三江平原典型湿地和农田土壤呼吸的动态变化

三江平原典型湿地和农田土壤呼吸的动态变化

湿地生态系统是一个自然综合体，在陆地和水生态系统之间有一个过渡性质。作为一门独立的学科，它的研究历史很短，因此一些基本理论尚不清楚。生态系统的研究离不开能量的概念，呼吸是所有能量转化的重要表现形式。呼吸、酶和代谢这三者是生命特征的基本表现形式.呼吸在生理学上的概念很广泛,根据Stepheson(1949年)的意见,主张把一切发生能量的反应都称之为呼吸.这些反应中需要氧的叫氧化或氧化呼吸.对于不需要氧的,叫做嫌氧性呼吸或发酵.土壤是一个活的生物体系,土壤呼吸的含义与植物生理学和微生物学上的含义是统一的.这一述语初始的含义为一定时间内单位面积放出CO2的量.以后有人把土壤呼吸概念的含义扩展为土壤与大气间气体交换量.也有人认为土壤中CO2和O2的变化(释放、吸收)为土壤呼吸.三江平原是由黑龙江、松花江、乌苏里江汇流冲积而形成的低平原,是我国主要的湿地分布区之一,同时也是我国重要的商品粮豆生产基地.沼泽湿地开垦后由于外部环境条件的变化,土壤呼吸发生了很大的改变.这对大气中CO2的浓度也产生了很大的影响.近年来大气中CO2浓度的增减是国际上很敏感的问题,在三江平原土壤呼吸是CO2最主要的来源之一.因此湿地土壤呼吸,不但是湿地生态系统中能量转化的一个重要指标,也是评价大气中CO2浓度增减和土壤生物活性的重要指标.所以,对它的动态研究是很有意义的.1学习方法1.1类型和植被类型观测样地选在三江平原的腹地别拉洪河和浓江河的分水线上的中国科学院三江平原沼泽湿地生态站.土壤类型为薄层泥炭沼泽土,草甸白浆土和开垦两年的潜育草甸沼泽土.植被类型为毛果苔草-漂筏苔草群丛(AssCarexlasiocarpa-carexpseudocuraica)、小叶樟(Calamagrostisangustifolia)和大豆(这几种植被群落在三江平原是很有代表性的).1.2集气室集气的测定在观测样地内,除去表层的植物,露出表土,扣上集气室.集气室为带有进气孔和出气孔的玻璃罩.用GXT-305型CO2测定仪,测定进出气口CO2的浓度,计算出CO2的通量.在植物的生长季节每月中下旬选择一个时间段观测8次,每3小时测定一次.每次测定时间为5min为了防止集气室内温度过高和CO2浓度过大,而影响土壤表面的生物活性,从而使土壤呼吸强度降低.我们每次测定时,扣上集气室,测定后将气室打开.这样可以使测定的结果更接近实际.1.3集气室内土壤温度的测定式中,Sr——土壤呼吸强度(CO2g/m2·h);A——集气室占土壤的表面积(m2);C1——进气口CO2的浓度(10-6);C2——出气口CO2的浓度(10-6);F——气体的流量(L/min);K——温度矫正后气体的重量(g/l).K=4400022.4×273273+tΚ=4400022.4×273273+t式中,t——集气室内5cm深的土壤温度;P——大气压订正值.P=P1P0Ρ=Ρ1Ρ0式中,P1——实测大气压值;P0——标准大气压值.在实地观测的过程中,实测大气压与标准大气压差异不大.以1来计算.2结果与讨论2.1不同湿地土壤的呼吸强度不同的土壤类型有着不同的物理化学性质,由表1可见,不同的湿地土壤生态系统,土壤的呼吸强度不同.在测定的三种湿地土壤中,以小叶樟草甸白浆土土壤呼吸量最大.毛果苔草泥炭沼泽土次之,新垦二年的草甸沼泽土最小.2.2新垦草罐沼泽土和3.小叶樟草甸白浆土、毛果苔草泥炭沼泽土土壤呼吸强度,在不同的季节,随着温度、水分和植物生理活动的不同有着明显的差异,湿地土壤呼吸强度,夏季明显高于春季,其变化幅度以小叶樟草甸白浆土最大,毛果苔草泥炭沼泽土次之,新垦草甸沼泽土最小.4月下旬毛果苔草萌发较早,所以,这时泥炭沼泽土土壤的呼吸强度最大为8.57g/(m2·d).这一时期新垦草甸沼泽土为裸地,土壤温度增加较快,所以土壤呼吸强度也较高.