黃土高原農(nóng)田土壤呼吸特征及其影響因素

李旭東，沈曉坤，張春平，傅華

（草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020）

自工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)所導(dǎo)致的CO2等溫室氣體在大氣中的體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升，使得全球表面溫度不斷升高［1］。CO2是最重要的溫室氣體，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占60%［2］。陸地生態(tài)系統(tǒng)約2/3以上的碳儲(chǔ)存在土壤中，而土壤呼吸作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣輸出碳的主要途徑，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分［3］。每年因土壤呼吸排放到大氣中的碳約占全球碳總排放量的5%～25%［4］，是化石燃料燃燒排放量的10倍以上［5］。因此，土壤呼吸速率的微小變化會(huì)引起大氣CO2濃度的重大改變，從而加劇或減緩全球氣候變暖［6－8］。

不同類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)之間土壤呼吸作用存在很大差異［9］，而目前有關(guān)土壤呼吸的研究主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸［10］，特別是黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究還較少［11］，這在一定程度上影響了從國(guó)家尺度對(duì)碳蓄積和碳排放的準(zhǔn)確估算以及碳增匯減源措施的實(shí)施。

黃土高原面積約628000km2，人口過(guò)億，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及碳循環(huán)對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)和反饋過(guò)程中起著重要作用［11］。因此，深入了解黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用的變化規(guī)律及其控制機(jī)制，不僅是準(zhǔn)確評(píng)估該區(qū)碳收支的關(guān)鍵，而且可為當(dāng)?shù)赝恋乩门c管理提供科學(xué)依據(jù)。本文研究了隴中黃土高原地區(qū)豌豆（Pisumsativum）田不同季節(jié)的土壤呼吸，分析了土壤呼吸日變化和季節(jié)變化的動(dòng)態(tài)特征，探討了影響土壤呼吸時(shí)間變異性的關(guān)鍵因子，以期為研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程與機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站，該站位于甘肅省榆中縣北部夏官營(yíng)鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為北緯35°57′，東經(jīng)104°09′，海拔1965.8m。地貌為黃土高原殘塬梁峁溝壑，屬大陸性半干旱氣候，年平均氣溫6.7℃，年降水量382mm，年蒸發(fā)量1343mm，無(wú)霜期90～140d。年日照時(shí)數(shù)約2600h。土壤主要為灰鈣土和淺灰鈣土。

1.2 樣地設(shè)置

選取氣候站周?chē)霓r(nóng)田為研究樣地，研究當(dāng)年（2007）該樣地種植作物為豌豆。該樣地面積為0.45 hm2，設(shè)置50m×50m的重復(fù)樣地3個(gè)。豌豆于2007年4月8日播種，7月29日收獲，收獲方式為連根拔起。該樣地施肥量為：有機(jī)肥3000kg/hm2（干重），尿素30kg/hm2，過(guò)磷酸鈣（60kg/hm2）。肥料均在播種前人工撒施，通過(guò)耕作使之混入土壤。土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 樣地不同土層土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical－chemical properties of soil in different soil layers in the study site

1.3 土壤呼吸的測(cè)定

土壤呼吸用LICOR－6400便攜式光合儀配以9號(hào)土壤呼吸室測(cè)定（LICOR，Inc.，Lincoln NE，USA）。測(cè)定開(kāi)始12h前埋設(shè)PVC呼吸測(cè)定圈（直徑10.4 cm，高5cm），呼吸圈嵌入土壤深度為1.5cm，每個(gè)重復(fù)樣地隨機(jī)埋設(shè)4個(gè)。作物生長(zhǎng)季的土壤呼吸測(cè)定中，呼吸圈內(nèi)的植物在測(cè)定前齊地面剪除，同時(shí)手工清除呼吸圈內(nèi)的枯落物。所有測(cè)定于2007年1月至12月期間進(jìn)行，每月下旬測(cè)定1次，每次測(cè)定均選擇晴朗天氣。另外，于6月26－27日和12月14－15日進(jìn)行了土壤呼吸日動(dòng)態(tài)的測(cè)定：測(cè)定頻度為9：00－21：00每隔2h測(cè)1次；21：00－次日6：00每隔3h測(cè)1次，3次重復(fù)。

由于在土壤呼吸的測(cè)定中觀測(cè)到土壤吸收CO2的現(xiàn)象，為了精確地確定CO2的負(fù)通量，我們假定在土壤呼吸室內(nèi)CO2濃度與外界環(huán)境中CO2濃度接近時(shí)，CO2的負(fù)通量有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的量值，然后，記錄測(cè)量室內(nèi)CO2濃度在90s內(nèi)的變化，并用以下公式計(jì)算：

