新疆天山北坡荒漠草原碳通量特征及其对环境因子的响应

doi:10.11686/cyxb2021137

摘要/Abstract

摘要：

荒漠草原是天山北坡广泛分布的草地类型，对天山北坡草地生态系统碳收支具有重要的调节作用。为阐明天山北坡荒漠草原生态系统碳通量变化特征及环境因子对碳通量的影响，以新疆天山北坡荒漠草原为研究对象，利用微气象观测系统和LI-840 CO₂/H₂O红外分析仪获得连续观测数据，定量分析了荒漠草原碳通量的变化特征及其影响因子。结果表明：天山北坡荒漠草原植被净生态系统碳交换速率在日尺度上呈倒“U”型曲线；在季节尺度上，6、7、8月表现为碳汇，9、10月表现为碳源；6-10月荒漠草原总固碳量为15.50 g C·m^-2，8月固碳量最高为23.03 g C·m^-2；生态系统呼吸速率日变化呈“单峰”曲线；在季节尺度上，碳排放呈现先增加后降低趋势，7月碳排放量最高128.42 g C·m^-2，10月荒漠草原生态系统碳通量日变化不明显。光合有效辐射是影响日间净生态系统碳交换速率的主导因子，二者符合直角双曲线模型，日间净生态系统碳交换速率随光合有效辐射增大而减小；生态系统呼吸速率与5 cm土壤温度关系符合Van^，t Hoff模型，温度敏感性系数Q₁₀为1.69；最适土壤含水量是0.16 m³·m^-3，土壤含水量过高或过低均会对荒漠草原生态系统呼吸速率产生抑制作用。

关键词: 碳通量, 生态系统呼吸速率, 荒漠草原, 环境因子

Abstract:

The desert steppe is a widely distributed grassland type on the northern slopes of the Tianshan Mountains， and it plays an important role in regulating the carbon balance of the grassland ecosystem in this area. The aim of this study was to elucidate the characteristics of carbon flux in desert steppe ecosystems on the northern slopes of the Tianshan Mountains and to determine the main environmental factors that influence carbon flux. A micro-meteorological observation system and a LI-840 CO₂/H₂O infrared analyzer were used to obtain continuous observation data. The data were quantitatively analyzed to detect variations in carbon flux in the desert steppe and the factors that influence it. During the growing season， the net ecosystem carbon exchange of desert steppe vegetation on the northern slopes of the Tianshan Mountains showed an inverted “U” curve on a daily scale. On a seasonal scale， the vegetation was a carbon sink in June， July， and August； and a carbon source in September and October. The total carbon assimilation in the desert steppe from June to October was 15.50 g C·m^-2， and the highest carbon assimilation was 23.03 g C·m^-2 in August. The trend in the ecosystem respiration rate showed a “single-peak” curve on a daily scale. On a seasonal scale， carbon emissions showed a trend of increasing and then decreasing， with the highest carbon emissions of 128.42 g C·m^-2 in July. The daily variation in carbon flux in the desert steppe ecosystem was not significant in October. Photosynthetically active radiation was the main factor influencing the daily net ecosystem carbon exchange， and the relationship between these two factors fitted a rectangular hyperbola model. The daily net ecosystem carbon exchange decreased with increasing photosynthetically active radiation. The relationship between ecosystem respiration and the 5 cm soil temperature fitted the Van’t Hoff model， with a temperature sensitivity coefficient Q₁₀of 1.69 and an optimum soil water content of 0.16 m³·m^-3. Excessively high or low soil water contents inhibited ecosystem respiration in this area.

Key words: carbon flux, ecosystem respiration, desert steppe, environmental factor

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图/表 11

表 1 观测站点仪器装置信息（微气象观测系统）

Table 1 Instrument and device information of observation station （Micro meteorological observation system）

仪器名称 Name of instrument	观测参数 Observation parameter	安装高（深）度 Height （depth） of installation （m）
风速风向计Anemometer	风速、风向Wind speed and direction	3.0
光合有效辐射仪Photosynthetic active radiometer	光合有效辐射Photosynthetic active radiation	2.8
气压计Barometer	空气压力Air pressure	1.8
雨量筒Rain gauge	降水量Precipitation	2.5
土壤温度传感器Soil temperature sensor	土壤温度Soil temperature	土层Soil 0.05，0.2，0.4，0.7，1.0
土壤水分传感器Soil water sensor	土壤含水量Soil water content	土层Soil 0.05，0.2，0.4，0.7，1.0
温湿度传感器Temperature and humidity sensor	气温、空气湿度Air temperature and air humidity	0.2，2.0

图1 荒漠草原环境因子季节变化PAR：光合有效辐射；VPD：饱和水汽压差；SWC：土壤含水量；P：降水量；Ts：土壤温度；Ta：空气温度。下同。PAR： Photosynthetic active radiation； VPD： Vapor pressure deficit； SWC： Soil water content； P： Precipitation； Ts： Soil temperature； Ta： Air temperature. The same below.

