施肥及環(huán)境因子對海南熱帶橡膠林土壤呼吸的影響

謝明德，陳明智,*，吳蔚東，孫紅亮

1. 海南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，海南 ?？?570228；2. 熱帶作物種質(zhì)資源保護(hù)與開發(fā)利用教育部重點實驗室，海南 ?？?570228

土壤呼吸作為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個重要組成部分，它與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的許多組分都有聯(lián)系，而且，土壤呼吸在調(diào)控陸地生態(tài)系統(tǒng)的大氣CO2濃度和氣候動態(tài)方面起著十分關(guān)鍵的作用。大氣中CO2的來源除了煤礦、石油、天然氣等化石燃料的燃燒外，還有來自陸地生物圈和海洋中釋放的CO2，其中陸地生物圈碳儲量部分所占的比例大于三分之二（Rustad等，2000）。土壤呼吸每年釋放到大氣的 CO2量比化學(xué)燃料燃燒釋放的 CO2量要高出10倍（Raich和Potter，1995）。全球土壤中所含的碳為3150 Pg，是大氣碳庫（750 Pg）的4倍，是植物碳庫（650 Pg）的將近5倍（Jobbagy和Jackson，2000）。因此，土壤呼吸的微小變化就能嚴(yán)重改變大氣CO2濃度的平衡?？梢?，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中，土壤碳循環(huán)過程起著極其重要的作用（周莉等，2005）。

施用肥料不僅能提供作物生長所需的養(yǎng)分，影響植物的生長狀況，而且能提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量（Campbell等，2001；徐陽春等，2002），促進(jìn)土壤微生物活動，釋放出CO2。國內(nèi)許多研究表明，不同配比施肥處理下的土壤呼吸速率存在顯著性差異（石兆勇等，2012），經(jīng)施肥處理的土壤呼吸速率均顯著高于對照處理（喬云發(fā)等，2007），對照處理與其它肥料處理相比土壤呼吸對土壤溫度有較大的敏感性（劉曉雨等，2009）。國外 Russell（Russell等，2005）等認(rèn)為農(nóng)作物施用化肥與農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳間存在顯著的負(fù)相關(guān)，但Stuar等（Stuart等，2002）研究表明，有機(jī)肥或有機(jī)肥與化肥配合施用能夠顯著提高土壤總有機(jī)碳的含量。但是，目前為止，關(guān)于施肥及環(huán)境因子對海南熱帶橡膠林地土壤呼吸影響研究的報道較為鮮見。因此，本研究擬通過海南橡膠林地施肥試驗，分析和了解不同施肥處理對橡膠林地土壤呼吸速率的影響及土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤水分含量的關(guān)系，期望通過研究施肥對土壤呼吸的響應(yīng)機(jī)制為進(jìn)一步揭示熱帶橡膠林地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程及其機(jī)理提供重要的理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

試驗地位于海南省屯昌縣黃嶺農(nóng)場的膠園地(19°23′N，109°56′E)，在海南省中部偏北，地勢南高北低，中部比較平坦，屬于丘陵半山區(qū)，大部分地區(qū)海拔在130~230 m之間。氣候四季變化不大，屬熱帶季風(fēng)氣候，光熱充足，日照時間長，年日照1800~2200 h。雨水充分，年降水量 1800~2500 mm。年平均氣溫24.6~26.3 ℃，天氣最熱在8月份，平均氣溫有30~33 ℃；天氣最冷在1月份，平均氣溫17~19 ℃。

1.2 實驗設(shè)計

在整片梯田地中隨機(jī)選取3行試驗樣地，每行樣地中設(shè)3個處理：(1) 不施肥處理(CK)；(2) 施有機(jī)肥處理（T1）每株5 kg，養(yǎng)分含量N+P+K=6%；(3) 施無機(jī)化肥處理（T2）每株0.9 kg，養(yǎng)分含量N+P+K=30%。每個處理3次重復(fù)，肥料施在2株橡膠樹間的營養(yǎng)溝內(nèi)，離膠頭1 m處，營養(yǎng)溝規(guī)格：長×寬×深=1 m×0.5 m×0.3 m，肥料于2013年1月6日統(tǒng)一填入土壤中，施完后覆土。供試土壤為花崗巖磚紅壤，其土壤基本理化性質(zhì)為pH=6.68、土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.11 g·kg-1、土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.66 g·kg-1、土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.52 mg·kg-1、土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)53.70 mg·kg-1。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤呼吸速率測定

