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崇明东滩围垦区不同土地利用类型对土壤呼吸及其组分的影响

来源:用户上传      作者:何晶 仲启铖 张桂莲 王开运 吴悦琦 贺贵书 李德志 彭娜娜

  摘要:在崇明东滩围垦区,采用Licor-8100A土壤碳通量观测系统及分层去根法,连续测定5种土地利用类型(芦苇湿地、白茅湿地、幼龄林、中龄林和农田)的土壤呼吸、异养呼吸和自养呼吸,以及0~10cm表层土壤温度、体积含水率和电导率等环境因子,系统地比较了崇明东滩围垦区不同用地类型土壤呼吸及其组分的差异.结果表明:①幼龄林、中龄林和农田样地的土壤呼吸显著低于芦苇湿地和白茅湿地样地;②幼林龄、中林龄和农田样地的异养呼吸占比显著高于芦苇湿地和白茅湿地样地;③土壤呼吸及其组分与土壤温度呈显著的指数关系,但与土壤含水率和电导率的相关性较弱.与残存湿地相比,不同的农林利用方式显著降低了围垦区土壤呼吸,但大幅增加了异养呼吸,这可能说明土壤有机碳库在围垦20年后仍处于净损失状态.因此,需要采取有效措施进一步提升该区域土壤的碳固持能力.
  关键词:土壤呼吸;土壤呼吸组分;滨海湿地围垦;土地利用类型
  0引言
  滨海湿地在碳固持和存储方面发挥着重要作用.按面积计算,与大多数陆地森林相比,滨海湿地是更有效的碳汇[1].滨海湿地生态系统中的植被和土壤储存了大量的“蓝碳”[2].据估测,全球范围内,仅滨海盐沼0~50cm土层就存储了近430Tg碳[3].随着河口海岸地区城市化进程的不断加速和人口增长及经济发展对土地需求量的大幅增加,大量滨海湿地被人工围垦以作为新生土地资源.土地利用方式的转变会影响土壤的环境因子,进而影响土壤呼吸[4].土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节,是碳在陆地生态系统和大气生态系统之间进行转换的主要途径之一[5].通过土壤呼吸,土壤每年向大气排放的碳达到68~98Pg[6],因此,即便土壤呼吸速率变化微小,也会对碳循环造成较大的影响.目前有研究表明,当湿地转变成农田时,土壤呼吸会上升或下降[7-9],但滨海湿地围垦后转变成不同用地类型后,会对土壤呼吸产生怎样的具体影响,迄今研究很少.
  土壤呼吸(SoilRespiration,RS)指未扰动土壤中产生CO2的所有代谢活动,主要由根系的自养呼吸(AutotrophicRespiration,RA)以及土壤微生物和动物的异养呼吸(HeterotrophicRespiration,RH)组成[10].有研究表明,土地利用类型的改变会影响RS[11],并且RS对土地利用类型的转变的响应差异很大,这是因为,不同土地类型的RS的组分RH和RA对土壤生物因子和非生物因子变化的响应不同.RH主要受微生物活性、土壤有机质含量、温度、湿度和电导率等的影响,而RA主要受细根生物量、土壤温度、养分有效性、C分配和林龄等的影响[12-13].Hu等[13]研究表明,天然林转变成人工竹林后,主要是RH上升导致了RS上升.Frank等[8]研究表明,草地转变成农田后,主要是RA下降导致了RS下降.因此,将RS分为RA和RH进行定量化研究,有助于从机制上理解土地利用类型的转变对RS的影响[14].另一方面,并不能直接认为RS上升就意味着土壤碳库损失增加,因为RS上升可能是由于初级生产力增加而导致根系获得更多碳分配,从而导致根系呼吸增加,因此,分不同组分对RS进行测量,不仅有助于细致分析滨海湿地围垦区转变成不同土地利用类型后土壤呼吸的基本特征和规律,也可以为评估滨海湿地围垦区在不同利用方式下土壤的碳源或碳汇性质,提供确凿的实证依据[15].
  崇明东滩湿地地处长江口,是我国最大的河口冲积岛,盐沼湿地发育典型.长期以来,因人工围垦形成了大面积的滨海围垦湿地,而且这些围垦湿地被陆续转变成了不同的用地类型.为系统研究崇明东滩围垦区不同用地类型土壤呼吸及其组分,本文通过箱式法(LI-8100A)连续监测了芦苇湿地、白茅湿地、幼龄林、中龄林和农田这5种不同土地利用类型的土壤呼吸速率及其组分,探讨了土地利用类型的不同对土壤呼吸、自养呼吸和异养呼吸的影响,及其与土壤温度、含水率和电导率之间的关系,分析了不同用地类型对该区土壤碳循环的影响,以期为滨海湿地围垦区低碳土地利用管理提供理论依据和技术参考.
  1材料与方法
  1.1 研究区概况
  研究区位于上海市崇明岛东滩湿地(31°38′N,121°58′E)(图1),是长江口规模最大、发育最完善的河口型湿地.该地区属于北亚热带海洋性季风气候,年平均气温为15.3℃,年平均降水量为1004mm.该地区土壤类型为滨海盐碱型砂壤土,以河口沉积物为母质.土壤盐度(psu)为0.1~5.0,pH值为8.2~9.2,土壤碳和养分含量相对较低[16].
  该研究区域从1998年起,经历了大规模的湿地排水和农林利用.截至2018年年底,该地包含残存湿地斑块和多种农林利用类型.本研究选取5种土地利用型,包括地下水位较高、以芦苇(Phragmitesaustralis)为优势种群的草本沼泽湿地(Phragmitesaustraliswetland,PW);地下水位较低、以白茅(Imperatacylindrica)为优势种的草本沼泽湿地(Imperatacylindricawetland,IW);树木栽种时间为5年的幼龄人工林(YoungForest,YF)[17],其乔木层为无患子(Sapindussaponaria)、朴树(Celtissinensis)林下种植花菜;树木栽种时间为15年的中龄人工林(Middle-ageForest,MF)[17],其乔木层为杉木(Cunninghamialanceolate)、朴树(Celtissinensis),下层灌木为夹竹桃(Neriumindicum)和伞房决明(Sennacorymbosa),以及轮作玉米-花菜的农田(Cropland,CP).
  1.2 样地设置
  2018年6月,在芦苇湿地、白茅湿地、幼龄林、中龄林和农田5种土地类型中,各选定20m×20m样地,在每种样地内,选择3块植被均匀、地形完整的小样地.在每个小样地内,按“s”形选定具有代表性的6个样点,其中有3个无去根样点和3个去根样点.去根样点和无去根样点相邻,样点之间的距离不小于5m.各土地类型上共选择18个样点.

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