不同莖級(jí)下同種灌溉模式棗樹(shù)土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化

劉 楠 武勝利 王 霄 孫雨婷

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830054）

不同莖級(jí)下同種灌溉模式棗樹(shù)土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化

劉 楠 武勝利 王 霄 孫雨婷

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830054）

在阿克蘇地區(qū)溫宿縣佳木試驗(yàn)站利用Li-8100開(kāi)路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)同種灌水模式下不同莖級(jí)棗樹(shù)土壤呼吸速率。結(jié)果表明,空白地和3cm棗樹(shù)土壤呼吸速率一般在02∶00-04∶00升到一天中的峰值，9cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在08∶00-10∶00,上升到一天中的峰值，18cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在16∶00-18∶00上升到一天中的峰值。在相同灌水條件下，3cm棗樹(shù)、9cm棗樹(shù)以及18cm呈現(xiàn)出徑級(jí)越小土壤呼吸速率越強(qiáng)的規(guī)律。由土壤呼吸Q10值得出，土壤呼吸速率對(duì)溫度的敏感程度也隨著棗樹(shù)徑級(jí)的遞增呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。

棗樹(shù)；灌水模式；峰值；土壤呼吸速率；溫度；土壤濕度

0 引言

土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過(guò)程，主要是微生物生命活動(dòng)和根系呼吸協(xié)同產(chǎn)生，另有極少部分是由土壤動(dòng)物和化學(xué)釋放。作為生態(tài)系統(tǒng)功能的一個(gè)重要過(guò)程，土壤呼吸往往被是為土壤生物活性和土壤肥力及透氣性的指標(biāo)而受到重視[1-3]。因此土壤呼吸一直是全球碳循環(huán)研究的重點(diǎn)。

土壤呼吸作為一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，受到多種因素的影響。這使得土壤呼吸一方面具有某種規(guī)律性，另一方面有表現(xiàn)出不規(guī)則的變化。土壤呼吸不僅受到溫度[4]、濕度[5]、土壤pH值[6]、和風(fēng)速[7]等環(huán)境條件的影響，而且在同一氣候—土壤環(huán)境條件下還受不同生態(tài)系統(tǒng)及有關(guān)生物過(guò)程如植被狀況、土壤動(dòng)物[8,9]等以及人為因素，如土地利用[10]、森林砍伐[11]、和環(huán)境污染[12]等的影響。國(guó)內(nèi)外有關(guān)土壤呼吸的研究主要集中在森林、草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，研究?jī)?nèi)容涉及土壤呼吸在不同時(shí)間尺度上的變化、土壤呼吸與環(huán)境因素的關(guān)系、土壤呼吸對(duì)CO2濃度升高及氮沉降的響應(yīng)等[13-18]。而對(duì)于農(nóng)田作物不同水分情況下土壤呼吸及其影響因素的研究相對(duì)很少。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阿克蘇地區(qū)溫宿縣佳木試驗(yàn)站。本區(qū)屬大陸性干旱荒漠氣候，其特征是降水量稀少，四季分配不均；晝夜溫差大，春季較短，多大風(fēng)降溫天氣，時(shí)常有倒春寒現(xiàn)象發(fā)生。夏季炎熱而干燥；降雨量年際變化大，平原年均降雨量63.4毫米，年蒸發(fā)量956.3毫米。年均氣溫10.1℃，極端低溫-27.4℃，年均日照時(shí)數(shù)2747.7小時(shí)，≥10℃積溫2916.8℃-3198.6℃，無(wú)霜期185天，研究區(qū)內(nèi)土壤發(fā)育主要受中溫帶大陸性干旱氣候和山地地形及其植被的影響。土壤質(zhì)地適中，主要為沙壤。天然植被主要有云杉、樺樹(shù)、落葉松、白榆、白臘、楊樹(shù)、胡楊、刺槐、臭椿等10多種。試驗(yàn)站內(nèi)灌溉樣地用水為臺(tái)蘭河下游水源，水資源充足，能滿(mǎn)足試驗(yàn)地生產(chǎn)生活需要。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)獲取