采用LI-8100土壤碳通量自動測量系統(tǒng)(Lincoln，USA)進(jìn)行測定，在樣地里埋入PVC土壤環(huán)（內(nèi)徑為20 cm，高為15 cm，埋置土壤中12 cm深處），徹底剪除環(huán)內(nèi)所有植物的地上部分，砸實外圈土壤以防漏氣，在整個測定期間保持PVC土壤環(huán)位置不動。在每次測定土壤呼吸前24 h，貼地剪除地表低矮植物，盡量不破壞土壤，以減少土壤擾動及根系損傷對測量結(jié)果的影響。從第一天早上07:00到第二天凌晨04:00，白天每2小時測定一次，晚上每3小時測定一次，具體的測定時間為07:00、09:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00、22:00、01:00、04:00，從2013年1月7日起，每7天測定一次，兩個月連續(xù)測得10次。

1.3.2 土壤溫度測定

土壤溫度采用LI-8100 附帶的溫度探針測定每個樣點附近5 cm深度的土壤溫度，同時用溫度計同步測得當(dāng)時的氣溫。

1.3.3 土壤含水量測定

在測定土壤呼吸的同時，在每個樣點取深度為0~20 cm土樣，用烘干法測定土壤含水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計分析是在Microsoft Excel和SPPSS19.0軟件中進(jìn)行，用曲線估計法(Curve Estilation）對呼吸速率與土壤含水量、土壤溫度間的回歸關(guān)系做擬合。由于土壤溫度與土壤呼吸有一定的指數(shù)關(guān)系（Luo等，2001），因此，采用指數(shù)模型RS=aebT擬合土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性（Xu和Qi，2001）。其中，RS為土壤呼吸速率，a、b為待定參數(shù)，T為溫度為0 ℃時的土壤呼吸。因此，土壤呼吸的溫度敏感性Q10為：Q10=e10b，公式中，b同上式。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度、土壤含水量和土壤呼吸的日變化

2.1.1 土壤溫度和土壤含水量的日變化

從圖1可以看出，大氣溫度與地下5 cm土壤溫度的日變化基本上呈現(xiàn)相似的單峰曲線，先逐漸上升，到達(dá)最高點后又逐漸下降。兩者一天的溫度最大值均出現(xiàn)在15:00，分別為23.35 ℃和20.22 ℃；最小值均出現(xiàn)在4:00，值分別為和17.08 ℃和16.65 ℃。兩者溫度變化幅度分別是6.27 ℃和3.57 ℃，平均溫度分別為19.91 ℃和18.40 ℃。

圖2 含水量日變化Fig.2 The diurnal variation of moisture

從圖2可以看出，土壤含水量在一天時間里變化范圍不是很大，在25%上下波動，最大值出現(xiàn)在4:00，最小值出現(xiàn)在17:00，與溫度的最大值點和最小值點相反，值分別為27%和20%。這是由于土壤含水量受蒸發(fā)量的影響較大，氣溫越高，蒸發(fā)量越大，土壤含水量越低。含水量變化幅度是7%，平均含水量為23.9%。

2.1.2 不同施肥處理的土壤呼吸日變化

由圖3可知，一天中不同施肥處理的橡膠林土壤呼吸速率的變化趨勢基本一樣，都有1個最高峰，從早上7:00點開始隨氣溫升高，呼吸速率也迅速增加，最大值均出現(xiàn)在13:00點左右，此后再隨時間的推移而降低，直到凌晨04:00點時出現(xiàn)最低值。呼吸速率隨溫度升高而加快，與溫度的變化趨勢同步。CK、T1和T2的呼吸速率的變化幅度分別是2.20 μmol·m-2·s-1、2.85 μmol·m-2·s-1和2.47μmol·m-2·s-1。