为5.50m2·d.而小叶樟草甸白浆土土壤呼吸强度较小为3.68g/(m2·d).到5月中旬随着温度增高,湿地土壤中的生物活性增强,这时小叶樟草甸白浆土的土壤呼吸强度急剧上升,为16.92g/(m2·d),而毛果苔草泥炭沼泽土的土壤呼吸强度为12.94g/(m2·d),新垦草甸沼泽土壤呼吸强度为6.58g/(m2·d).从5月中旬到8月中旬,上述三种不同的湿地土壤呼吸强度仍然在增加,但增加的幅度,以新垦草甸沼泽土最大,毛果苔草泥炭沼泽土次之,小叶樟草甸白浆土增加的幅度最小.这一现象与不同植物及微生物的生理活动有关.2.3不同的季节和湿地土壤呼吸强度的变化湿地土壤呼吸强度,有着明显的日变化,即在一昼夜内,不同的时间,土壤呼吸的强度不同,在相同的湿地土壤中,不同的季节,土壤呼吸强度的高低峰值出现的时间也不相同(表2).2.4土壤温度与呼吸强度的关系湿地土壤温度与土壤呼吸有着很密切的关系.因为土壤温度与土壤生物的活性是密切相关的.从实地测试的结果来看,在一定的范围内,湿地土壤呼吸强度与土壤温度是正相关的.即土壤温度升高,土壤呼吸强度也增高,土壤温度降低,土壤呼吸强度也减弱.从春季到夏季湿地土壤温度逐渐上升,土壤呼吸强度也逐渐加大.4月下旬到5月下旬,是土壤温度急剧上升阶段,而土壤呼吸强度也是急剧增加.2.5不同立地条件下的呼吸强度土壤水直接参与生物的生理过程,所以,土壤水的含量直接关系到土壤中生物的组成和生物的活性.同时,由于水的热容量大,对土壤温度的影响很大.所以,土壤水的含量过高或过低对土壤中的生物活动都不利.只有在适当的土壤含水条件下,土壤中的生物才能充分的发挥作用,在上述的三种土壤中,小叶樟草甸白浆土的表层土壤含水量比较适中,所以,它的土壤呼吸强度就较高(表1),而毛果苔草泥炭沼泽土的土壤终年饱和,土壤微生物活动以嫌氧呼吸为主,这样土壤呼吸强度比小叶樟草甸白浆土小.新垦草甸沼泽土由于土壤原结构被打乱,新的结构没有形成,所以,土壤呼吸的强度也受到影响.随着开垦年限的增加,土壤熟化程度不断提高,土壤呼吸强度也将逐渐增强.这也是新垦耕地的作物生产力往往要低于熟化耕地的原因之一.此外,土壤含水量大,在冬季到来时微生物在冰下仍活动,这时由于地表有冰,CO2释放不出来而存于冰中、冰下.到来年的春季随着冰的融化,CO2才得以释放.这也是4月～5月CO2量急剧增高的原因之一.2.6有机质含量结果湿地土壤呼吸与土壤中有机质的含量,氮的含量以及土壤的pH值,交换量等有很大的关系.湿地土壤中有机质、全氮的含量高,交换量大、pH适中,土壤的呼吸强度也就大(表3).毛果苔草泥炭沼泽土的有机质含量最高,为31.13%,其含水量也高;土壤水终年饱和,土壤微生物以嫌氧呼吸为主,土壤呼吸受到了限制.新垦的草甸沼泽土,由于原来的土壤层次被破坏,表层土被翻到底层,新的土壤结构表层有机质、全氮的含量降低,土壤生物的活动也受到了限制.所以,土壤呼吸作用也就低,CO2的释放量也就少.随着开垦年限的增加,土壤的熟化程度不断的提高,理化性质不断的改善,土壤的呼吸强度也将逐步地增加(表3).3湿地土壤呼吸的速率和土壤水分变化有关土壤呼吸的研究,从一定程度上来说较为丰富,主要集中在森林生态系统,其次是草原生态系统.而在沼泽湿地生态系统中的研究并不多.在三江平原从事这项工作还是首次.湿地土壤呼吸的强度同土壤的结构、温度、水分、有机质的含量等环境因子有着密切的关系.因为,土壤的呼吸作用是土壤中的微生物,动物及植物根系活动的综合结果.所以,所有影响土壤生物活动的因子均对土壤的呼吸作用产生影响.研究结果表明,每年经土壤呼吸作用返回大气的碳素约为55×1012kg左右.三江平原湿地生态系统,小叶樟草甸白浆土的土壤呼吸作用,每年可产生CO2约19.56×1012g左右.毛果苔草泥炭沼泽土由土壤呼吸作用每年产生的CO2约10.98