不同取样尺度下亚高山草甸土壤呼吸的空间变异特征

不同取样尺度下亚高山草甸土壤呼吸的空间变异特征李洪建，高玉凤，严俊霞，李君剑（山西大学黄土高原研究所，太原030006）摘要：基于对4个取样尺度（10m、5m、2.5m、1.25m）亚高山草甸土壤呼吸速率的观测，对不同尺度土壤呼吸的空间变异特征进行了研究，分析了不同尺度土壤全氮、有机碳、碳氮比、全硫、土壤温度和土壤水分对土壤呼吸作用空间异质性的影响，并对各尺度不同置信水平与估计精度下的必要采样数量进行了计算。结果表明：除1.25m和2.5m尺度上土壤温度的空间变异属于弱变异外，土壤呼吸及其相关因子的空间变异均属于中等变异，土壤呼吸和土壤温度的变异系数随着取样尺度的增大而增大，而土壤全氮、有机碳、全硫和土壤水分的变异系数随着取样尺度的增大均有减小的趋势；不同取样尺度，影响土壤呼吸的关键因子不同。在10m尺度，土壤呼吸与土壤全氮、有机碳呈极显著正相关，与土壤温度呈显著正相关，与土壤全硫、碳氮比和土壤水分相关不显著；在5m尺度，与土壤全氮和有机碳呈极显著正相关，与土壤全硫、碳氮比、土壤水分和土壤温度相关不显著；在2.5m尺度，与土壤有机碳、全氮和土壤水分呈极显著正相关，与土壤全硫、碳氮比和土壤温度相关性不显著；在1.25m尺度，与土壤全氮、有机碳和土壤水分呈极显著正相关，与碳氮比呈显著负相关，与土壤温度呈极显著负相关，与土壤全硫相关不显著。随着取样尺度的减小，土壤水分所起的作用逐渐增大，相关系数从0.27~0.49，土壤温度与土壤呼吸的相关性由显著正相关向极显著负相关变化；四个取样尺度95%置信水平误差在10%和20%内必要采样数量分别为28、21、18、14个和7、5、4、4个，随着取样尺度的减小，必需的采样数量减少。关键词：取样尺度；土壤因子；土壤呼吸；空间变异；亚高山草甸中图分类号：X144文献标识码：A文章编号：SpatialHeterogeneityofSoilRespirationinaSubalpineMeadowonDifferentSamplingScalesLIHong-jian,GAOYu-feng,YANJun-xia,LIJun-jian(InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)Abstract:Basedonfourdifferentsamplingscales(10,5,2.5and1.25m)wemeasuredsoilrespirationandtheenvironmentalfactorsaffectingsoilrespirationinasubalpinemeadowinYundinmountainofShanxiprovince.Thepurposeofthepaperwastostudythespatialheterogeneitiesofsoilrespirationandtheenvironmentalfactorsincludingsoiltemperature,soilmoisture,totalnitrogen,organiccarbon,ratioofcarbonandnitrogen,andtotalsulfur,andthentoanalyzerequiredsamplingnumberonthefourscales.Theresultsshowedthatspatialvariationsofthesoilrespirationandenvironmentalfactorsatallscaleswereinthemiddlerangebutforthesoiltemperatureat1.25and2.5mscales;andthatthecoefficientsofvariationinsoilrespirationandsoiltemperatureincreasedwithincreasingsamplingscale,butfortotalnitrogen,organiccarbon,totalsulfurandsoilmoistureitdecreasedwithincreasingsamplingscales.Theenvironmentalfactorshadadifferentimpactonsoilrespirationatdifferentsamplingscales.Simplecorrelationanalysisshowedthatat10mscaletherelationshipofsoilrespirationwithtotal收稿日期：2014-04-18；修订日期：基金项目：山西省自然基金项目（2012011033-5）；国家自然科学基金项目(41201374)作者简介：李洪建（1958~），男，教授，博士生导师，主要研究方向为生态系统碳循环，E-mail:[e-mail](P0.01),organiccarbon(P0.01)andsoiltemperature(P0.05)wassignificant,butnotwithtotalsulfur,C/Nandsoilmoisture;at5msamplingscaleitwashighlysignificantwithtotalnitrogen,organiccarbon,butnotwithtotalsulfur,C/Nandsoilmoistureandsoiltemperature;at2.5mscaleitwashighlysignificantwithtotalnitrogen,organiccarbonandsoilmoisture;,butnotwithtotalsulfur,C/N,andsoiltemperature;andatthesmallestsamplingscaleitwashighlysignificantwithtotalnitrogen,organiccarbonandsoilmoisture,negativelysignificantwithC/N,andnegativelysignificantwithsoiltemperature,butnotwithtotalsulfur.Therequiredsamplingnumbersfor10,5,2.5and1.25msamplingscaleswithin±10%and±20%ofitsactualmeanatthe95%confidencelevelwere28,21,18,14,and7,5,4,4,respectively.Thatshowedatrendofrequiredsamplingnumberdecreasedwithdecreasingsamplingscale.Keywords:samplingscale;environmentalfactors;soilrespirationrate;spatialheterogeneity;subalpinemeadow陆地生态系统土壤呼吸是将土壤C传输到大气的重要途径[1]，由于土壤中C储量大约是大气C储量的2倍[2]，土壤呼吸的微小变化都能引起大气CO2浓度的显著变化[3]。土壤呼吸的精确测定是研究陆地生态系统碳循环和地球温暖化的关键问题之一。研究表明，土壤呼吸具有较大的时空变异性[3~5]。通常认为土壤温度和土壤水分是控制土壤呼吸季节变化的关键因子[6~9]，在干旱半干旱区域，由于土壤水分短缺使得土壤水分成为影响土壤呼吸的一个限制因子。土壤呼吸在空间尺度上的变异与温度、水分条件、植被类型、土壤有机碳、凋落物、根系生物量和人为管理措施等因素有关[5,10~15]。诸多研究表明不同生态系统间土壤呼吸存在明显的空间变异，即使在同一样地内土壤呼吸也具有明显的空间变异性[11~12,15~18]，如韩广轩等[12]发现在植株尺度上东北地区玉米农田的土壤呼吸存在着明显的空间异质性，较高的土壤呼吸速率通常出现在靠近玉米根系的地方；Kosugi等[18]指出东南亚热带雨林样地土壤呼吸速率的变异系数随着取样尺度的增加而增大，土壤水分高的样点土壤呼吸值低。土壤呼吸的空间变化给准确估计生态系统土壤呼吸带来困难[11,19]。因此准确估计一个生态系统土壤碳通量，尤其是自然条件异质性较大的生态系统，需要对土壤呼吸的异质性进行深入研究[5]。忽视生态系统土壤呼吸的异质性可能低估或高估土壤CO2释放量。较大的取样数量能够提高估计精度，但是一般情况下受人力、物力和时间的限制在土壤呼吸的测量过程中选取的测量点是很有限的。因此，我们必须清楚观测样地的必需样本容量，但这方面的报道却很少[20~23]。本研究通过观测不同取样尺度下亚高山草甸的土壤呼吸及其相关土壤因子，试图阐明不同尺度的土壤呼吸空间变异特征，分析不同尺度土壤呼吸空间变异性的关键影响因素，并对各尺度不同置信水平与估计精度下的必要取样数量进行了计算，以期为土壤呼吸野外取样方案设计提供理论依据。1.材料与方法1.1研究区概况研究区位于山西省吕梁山中麓的交城、方山、娄烦三县交界处的庞泉沟国家自然保护区，地理位置37°47′45″~37°55′50″N、111°22′33″~111°32′22″E之间。面积10443ha，森林覆盖率74%。区内气候属寒温性气候，夏季凉爽多雨，冬季寒冷干燥，年均温3~4℃，7月均温16.1℃，1月均温-10.6℃，年降水量600~800mm，雨量集中在6~9月，相对湿度56%，无霜期92d，日均温≥10℃积温2100℃。区内自然条件地带变化明显，从低海拔到高海拔土壤类型依次为褐土、山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤、亚高山草甸土；植被从山麓到山顶依次为落叶阔叶林带（1200~1750m）、针阔叶混交林带（1750~2200m）、寒温性针叶林带（2200~2600m）、亚高山灌丛草甸带（2600~2720m）[24]。1.2试验地概况试验样地位于庞泉沟自然保护区内的云顶山亚高山草甸内（地理位置为37°53′08.5″N，111°32′18″E，海拔2700m），面积约150ha。植被组成以蒿草和多种草类为主，主要生长的植物有白莲蒿（Artemisiagmelinii）、莓叶萎陵菜(Potentillafragarionides)、地榆（Sanguisorbaofficinalis）、老鹳草(Geraniumwilfordii)、车前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、披针苔草(Carexlanceolata)、羊茅（Festucaovina）、蒿草(Kobresiabellardii)、火绒草（Leontopodiumleontopodioides）、节节草（Equisetumramosissimum）、野罂粟（Papavernudicaule）、百里香(Thymusmongolicus)、朝天萎陵菜（Potentillasupina）、大籽蒿（Artemisiasieversiana）等，优势种群和群落的详细情况见文献[25~27]。实验样地的土壤类型为亚高山草甸土，土壤厚度15~20cm，它是冷湿气候条件下有机物残体不易分解的明显标志，土壤表层有机质含量从10%~15%。1.3研究方法1.3.1取样方法2009年6月在云顶山亚高山草甸选取一块面积为50m×50m的平坦样地，在该样地内实行分级网格嵌套布点，依据空间格局分析取样法和地统计学理论，首先，将50m×50m样地等距离间隔划分为25个10m×10m的网格，以每个网格的顶点作为测量点和取样点，共36个点。然后依次在上一级样方的基础上划分5m×5m、2.5m×2.5m和1.25m×1.25m的网格（图1）。样地内共布设不同尺度的取样点144个。对每个样点进行编号并记录每个样点的空间相对坐标值。图1样点分布Fig.1Distributionofsam