CN108333325A - 一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法，其包括如下步骤：选择植被生长旺盛，表层没有吹蚀破损，发育良好的白刺灌丛；确定主风方向，在白刺灌丛沙堆迎风坡中上部设定土壤呼吸环，静置12小时后，采用土壤呼吸观测仪器在第二日的上午9:00‑11:00这个时间段内进行土壤呼吸速率的观测；该时间段内观测的土壤呼吸速率值即为白刺灌丛土壤呼吸速率日平均观测值。本发明提供的一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法，简单实用，且效率高，可以对白刺灌丛进行快速、准确的土壤呼吸日间平均速率的观测，此时间段的确定适宜于在野外对白刺灌丛进行长期、连续的观测。
Description
技术领域
本发明涉及一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法，属于生态技术领域。
背景技术
荒漠面积占陆地面积的33％，是陆地生态系统的重要组成之一，荒漠植物对维系荒漠生态系统的稳定具有重要的生态学意义，在固碳方面起着不可替代的作用。白刺是干旱区荒漠植物的典型代表，主要以灌丛沙堆的形式广泛的分布在我国西北干旱区，尤其在干旱、半干旱区荒漠过渡带、绿洲边缘地带极易出现，同时在湖盆低地，河流阶地的微盐渍化沙地和堆积风积沙的龟裂土地上也常见分布，是一种特有的生物地貌类型。白刺的适应性极强，耐旱、喜盐碱、抗寒、抗风、耐高温、耐瘠薄，在一些风沙灾害频发的区域，也被大量的人工栽植用于防风固沙，具有很好的固沙和防风生态效益。
白刺植物根系非常发达，特别耐沙埋，它的茎被风沙土埋覆后能萌生出大量的不定根，形成新的植株。在绿洲边缘广泛分布着大面积的白刺灌丛群落，是绿洲边缘较为稳定的荒漠景观类型，也是绿洲过渡带的顶级群落，分布面积大、生态防护功能强。对陆地生态系统不同植被类型的土壤呼吸特征变化的研究随着近年来全球气候变暖的趋势而日益受到重视，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及调控机制、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已经成为当前碳循环和全球气候变化研究中的核心任务和热点问题。因此，近年来对白刺植物的土壤呼吸的速率和特征变化研究也逐渐的展开。
在民勤绿洲周边分布着大面积的白刺灌丛沙堆，据2010年统计调查表明，在民勤县域内荒漠、荒草地约占总面积的35％左右，而以白刺灌丛为建群种的荒漠植被面积占其中的17％。虽然这部分面积比例小，但是所起到的防风固沙、固碳的功能却相当巨大。不同的植被生态系统日平均土壤呼吸速率出现的时间不尽相同：当前，对森林和草地的土壤呼吸速率研究较多。对森林生态系统土壤呼吸日平均时间段的研究发现，有些森林土壤呼吸平均时间段出现在上午，但是有些出现在下午时分，所以不同植被土壤呼吸日平均速率出现的时间段因植被或是土壤质地不同而不同。当前，对白刺土壤呼吸速率的研究主要是对日动态特征及相关影响因素的研究，这些研究均是短期内的研究，还没有对白刺土壤呼吸速率日平均值时间段确定的方法。如果将土壤呼吸速率日平均值出现的时间段确定下来，就可以在这个时间段内进行观测获得日均值，这样既减轻了野外工作的实际工作量，又可以为白刺灌丛进行长期的定位观测研究提供依据。在这个时间段内可以长期的对白刺灌丛土壤呼吸与相关生态因子的变化规律进行深入的研究，也可以对日均值进行长期测定之后计算土壤呼吸在某个时期内释放量，这样计算准确度也比较高。因此，研究白刺灌丛沙堆土壤呼吸日平均速率出现的时间段对深入研究土壤呼吸特征、进行野外长期定位研究、荒漠植被的碳源汇功能的评价和准确计算碳汇功能具有重要的现实意义。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法，通过平均时间段的确定可以对白刺灌丛进行快速、准确的土壤呼吸日平均速率值的观测，同时也可进行长期的定位观测研究，通过该方法确定的日平均土壤呼吸速率出现的时间段变异性小，数值稳定性高，在该时间段内观测的土壤呼吸速率值能够代表白刺灌丛土壤呼吸日平均速率，此时间段的确定适宜于在野外对白刺灌丛进行长期、连续的观测。