Fig.1 Season variations of environmental factors in desert steppe

图2 荒漠草原净生态系统碳交换速率日变化

Fig.2 Diurnal variation of net ecosystem carbon exchange in desert steppe

图3 荒漠草原生态系统呼吸速率日变化

Fig.3 Diurnal variation of ecosystem respiration in desert steppe

图4 荒漠草原碳通量的季节变化

Fig.4 Seasonal changes of carbon fluxes in desert steppe

图5 荒漠草原净生态系统碳交换与光合有效辐射的关系

Fig.5 Relationship between net ecosystem carbon exchange and photosynthetic active radiation in desert steppe

表 2 生态系统呼吸速率与温度指数回归关系

Table 2 Exponential regression between ecosystem respiration and temperature

项目Item	月份Month	拟合模型Fit model	R²	P	Q₁₀
土壤温度 Soil temperature	6月June	$E R = 0.081 e 0.101 T s$	0.552	P<0.05	2.71
	7月July	$E R = 0.970 e 0.074 T s$	0.707	P<0.01	2.09
	8月August	$E R = 0.380 e 0.062 T s$	0.863	P<0.01	1.85
	9月September	$E R = 0.682 e 0.067 T s$	0.833	P<0.01	1.94
	10月October	$E R = 0.173 e 0.075 T s$	0.067	P>0.05	2.11
空气温度 Air temperature	6月June	$E R = 0.127 e 0.093 T a$	0.701	P<0.05	2.53
	7月July	$E R = 0.693 e 0.103 T a$	0.971	P<0.01	2.80
	8月August	$E R = 0.286 e 0.084 T a$	0.881	P<0.01	2.31
	9月September	$E R = 0.506 e 0.085 T a$	0.914	P<0.01	2.33
	10月October	$E R = 0.170 e 0.104 T a$	0.067	P>0.05	2.82

表 2 生态系统呼吸速率与温度指数回归关系

Table 2 Exponential regression between ecosystem respiration and temperature

项目Item	月份Month	拟合模型Fit model	R²	P	Q₁₀
土壤温度 Soil temperature	6月June	$E R = 0.081 e 0.101 T s$	0.552	P<0.05	2.71
	7月July	$E R = 0.970 e 0.074 T s$	0.707	P<0.01	2.09
	8月August	$E R = 0.380 e 0.062 T s$	0.863	P<0.01	1.85
	9月September	$E R = 0.682 e 0.067 T s$	0.833	P<0.01	1.94
	10月October	$E R = 0.173 e 0.075 T s$	0.067	P>0.05	2.11
空气温度 Air temperature	6月June	$E R = 0.127 e 0.093 T a$	0.701	P<0.05	2.53
	7月July	$E R = 0.693 e 0.103 T a$	0.971	P<0.01	2.80
	8月August	$E R = 0.286 e 0.084 T a$	0.881	P<0.01	2.31
	9月September	$E R = 0.506 e 0.085 T a$	0.914	P<0.01	2.33
	10月October	$E R = 0.170 e 0.104 T a$	0.067	P>0.05	2.82

图6 荒漠草原生态系统呼吸速率与环境因子之间的关系

Fig.6 Relationships between respiration and environmental factors in desert steppe ecosystem

表 3 不同月份NEE、ER与环境因子的相关系数

Table 3 Correlation coefficients between NEE， ER and environmental factors

项目Item	月份 Month	PAR	VPD	Ta	RH	Ts	SWC
NEE	6月June	-0.85**	-0.74**	-0.71*	0.67*	-0.60*	-0.54
	7月July	-0.72*	-0.77*	-0.64*	0.67*	-0.71*	-0.75**
	8月August	-0.82**	-0.64*	-0.71*	0.71*	-0.76**	-0.71*
	9月September	-0.74**	-0.35	-0.41	0.09	-0.74*	-0.80**
	10月October	0.26	0.17	-0.18	-0.15	0.05	-0.03
ER	6月June	0.61*	0.72*	0.64*	-0.60*	0.67*	0.68*
	7月July	0.39	0.96**	0.94**	-0.86**	0.83**	0.75**
	8月August	0.97**	0.93**	0.89**	-0.83**	0.88**	0.91**
	9月September	0.86**	0.96**	0.94**	-0.80**	0.92**	0.87**
	10月October	0.01	0.30	0.30	-0.39	0.30	0.26

图7 NEE及ER与环境因子相关性的冗余分析排序RH：空气湿度 Air humidity.

Fig.7 Redundancy analysis on the correlation between NEE and ER with environment properties

表 4 环境因子解释量及显著性检验

Table 4 Explanation rate and significance test of environment factors

环境因子 Environmental factor	重要性排序 Order of importance	贡献率 Contribution rate （%）	F值 F value	P值 P value
SWC （5 cm）	1	41.7	37.8	0.002
Ta	2	34.0	27.3	0.002
PAR	3	32.1	27.3	0.002
VPD	4	27.8	20.4	0.002
Ts （5 cm）	5	24.0	16.7	0.002
RH	6	13.4	8.2	0.002
Ts （20 cm）	7	5.0	2.8	0.056
Ts （40 cm）	8	4.4	2.4	0.090
SWC （40 cm）	9	3.3	1.8	0.158
SWC （20 cm）	10	0.2	<0.1	0.954

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