民勤荒漠--绿洲过渡带不同发育阶段白刺灌丛沙堆分布格局及其土壤呼吸特征机理研究

摘要

民勤荒漠-绿洲过渡带是我国干旱区具有独特自然地理特征的典型过渡地带，分布着大面积的白刺灌丛沙堆，对维护民勤绿洲生态环境，减少风沙危害，稳定绿洲环境起到了重要的生态作用。土壤呼吸是陆地生态系统碳循环中最大的通量之一，在区域环境变化与全球碳循环之间处于一个非常关键的过程。当前，民勤绿洲过渡带的白刺灌丛退化严重，灌丛植被分布与格局的改变势必会引起区域生态系统碳循环的改变，而其生境的脆弱性和对水分的敏感性使得当前对土壤碳释放机理的研究显得更为突出和紧迫。因此，量化白刺灌丛沙堆发育过程的分布格局，阐明不同发育阶段灌丛沙堆土壤呼吸特征及机理是全面了解荒漠一绿洲过渡带区域碳循环作用的重要而关键的一步。　　本研究基于野外调查观测，选择民勤绿洲荒漠过渡带雏形阶段、发育阶段、稳定阶段和活化阶段等4个不同发育阶段白刺灌丛沙堆典型样地，从白刺灌丛分布格局、植被特征等入手，通过对土壤呼吸不同时间尺度(日、月、年)的动态监测，研究灌丛沙堆发育过程的土壤呼吸时空异质性，探讨不同发育阶段灌丛沙堆土壤呼吸对水热条件的响应特征和差异性，通过数值模拟和反演评估灌丛沙堆土壤碳收支状况。本研究取得了以下主要研究结果和结论:　　(1)阐明了白刺灌丛沙堆发育过程中植被和沙堆形态特征间的相关关系，提取出了判定不同发育阶段灌丛沙堆的主要研究指标。白刺灌丛沙堆的整体生长状况和植被盖度均随发育的进行呈先升高后降低的态势，发育阶段植被生长状况最好，稳定阶段植被覆盖度最高，活化阶段生长状态最差，枯枝率最高。灌丛沙堆水平尺度大小与高度间的相关作用随发育阶段逐渐增强。采用指标型聚类分析方法提取出的沙堆体积(V)、植被覆盖度(C)、植被枯枝率(DR)和沙堆有无结皮(CT)等4个特征指标与白刺灌丛实地分布特征相符，累计解释率可达86％以上，可帮助进一步认识和判定灌丛沙堆所处的发育阶段。　　(2)明确了白刺灌丛沙堆在同发育阶段中的空间分布格局，揭示了维持其生态格局的机理机制。各发育阶段中白刺灌丛沙堆均未表现出明显的聚集现象，总体表现为在＜10m的小尺度上趋于均匀分布，在＞10m或＞30m的中大尺度上为随机分布;大小沙堆之间的关联性随着沙堆自身尺度的增加负向联系加强或是无关联，表明白刺灌丛群落组成和结构随发育过程的逐渐进行则越不稳定。　　(3)研究表明白刺灌丛在生长期(5～10月)上午8:00-11:00时段，在休眠期(11-次年4月)上午9:00-11:00时段土壤呼吸观测平均值可以很好的代表当日日均值，与24h日平均值的相对差异百分率在2.14％～8.09％之间，而在多日平均尺度上，差异相互抵消。白刺灌丛沙堆土壤呼吸速率具有明显的时空异质性:即在时间尺度上土壤呼吸速率日变化以“单峰曲线”为主，空间尺度上，灌丛沙堆不同部位的土壤呼吸速率差异性显著，并随着白刺灌丛生育期的不同沿沙堆主轴两侧来回的进行偏移。白刺灌丛的土壤呼吸变异性(CV)表现出与土壤呼吸速率相反的趋势:夏季变异性最低，冬季变异性最高，平均变异性在9.01％～25.63％之间;各发育阶段土壤呼吸CV差异明显(P＜O.01)。　　(4)阐明了白刺灌丛沙堆不同发育阶段土壤呼吸特征及其对生态因子的响应机理。各发育阶段土壤呼吸速率年度内变化呈单峰曲线，生长季7、8月份最高而冬季最低，年均值差异显著，大小分别为稳定阶段0.48μ·mol·m-2·s-1＞发育阶段0.43μmol·m-2·s-1＞活化阶段0.31μmol·m-2·s-1＞雏形阶段0.28μmol·m-2·s-1。白刺灌丛沙堆发育过程中表层0～20cm土壤水分对呼吸速率的贡献率均高于50％，且随着发育过程的推进两者间的相关性逐渐增强，其中活化阶段呼吸速率对水分的依赖性最强。　　(5)揭示了白刺灌丛沙堆植被生长状态、生物量与土壤呼吸间的关系。土壤呼吸与植被盖度、地上生物量、地表0～20cm根系生物量呈显著正相关作用(P＜0.01)，尤其浅层地下根系对土壤呼吸的贡献率可达47％。白刺灌丛平均土壤呼吸Q10值在1～3之间波动，其中稳定阶段最高为2.7，活化阶段最低为1.1，各发育阶段基础土壤呼吸在O.08～1之间波动。通过逐步回归模型建立的以植被盖度、土壤水分和温度三因子的最优回归方程，累计解释率可达88％以上，表明白刺灌丛沙堆土壤呼吸作用是自身植被生长状况和近地表层水分、温度共同作用的结果。　　(6)采用累加法估算了从单个灌丛沙堆到荒漠-绿洲过渡带生态系统的年度碳释放量，分别为:稳定阶段16.78Kg·C·ha-1，发育阶段14.49Kg·C·ha-1，活化阶段15.16Kg·C·ha-1，雏形阶段6.58Kg·C·ha-1。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2灌丛沙堆发育过程及其土壤呼吸特征的研究

