CN106124730A - 一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，位点的选择包括如下步骤：(1)稳定阶段灌丛沙堆的选择：在荒漠边缘地带灌丛沙堆聚集分布区域，设置50m×50m的样地，在样地内选择沙堆形态完整、发育状态较为稳定的灌丛沙堆；(2)沙堆上适宜位点的确定：沿主风方向依次确定迎风坡底部、沙堆顶部及背风坡底部；用钢卷尺测定沙堆顶部到迎风坡底部的距离，再用钢卷尺确定适宜位点。本发明操作简单，在野外可快速定位，在沙堆上选择准确位点，设置土壤环对灌丛沙堆进行土壤呼吸平均速率的观测；减少了在沙堆上重复设置土壤环数量和野外工作量，对表层土壤和植被的破坏少、干扰小，在此位点上可对灌丛沙堆连续动态观测，满足科研要求。

Description

一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法

技术领域

本发明涉及一种在荒漠灌丛沙堆上如何确定适宜的位点进行土壤呼吸平均速率和动态特征观测的方法，通过该方法确定的位点可消除沙堆自身空间差异性引起的土壤呼吸空间异质性，代表整个灌丛沙堆进行土壤呼吸的观测，适宜于对发育状况良好、植被生长正常、处于稳定阶段的各类灌丛沙堆土壤呼吸速率、动态特征等进行准确的观测，并能实现野外长期、连续监测的要求，属于生态技术领域。

背景技术

21世纪人类正面临着全球环境及可持续发展的巨大挑战。全球气候变暖、荒漠化面积进一步扩大等生态问题严重威胁着人类生存和社会经济的发展，大气中CO₂作为主要的温室气体而备受关注。土壤呼吸速率相对微小的变化都会显著改变大气中CO₂的浓度和土壤碳的累积速率，从而引起全球气候的剧烈变化。因此研究不同陆地生态系统土壤呼吸通量变化及特征是准确评估全球碳源/汇的时空分布并遏止温室气体浓度的持续升高的核心任务和热点问题。

灌丛沙堆是我国干旱、半干旱地区特有的一种生物风积地貌类型，尤其在荒漠过渡带、绿洲边缘地带分布广泛。这些灌丛沙堆有白刺灌丛、泡泡刺灌丛、柽柳灌丛、锦鸡儿灌丛等等不同植被类型的灌丛，尤其在荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆更为典型。这些灌丛沙堆在防风固沙、生物多样性保护及维持该区域生态平衡、减少土壤碳释放等方面起着十分重要的作用。灌丛沙堆的外部形态特征从力学角度讲是一种动力平衡的状态，是在特定发育阶段过程中植物、风力和沙源三种因素相互作用共同形成的，因此，灌丛沙堆的形成和演化过程是由植被盖度、风力强度和沙源供应量三者相互作用又相互影响而决定的。植物在沙堆发育过程中起着十分重要的作用，灌丛沙堆起源于植物对近地面风沙流运动的干扰，在形成与发展过程中与植物的密度、枝条分布、高度、盖度以及风速和输沙率大小密切相关，是因为沙堆上生长的植物及植株密度可以改变沙堆表面的粗糙度，进而影响周围流场的分布。无论沙堆基本形态如何变化，沙堆与植物和沙物质沉积之间存在着相互联系又相互作用的反馈效应：即一方面植物生长越好，越能阻滞气流，沙质沉积就会越多，这样促使和刺激沙生植物根系和植株的生长，并逐渐的形成肥岛效应；另一方面，长势良好的灌丛植物又增强了沙堆表面的粗糙度，进一步使得表层沙物质沉积在灌丛周边，使灌丛沙堆逐步的增大，引起外部形态的变化，逐渐的改变沙堆上的水分分布、土壤质地等特征。如荒漠区的柽柳沙堆、白刺灌丛沙堆都是沙物质围绕植株沉积形成的典型灌丛沙丘。这些灌丛沙堆大的沙轴可达到20余米，小的沙堆沙轴也在5米左右，地貌形态基本呈半椭球体或近半球体，植被生长旺盛，沙堆发育状况已经达到稳定阶段。

