郭文章，井長青，鄧小進，陳宸，趙葦康，侯志雄，王公鑫

（新疆農業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)在全球碳循環(huán)研究中有重要意義［1］，草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一［2］。草地碳儲量在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中僅次于森林［3］，其碳儲量高達308 Pg C，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中承擔著重要角色，在維持生態(tài)系統(tǒng)結構穩(wěn)定方面具有關鍵作用［4］。目前，草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量各組分季節(jié)性變化特征及其與環(huán)境因子間關系的研究已受到廣泛關注［5］。渦度相關法可以長期測算生態(tài)系統(tǒng)碳通量［6］，是目前最常用的碳通量觀測方法，但是與樣地實測數據相比較，使用渦度相關法觀測的夜間碳通量總體是偏低的［7］，由此導致對生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率（ecosystem respiration，ER）的估算可能偏低［8］，而箱式法可以直接測量生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率，很好的避免這一問題。目前，我國碳通量研究主要集中于農田和森林生態(tài)系統(tǒng)［9］，對草地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的研究大多集中在典型草原、高寒草原等［10］。然而，由于天山北坡缺乏長期的草地碳通量觀測站，目前為止在該區(qū)域荒漠草原碳通量的準確估算還存在較大的不確定性。

中國草地資源豐富，擁有各類天然草地394.93×104km2，約占陸地國土面積的41%，是全球草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［11］。新疆天然草地資源豐富，面積遼闊，天山山區(qū)草地植被具有明顯的垂直和水平地帶性分布規(guī)律［12］，天山北坡分布有山地荒漠、山地荒漠草原、山地草原、山地草甸草原、山地草甸及高寒草甸草地等多種草地類型，各具代表性的草地承擔著維護生態(tài)和保護生物多樣性的功能，是荒漠綠洲持續(xù)利用的天然綠色屏障［13］。隨著全球氣候變化和區(qū)域人類活動、土地利用等因素的干擾，對天山北坡草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程產生了深遠的影響。荒漠草原占新疆可利用草地面積的33.5%［14］，是新疆重要的春秋牧場，但由于近年來超載放牧、持續(xù)放牧，導致荒漠草原退化嚴重，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和恢復能力降低［15］，生態(tài)環(huán)境十分脆弱［16］，對人類活動和氣候變化反應敏感［17］。目前，對于天山北坡荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中于對草地土壤碳儲量的研究［18-19］，而對天山北坡荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化特征及環(huán)境因素控制機制尚缺乏研究。選取新疆天山北坡山地荒漠草原為研究對象，采用靜態(tài)箱式法對該地區(qū)的碳通量進行觀測，旨在探明該地區(qū)荒漠草原碳通量的日變化和季節(jié)變化規(guī)律，分析荒漠草原碳吸收/排放變化特征及其環(huán)境驅動機制，為進一步準確評估新疆荒漠草原的碳匯功能區(qū)分布提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山北坡山地荒漠草原，隸屬于新疆烏魯木齊縣南山謝家溝（87°17′44″ E，43°31′11″ N），海拔1742 m。屬典型中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫2～5 ℃，年平均降水332 mm，降水主要集中在5-10月，年均蒸發(fā)量1008 mm。該研究區(qū)植被主要以鐮芒針茅（Stipa caucasica）、羊茅（Festuca ovina）為優(yōu)勢種，以博洛塔絹蒿（Seriphidium borotalense）、針茅（Stipa capillata）、草原苔草（Carex liparocarpos）等為伴生種，灌木以刺葉錦雞兒（Caragana acanthophylla）為主，植被覆蓋度30%，6-8月平均地上生物量73.6 g·m-2、地下生物量1332.3 g·m-2。