具体技术内容为：
一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法，其特征在于，日平均速率观测时间段的确定包括如下步骤：
(1)选择晴朗无风的典型天气条件，在荒漠边缘地带白刺灌丛聚集分布区域，选择植被生长旺盛，表层没有吹蚀破损，发育良好的白刺灌丛；
(2)确定主风方向后，在白刺灌丛沙堆迎风坡中上部设定土壤呼吸环，静置至少12小时以上；
(3)于第二日的上午9:00-11:00这个时间段内采用土壤呼吸观测仪器进行土壤呼吸速率的观测；此时间段内测定的呼吸速率值即为当天的土壤呼吸速率日平均值；
(4)时间段9:00-11:00之间为白刺灌丛土壤呼吸速率日平均值观测时间段，该时间段内测定的土壤呼吸速率观测值变异率低，波动小，此观测值可代表当日该白刺灌丛的土壤呼吸速率日平均值。
所述步骤(2)中的土壤呼吸环为垂直插入白刺灌丛的土壤呼吸观测用的土环，为PVC管材质，管长度为12-18cm，管外径10cm，清除土环内的枯枝落叶，齐地面将环内植被全部剪除，用手将表层土壤轻轻抚平使之与地面水平，使土环上边缘距表层土壤距离为2cm,并且土壤呼吸观测仪器放置在土环上并形成密闭的空间。
在所述步骤(3)中每次观测土壤呼吸速率持续时间时长至少90秒以上，且观测的土壤呼吸速率值为至少观测3次重复以上，然后求其平均值。
白刺灌丛在不同的生长时期土壤呼吸速率变化均不相同，因此，研究不同时期白刺灌丛的土壤呼吸日动态特征对确定平均速率出现的时间段具有重要的意义，针对白刺灌丛在不同生长时期的土壤呼吸速率进行了野外观测和调查，并对日平均速率出现的时间段进行了推导。过程如下：
1.不同生长时期土壤呼吸速率日动态变化：
1.1白刺生长发育初期的土壤呼吸速率日动态变化：5、6月份正值每年的春季，在此时间段内白刺沙堆土壤解冻，温度升高，植被开始复苏生长，白刺处于一年当中的生长发育初期。对此时的白刺灌丛于2014年选择典型天气条件进行土壤呼吸速率日动态测定(图1)，然后计算整个生长初期平均土壤呼吸速率日动态变化(图2)。
1.2白刺生长旺盛时期的土壤呼吸速率日动态变化特征：7、8、9月份是一年当中的水热同期，也是白刺生长最为旺盛的时期，这段时间植被生长旺盛，植物根系、微生物等活跃，在2014年每月中下旬，选择良好的天气，继续对白刺进行各月份日动态的观测(图3)，然后计算整个生长旺盛期的土壤呼吸日平均值的变化并绘制其动态特征(图4)。
1.3白刺生长休眠期的土壤呼吸速率日动态变化特征：10月份开始气温降低，地温也逐渐下降，白刺生长逐渐停止，进入到休眠期。对10月、11月、次年1月份的白刺土壤呼吸日动态变化进行观测(图5)，然后计算整个生长休眠期的土壤呼吸日平均值的变化并绘制其动态特征(图6)。
2.不同生长季节各时间段土壤呼吸速率变异性分析
变异系数是衡量观测值变异程度的一个统计量，它表示数据离散程度的大小，也可反映出观测数据的稳定性和变化程度。通过计算各个生长季节内昼间日动态在不同时间段的土壤呼吸速率变异系数，可以反映出在一天白昼当中不同的时间段内其土壤呼吸速率的变异程度和稳定性。各个生长季节土壤呼吸速率日动态变化的变异系数均呈现出不同的变化。由图7可知，不论何时间日平均土壤呼吸速率均在上午9:00-11:00出现，且此时间段内变异系数又是一天当中变化最低的时间段，因此选择该时间段为白刺灌丛土壤呼吸速率日平均值观测时间段。
3.土壤呼吸代表性时段与日平均值的差异性分析