灌丛沙堆具有良好的防风、固沙、固碳等生态效益已得到广泛的共识。对灌丛沙堆土壤呼吸的研究已有相关的研究报道，主要是通过土壤呼吸速率的观测计算土壤碳释放量，进而为区域土壤碳源/汇功能的评估提供科学依据。这些灌丛沙堆由于独特的外部地貌特征，引起沙堆土壤水分、质地、土壤粒度、土壤有机质含量等具有较为明显的空间异质性，土壤“沃岛”效应也逐渐的凸显，由此也引起了灌丛沙堆土壤呼吸碳释放具有空间差异性，再加上当前在灌丛沙堆上设置观测位点和观测方法不尽相同，没有较为准确而又具体的观测沙堆代表性位点的方法，因此，在野外实际工作和观测过程中就存在观测位点不确定，观测位置不准确，随意性很大的问题，这样势必就会造成观测数据的不准确。如：有些研究者研究沙区人工植被土壤呼吸时只在沙丘迎风坡设置一个观测点，有些研究者又在沙堆迎风坡、背风坡和丘间地设置多个观测位点，还有研究者只选择灌丛植物内部和灌丛外部进行观测，或是只在沙堆顶部设置观测位点，等等，这些研究均忽略了灌丛沙堆自身空间异质性对土壤呼吸的影响这一因素，只是主观的确定观测位点，观测位置不准确，随意性很大。位点过少可能会造成数据的缺失和不准，而位点过多又会增加工作量，降低观测效率等等。如果选择观测位点不准确，最终将会对土壤碳释放值的计算存在偏差，进而也就影响了对区域环境的碳源汇功能的准确评价。如何准确的在沙堆上选择位点，用一个位点来代表整个灌丛沙堆进行土壤呼吸的测定，既能减少工作量又能提高观测精度和准确性将是今后指导灌丛沙堆土壤呼吸观测研究的重要方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，通过这种方法在野外可以快速、准确的在灌丛沙堆上确定位点，设置观测土壤环，仅用此一个位点代表整个这个沙堆来测定土壤呼吸通量值，具有方法简便、观测数据准确度高，省时省力的特点。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，位点的选择包括如下步骤：

(1)稳定阶段灌丛沙堆的选择：在荒漠边缘地带灌丛沙堆聚集分布区域，设置50m×50m的样地，在样地中选择沙堆发育状况良好，表层没有吹蚀破损，灌丛植被生长旺盛的沙堆，此沙堆为发育状态较为稳定的灌丛沙堆，达到了蚀积平衡状态；

(2)沙堆上适宜位点的确定：首先，选择上述步骤(1)中的沙堆，沿主风方向依次确定迎风坡底部、沙堆顶部及背风坡底部；其次，用钢卷尺测定沙堆顶部到迎风坡底部的距离，先确定迎风坡的中点位置，之后再用钢卷尺确定顶点与中点距离的中心位置，此位点即为代表这个灌丛沙堆整体平均土壤呼吸速率的位点。

作为本发明的一种优选技术方案，土壤呼吸环的设置与观测包括如下步骤：在上述步骤(2)中确定的位点上垂直插入土壤呼吸观测用的土环，该土环为PVC管材质，管长度为12-18cm，管外径10cm，将土环内的枯枝落叶全部清除，地上枝条全部剪除，清除土环内的枯枝落叶，齐地面剪除地上枝条，表层土壤用手轻轻抚平使土环上边缘距表层土壤距离为2cm，静置24小时之后可采用土壤呼吸仪测定土壤呼吸速率。

作为本发明的一种优选技术方案，所述沙堆迎风坡和背风坡的长度基本相等，地貌特征呈半椭球体或近半球体，植被盖度为30％-80％，其中迎风坡植被盖度大于背风坡植被盖度。

本发明公开的一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，具有以下有益效果：

1.操作简单，在野外可快速定位，在沙堆上选择准确位点，设置土壤环对灌丛沙堆进行土壤呼吸速率的观测；

2.设置一个位点即可代表整个灌丛沙堆的平均土壤呼吸速率，从而避免了灌丛沙堆自身空间差异对土壤呼吸速率产生的异质性，所得数值准确性高，代表性强；

3.减少了在灌丛沙堆上重复设置土壤环的数量和野外工作量，对表层土壤和植被的破坏少、干扰小，在此位点上可对灌丛沙堆连续动态观测，满足科研要求。

附图说明

图1为白刺灌丛沙堆不同位点土壤呼吸速率拟合曲线；

图2为白刺灌丛沙堆沿主风向各位点土壤呼吸速率拟合曲线；

图3为处于生长时期的白刺灌丛沙堆土壤呼吸日动态变化；

图4为处于休眠期的白刺灌丛沙堆土壤呼吸日动态变化；

图5为发育稳定阶段白刺灌丛沙堆示意图；

图6为白刺灌丛沙堆迎风坡中点位置的测定示意图；

图7为白刺灌丛沙堆平均土壤呼吸观测最适位点的确定示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1-图7所示，一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，位点的选择包括如下步骤：

(1)稳定阶段灌丛沙堆的选择：在荒漠边缘地带灌丛沙堆聚集分布区域，设置50m×50m的样地，在样地中选择沙堆发育状况良好，表层没有吹蚀破损，地貌形态特征呈半椭圆形或近半球体，灌丛植被生长旺盛的沙堆，此沙堆为发育状态较为稳定的灌丛沙堆，达到了蚀积平衡状态；