1.2 研究方法

1.2.1 微氣象因子觀測 研究區(qū)架設有HOBO U30 微氣象觀測系統(tǒng)，主要監(jiān)測指標包括風向、風速、光合有效輻射（photosynthetic active radiation，PAR）、太陽輻射、氣壓、降水量（precipitation，P）、土壤溫度（soil temperature，Ts）、土壤含水量（soil water content，SWC）、空氣溫度（air temperature，Ta）、空氣濕度（air humidity，RH）。通過數據采集器，每30 min 自動記錄數據平均值。測量氣象因子的傳感器設備信息見表1。

表1 觀測站點儀器裝置信息（微氣象觀測系統(tǒng)）Table 1 Instrument and device information of observation station（Micro meteorological observation system）

1.2.2 試驗設計 選取天山北坡山地荒漠草原為研究對象，在研究區(qū)選擇微生境差異較小、有代表性的區(qū)域，設置3個10 m×10 m 的樣地，3個樣地間距5 m 以上。在每個10 m×10 m 的樣地內，選取3個1 m×1 m 的小樣方，并在每個樣方內安裝同化箱基座（內徑50 cm×50 cm）1個，共9個同化箱基座，同化箱底座高8 cm，入地下5 cm，地上部3 cm，整個觀測周期同化箱基座位置保持不變。采用CO2/H2O 非色散紅外氣體分析儀（LI-840A，LICOR，USA）測定凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率（net ecosystem carbon exchange，NEE）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率。靜態(tài)箱（0.5 m×0.5 m× 0.5 m）由透明有機玻璃構成，箱體內配有2個風扇，可使箱內氣體充分混勻。測定前，先抬起靜態(tài)箱，使箱內空氣與周圍氣體混勻，測量時，將靜態(tài)箱放置在同化箱基座上，保持整個箱子密閉狀態(tài)，開始測定箱內氣體濃度變化，設置每秒自動記錄一次CO2濃度值，記錄120 s 左右。凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率測量結束后，抬起箱子使箱內氣體與外界氣體充分混勻，將靜態(tài)箱放置在同化箱基座上，在箱子外蓋上黑色不透光的布罩，開始測定箱內氣體濃度變化，記錄120 s，用于測定生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率。每個樣方重復測定3 次，在測定凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率和生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率的同時，用手持氣象站（Kestrel）記錄對應時段內風速、氣壓、空氣溫度、空氣濕度。

2020年生長季 6-10月每月中旬（6月 16 日、7月 14 日、8月 15 日、9月 16 日、10月 15 日）測定 1 次，每次監(jiān)測時間為1個完整晝夜24 h，于當日10：00 開始，至次日10：00 結束，日間測定間隔為2 h，夜間測定間隔為3 h。

1.2.3 數據處理 采用公式（1）計算生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量：

式中：FC是 CO2通量（μmol·m-2·s-1）；V是箱體的體積（m3）；Pav是測量期間箱體內的平均大氣壓強（kPa）；Wav是測量期間箱體內水汽分壓（mmol·mol-1）；R是大氣常數（8.314 J·mol-1·K-1）；S是同化箱的面積（m2）；Tav是測量期間箱體內平均溫度（℃）；dc/dt是箱體內氣體濃度變化率。

采用公式（2）直角雙曲線模型［20］模擬白天凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率與光合有效輻射的關系：

式中：NEEd為白天凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率（μmol·m-2·s-1）；α為表觀量子效率（μmol·mol-1）；Amax為最大光合速率（μmol·m-2·s-1）；Rd為日間生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；PAR為日間光合有效輻射（μmol·m-2·s-1）。

采用公式（3）Van’t Hoff 模型［21］模擬溫度與生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率的關系：

式中：ER為生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率（μmol·m-2·s-1）；T為溫度（℃）；α為反映生態(tài)系統(tǒng)基礎呼吸速率的參數；β為生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率溫度敏感性的參數。

采用公式（4）計算生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率對溫度變化敏感程度Q10［22］：

式中：Q10為生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率溫度敏感系數；β為生態(tài)系統(tǒng)呼吸溫度敏感性參數。