2.2 土壤溫度、土壤含水量和土壤呼吸的周期變化

2.2.1 土壤含水量和溫度的周期變化

由圖4可知，大氣溫度與地下5 cm土壤溫度月變化基本上呈現(xiàn)相似的曲線變化，只是地下5 cm土溫略低于大氣溫度，兩者在研究期內(nèi)的溫度最大值均出現(xiàn)在3月12日，值分別26.46 ℃和23.18 ℃。而大氣溫度的最小值出現(xiàn)在1月14日，地下5 cm土溫的最小值出現(xiàn)在1月21日，值分別為19.25 ℃和16.24 ℃，溫度變化幅度分別是7.21 ℃和6.94 ℃，平均溫度分別為22.19 ℃和19.48 ℃。

從圖5可以看出，土壤含水量在研究期內(nèi)有一定的起伏波動，但是變化范圍不是很大，都在25%上下波動，最大值出現(xiàn)在2月12日，最小值出現(xiàn)在1月21日，值分別為29%和22%，含水量變化幅度為7%，平均含水量為25.3%。

圖3 土壤呼吸日變化Fig.3 The diurnal variation of the soil respiration

圖4 溫度周期變化Fig.4 The periodic variation of temperature

圖5 水分周期變化Fig.5 The periodic variation of moisture

圖6 土壤呼吸周期變化Fig.6 The periodic variation of the soil respiration

2.2.2 不同施肥處理的土壤呼吸周期變化

由圖6可知，在兩個月中不同施肥處理橡膠林土壤呼吸速率的變化趨勢基本一致，只是波動幅度不一樣，基本上隨溫度升高而加快，最大值均出現(xiàn)在3月12日，最小值出現(xiàn)在1月14日。CK、T1和T2的呼吸速率的平均值分別為2.632 μmol·m-2·s-1、3.154 μmol·m-2·s-1和3.195 μmol·m-2·s-1，變化幅度分別 是 2 μmol·m-2·s-1、 2.19 μmol·m-2·s-1和 2.32μmol·m-2·s-1。

圖7 土壤呼吸速率與地表溫度的關(guān)系Fig.7 Rrelationship between soil respiration rate and soil temperature

圖8 土壤呼吸速率與地下5 cm溫度的關(guān)系Fig.8 Rrelationship between soil respiration rate and soil temperature at 5 cm depth

2.3 環(huán)境因子對土壤呼吸的影響

2.3.1 溫度對土壤呼吸的影響

如圖7、圖8所示，對土壤呼吸速率與溫度進(jìn)行指數(shù)回歸分析，土壤呼吸速率與溫度均有顯著的指數(shù)回歸關(guān)系。從表1可以看出，土壤呼吸速率與5 cm地溫的相關(guān)性最好（0.572< R2<0.737），這說明5 cm地溫能較好反映出土壤呼吸速率與環(huán)境溫度的關(guān)系，P值均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。采用Q10值反映土壤呼吸的溫度敏感性，（即溫度每增加10 ℃土壤呼吸增加的倍數(shù)）得出CK、T1和T2處理土壤呼吸速率與5 cm地溫之間的土壤呼吸溫度敏感系數(shù)Q10值分別為2.59、2.34和2.53。這一結(jié)果表明，當(dāng)溫度每升高10 ℃，CK、T1和T2處理的土壤呼吸速率分別變?yōu)樵瓉淼?.59、2.34、2.53倍，CK處理的土壤呼吸對溫度變化的敏感性最強(qiáng)。

表1 土壤呼吸速率與溫度的關(guān)系Table 1 Rrelationship between soil respiration rate and temperature

圖9 土壤呼吸速率與土壤水分的關(guān)系Fig.9 Rrelationship between soil respiration rate and soil water content

表2 土壤呼吸速率與水分的關(guān)系Table 2 Rrelationship between soil respiration rate and soil water content

2.3.2 水分對土壤呼吸的影響

采用二次方程進(jìn)行擬合，研究土壤呼吸與土壤水分之間的關(guān)系（圖9，表2），從圖9可以看出，隨著土壤水分的增加，土壤呼吸強(qiáng)度并不是一直增強(qiáng)，當(dāng)土壤水分達(dá)到一定含量時，土壤呼吸速率開始減慢，CK、T1和T2 處理土壤呼吸速率最高時的土壤水分別為27%、27%和28%。本實驗土壤（0~10 cm）水分作為土壤呼吸速率的影響因素，其解釋了土壤呼吸周期變化的18.9%~36.7%，但是土壤呼吸速率與土壤水分兩者的相關(guān)關(guān)系較弱，p值沒有達(dá)到顯著水平(p>0.05)。