将白刺灌丛沙堆代表性时段9:00-11:00观测的数值作为实测值，对当日所观测沙堆的日动态数据进行平均值计算作为日均值，对这两组数据进行相关性分析表明：在上午9:00-11:00时间段所测得实测值与日均值相关性显著(P<0.001),相关系数为0.9618。如图8所示：实测值与日均值线性拟合曲线为Y(实测)＝0.9461X(日均)+0.0088，拟合曲线基本位于y＝x线上，拟合效果较好 (R2＝0.925)。对两组数据采用双样本T检验方法进行差异性分析(t＝0.918， P＝0.1833>0.05)，两组数据差异性不显著，表明9:00-11:00时间段所观测的数值与日动态计算的日均值一致，可以用来代表当日的土壤呼吸均值。
通过上述推论可知，在上午9:00-11:00时间段内进行土壤呼吸速率的观测，所得实际观测数据可代表当日的日平均土壤呼吸速率值，由此可确定在此时间段内获得的观测值代表当日该白刺灌丛在白天的土壤呼吸速率日平均值。
由于采取了上述技术方案，与现有技术相比，通过此方法来研究白刺灌丛在较长时间段的土壤呼吸速率变化、土壤呼吸累积通量值变化，具有以下优点：
a.观测时间段明确，在此时间段内观测均可代表白刺灌丛昼间的土壤呼吸平均速率值，避免了通过测定日动态特征来计算平均值的繁琐的方法，此方法简单灵活；
b.观测数据变异性小、准确度高，减少了野外的工作量，省时省力，并可采用此时间段对白刺进行长期的碳通量值的监测和碳源汇的评估，满足科研需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的白刺灌丛5、6月份土壤呼吸速率日动态变化图。
图2为本发明的白刺灌丛生长初期土壤呼吸平均速率动态变化图。
图3为本发明的白刺灌丛7、8、9月份土壤呼吸速率日动态变化图。
图4为本发明的白刺灌丛生长旺盛期土壤呼吸平均速率动态变化图。
图5为本发明的白刺灌丛10、11、次年1月份土壤呼吸速率日动态变化图。
图6为本发明的白刺灌丛生长休眠期土壤呼吸平均速率动态变化图。
图7为本发明的不同生长时期白刺灌丛土壤呼吸变异性日动态变化图。
图8为本发明的白刺灌丛代表时段观察值与日均值拟合特征曲线图。
图9为本发明的白刺灌丛土壤呼吸速率对天然降雨的响应变化图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法，其观测时间段的确定包括如下步骤：
(1)选择晴朗无风的典型天气条件，在荒漠边缘地带白刺灌丛聚集分布区域，选择植被生长旺盛，表层没有吹蚀破损，发育良好的白刺灌丛；
(2)确定主风方向后，在白刺灌丛沙堆迎风坡中上部设定土壤呼吸环，静置至少12小时以上；
(3)然后于第二日的上午9:00-11:00这个时间段内采用土壤呼吸观测仪器进行土壤呼吸速率的观测；此时间段内测定的呼吸速率值变异率低，波动小，此观测值可代表当日该白刺灌丛的土壤呼吸速率日平均值，即为当天的土壤呼吸速率昼间平均值；
所述步骤(2)中的土壤呼吸环为垂直插入白刺灌丛的土壤呼吸观测用的土环，为PVC管材质，管长度为12-18cm，管外径10cm，清除土环内的枯枝落叶，齐地面将环内植被全部剪除，用手将表层土壤轻轻抚平使之与地面水平，使土环上边缘距表层土壤距离为2cm。。
所述步骤(2)中的土壤呼吸观测仪器放置在土环上并形成密闭的空间。
所述步骤(3)中每次观测土壤呼吸速率持续时间时长至少90秒以上，且观测的土壤呼吸速率值为至少观测3次重复以上，然后求其平均值。
实施例1
对分布在甘肃民勤绿洲边缘地带的白刺灌丛在不同生长时期的土壤呼吸速率进行了野外观测和调查，并对日平均速率出现的时间段进行了推导，过程如下：
1.不同生长时期土壤呼吸速率日动态变化：
1.1白刺生长发育初期的土壤呼吸速率日动态变化：5、6月份正值每年的春季，在此时间段内白刺沙堆土壤解冻，温度升高，植被开始复苏生长，白刺处于一年当中的生长发育初期。对此时的白刺灌丛进行土壤呼吸速率日动态测定，其灌丛沙堆土壤呼吸变化以双峰曲线为主(如图1和2)，5月份变化范围在0.15-0.27umol·(m2·s)-1间波动，6月份在0.08-0.19umol·(m2·s)-1间波动，5月份的土壤呼吸速率日平均值为0.2umol·(m2·s)-1，6月份为 0.14umol·(m2·s)-1。6月份的土壤呼吸值较5月份的要低，其原因主要是5、 6月份并未降雨，5月份土壤解冻，白刺灌丛土壤水分相比要比6月份的要好，所以其值高于6月份，而6月份没有天然降雨补充灌丛水分，因此土壤含水量低，土壤微生物活动小，导致土壤呼吸速率降低，这也是导致双峰曲线产生的原因。