采用公式（5）計算飽和水汽壓差（vapor pressure deficit，VPD）［23］：

式中：VPD為飽和水汽壓差（kPa），Ta為空氣溫度（℃），RH為空氣濕度（%）。

采用SPSS 22.0 對試驗數據進行統(tǒng)計分析，用Canoco 5.0 進行冗余分析，Origin 2018 作圖。

2 結果與分析

2.1 荒漠草原環(huán)境因子季節(jié)變化特征

由圖1 可以看出，2020年生長季6-10月荒漠草原環(huán)境因子具有明顯的季節(jié)變化特征，觀測期內日均光合有效輻射在 62.35～663.59 μmol·m-2·s-1，月均光合有效輻射在 6月最高，達到 466.86 μmol·m-2·s-1，10月最低為278.22 μmol·m-2·s-1，受天氣變化影響，光合有效輻射波動劇烈。日均飽和水汽壓差在0.36～1.52 kPa 之間波動，呈先升高再降低趨勢，8月份飽和水汽壓差高于其余月份。生長季總降水量為192 mm，主要集中在7月（70 mm），降水頻率（58 次）。土壤含水量在0.04～0.17 m3·m-3之間波動，降水與5 cm 土壤含水量有很強的響應關系。空氣溫度與5 cm 土壤溫度季節(jié)變化趨勢相似，二者日均值變化范圍分別為-1.40～23.34 ℃和0.91～25.53 ℃，土壤溫度明顯高于空氣溫度，但升溫時間滯后于空氣溫度。

圖1 荒漠草原環(huán)境因子季節(jié)變化Fig.1 Season variations of environmental factors in desert steppe

2.2 荒漠草原凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化特征

荒漠草原6-9月凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化均呈倒“U”型曲線（圖2），且有明顯的日變化規(guī)律。凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率在白天8：00 左右開始變?yōu)樨撝?，此時生態(tài)系統(tǒng)由夜間的碳源轉變?yōu)榘滋斓奶紖R，隨著溫度升高，光合有效輻射增強，10：00-12：00 碳吸收達到峰值，直至19：00 左右凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率轉變?yōu)檎?，生態(tài)系統(tǒng)開始向大氣中釋放CO2，荒漠草原從碳匯轉變?yōu)樘荚??；哪菰?0月進入生長季末期，隨著氣溫下降、光合有效輻射降低，植物的光合作用和呼吸作用都很微弱，凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化趨勢變得十分平緩。

圖2 荒漠草原凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化Fig. 2 Diurnal variation of net ecosystem carbon exchange in desert steppe

荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)每日吸收CO2開始時間以8月（8：00）最早，以 9月（9：30）最晚，每日吸收CO2結束時間以 9月（14：00）最早，以 8月（20：00）最晚。在整個生長季日變化過程中，凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率最低為-2.16 μmol·m-2·s-1，出現在 8月（10：00）；凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率的最高為 3.01 μmol·m-2·s-1，出現在7月（22：00）。

2.3 荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化特征

荒漠草原生長季生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化均呈“單峰”曲線，具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律。由圖3 可以看出，7月生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化波動最大，最大值為 6.92 μmol·m-2·s-1，最 小 值 為 1.71 μmol·m-2·s-1，日均值為 4.12 μmol·m-2·s-1；10月生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化波動最小，最大值為 0.64 μmol·m-2·s-1，最小值 為 0.02 μmol·m-2·s-1，日 均 值 為 0.25 μmol·m-2·s-1。不同月份生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率峰值出現時間不同：7月在16：00 到達峰值，其他月份出現時間主要集中在14：00 左右。生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化隨著時間推移，在 12：00-16：00 之間到達峰值之后開始下降，在6：00-8：00 之間生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率最小?；哪菰鷳B(tài)系統(tǒng)呼吸速率排序大小為7＞9＞8＞6＞10月。

圖3 荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化Fig. 3 Diurnal variation of ecosystem respiration in desert steppe