2.4 施肥對土壤呼吸的影響

從圖6可知，在沒有施肥前，3個處理的土壤呼吸速率相近，施肥第一周（1月14日）由于受氣溫降低的影響呼吸速率減慢，但T1、T2處理的土壤呼吸速率比 CK的高；施肥一個月（從 1月 14日到2月5日），氣溫逐漸上升，土壤呼吸速率逐漸加快。至2月5日，CK、T1和T2處理的土壤呼吸速率分別為 2.98 μmol·m-2·s-1、4.18 μmol·m-2·s-1和 3.14 μmol·m-2·s-1?？梢?，T1 處理的呼吸速率上升迅速，明顯高于T2和CK處理的。從2月5日到2月19日，3個處理的土壤呼吸速率又減慢，但是T1處理的呼吸速率還是最高的，CK、T1和T2的值分別為 2.21 μmol·m-2·s-1、3.11 μmol·m-2·s-1和2.86 μmol·m-2·s-1。施肥處理 2 個月（2 月 19 日到 3月12日），3個處理的土壤呼吸速率又加快，T2處理的上升幅度最大。3月12日，CK、T1和T2處理的土壤呼吸速率分別為 3.43 μmol·m-2·s-1、4.03μmol·m-2·s-1和 4.35 μmol·m-2·s-1，可見，T1、T2 處理的土壤呼吸速率比CK的高。在整個施肥周期里，3個處理的土壤呼吸速率大小的順序依次為：T1>T2>CK。在表3中可以發(fā)現(xiàn)只有在2月5日T1處理與CK、T2處理有顯著差異，2月12日CK處理與T1、T2處理有顯著差異，3月5日和3月12日CK處理與T2處理有顯著差異，其余的均沒有顯著差異。

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤呼吸的動態(tài)變化

許多研究表明，土壤呼吸具有明顯的日變化和季節(jié)變化，森林和草原的土壤呼吸速率在日變化中都會呈現(xiàn)出單峰曲線的趨勢（蔣延玲等，2005；王娓和郭繼勛，2002），而且在一天中土壤呼吸速率最高的時刻在中午 14:00—15:00，最低的時刻在凌晨 04:00—5:00（劉紹輝等，1998；陳述悅等，2004）。本實驗中土壤呼吸日變化也同樣呈現(xiàn)明顯的單峰曲線變化，在夜晚呼吸速率較低，白天逐漸升高，在某一時間段達(dá)到最大值，然后再隨時間的推移而降低，最大值均出現(xiàn)在 15:00點，直到凌晨 04:00點時出現(xiàn)最小值，與前人的研究結(jié)果相同。

表3 不同施肥處理橡膠林土壤呼吸速率差異性比較Table 3 The comparison of different fertilizing method of soil respiration in rubber plantation

3.2 水熱因子對土壤呼吸的影響

在本研究中，土壤呼吸速率與土壤溫度之間具有顯著指數(shù)關(guān)系(p<0.05)，這與多數(shù)研究結(jié)果基本一致。王光軍（王光軍等，2008）等對亞熱帶森林研究，認(rèn)為土壤呼吸與溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系（Buchmann，2000；張慶忠等，2005），土壤溫度可以解釋土壤呼吸變化的77.4%~94.94%（常建國等，2007；周小剛等，2012）。Q10值指示土壤呼吸對溫度變化的敏感程度，本實驗得出的 Q10值為2.34~2.59。李凌浩（李凌浩等，2000）等在錫林河流域草原群落土壤呼吸研究得到的 Q10值為2.0~3.0。劉爽（劉爽等，2010）等在山西農(nóng)田干旱地土壤呼吸研究得到的Q10值在為1.19~3.07。實驗結(jié)果還顯示土壤呼吸與地下5 cm 土壤溫度的相關(guān)性好于與地表溫度的相關(guān)性，這種相關(guān)性在 24 ℃左右的擬合效果明顯好于高溫時的擬合效果。在溫度較低時（<20 ℃），土壤呼吸速率的散點分散，而隨著溫度的升高，散點開始向擬合曲線靠近，當(dāng)?shù)竭_(dá) 24 ℃時散點聚集在擬合曲線附近，而后再隨著溫度的升高土壤呼吸速率的散點漸漸發(fā)散開來，這一結(jié)果與陳全勝（陳全勝等，2003）、Curiel（Curiel等，2003）和Janssens（Janssens和Pilegaard，2003）等研究的結(jié)果一致。在土壤溫度較低時，呼吸速率較慢，隨著土壤溫度的升高，呼吸速率也加快，這說明在溫度較低時，根系和土壤微生物的代謝活動主要受溫度變化控制，隨溫度升高，其不再是限制因子，此時根系和土壤微生物的生命活動更易受到其它因素的影響和制約（陳全勝等，2004）。

