天龙山草灌群落土壤呼吸与温度和水分的关系

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土壤呼吸(Rs)是陆地生态碳循环的重要组成部分,精确量化Rs及其与环境因子的关系对区域碳平衡研究具有重要意义。本文基于天龙山地区2005-2016年测定的灌木和草地群落每月2次的长期野外观测数据,采用18种模型对土壤呼吸与土壤温度和水分的关系进行了模拟。基于模型评价指标对比分析了各模型的模拟精度,并从中选取了7种模型进行了不同土壤水分区间下土壤呼吸的模拟,以期揭示影响Rs模型的土壤水分的阈值。结果如下:(1)两样地的年均Rs没有显著差异,其值分别为3.67?mol CO2 m-2 s-1和3.70?mol CO2 m-2 s-1。与土壤温度(Ts)的季节变化趋势相一致,两样地Rs存在显著的季节变化,最高值出现在高温多雨的夏季,最低值出现在冬季,春末夏初存在明显的水分胁迫现象。(2)单因素模型中,灌木群落Ts对土壤呼吸的解释能力(21-26%)低于Ws对土壤呼吸的解释能力(20-31%);而草地群落Ts对土壤呼吸的解释能力(34-45%)高于Ws对呼吸的解释能力(6-15%)。三种基于Ts的Rs模型中,高斯模型拟合效果最好,其次是单因素幂函数模型,最后是单因素指数模型。灌木群落Ws的解释能力(20-31%)高于草地群落(6-15%)的,模型从优到差依次是Rs=exp(a+bWs)、Rs=a+b Ws+c Ws2、Rs=a+bln Ws、Rs=a+bWs、Rs=a+bWs3。与单因素模型相比,有Ts和Ws共同参与的模型可以更大程度解释Rs的变化,四种复合模型中,灌木群落的多元线性回归模型拟合效果最好(R2为0.73、AIC为845.98),草地群落的多元线性回归模型解释能力最高(70%),幂指混合模型AIC最小(823.33)。两个样地其余3种模型解释能力相差不大,各模型R2分别为:多元指数回归模型(0.67、0.66)、双因素乘幂模型(0.64、0.66)、幂指混合模型(0.64、0.66)。相对于单因素模型,复合方程对土壤呼吸的解释能力和拟合优度明显提高,说明2个样地的土壤呼吸受土壤温度和水分的共同影响。(3)灌木和草地群落在RWC(土壤水分/田间持水量,%)分别低于33%和25%时,存在明显的Ws对Rs的胁迫;当灌木群落RWC在33%-52%和草地群落RWC在25%-41%之间,Rs受到Ws的轻微胁迫;在灌木RWC>52%和草地RWC>41%时,Ws对Rs不造成胁迫。当考虑了Ts和Ws对Rs共同作用时,灌木群落在RWC>52%,Ts≤18.05℃时,Ts是影响土壤呼吸的限制因子,而Ts>18.05℃时,则不存在温度的限制。草地群落在Ts≤14.15℃时温度起主导作用,在Ts>14.15℃后,在RWC≤42%时,Rs受到Ws胁迫,在RWC>42%时,Ts和Ws对Rs的解释能力不高,此时可能是其他因子在起作用。
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