其中，R為土壤呼吸速率（μmol CO2/m2·s）；P為呼吸室內(nèi)的氣壓（Pa）；V為測(cè)定時(shí)呼吸室的體積（L）；k為氣體常數(shù)（8314Pa·L/mol·K）；T為呼吸室內(nèi)氣體的溫度（K）；C90和C0分別為測(cè)定開(kāi)始（0s）以及結(jié)束（90s）時(shí)測(cè)量室內(nèi)CO2的濃度（μmol/mol）；A為呼吸圈的面積（m2）；90為測(cè)定所持續(xù)的時(shí)間（s）。

1.4 土壤溫度與水分的測(cè)定

在每次測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，用LI－6400光合儀配置的溫度探頭測(cè)定2和5cm的土壤溫度。在土壤呼吸測(cè)定結(jié)束后，用土壤水分探測(cè)儀（Trime TDR probe，IMKO，Ettlingen，Germany）原位測(cè)定呼吸圈內(nèi)表層10cm土壤的體積含水量。冬季由于土壤凍結(jié)而使土壤水分無(wú)法測(cè)定，該期間土壤水分值通過(guò)其他季節(jié)測(cè)定結(jié)果與同期氣象資料的相關(guān)方程計(jì)算得出。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 13.0for Windows統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行土壤呼吸與土壤溫度及土壤水分的相關(guān)分析和回歸分析，動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)采用Excel 2007繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸日動(dòng)態(tài)特征

圖1顯示了2007年豌豆田夏季（6月26－27日）和冬季（12月14－15日）土壤呼吸（SR）、2cm土壤溫度（T2）和5cm土壤溫度（T5）的日變化。SR日變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)“單峰型”曲線(xiàn)，總體均表現(xiàn)為白天高﹑夜晚低，且均與T2﹑T5變化趨勢(shì)相近，即在一定溫度范圍內(nèi)，SR隨土壤溫度升高而升高；夏季SR最高值（1.19μmol CO2/m2·s）出現(xiàn)在11：00－13：00；最低值（0.16μmol CO2/m2·s）出現(xiàn)在夜間0：00－3：00；SR的日平均值（0.53μmol CO2/m2·s）接近于9：00和19：00的觀測(cè)值。冬季 SR 最高值（0.41μmol CO2/m2·s）出現(xiàn)在13：00－15：00，最低值（－0.07μmol CO2/m2·s）出現(xiàn)在夜間21：00－0：00。SR的日平均值（0.08μmol CO2/m2·s）接近于9：00和17：00的觀測(cè)值，在17：00－次日9：00期間觀測(cè)到土壤有吸收CO2（即土壤呼吸負(fù)通量）現(xiàn)象。

2.2 土壤呼吸的季節(jié)變化特征及其影響因素

2.2.1 土壤呼吸季節(jié)變化特征 土壤呼吸速率的季節(jié)動(dòng)態(tài)同樣呈現(xiàn)“單峰型”曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)（圖2），最低值（0.01μmol CO2/m2·s）出現(xiàn)在12月，最高值（0.92μmol CO2/m2·s）出現(xiàn)在7月，其年平均值（0.42μmol CO2/m2·s）與3月份的觀測(cè)值相近。土壤呼吸季節(jié)變化趨勢(shì)與2和5cm土壤溫度的變化相一致，但與土壤水分的季節(jié)變化并不相同。土壤水分（0～10cm土層土壤體積含水量）最低值（1.3%）出現(xiàn)在1月，最高值（16.6%）出現(xiàn)在9月。

圖1 農(nóng)田土壤呼吸（SR）以及土壤溫度（T2：2cm；T5：5cm）的日變化（n＝3）Fig.1 Diurnal variations in SR（soil respiration），T2（soil temperature at 2cm）and T5（soil temperature at 5cm）in the cropland

圖2 農(nóng)田土壤呼吸（SR）、土壤溫度（T2：2cm，T5：5cm）以及土壤水分（0～10cm土壤體積含水量）的季節(jié)變化（n＝12）Fig.2 Seasonal variations of soil respiration（SR），soil temperature at 2cm （T2）and 5cm （T5）and soil moisture at 0－10cm in 2007（n＝12）