1．2．1干旱区灌丛沙堆发育过程的研究

1．2．2干旱区植被土壤呼吸的研究

1．3灌丛沙堆的生态效益

1．3．3灌丛防风固沙功效，维护了沙地生态平衡与稳定

1．4科学问题的提出及研究意义

1．5主要研究内容和重点解决的问题

1．5．1不同发育阶段白刺灌丛沙堆分布格局

1．5．2不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤呼吸及其驱动因素研究

1．5．3灌丛沙堆土壤碳释放量的反演与碳源／汇效应

1．5．4重点解决问题

1．6技术路线

第二章研究区概况及研究方法

2．1研究区概况

2．1．1地理位置及研究区域示意图

2．1．2气候特征

2．1．3土壤理化性质

2．1．4植被分布情况

2．2研究方法

2．2．1白刺灌丛沙堆不同发育阶段划分依据及样地设置

2．2．2白剌灌丛沙堆植被特征和形态特征调查

2．2．3白刺灌丛沙堆空间点格局分析

2．2．5白刺灌丛沙堆土壤呼吸代表性时段观测

2．2．6白刺灌丛沙堆小尺度土壤呼吸空间异质性的研究

2．2．7白刺灌丛沙堆土壤呼吸不同时间尺度观测

2．2．8白刺灌丛沙堆土壤呼吸对水热因子的响应测定

2．2．9室内理化分析及数值拟合研究

2．2．10气象观测及相关资料获得

2．3数据处理和统计分析

2．4具体观测时段和研究内容列表

第三章不同发育阶段白刺灌丛植被和沙堆形态特征相关性分析

3．1引言

3．2结果与分析

3．2．1不同发育阶段白刺灌丛沙堆植被与形态特征

3．2．2白刺灌丛沙堆植被特征相关性及趋势变化

3．2．3白刺灌丛植被与沙堆形态间的相关性及拟合趋势

3．2．4指标型(R型)聚类分析

3．3小结

第四章不同发育阶段白刺灌丛沙堆空间分布格局

4．1引言

4．2结果与分析

4．2．1不同发育阶段白刺灌丛沙堆的空间分布

4．2．2不同发育阶段白刺灌丛沙堆频率分布

4．2．3不同发育阶段白刺灌丛沙堆的空间点格局

4．2．4不同发育阶段白刺灌丛沙堆间的空间关联性

4．3讨论

4．3．1植被形态特征与分布格局

4．3．2白刺灌丛沙堆的空间格局与生境的关系

4．4小结

第五章白刺灌丛沙堆土壤呼吸观测代表性时段研究

5．1引言

5．2计算方法

5．2．1简单时间序列移动平滑法

5．2．2相对差异值计算

5．3结果与分析

5．3．1白刺灌丛生长期土壤呼吸日变化特征

5．3．2白刺灌丛休眠期土壤呼吸日动态特征

5．3．3不同生长时期土壤呼吸各时段差异性比较

5．3．4不同生长季各时间段内土壤呼吸速率变异性分析

5．3．5土壤呼吸代表性时段与日均值差异性分析

5．3．6土壤呼吸代表性时段与日均值拟合特征

5．4讨论

5．4．1不同生长时期土壤呼吸日动态变化的差异性

5．4．2引起土壤呼吸测量误差的主要因素

5．4．3白刺灌丛不同生长期代表性时段的选择

第六章白刺灌丛沙堆土壤呼吸空间异质性研究

6．1引言

6．2结果与分析

6．2．1不同生长期灌丛沙堆各位点土壤呼吸日动态变化

6．2．2白刺灌丛沙堆不同位点空间异质性