(2)沙堆上适宜位点的确定：首先，选择上述步骤(1)中的沙堆，沿主风方向依次确定迎风坡底部、沙堆顶部及背风坡底部；其次，用钢卷尺测定沙堆顶部到迎风坡底部的距离，先确定迎风坡的中点位置，之后再用钢卷尺确定顶点与中点距离的中心位置，此位点即为代表这个灌丛沙堆整体平均土壤呼吸速率的位点。

其中，土壤呼吸环的设置与观测包括如下步骤：在上述步骤(2)中确定的位点上垂直插入土壤呼吸观测用的土环，该土环为PVC管材质，管长度为12-18cm，管外径10cm，将土环内的枯枝落叶全部清除，地上枝条全部剪除，清除土环内的枯枝落叶，齐地面剪除地上枝条，表层土壤用手轻轻抚平使土环上边缘距表层土壤距离为2cm，静置24小时之后可采用土壤呼吸仪测定土壤呼吸速率。

其中，所述沙堆迎风坡和背风坡的长度基本相等，地貌特征呈半椭球体或近半球体，植被盖度为30％-80％，其中迎风坡植被盖度大于背风坡植被盖度。

本发明在野外观测研究和推导验证过程如下:

(1)灌丛沙堆基本形态特征的观测调查

在甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站附近的绿洲荒漠过渡带进行野外观测，此区域分布有不同发育阶段的白刺沙堆。选择生长发育良好呈聚集分布的白刺灌丛沙堆分布区，在此区域设置样地后，选择发育稳定的灌丛沙堆进行基本形态特征的测定，见表1。灌丛沙堆基本处于发育稳定阶段，外部地貌形态特征已经固定，基本呈半椭球体或是近半球体特征，灌丛植被生长正常。

表1稳定阶段白刺灌丛沙堆基本形态特征

(2)灌丛沙堆最适位点的确定

在样地中选择一个典型的白刺灌丛沙堆，其迎风坡长度和背风坡长度基本相等，在5m-7m之间，迎风坡的平均盖度为62％>背风坡平均盖度40％。在沙堆不同部位设置不同的位点以计算平均土壤呼吸速率出现的位点。各个部位分别是：沿主风方向依次设置，分别为迎风坡下部(位点-1)、中部(位点-2)、顶部(位点-3)，背风坡中部(位点-4)，下部(位点-5)，沙堆正侧面中部(位点-6)、背侧面中部(位点-7)，共7个位点设置观测点，用Li-8100土壤呼吸仪测定各个位点的土壤呼吸日动态变化，测定时间为7:00-20:00，时间间隔为2个小时，每个位点3次重复。

各个位点土壤呼吸速率日动态变化各位点的日平均值见表2。通过方差分析，各位点相互之间均差异显著(P<0.05)，表明沙堆上不同部位的土壤呼吸速率均有差异，如果随意在灌丛沙堆上布设位点，则会造成数据的不准确。因此，消除掉灌丛沙堆自身空间特征引起的土壤呼吸空间差异性，找到一个具有代表性的位点对准确计算灌丛沙堆土壤呼吸通量值是非常重要的。

表2灌丛沙堆各个位点土壤呼吸速率平均值(单位：u mol/(m²·s))

注：表中标有相同字母的均数间差异不显著

对各个位点的土壤呼吸速率进行数值拟合，如说明书附图所示：图1表示沙堆上七个位点拟合曲线的变化，图2表示的是沿主风方向迎风坡和背风坡上各个位点所拟合的曲线。通过各点的平均土壤呼吸速率与位点距离之间的数值拟合，可知沿主风方向上迎风坡到顶部再到背风坡各位点土壤呼吸速率呈指数形式分布，其中R²＝0.875接近1，表明方程拟合程度好，可信度较高。图2中所示水平虚线表示的是整个灌丛沙堆的土壤呼吸平均速率值，可推知灌丛沙堆土壤呼吸平均速率值出现的位置在位点2、3的中点位置附近。

(3)根据推定的位点，对实测值进行验证

在位点2和3之间的中点位置设置土壤呼吸环，编号为8，对此位点和其余的7个位点进行土壤呼吸速率的日动态进行观测，每隔2个小时观测一次。各位点在不同时间段的土壤呼吸平均值见下表3：

表3沙堆各位点和代表性位点各时间段均值变化特征(单位：umol/(m²·s))

从表中可看出，灌丛沙堆位点1到7的土壤呼吸值在不同时间段内均不同，位点-8是代表性位点。表中各时间段均值表示的是位点1到位点7在这个时间段内的土壤呼吸平均值，而代表性位点-8则表示设置的最适位点8在相应时间段内的土壤呼吸平均值。从数值上看，各个时间段内的土壤呼吸均值相差并不大，其日动态变化趋势相似。运用方差分析表明沙堆土壤呼吸日平均值和代表性位点-8的土壤呼吸日平均值无显著差异(P>0.05)，表明该位点-8所测得的数值可以代表灌丛沙堆的日平均土壤呼吸速率；同时该位点的日动态变化趋势也符合沙堆土壤呼吸的日动态变化趋势。由此可知，该位点可以代表灌丛沙堆土壤呼吸观测值，其日动态变化也可代表灌丛沙堆土壤呼吸日动态变化特征。

