水分胁迫下原位观测玉米根系对表层土壤呼吸的影响

Strengthening research on influence mechanism of the growth characteristics of plant roots on soil respiration is expected to play an important role in further understanding terrestrial carbon cycling and improving or building a universal model of soil respiration. Considering the lack and/or no continuity of plant roots observation data limiting on the accurate estimation of soil respiration, and the ambiguity of effects of plant roots on delay features of soil respiration, taking spring maize in Northeast China as research object, based on Jinzhou Maize Agricultural Ecosystem Observation Station, the large farmland soil moisture control experimental field and root observational systems, integrating minirhizotron method and automatic soil CO2 efflux measuring system, root growth dynamics and root biomass as well as soil respiration rate in the top soil at different growing stages of maize under different soil water contents will be dynamically observed. The influence mechanism of plant roots on soil respiration, root respiration and microbe respiration in both horizontal and vertical directions are expected to be revealed with a deep analysis of observation data. The influence mechanism of plant root growth dynamics on delay features of soil respiration will be revealed by time misfit analysis. The models including soil respiration, root respiration and microbe respiration will be built in different phenological periods of maize based on effects analysis of root systems and environmental factors. The research results are of important theoretical and practical significance for accurate estimation of soil respiration in farmland and that of regional carbon budget.

深入研究植物根系生长特征对土壤呼吸的影响机制对深入理解陆地碳循环过程，改进或建立普适性的土壤呼吸模型具有重要意义。针对植物根系观测数据的缺乏和不连续性制约着土壤呼吸作用的精确评估，以及根系对土壤呼吸时间“滞后性”影响的不明确，以东北春玉米为研究对象，基于锦州玉米农田生态系统野外观测站、大型农田土壤水分控制试验场、大型根系观测系统，结合微根管和自动土壤CO2通量测定系统，在不同土壤水分条件下对玉米生长季根系生长动态、根生物量以及土壤表层土壤呼吸速率进行动态观测。通过对实测数据的深入分析，揭示水平和垂直方向上玉米根系生长特征对土壤呼吸、根呼吸和微生物呼吸的影响机制；通过时间错位分析的方法研究玉米根系生长特征对土壤呼吸时间“滞后性”的影响机制；基于根系与环境因子影响分析，建立玉米不同物候期土壤呼吸、根呼吸和微生物呼吸模型。此研究结果对农田土壤呼吸的精确评估和区域碳收支评估有着重要的理论和现实意义

本项目拟围绕“根系生长动态对表层土壤呼吸的影响”这一科学问题，以东北春玉米为研究对象，基于锦州玉米农田生态系统野外观测站、大型农田土壤水分控制试验场、大型根系观测系统，结合微根管和自动土壤CO2通量测定系统，在不同土壤水分条件下对玉米生长季根系生长动态、根生物量以及土壤表层土壤呼吸速率进行动态观测。通过对实测数据的深入分析，揭示水平和垂直方向上玉米根系生长特征对土壤呼吸、根呼吸和微生物呼吸的影响机制；通过时间错位分析的方法研究玉米根系生长特征对土壤呼吸时间“滞后性”的影响机制；建立玉米根系生物量模型。结果表明：控水条件下土壤呼吸的日平均值及土壤温度的日平均值做相关性分析，结果发现不同控水处理下二者均呈指数函数关系。与土壤呼吸与温度的关系相比，土壤呼吸与土壤水分的相关性较弱，土壤湿度45%、55%和75%条件下土壤呼吸与土壤水分的相关系数分别为0.50、0.31和0.42，说明土壤呼吸的季节变化主要受土壤温度的影响。7月11日和8月31日两次不同控水条件下所取得的土壤逐层根长资料表明,玉米根长基本随土壤深度增加而递减。除土壤湿度55%外，其余各土壤湿度条件下表层根系的根长密度对土壤呼吸变化的解释率相对较高。研究也表明细根是根系的重要代谢活动部分，根直径越小，根呼吸速率越高，因此，不同根长密度对土壤呼吸的影响程度存在差异，可能与不同土层根系中的细根含量有关。玉米根系生物量以根径为参数建立的指数函数与幂函数, R2分别为0.10和0.12, 说明玉米根系生物量受根径的影响较小, 无法满足构建根系生物量模型的基本要求。玉米根系生物量以根长(H )或根长与根径的结合变量(D2H)构建模型, R2分别为0.91和0.95, 可见玉米根系生物量模型增加根长为自变量后模拟效果较好。此研究结果对农田土壤呼吸的精确评估和区域碳收支评估有着重要的理论和现实意义。