2.2.2 土壤呼吸與土壤溫度及土壤水分的關(guān)系 將全年的土壤呼吸測(cè)定值與對(duì)應(yīng)的2和5cm土壤溫度作相關(guān)分析，結(jié)果表明兩者之間呈極顯著線(xiàn)性相關(guān)（圖3）。與5cm土壤溫度（T5）相比，2cm土壤溫度（T2）能更好地解釋土壤呼吸的季節(jié)變化（R2＝0.7399，P＜0.01）。

其中，SR為土壤呼吸速率（μmol CO2/m2·s），Ts為2cm 土壤溫度（℃）。

圖3 土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系（n＝121）Fig.3 The correlations between soil respiration（SR）and soil temperature（n＝121）

為了分析土壤水分作為獨(dú)立因子對(duì)土壤呼吸作用的影響，根據(jù)以上分析得到的溫度與土壤呼吸的線(xiàn)性關(guān)系將土壤呼吸標(biāo)準(zhǔn)化到同一溫度（20℃）以消除溫度的影響［12］，得出公式（3）估算各觀察值在20℃土壤溫度條件下的土壤呼吸（SR20），再分析土壤呼吸與土壤水分的關(guān)系。

結(jié)果表明，土壤呼吸與土壤水分的相關(guān)性并不顯著（圖4）。說(shuō)明該區(qū)豌豆田土壤水分不是影響土壤呼吸的主要因素。

圖4 土壤呼吸與土壤水分的關(guān)系（n＝87）Fig.4 The relationship between soil respiration（SR）and soil moisture at 10cm （n＝87）

3 討論

3.1 土壤呼吸日變化

土壤溫度和土壤水分是影響土壤呼吸的重要因素［13］。一般情況下，土壤溫度是影響土壤呼吸作用的最主要因素［14］。土壤呼吸與土壤溫度主要有線(xiàn)性關(guān)系、指數(shù)關(guān)系、二次方程關(guān)系和Arrhenius方程等［15］，因此，溫度的變化能夠解釋土壤呼吸日、季節(jié)變化的大部分變異［16］。本研究結(jié)果表明，研究區(qū)豌豆田冬、夏兩季土壤呼吸日動(dòng)態(tài)與土壤溫度之間呈顯著的相關(guān)性。該研究結(jié)果和其他生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果相似［10，17－21］。這主要由于在一個(gè)晝夜之內(nèi)土壤溫度變化大而土壤水分相對(duì)穩(wěn)定，因此土壤呼吸日動(dòng)態(tài)主要受土壤溫度影響［22］。

該樣地冬季土壤呼吸日變化測(cè)定中觀測(cè)到“負(fù)通量”現(xiàn)象，在同一研究區(qū)的其他研究中也觀測(cè)到這一現(xiàn)象［23］。張金霞等［24］通過(guò)對(duì)高寒矮嵩草（Kobresiahumilis）草甸的研究，認(rèn)為在植物非生長(zhǎng)季，草氈寒凍雛形土壤CO2呈現(xiàn)出負(fù)排放可能是因?yàn)榇藭r(shí)氣溫和土溫均很低，土壤微生物和根系呼吸基本停止；而CO2在水中的溶解度隨溫度下降而升高，故冬季土壤孔隙中的CO2易被土壤水分吸收而積聚在凍土層中，使大氣中的CO2濃度因高于土壤孔隙中的CO2濃度而向土壤擴(kuò)散，從而出現(xiàn)土壤呼吸負(fù)通量現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比前人沒(méi)有出現(xiàn)土壤呼吸負(fù)通量的研究［17，25－32］時(shí)發(fā)現(xiàn)這些樣地的土壤pH多數(shù)偏向酸性或接近中性，而本研究樣地土壤pH呈堿性且1m土層平均pH值高達(dá)8.53。劉再華等［33］的研究認(rèn)為CO2易溶于水，其水溶液是由碳酸、重碳酸根和碳酸根離子組成的平衡混合物，各組成之間的反應(yīng)為：CO2＋H2OH2CO3H＋＋HCO3－2H＋＋CO32－，堿性溶液會(huì)使平衡向右移動(dòng)，pH約為7～9時(shí)，溶液碳以HCO3－的形式存在；pH再高時(shí)，則主要是CO32－；硅酸鹽風(fēng)化形成的全部HCO3－和方解石溶解產(chǎn)生的HCO3－有一半是來(lái)自于大氣或土壤CO2。因此，本研究認(rèn)為：該區(qū)鈣質(zhì)土壤偏高的堿性促進(jìn)了土壤次生碳酸鹽的形成是造成土壤呼吸負(fù)通量的主要原因，而冬季低溫加劇了這一過(guò)程；夏季同樣可能出現(xiàn)土壤吸收CO2現(xiàn)象，但由于夏季全天較高的土壤溫度導(dǎo)致土壤呼吸速率高于土壤吸收CO2速率，從而使得土壤吸收CO2現(xiàn)象被掩蓋。堿性的鈣質(zhì)土壤對(duì)CO2的吸收可為尋找遺失的碳匯提供一個(gè)新的方向，同時(shí)，由于土壤吸收CO2現(xiàn)象的存在也使得土壤呼吸觀測(cè)值低于實(shí)際值，要正確量化土壤對(duì)CO2的吸收，則需深入研究其機(jī)制。