实施例1：灌丛沙堆植物生长时期的土壤呼吸速率测定

在2014年植物生长时期的5-6月间，在天气晴朗之日，选择巴丹吉林沙漠南缘绿洲交错地带，先确定白刺灌丛样地后，选择一个典型的灌丛沙堆，测定基本的形态指标为：沙堆长轴9.7m，短轴8.9m，包高2.6m，迎风坡长度6.2m，背风坡长度5.7m，植被盖度迎风坡63％，背风坡38％；沿主风方向依次确定迎风坡底部、顶部和背风坡底部。用钢尺测定沙堆迎风坡长度后，确定中点在3.1m处，之后再次确定顶点到中点的中心位置，在距离顶点的1.55m处，在此处设置土壤呼吸环，代表整个白刺灌丛沙堆的平均土壤呼吸速率测定值的位点，测定7:00-20:00的土壤呼吸速率日动态变化。此位点各个时间段日动态变化见图3，从图3中看出，土壤呼吸日动态呈单峰曲线变化，上午10:00-12:00之间为土壤呼吸速率峰值出现的时间段，之后土壤呼吸速率缓慢下降。通过计算日平均土壤呼吸速率为0.23umol/(m²·s)。

实施列2：灌丛沙堆在植物生长休眠时期的土壤呼吸速率测定

2014年11月初，气温逐渐降低，已经进入冬季，植物生长基本停滞，进入生长休眠期。此时，采用本发明的方法对灌丛沙堆土壤呼吸速率继续进行观测研究。日动态变化见图4，结果表明：在生长休眠期灌丛沙堆土壤呼吸速率日动态变化呈单峰曲线。早晨8:00左右是当日土壤呼吸速率最低的时段，之后随着气温逐渐的升高，土壤呼吸速率逐渐升高，相比生长期峰值出现的时间，生长休眠期的峰值出现时间向后延迟，在13:00-15:00时间段内出现，因为此时是气温最高的时间，所以土壤呼吸速率值达到了最高，之后土壤呼吸逐渐降低。整体土壤呼吸速率较低，在0.07-0.21umol/(m²·s)之间波动，日平均土壤呼吸速率为0.13umol/(m²·s)。因此，本发明的这种方法可以快速的定位后对灌丛沙堆进行土壤呼吸测定，测定数据准确性高，代表性强，通过对处于不同生长期的灌丛沙堆土壤呼吸速率的测定也说明了该方法也可以用于野外条件下长期对灌丛沙堆进行土壤呼吸动态的测定。

以上所述为本发明在野外的观测实施例，通过运用本发明方法很好的对灌丛沙堆土壤呼吸变化特征进行了研究。对于本领域的技术人员来说，本发明在实际应用过程中根据野外条件可以有各种更改和变化，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，其特征在于位点的选择包括如下步骤：

(1)稳定阶段灌丛沙堆的选择：在荒漠边缘地带灌丛沙堆聚集分布区域，设置50m×50m的样地，在样地中选择沙堆发育状况良好，表层没有吹蚀破损，灌丛植被生长旺盛的沙堆，此沙堆为发育状态较为稳定的灌丛沙堆，达到了蚀积平衡状态；

(2)沙堆上适宜位点的确定：首先，选择上述步骤(1)中的沙堆，沿主风方向依次确定迎风坡底部、沙堆顶部及背风坡底部；其次，用钢卷尺测定沙堆顶部到迎风坡底部的距离，先确定迎风坡的中点位置，之后再用钢卷尺确定顶点与中点距离的中心位置，此位点即为代表这个灌丛沙堆整体平均土壤呼吸速率的位点。

2.根据权利要求1所述的一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，其特征在于土壤呼吸环的设置与观测包括如下步骤：在上述步骤(2)中确定的位点上垂直插入土壤呼吸观测用的土环，清除土环内的枯枝落叶，齐地面剪除地上枝条，表层土壤用手轻轻抚平使土环上边缘距表层土壤距离为2cm，静置24小时之后可采用土壤呼吸仪测定土壤呼吸速率。

3.根据权利要求1所述的一种对荒漠灌丛沙堆土壤呼吸平均速率的观测方法，其特征在于，所述沙堆迎风坡和背风坡的长度基本相等，地貌特征呈半椭球体或近半球体，植被盖度为30％-80％，其中迎风坡植被盖度大于背风坡植被盖度。