6．2．3土壤呼吸空间异质性与土壤温湿度的关系

6．2．4灌丛沙堆土壤呼吸空间异质性与最优回归方程建立

6．3讨论

6．3．1引起土壤呼吸空间异质性的多种因子

6．3．2灌丛沙堆自身小尺度特征与土壤呼吸空间异质性的关系

6．4小结

第七章不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤呼吸特征及其对环境因子的响应

7．1引言

7．2基本情况与计算方法

7．2．1不同发育阶段白刺灌丛沙堆基本状况

7．2．2土壤呼吸温度敏感性指数(Q10)的计算

7．3研究结果

7．3．1不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤水分含量季节动态

7．3．2不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤温度季节动态变化

7．3．3不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤呼吸速率季节动态

7．3．4发育过程的灌丛沙堆土壤呼吸与水分、温度的互作效应

7．3．5不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤呼吸与生物因子的相关性

7．3．6白刺灌丛沙堆土壤呼吸与地上、地下生物量间的关系

7．3．7发育过程的白刺灌丛土壤呼吸温度敏感性指数(Q10)

7．3．8白刺灌丛土壤呼吸影响因子最优回归方程的建立

7．4讨论

7．4．1不同植被类型土壤呼吸日动态特征的差异性

7．4．2白刺灌丛沙堆发育过程的土壤呼吸与水热因子交互作用

7．4．3植被生长状态对土壤呼吸的影响作用

7．4．4白刺灌丛土壤呼吸温度敏感性的影响因素

7．5小结

第八章不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤呼吸变异性特征

8．1引言

8．2结果与分析

8．2．1不同季节土壤呼吸变异特征

8．2．2生长季和休眠季土壤呼吸的变异特征

8．2．3灌丛沙堆不同部位土壤呼吸变异特征

8．2．4不同时间尺度土壤呼吸速率变异性特征

8．3讨论

8．3．1土壤呼吸变异性与尺度间的关系

8．3．2土壤呼吸变异性与非生物因子的关系

8．3．3植物生长状态与土壤呼吸速率变异性

8．4小结

第九章不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤呼吸碳排放量计算

9．1引言

9．2结果与分析

9．2．1白刺灌丛沙堆土壤呼吸碳排放量的计算

9．2．2不同发育阶段白刺灌丛沙堆土壤呼吸速率动态变化

9．2．3不同发育阶段白刺灌丛沙堆碳排放量动态变化

9．2．4不同发育阶段白刺灌丛沙堆年度碳释放量

9．2．5不同发育阶段白刺灌丛荒漠生态系统碳释放

9．3讨论

9．4小结

第十章结论与展望

10．1主要结论

10．2研究展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