整个生长初期的土壤呼吸日动态变化每个时间段内的平均值如图2所示，图中虚线表示整个生长初期的平均值，从图中可知，土壤呼吸日动态的平均值在上午和下午均出现在不同的时间段内。上午是在9:00-11:00之间，下午16:00 前后出现。
1.2白刺生长旺盛时期的土壤呼吸速率日动态变化特征：7、8、9月份是白刺生长最为旺盛的时期，其动态变化特征如图3、4。7月份土壤呼吸速率在 0.55-1.1umol·(m2·s)-1之间波动，8月份是0.4-0.6umol·(m2·s)-1，9月份在0.2-0.5umol·(m2·s)-1之间波动。7月、8月、9月份的土壤呼吸昼间的平均值均较大与天然降雨有关，这几个月降雨使得表层土壤湿润，白刺灌丛的土壤水分条件逐渐的改善，土壤微生物活动加剧，土壤呼吸量也增加。
将7、8、9月的土壤呼吸观测数据整理为白刺生长旺盛期的土壤呼吸日动态平均值，见图4所示。日平均值也随着日动态的变化在上午和下午的不同时间段内出现，上午在9:00-11:00之间，下午在16:00-18:00之间，其平均值为 0.51umol·(m2·s)-1。
1.3白刺生长休眠期的土壤呼吸速率日动态变化特征：10月份开始气温降低，地温也逐渐下降，白刺生长逐渐停止，进入到休眠期。对10月、11月、次年1月份的白刺土壤呼吸日动态变化进行观测，其动态特征变化如图5、6；生长休眠期各月份的土壤呼吸日动态均呈单峰曲线变化，10月份的变化幅度在 0.09-0.29umol·(m2·s)-1之间，11月份之后的日动态变化幅度在 0.07-0.16umol·(m2·s)-1之间，次年1月份的土壤呼吸变化在 -0.03-0.07umol·(m2·s)-1之间。整个休眠期土壤呼吸速率日平均值约为 0.11umol·(m2·s)-1，如图6所示。日平均值通过曲线可知在上午10:00和下午16:00前后均出现。
2.不同生长季节各时间段土壤呼吸速率变异性分析
变异系数是衡量观测值变异程度的一个统计量，它表示数据离散程度的大小，也可反映出观测数据的稳定性和变化程度。通过计算各个生长季节不同时间段的土壤呼吸速率变异系数，可以反映出在不同的时间段内其土壤呼吸速率的变异程度和稳定性。从图7中看出，各个生长季节土壤呼吸速率日动态变化的变异系数均呈现出不同的变化：各个时间段内变异性均不相同，但是整体呈现出一定的规律性，即在上午8:00前后变异系数整体偏大，随着时间的推移变异系数逐渐的减小，之后在16:00前后又逐渐的增大。从图2、图4、图6的平均值变化过程中，我们可知上午10:00前后和下午16:00前后这两个时间段均是当日平均值出现的时间段，但是从这两个时间段内的变异系数变化来看，上午10:00前后的变异幅度为3.1％-10.4％，下午16:00前后的变异幅度为 2.4％-16.9％，由图7也可知，土壤呼吸变异性上午随着气温的逐渐升高呈减小趋势，下午又随着气温降低逐渐成增大趋势，因此，上午的土壤呼吸速率观测值相比下午的观测值变化更小，更稳定。综合土壤呼吸平均速率出现时间段和其变异性小的特征，通过上述推论可知：白刺灌丛的土壤呼吸日平均速率均值在上午9:00-11:00点这个时间段内观测更接近于当日的昼间观测平均速率值，可作为当天的昼间平均速率进行计算。
实施例2