不同樹(shù)齡的棗樹(shù)根系處在的生長(zhǎng)階段不同，導(dǎo)致主要根系分布區(qū)距離樹(shù)干距離的不同，因此實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)不同莖級(jí)棗樹(shù)根系縱剖面密集程度分布狀況的差異，來(lái)設(shè)置4塊樣地土壤檢測(cè)點(diǎn)的區(qū)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要在空白地隨機(jī)布設(shè)2個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間隔約為40cm；距離3cm棗樹(shù)根系60cm處布設(shè)兩個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間隔約為40cm；距離9cm棗樹(shù)根系1.2m處布設(shè)兩個(gè)土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間隔約40cm；距離18cm棗樹(shù)根系1.8m處布設(shè)兩個(gè)土壤檢測(cè)點(diǎn)，間隔約40cm。土壤呼吸速率測(cè)定用LI-8100(LI-COR,Lincoln,NE,USA)。為避免人為干擾，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋入一個(gè)10cm左右的PVC管，上端露出地面2-3cm，以盡量不破壞原有土壤物理結(jié)構(gòu)和生物生活狀態(tài)為原則，經(jīng)過(guò)24-48小時(shí)平衡后再測(cè)定土壤呼吸。于2011年6月19日，棗樹(shù)生長(zhǎng)旺季按照每畝80方進(jìn)行換算成樣地面積，對(duì)4塊樣地進(jìn)行觀測(cè)，空白地長(zhǎng)寬5m×5m，3cm棗樹(shù)樣地6.5m×7m，9cm棗樹(shù)樣地5 m×8m，18cm棗樹(shù)樣地8m×9m灌水，選取晴朗無(wú)風(fēng)日，對(duì)各地土壤呼吸進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為2h，每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一時(shí)段重復(fù)3次，分析時(shí)采用平均值。

測(cè)定土壤呼吸速率日變化的同時(shí)，每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)挖1m土壤剖面，使用WMY-01C同步測(cè)定氣溫和0、5、10、20、30、50、80、100cm的土壤溫度。由于干旱區(qū)一天內(nèi)土壤含水量、鹽分、養(yǎng)分等特征變化較小，分析方法為常規(guī)方法。

采用Spass13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，采用Excle2003繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸速率的日變化特征

根據(jù)不同灌水模式下棗樹(shù)徑級(jí)的不同土壤呼吸日變化進(jìn)行分析,觀測(cè)期間空白地棗樹(shù)平均土壤呼吸速率為7.28μmol，3cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率為6.85μmol，9cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率為 6.59μmol，18cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率為6.35μmol，空白地土壤呼吸速率明顯比3cm、9cm、18cm棗樹(shù)土壤呼吸速率高。而在相同灌水條件下，3cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率＞9cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率＞18cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率，即棗樹(shù)徑級(jí)越小土壤呼吸速率越強(qiáng)的規(guī)律。

在同土地利用方式下（由圖1、2、3、4可見(jiàn)）,土壤呼吸速率日變化趨勢(shì)均一致。土壤呼吸速率與近地面氣溫日動(dòng)態(tài)均呈單峰曲線(xiàn)?？瞻椎赝寥篮粑俾室话阍?2：00-04：00升到一天中的最高值,3cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在08：00-10：00以及02：00-04：00上升到一天中的最高值，9cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在08：00-10：00,上升到一天中的最高值，18cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在,16：00-18：00上升到一天中的最高值，樣地近地面氣溫在16：00達(dá)到一天中的峰值；土壤呼吸速率峰值較近地面氣溫峰值提前,推測(cè)近地面氣溫的繼續(xù)升高反而抑制土壤中微生物和動(dòng)物活動(dòng)。4種灌溉模式下土壤溫度均隨時(shí)間的變化呈上升趨勢(shì),但總體變化不大。

2.2 土壤呼吸速率與溫度變化的關(guān)系

國(guó)內(nèi)外很多研究表明,土壤呼吸速率與土壤溫度和空氣溫度有很好的相關(guān)性,對(duì)土壤溫度而言,主要研究集中在0、5和10cm,許多研究發(fā)現(xiàn),距地表5cm土壤溫度與土壤呼吸速率的相關(guān)性最好。以2011年6月份土壤呼吸速率與溫度的變化為例,6月四種不同灌水模式下土壤呼吸速率都為單峰型(圖1、2、3、4)。四種不同灌水模式土壤呼吸速率與距地表5cm土壤溫度和地面溫度的日變化趨勢(shì)基本一致,但地面溫度與土壤呼吸速率的位相變化有很好的同步性,而5cm土壤溫度的變化則略滯后于土壤呼吸速率的變化。

土壤呼吸Q10值通常用來(lái)表征土壤呼吸速率對(duì)溫度的敏感程度,即溫度每升高10℃土壤呼吸速率增加的倍數(shù),模型Q10=e10b可以直觀反映土壤呼吸對(duì)溫度敏感性的強(qiáng)弱,式中,b為土壤呼吸與溫度指數(shù)模型y=aeby(y為呼吸速率,a為基礎(chǔ)呼吸速率,b為溫度反應(yīng)系數(shù))中的溫度反應(yīng)系數(shù)[16]。為分析土壤呼吸速率對(duì)溫度變化的敏感性以及便于不同灌水模式下土壤呼吸量的比較,分別對(duì)空白地以及不同徑級(jí)下土壤呼吸速率與地面溫度做Q10計(jì)算,空白地的Q10=2.08,3cm棗樹(shù)的Q10= 1.82,9cm棗樹(shù)的Q10=1.73，18cm棗樹(shù)的Q10=1.68。除空白地作為參照對(duì)比性試驗(yàn)以外，土壤呼吸速率對(duì)溫度的敏感程度也隨著棗樹(shù)徑級(jí)的遞增呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。

