长白山高山苔原季节性雪斑土壤呼吸对温度响应 的模拟研究

导读:刘琪璟等:长白山高山苔原季节性雪斑土壤呼吸对温度响应的模拟研究485,6月1日土壤温度为0.4℃,6月2日温度升高到2℃,含水率达到高峰,之后缓慢下降,3.3不同时间尺度估计土壤呼吸量的精度,关于土壤呼吸对温度的回归模型,从每小时温度到日平均温度、月平均温度拟合的回归方程,这对于提高温度数据的可利用性具有重要意义,模拟–10–20℃之间的呼吸强度,最大相差不超过2μmol·kg–1·h–1,而

长白山高山苔原季节性雪斑土壤呼吸对温度响应 的模拟研究

刘琪璟等: 长白山高山苔原季节性雪斑土壤呼吸对温度响应的模拟研究 485

中的固态水在积雪完全消失前50天就开始逐渐转为液态水。6月1日土壤温度为0.4 ℃, 6月2日温度升高到2 ℃,含水率达到高峰, 之后缓慢下降, 说明土壤固态水完全融解, 土壤水接近饱和(图5)。 3.3 不同时间尺度估计土壤呼吸量的精度

关于土壤呼吸对温度的回归模型, 从每小时温度到日平均温度、月平均温度拟合的回归方程, 各项系数都非常接近(表5), 其估计值之间差异的统计检验显示为不显著。说明可以利用任意时间尺度拟合的方程进行估计。这对于提高温度数据的可利用性具有重要意义。

拟合方程的最小时间尺度是小时, 逐级向上扩大尺度到日平均值、月平均值。时间尺度对拟合方程的系数影响很小。模拟–10–20 ℃之间的呼吸强度, 最大相差不超过2 μmol·kg–1·h–1。而在野外观测到的实际温度范围内, 相差一般小于1 μmol·kg–1· 说明以每小时拟合的方程可以扩展到利用月平h–1。

均温度进行模拟。大白花地榆群落的土壤呼吸量为2.8–3.2 g·kg–1·a–1。

以海拔2 036 m的土壤计算结果为例, 对不同方法估算的结果进行比较。利用4次采集的扰动土样品(13个样品)的方程进行单独估算的平均呼吸强度为3.304 g C·kg–1·a–1, 4个样品测定结果综合拟合方程估计值为3.495 g C·kg–1·a–1, 利用2次采集的原状土(6个土样)拟合方程估计值为2.942 g C·kg–1·a–1。将原状土和扰动土样品共同拟合方程(称总和方程)对上述不同组合计算计算结果为3.338 g C·kg·a。

的全年土壤呼吸量进行差异显著性检验(t检验), 相互之间没有显著差异, 说明任意方程都可以用来进

–1

–1

行估计。

3.4 气候变暖对雪斑群落的影响

高寒地带的群落是植物适应特定气候条件形成的生态系统, 温度升高会带来一系列影响。首先, 雪斑群落的植物对极端温度的耐受能力有限, 特别是冬季的低温。由于积雪起到保温作用, 植物不至于受到极端低温的伤害。研究过程中曾经把少量大白花地榆移栽到雪斑以外地段, 经过冬天后没有一株成活。显然高山地带的植物也有不耐寒的种类, 只是逃避的方式比较特殊。

如果因温度升高使积雪过早融化甚至消失, 需要冬季冷凉恒定温度条件的植物就会受到威胁。类似的种类还有高山红景天、松毛翠和牛皮杜鹃等。所以, 雪斑是维持高山生物多样性的重要生境因子, 由于雪斑的存在使苔原群落分布形成独特的格局。雪斑面积缩小会直接影响高山植被景观的变

图5 雪斑土壤日平均温度与湿度的季节变化。

Fig. 5 Seasonal variation of daily temperature and moisture of snowpack soil.

表5 不同尺度时间步长拟合呼吸(μmol·kg–1)对温度的响应方程

Table 5 Temperature-dependent respiration equations with different time intervals

处理 Treatment

小时温度扰动土 Hourly disturbed 小时温度原状 Hourly intact 小时温度综合 Hourly both

日平均温度扰动土 Daily mean disturbed 日平均温度原状 Daily mean intact 日平均温度综合 Daily mean both 月平均温度扰动土 Monthly mean disturbed 月平均温度原状 Monthly mean intact 月平均温度综合 Monthly mean both

a b 备注

22.440 0.075 579 r = 0.88, n = 143, p < 0.000 1 18.284 0.080 378 r = 0.85, n = 116, p < 0.000 1 21.207 0.077 148 r = 0.87, n = 259, p < 0.000 1 22.458 0.076 188 * 18.301 0.081 066 * 20.273 0.078 627 * 22.539 0.077 120 * 18.370 0.082 102 * 20.348 0.079 611 *

*自变量日平均温度及月平均温度本身是根据每小时的响应方程估算的, 故相关系数(r > 0.99)无意义。 Daily or monthly values were estimated one, and correlation coefficients are meaningless.

doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.05.001

486 植物生态学报Chinese Journal of Plant Ecology 2010, 34 (5): 477–487

化。

雪斑有着独特的微生物群落, 而且群落组成的季节变化明显, 其中冬季积雪时, 以分解作用为主的类群占优势(Nemergut et al., 2005)。雪斑处不仅植物群落生长过程同周围地段不同, 微生物群落的养分循环过程也不同。所以, 积雪时间长短的变化必然影响微生物类群的变化。

本研究的土壤呼吸是模拟自然条件开展的实验, 研究采用的是60%的恒定含水量进行比较测定, 实际上, 土壤的湿度变化很大, 包括时间上和空间上的。含水率如果按照体积调整, 将会有不同的结果。实验室模拟实验的结果同野外实际情况的一致性需要通过原位测定进行验证。由于雪斑常年湿度大, 探索水分饱和条件下的呼吸, 可为揭示雪斑的碳循环功能提供科学解释。此外, 生产力测定过程中忽略了地下部分。本研究调查的生长量或生产力可能比实际要低, 因为在调查中发现, 大白花地榆在生长过程中最先出来的叶片在盛夏季节已经枯萎, 准确测定当年的生长量比较困难。

本研究模拟的是温度响应过程, 但是雪斑生境的特殊性不仅仅是热量因素, 比如雪斑的绝缘隔氧作用等, 所以模拟的土壤呼吸与实际情况会有差别。

野外雪斑下土壤(5 cm深处)处于0 ℃左右的时间很长, 而实际上近地表土壤是否有雪斑覆盖, 温度状况已经发生了变化, 室内模拟时也是如此, 这很可能就是为什么此时的土壤呼吸变异很大, 估算时可能带来一定误差, 因此有必要在野外条件下监测土壤呼吸和温度的关系。

致谢 国家自然科学基金(40671098)资助项目。吉林省长白山火山监测站在后勤方面给予大力协助; 刘迎春、马泽清、李鑫等参加部分野外及室内分析工作。 参考文献

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责任编辑: 于贵瑞 实习编辑: 黄祥忠

doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.05.001

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