1.选择适合的研究区域，研究区域选择在甘肃民勤治沙站附近的广泛分布的白刺灌丛进行观测研究。2.选择发育状态良好、形态相似的白刺灌丛3个，在迎风坡中上部设置土壤呼吸观测用土环，设置好后，静置24小时后用Li-8100 土壤呼吸观测系统对白刺灌丛进行土壤呼吸速率的观测，研究白刺灌丛对天然降雨的响应特征。3.观测时间是在降雨前2天和降雨后的连续9天内，每天上午9:00-11:00点这个时间段内进行土壤呼吸平均速率的观测。4.对观测数据分析表明，如图9所示：土壤呼吸速率在降雨后第1天内平均速率急速上升，达到最高为1.18umol·(m2·s)-1，随着雨后时间的推移土壤呼吸逐渐的降低，在雨后第8、9天后逐渐的稳定，稳定时段的土壤呼吸速率值在0.47umol·(m2·s) -1上下波动。整个趋势反映了白刺土壤呼吸速率对降雨的响应过程，表明在每天的9:00-11:00的这个时间段内观测的土壤呼吸速率值很好的反映了随时间的推移土壤呼吸对降雨所产生的响应变化，数值稳定，特征明显。以上所述为本发明在野外的观测实施例，通过运用本发明所推导的时间段，在野外可以充分利用好这个时间段，能够对白刺灌丛在白天的土壤呼吸碳释放量变化特征和大小进行观测研究，所观测的土壤呼吸速率平均值很好的反映了白刺土壤呼吸速率随时间的变化特征，数值稳定，满足科研要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日间平均值观测时间段的确定方法，其特征在于，日平均速率观测时间段的确定包括如下步骤：
(1)选择晴朗无风的典型天气条件，在荒漠边缘地带白刺灌丛聚集分布区域，选择植被生长旺盛，表层没有吹蚀破损，发育良好的白刺灌丛；
(2)确定主风方向后，在白刺灌丛沙堆迎风坡中上部设定土壤呼吸环，静置至少12小时以上；
(3)于第二日的上午9:00-11:00这个时间段内采用土壤呼吸观测仪器进行土壤呼吸速率的观测；此时间段内测定的呼吸速率值即为当天的土壤呼吸速率日平均值；
(4)时间段9:00-11:00之间为白刺灌丛土壤呼吸速率日平均值观测时间段，该时间段内测定的土壤呼吸速率观测值变异率低，波动小，此观测值与日动态观测计算的日均值趋势相近，相关性好，可代表当日该白刺灌丛的土壤呼吸速率日平均值。
2.根据权利要求1所述的一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日平均值观测时间段的确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中的土壤呼吸环为垂直插入白刺灌丛的土壤呼吸观测用的土环，为PVC管材质，管长度为12-18cm，管外径10cm，清除土环内的枯枝落叶，齐地面将环内植被全部剪除，用手将表层土壤轻轻抚平使之与地面水平，使土环上边缘距表层土壤距离为2cm。
3.根据权利要求1和2所述的一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日平均值观测时间段的确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中的土壤呼吸观测仪器放置在土环上并形成密闭的空间。
4.根据权利要求1所述的一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日平均值观测时间段的确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中每次观测土壤呼吸速率持续时间时长至少90秒以上。
5.根据权利要求1所述的一种对白刺灌丛土壤呼吸速率日平均值观测时间段的确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中观测的土壤呼吸速率值为至少观测3次重复以上的平均值。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110174504A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-08-27 | 北京师范大学 | 土壤呼吸的估测方法、装置、设备及存储介质 |
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2017
- 2017-12-29 CN CN201711482152.XA patent/CN108333325A/zh active Pending
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