北方农牧交错带农田土壤呼吸特征及其影响因素研究

作者:奈曼站  更新时间:2023-02-06

土壤呼吸是土壤碳动态的关键过程,也是大气二氧化碳(CO2)的主要来源。农田土壤呼吸过程及其关键影响因子的研究可为区域碳收支模型评估以及碳固存潜力提升提供重要信息。然而,在以往的研究中,对一些环境因子(如风速等)的研究相对较少。

因此,通过对奈曼站2012~2013年农田生态系统长期试验样地观测数据的分析发现,两个生长季的平均土壤总呼吸速率(Rt)分别为4.0±0.8和6.1±1.4 μmol•m-2•s-1。自养呼吸(Ra)对Rt的贡献率(Rc)分别为55.5和44.1%,随日的变化均呈近似单峰曲线(图1)。回归分析显示,土壤温度与RtRa均呈显著正线性关系,风速与Ra呈显著的负线性关系,而与异养呼吸(Rh)的关系不显著(图2)。日均值的逐步回归分析表明,RtRa受土壤温度和风速的显著影响,Rh仅受土壤温度的显著影响,而土壤湿度对RtRaRhRc均无显著影响。结构方程模型表明(图3),风速对Rc有显著的直接影响(标准化路径系数为-0.520),同时,风速也通过空气湿度间接影响Rc (标准化路径系数为-0.118)。进一步分析发现,尽管存在显著的季节性差异(图4)和昼夜差异(图5),但整体而言,风速对土壤呼吸的影响不可忽视。然而,本研究仅是对常见因子的观测与分析,在后续的研究中,还需要结合控制实验,从植物生理性状、形态解剖等角度来证实这种关系。

该成果以“Soil respiration may be reduced by wind via the suppressing of root respiration: Field observation in maize farmland in the agro-pastoral transitional zone, northeastern China”为题在线发表在环境科学与生态学领域期刊Ecological Indicators上。西北研究院生态与农业研究室奈曼沙漠化研究站副研究员罗永清为本文第一作者和通讯作者。该研究由国家自然科学基金项目(31971466和31500369)、中国科学院(A类)战略性先导专项课题(XDA26020104-01)和中国科学院科技扶贫项目(KFJ-FP-202104)共同资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2022.109824

图1 两个生长季农田土壤呼吸特征变化(图a为2012年的观测结果,b为2013年的观测结果。RaRhRc分别为自养呼吸、异样呼吸和自养呼吸对总呼吸的贡献率)

图2 土壤温度(ST)、风速(WS)与自养呼吸(Ra)和异养呼吸(Rh)的回归分析

图3 自养呼吸献率与环境因子的结构方程模型

图4 五叶期(a)、拔节期(b)、抽穗期(c)和成熟期(d)风速(WS)与自养呼吸贡献率(Rc)的回归分析

图5 白天(a)和夜间(b)自养呼吸贡献率与环境因子的结构方程模型


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