圖1 空白地每畝80方水

圖2 3cm棗樹(shù)每畝80方水

圖3 9cm棗樹(shù)每畝80方水

圖4 18cm棗樹(shù)每畝80方水

3 結(jié)論

棗樹(shù)是阿克蘇地區(qū)人工生態(tài)系統(tǒng)的主要土地利用方式之一,不同的土地管理措施可影響土壤溫度、水分,從而影響土壤呼吸。在本研究中,棗樹(shù)近地面氣溫和土壤溫度35.24℃和32.56℃(P＜0.01)。這就為我們對(duì)不同土地利用方式下土壤呼吸的影響因素進(jìn)行比較分析提供了良好的條件。

在同土地利用方式下,土壤呼吸速率日變化趨勢(shì)均一致。土壤呼吸速率與近地面氣溫日動(dòng)態(tài)均呈單峰曲線(xiàn)?？瞻椎赝寥篮粑俾室话阍?2：00-04：00升到一天中的最高值,3cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在08：00-10：00以及02：00-04：00上升到一天中的最高值，9cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在08：00-10：00,上升到一天中的最高值，18cm棗樹(shù)土壤呼吸速率在,16：00-18：00上升到一天中的最高值，樣地近地面氣溫在16：00達(dá)到一天中的峰值。

由圖分析得知，在相同灌水條件下，3cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率＞9cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率＞18cm棗樹(shù)平均土壤呼吸速率，即棗樹(shù)徑級(jí)越小土壤呼吸速率越強(qiáng)的規(guī)律。

由土壤呼吸Q10值得出除空白地作為參照對(duì)比性試驗(yàn)以外，土壤呼吸速率對(duì)溫度的敏感程度也隨著棗樹(shù)徑級(jí)的遞增呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。

溫度是控制土壤二氧化碳排放量最重要的因素。土壤溫度通過(guò)影響土壤中植物根系和微生物的新陳代謝影響土壤呼吸。樣地位于北半球中緯度,氣溫年、日較差大,因此該區(qū)域土壤CO2釋放速率與溫度相關(guān)性較大。通過(guò)單變量分析得出,相同灌溉模式下不同生長(zhǎng)年齡棗樹(shù),土壤溫度對(duì)土壤呼吸的影響都顯著(P＜0.05)。

土壤濕度是干旱半干旱地區(qū)土壤呼吸最主要的影響因子。土壤含水量影響土壤呼吸表現(xiàn)為較高的含水量能為土壤微生物提供更好的環(huán)境,從而增加氧的消耗,增加土壤CO2釋放量。農(nóng)地方面,土壤含水量受灌溉影響,其值在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)均較高,在測(cè)定期間由于灌水條件一致,土壤的透氣性不受影響,它對(duì)微生物和植物根系活動(dòng)的限制作用較弱,此時(shí)土壤水分的影響很可能被其他因子的影響所掩蓋。在大多數(shù)情況下,土壤呼吸受溫度和土壤水分的綜合影響。對(duì)土壤呼吸與溫濕度間的逐步回歸分析表明,土壤年呼吸量的總變異中,至少有60%以上是由溫濕度的協(xié)同效應(yīng)引起的。

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Different Level Below The Same Kind of Irrigation Mode Stem-the Dynamic Changes of Soil Bresathing

LIU Nan WU Sheng-liWANG XiaoSUN Yu－ting
(Geography Department of Xinjiang Normal University,Urumqi Xinjiang,830054)

In WenSuXian aksu jiamu experiment stations use Li-8100 open type soil carbon flux measurement system observation for the same water mode different soil respiration rate stems village level.The results show that,blank and 3 cm soil respiration rate in general-02：00-04：00 ascend to the peak day,9 cm soil respiration rate-08：00-at 10：00,rising to a peak of the day,18 cm soil respiration rate village in writing of the day to rise to 18：00 peak.In the same water conditions,3 cm a date tree,9 cm a date tree and the 18 cm presents the smaller diameter level soil respiration rate of the law of the stronger.From the soil breathing Q10is worth out,and the soil respiration rate of temperature sensitive degree with diameter of the village level increases present a descending trend.

Jujube tree;Irrigation mode;Peak;Soil breathing rate;Temperature;Soilhumidity

劉楠（1986—），男，河南商丘人，在讀碩士，主要從事干旱區(qū)環(huán)境演變研究。

武勝利（1977—），男，河南西平人，博士，教授，主要從事干旱區(qū)環(huán)境演變與風(fēng)沙地貌方面研究。

林業(yè)部林業(yè)公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目201004085（三種果樹(shù)林地水分丟失規(guī)律的研究）資助。

江廣霞］