2.4 荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化特征

如圖4 所示，6-8月荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)均表現為碳吸收，月累積凈固碳量分別為4.15、4.75、23.03 g C·m-2，而 9、10月表現為碳排放，累積碳釋放量為13.46、2.97 g C·m-2；荒漠草原生態(tài)系統(tǒng) 6-10月表現為微弱的碳匯，總固碳量為15.50 g C·m-2。生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳排放量在 7.92～128.42 g C·m-2之間，7月生態(tài)系統(tǒng)碳排放量最大，為 128.42 g C·m-2；10月碳排放量最少，為7.92 g C·m-2。生長季生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳排放總體呈先增加后減小的趨勢；總初級生產力（gross primary productivity，GPP）的 變 化 范 圍 在4.95～133.17 g C·m-2之間，均值為 63.50 g C·m-2。

圖4 荒漠草原碳通量的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal changes of carbon fluxes in desert steppe

2.5 凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率與光合有效輻射的關系

由圖5 可以看出，荒漠草原生長季NEE 與PAR關系符合直角雙曲線模型［14］。擬合方程為NEE=R2=0.72（P＜0.01）。白天NEE 隨著PAR 的增大而逐漸減小，生態(tài)系統(tǒng)對CO2的吸收量逐漸增大，碳匯能力也逐漸增強，但當PAR 增加到光飽和點（PAR=1200 μmol·m-2·s-1），光合速率達到最大。生長季荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)白天最大光合速率為 3.63 μmol·m-2·s-1，白天平均生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率為 2.26 μmol·m-2·s-1。

圖5 荒漠草原凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換與光合有效輻射的關系Fig. 5 Relationship between net ecosystem carbon exchange and photosynthetic active radiation in desert steppe

2.6 生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤溫度、空氣溫度的關系

通過Van’t Hoff 指數方程分別擬合生長季各月生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤溫度、空氣溫度的回歸關系。由表2 可得，Van’t Hoff 指數方程能很好地描述生態(tài)系統(tǒng)6-9月的呼吸速率對土壤溫度和空氣溫度的響應，土壤溫度可以解釋生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化的55.2%～86.3%，土壤溫度敏感性Q10范圍為 1.85～2.71，對不同月份Q10進行比較，8月（1.85）＜9月（1.94）＜7月（2.09）＜6月（2.71）?？諝鉁囟瓤梢越忉屔鷳B(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化的70.1%～97.1%，空氣溫度敏感性Q10范圍為2.31～2.80；不同月份生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化溫度敏感性有差異，對不同月份Q10進行比較，8月（2.31）＜9月（2.33）＜6月（2.53）＜7月（2.80）；10月生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤溫度、空氣溫度無明顯相關性。

表2 生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與溫度指數回歸關系Table 2 Exponential regression between ecosystem respiration and temperature

2.7 荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與環(huán)境因子之間的關系

如圖6 所示，生長季荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與空氣溫度、土壤溫度呈顯著正相關關系（P＜0.01），隨著空氣溫度和土壤溫度的增加，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率逐漸增加。生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤含水量符合二次函數關系，相關性顯著（P＜0.01），土壤含水量在0.162 m3·m-3時，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率最高，土壤含水量過低或過高都會抑制生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率。生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與空氣濕度呈線性負相關關系（P＜0.01），說明隨著空氣濕度的增加，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率逐漸減小。

圖6 荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與環(huán)境因子之間的關系Fig.6 Relationships between respiration and environmental factors in desert steppe ecosystem

2.8 不同月份NEE 和ER 與環(huán)境因子的相關關系

NEE、ER 與環(huán)境因子的相關性分析結果見（表 3）。結果表明：生長季 6-8月，NEE 與 PAR、VPD、Ta、Ts、SWC 均呈負相關關系（P＜0.05）；生長季 6-8月，NEE 與 RH 呈正相關關系；10月份 NEE 與 PAR、VPD、Ta、RH、Ts、SWC 無明顯相關性。生長季 7-9月，ER 與 VPD、Ta、Ts、SWC 存在顯著正相關關系（P＜0.01），ER 與RH 呈顯著負相關關系（P＜0.01）；10月 ER 與 PAR、VPD、Ta、RH、Ts、SWC 無明顯相關性。