3.2 土壤呼吸的影響因素及其季節(jié)變化特征

春季，土壤呼吸速率隨著土壤溫度的升高而逐漸增強(qiáng)。4月豌豆播種后，人為對(duì)土壤的擾動(dòng)［34］有利于土壤微生物活動(dòng)，且隨著作物的生長(zhǎng)［35］，地下生物量逐漸增加［36］，同時(shí)溫度和土壤水分的升高，使得土壤呼吸速率逐漸增大。到了7月份，土壤溫度和水分雖略有降低，但此時(shí)豌豆生長(zhǎng)處于最為旺盛的開(kāi)花結(jié)莢期，地下生物量大，從而使土壤呼吸速率達(dá)到整個(gè)生長(zhǎng)期以及全年的最大值（觀測(cè)時(shí)間為7月21日），7月29日豌豆收獲，由于收獲時(shí)連根拔起，使地下生物量迅速減少，且土壤溫度和水分也有所下降，使得8月份開(kāi)始土壤呼吸速率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。但是由于收獲時(shí)人為對(duì)土壤的擾動(dòng)促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng)，故8月份的呼吸值仍維持較高水平。9月份以后，土壤溫度持續(xù)下降，微生物活動(dòng)逐漸減弱，使得土壤呼吸速率持續(xù)下降。豌豆作物最大生長(zhǎng)時(shí)期與最大土壤呼吸相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)在7月份（豌豆的開(kāi)花結(jié)莢期），這與Rochette等［37］的研究結(jié)果相近。

土壤溫度和土壤水分均有可能成為影響土壤呼吸季節(jié)變化的主導(dǎo)因子，這主要取決于具體地域的限制性環(huán)境因子［38－39］。有研究表明，土壤水分是影響土壤呼吸的重要因素之一［40］，土壤呼吸與土壤水分間具有線(xiàn)性相關(guān)性［41］。在土壤水分充足、水分不成為限制因子的條件下土壤呼吸與土壤溫度呈正相關(guān)，而當(dāng)土壤水分成為限制因子時(shí)水分含量和溫度共同起作用［42］。但本研究的全年結(jié)果表明土壤水分與土壤呼吸間無(wú)顯著相關(guān)性（P＞0.05），所以土壤溫度是影響本研究區(qū)域土壤呼吸的主要因素，這與其他研究結(jié)果一致［30，43－45］。早期認(rèn)為，冬季土壤呼吸速率很小，因此在分析地——?dú)釩O2交換過(guò)程中可以忽略不計(jì)［46］。但也有研究發(fā)現(xiàn)，冬季土壤呼吸占全年土壤呼吸的比例很大，即使在高緯度和高寒地區(qū)也不能忽略［25］。本次觀測(cè)結(jié)果得出的冬季土壤呼吸占全年的比重約8.9%，所以要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)全年土壤碳收支，冬季土壤呼吸不能被忽視。

4 結(jié)論

黃土高原旱作農(nóng)田土壤呼吸日、季節(jié)變化均呈“單峰型”曲線(xiàn)變化趨勢(shì)，土壤溫度是土壤呼吸日、季節(jié)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，可以解釋豌豆生長(zhǎng)季土壤呼吸的時(shí)間變異，而土壤水分對(duì)其影響相對(duì)較弱。該區(qū)農(nóng)田土壤呼吸存在“負(fù)通量”現(xiàn)象，堿性的鈣質(zhì)土壤（pH＞8.2）中土壤次生碳酸鹽的形成可能是造成土壤吸收CO2的主要原因；土壤吸收CO2現(xiàn)象的存在會(huì)導(dǎo)致土壤呼吸速率的實(shí)際值被低估。冬季土壤呼吸占全年的比重約8.9%，因此，僅利用生長(zhǎng)季的觀測(cè)資料估算全年的總呼吸量將導(dǎo)致結(jié)果偏低。

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