变异性是不可避免的。生态系统物种不同土壤呼吸也会不同,这些差异恰好反映了这些生态系统中生物活动和主要环境的内在特征[37]。有研究表明,即使是在空间距离很近的两个地点所测的土壤呼吸速率可能会存在很大的差异性[38]。气候、植被类型、地形、土壤特性、斑块的面积和边缘等因素会造成土壤呼吸在景观尺度上的空间变化。不同土壤、不同森林结构、但生长在相同气候条件下的5个亚马逊盆地森林,对降雨及其季节性的碳分配表现出不同的地上和地下碳分配响应[39]。经过对落叶松人工林(Larix principis-rupprechtii)不同取样尺度下土壤呼吸速率的空间变异性研究发现不同尺度下空间变异性的影响因子不同[40],有些是温度,有些是凋落物,还有一些是碳和氮。Fang[41]等人经过研究发现,土壤呼吸速率与树木距离的远近有关系,距离不同,土壤呼吸速率也不同,如果距离树木近那么土壤呼吸速率就高,如果距离树木远那么土壤呼吸速率就低。Buchmanm[42]等人认为在同一个地点,土壤呼吸的空间变化与时间变化有所不同,通常情况下,它会小于季节变化而大于日变化。人工林与原始林和次生林的空间变异性也存在不一致的情况,有些人工林的土壤呼吸空间变异性还比原始林和次生林小一些,比如橡树林,但是有些人工林的土壤呼吸空间变异性还比比原始林和次生林大一些,比如油棕榈[43],之所以出现这样的差异情况,这极有可能与管理方法和树种组成有关系。在对草甸草原土壤呼吸时空变异性研究中,土壤温度、容重、土壤电导率和地上生物量可以解释7月份土壤空间变异的53%[44]。土壤呼吸的空间变异性最大发生在7月,此时该草甸草原温度较高。在对日本北部冷温带落叶松林幼林土壤呼吸的年际变化及其空间异质性研究中发现土壤水分和植被对恢复幼林土壤水分年际变化及其空间异质性有较强的影响,土壤呼吸与土壤温度在季节变化上有较强的指数关系[45]。也有研究者发现随着土壤深度的增加,落叶松的细根吸收生物量和细根长密度占总细根的平均比例下降[46],有机层的吸收细根在资源获取和碳循环中起着至关重要的作用。

      • 在同一个区域内,海拔梯度的差异也会影响着气候和植被的变化,海拔越高的地方,气候越冷,土壤呼吸也经常受到海拔梯度变化的影响,不同的海拔梯度具有不同的植被组成,如果植被类型有所差异,那么土壤呼吸也会不同,随着海拔梯度的变化,土壤温度、有机质分解、土壤动物等等一系列因素都会发生改变,这些因素的改变也会影响着土壤呼吸。杨红[47]等人为了阐明不同海拔梯度森林土壤呼吸的特征,在西藏色季拉山进行实验,研究表明:土壤呼吸速率在同一温度条件下随着海拔梯度的升高而降低。雷海清[48]等人通过对海拔在120~620 m的毛竹林地土壤呼吸变化的研究发现毛竹林在不同的海拔梯度土壤呼吸存在显著的差异,随着海拔的升高,土壤呼吸速率逐渐降低。周利光[49]在研究区内把750~3100 m划分为4个不同的海拔梯度范围,常绿阔叶林在海拔750~900 m范围的土壤呼吸速率较高,平均呼吸速率为2.29±0.08 μmol·m−2·s−1;常绿阔叶混交林在海拔900~1700 m范围的土壤呼吸速率平均值为2.07±0.06 μmol·m−2·s−1;落叶阔叶林在海拔1700~2 000 m范围内的土壤呼吸速率平均值为2.30±0.07 μmol·m−2·s−1;高山针叶林在海拔2300~3100 m范围的土壤呼吸速率平均值为1.66±0.06 μmol·m−2·s−1,这四种实验结果均呈现双峰变化趋势。施政[50]等人测定了武夷山四种不同海拔高度的植被的土壤呼吸,通过测定后发现:四种植物群落在不同的海拔高度它们的土壤呼吸速率存在明显的季节变化特征,其特征与许多研究结果都表现出一致的变化,土壤呼吸速率都是在夏季的时候达到最大值,为3.10~6.57 μmol·m−2·s−1,在冬季的时候土壤呼吸速率达到最小,为0.27~1.15 μmol·m−2·s−1。与此同时,土壤呼吸Q10的值也发生了一些变化,Q10的值随着海拔的升高有所增加,并且低海拔地区的土壤呼吸Q10值明显比高海拔低,出现这样的情况只能说明高海拔地区比低海拔地区的土壤呼吸对温度更加敏感。在土壤温度较低的地区,土壤微生物对土壤温度的变化更为敏感[51]。沿海拔梯度,在不同的高度影响土壤呼吸的因子也有可能不同,总的来说,多个因子(温度、湿度、生长季、无霜期、无雪期)的共同影响导致随海拔升高土壤呼吸下降的趋势。

      • 土壤呼吸与我们的日常生活密切相关,它的一个微小变化不仅会引起气候的变化,还会影响全球碳平衡的变化。目前,关于土壤呼吸的研究越来越多了,尤其在土壤呼吸的时空动态、影响机理和定量评价等方面进行了大量研究,并取得了较大进展。目前大多数的研究都在时间变化规律上,关于空间尺度上的变化研究相对较少,所以在未来的试验研究中要重点研究关于土壤呼吸的空间变化特征以及其影响因素。呼吸底物的分解是土壤呼吸产生CO2的主要来源,因此基质的质量和数量以及基质的供给影响着土壤呼吸的时空异质性。土壤呼吸影响因素之间的相互作用虽然有一定的规律,但也表现出不规律,其准确描述和完整认识有待进一步研究。我们国家在这方面的研究起步较晚,而且大部分研究都是参考了国外的研究,借鉴了他们的实验方法与实践经验,我国关于土壤呼吸各方面的综合研究也较少。到目前为止,还有许多土壤呼吸的相关问题需要我们进一步去研究和探索。

    参考文献 (51)

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