表3 不同月份NEE、ER 與環(huán)境因子的相關系數Table 3 Correlation coefficients between NEE，ER and environmental factors

2.9 生長季荒漠草原NEE 和ER 與環(huán)境因子的相關性分析

分析不同環(huán)境因子［PAR、VPD、Ta、RH、Ts（5、20、40 cm）、SWC（5、20、40 cm）］對荒漠草原NEE、ER 日變化的影響程度。圖7 為冗余分析結果，NEE、ER 在第1軸和第2軸的解釋量分別為58.60%和25.17%，即第一排序軸和第二排序軸10 種環(huán)境因子累計解釋NEE、ER 的83.77%，表明第一排序軸和第二排序軸可以較好地反映NEE、ER 與環(huán)境因子的關系，且主要由第1軸決定。SWC（5 cm）、Ta 在ER 箭頭連線上的投影長度較長，表明ER 日變化的主導因子主要是 SWC（5 cm）、Ta；PAR在NEE 箭頭反向延長線上的投影較長，表明NEE 日變化由PAR 主導，并呈較強的負相關關系；Ts（20、40 cm）、SWC（20、40 cm）均與 NEE、ER 無顯著相關關系。

圖7 NEE 及ER 與環(huán)境因子相關性的冗余分析排序Fig. 7 Redundancy analysis on the correlation between NEE and ER with environment properties

冗余分析排序圖僅反映出NEE、ER 與環(huán)境因子間存在相關性，難以量化環(huán)境因子對NEE、ER 的貢獻程度。為此，本研究采用蒙特卡洛檢驗和前向選擇排序法對10 種環(huán)境因子進行排序。由表4 可知，各環(huán)境因子對NEE、ER 的影響存在一定差異；各環(huán)境因子對NEE、ER 影響的重要性排序從大到小依次為SWC（5 cm）＞Ta＞PAR＞VPD＞Ts（5 cm）＞RH＞Ts（20 cm）＞Ts（40 cm）＞SWC（40 cm）＞SWC（20 cm），其中 SWC（5 cm）、Ta、PAR、VPD、Ts（5 cm）、RH 對NEE、ER 有顯著影響（P＜0.01），其他環(huán)境因子對NEE、ER 的影響均未達顯著水平（P＞0.05），其中SWC（5 cm）、Ta、PAR 對 NEE、ER 的貢獻率較高，分別為 41.7%、34.0%、32.1%，表明 SWC（5 cm）、Ta、PAR 是影響研究區(qū)NEE、ER 的關鍵因素。

表4 環(huán)境因子解釋量及顯著性檢驗Table 4 Explanation rate and significance test of environment factors

3 討論

3.1 荒漠草原碳通量日變化特征

天山北坡荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)6-9月凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化呈倒“U”型曲線變化，日間表現為碳匯，夜間表現為碳源。10月荒漠草原處于生長季末期，溫度和光合有效輻射較低，導致凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化趨于平緩，這與前人的大多數研究結果一致［24-26］。6、7、8月荒漠草原植被處于生長旺盛期，光合作用較強，表現為碳吸收，9、10月，荒漠草原植被覆蓋度低，光合作用較弱，表現為碳排放?；哪菰瓋羯鷳B(tài)系統(tǒng)碳交換速率最大為 2.16 μmol·m-2·s-1，低于云貴高原草地（3.82 μmol·m-2·s-1）［24］、天山北坡草甸草原（7.62 μmol·m-2·s-1）［27］、黃土高原半干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)（7.90 μmol·m-2·s-1）［28］，這是由于荒漠草原植被稀疏，覆蓋度較低，并且長期過度放牧導致草地退化，使得該地區(qū)草地固碳能力較弱。

荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化呈“單峰型”變化趨勢，峰值出現在14：00-16：00，且日間高于夜間，夜間生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率維持在較低水平，這是由荒漠草原土壤溫度日變化引起的。孫學凱等［29］研究表明科爾沁沙質草地生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化為單峰曲線，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率峰值出現在15：00；邢鵬飛等［30］研究表明晉北農牧交錯帶草地生態(tài)系統(tǒng)速率的日變化呈單峰型變化趨勢，峰值出現在13：00-16：00；李愈哲等［31］研究得出不同利用方式下錫林郭勒溫性草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率日變化表現出單峰變化趨勢，本研究結果與之相似。生長季荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率為7＞9＞8＞6＞10月，主要原因是5月荒漠草原開始進入返青期，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率較弱，7、8、9月植被進入生長高峰期，適宜的水熱條件促進了植物根系活動，使生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率增大，10月以后，植被進入生長季末期，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率逐漸減弱。

3.2 荒漠草原碳通量的影響因子

通過冗余分析得出日間凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率主要影響因子是光合有效輻射，凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率與光合有效輻射符合直角雙曲面模型，與前人相關研究結果一致［32-34］，光合有效輻射是影響荒漠草原日間凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率的主要環(huán)境因子。光合有效輻射在500 μmol·m-2·s-1以下時，凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率隨光合有效輻射升高而迅速降低，光合有效輻射在1200 μmol·m-2·s-1以上時，凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率隨光合有效輻射變化程度逐漸減小，并接近飽和，這與大多數文獻的研究結果一致［25，35］。

本研究中，荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率受溫度和水分共同影響，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與空氣溫度和5 cm 土壤溫度呈指數相關。研究表明，溫度和水分都顯著影響生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率，但因水熱條件的區(qū)域差異導致不同生態(tài)系統(tǒng)間呼吸速率存在較大的異質性［36-37］。例如，在比較干旱的生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與溫度呈指數關系，同時受土壤含水量的影響［38］；也有研究表明土壤溫度越低，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率越大［39］；而在降水充足的草地生態(tài)系統(tǒng)中，增溫可以促進生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率［40］。Q10值是評價生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率對溫度變化敏感程度的指標［41-42］，全球草地生態(tài)系統(tǒng)Q10介于 1.35～3.48 之間［43］，通過分析得出，6-10月荒漠草原土壤溫度與生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率Q10值介于1.85～2.71 之間，空氣溫度與生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率Q10值介于2.31～2.82 之間，與全球草地生態(tài)系統(tǒng)呼吸Q10相一致，Q10隨著溫度的升高而下降，這與許多試驗結果相一致［44］。通過冗余分析得出，土壤含水量是影響天山北坡荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率的主要環(huán)境因子，6-9月生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤含水量呈顯著正相關。胡毅等［27］研究表明，天山北坡草甸草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤含水量呈指數相關關系；李成一等［45］分析表明，青藏高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤含水量無相關關系；本研究中荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤含水量呈二次函數關系，這可能是荒漠草原土壤含水量較低，土壤有機質含量較低，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率對水分變化極為敏感造成的。

4 結論

本研究通過分析天山北坡荒漠草原碳通量的變化特征及其與環(huán)境因子的相關關系，研究結論如下：1）天山北坡荒漠草原凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化呈倒“U”型曲線，凈生態(tài)系統(tǒng)碳吸收速率大小依次為8＞7＞6＞9＞10月；生長季各月生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率均呈單峰型曲線，生態(tài)系統(tǒng)碳排放量白天大于夜間；2）荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)生長季總固碳量為15.50 g C·m-2，表現為微弱的碳匯；6-8月荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)表現為碳匯，9-10月表現為碳源；3）日間凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率與光合有效輻射之間符合直角雙曲線模型；影響凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換速率日變化的主導因子是光合有效輻射，影響生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率的主要因子是5 cm 土壤含水量和空氣溫度。