土壤水分作為影響土壤呼吸的重要因子，不僅影響根系呼吸和微生物呼吸，同時還影響植物的生長。實驗得出了土壤呼吸與土壤含水量有二次項線性關(guān)系，土壤水分在較低值時，土壤呼吸速率慢；當(dāng)土壤水分在 22%~28%的范圍內(nèi)變化時，土壤呼吸速率隨著土壤水分的增高而加快，土壤水分高于28%后呼吸速率又開始減慢。在一定范圍土壤水分內(nèi)，土壤呼吸速率會隨土壤濕度增大而加快；當(dāng)土壤水分過低，超出了植物根系和微生物活動所必需生存條件時，土壤呼吸釋放量會降低；當(dāng)土壤水分過高，土壤孔隙會被水填滿，使得微生物呼吸所需的氧氣不能進(jìn)入土壤，同時CO2排放受阻（Pangle和Seiler，2002）。本實驗得出土壤水分與呼吸速率沒有顯著性相關(guān)關(guān)系（p>0.05）。張劍鋒（張劍鋒等，2007）、Gardennas（Gardennas，2000）和王國兵（王國兵等，2009）等許多研究者均得出同一結(jié)果，說明土壤水分不是影響土壤呼吸速率的限制因子（閆美芳等，2010）。尤其在海南潮濕的氣候條件及橡膠園高蓋度條件下，大多數(shù)時候土壤水分充足，含水量處于 20%~30%之間，幅度變化范圍較小，不足以影響微生物活動和植物根系呼吸（楊玉盛等，2004）。

3.3 不同施肥處理對土壤呼吸的影響

施肥不僅可以為植物補(bǔ)充所需要的營養(yǎng)元素，而且能改善土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)和培肥地力，使土壤具有良好的通透性和保水性能，為植物根系和微生物生長提供良好的生長環(huán)境。本實驗結(jié)果得出經(jīng)施肥處理的土壤呼吸速率高于對照處理的呼吸速率，而且施用有機(jī)肥處理的土壤呼吸速率最高。這主要是因為有機(jī)質(zhì)是微生物營養(yǎng)和能量的主要來源，施入有機(jī)肥提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，為微生物和土壤動物生長提供了良好環(huán)境（任全等，2007），促進(jìn)微生物活動和生長繁殖。土壤微生物活動增強(qiáng)，促進(jìn)了有機(jī)物分解，導(dǎo)致土壤呼吸速率加快（韓廣軒等，2008）。因此，經(jīng)施肥處理的土壤呼吸速率高于不施肥處理的呼吸速率，這一結(jié)果與許多研究者的實驗結(jié)果一致（胡誠等，2007；杜社妮等，2011），施用有機(jī)肥對土壤有機(jī)碳含量的提高作用顯著高于化肥，可以極大提高土壤生產(chǎn)力，加快土壤呼吸速率（孟磊等，2005）。

4 結(jié)論

（1）不同施肥處理的橡膠林土壤呼吸速率在日變化中均有一致的變化規(guī)律，在一天中CK、T1和T2處理都呈現(xiàn)出單峰曲線趨勢，最高點在15:00，最高值分別為2.63 μmol·m-2·s-1、3.74 μmol·m-2·s-1和2.98 μmol·m-2·s-1；最低點在04:00，最低值分別為0.43 μmol·m-2·s-1、 0.89 μmol·m-2·s-1和 0.51μmol·m-2·s-1；呼吸速率隨溫度升高而加快，與溫度的變化趨勢同步，在周期變化中呼吸速率也呈現(xiàn)出隨著溫度的升高而加快的趨勢。

（2）不同施肥處理的橡膠林土壤呼吸速率與土壤溫度變化一致，并且與溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系，特別是與5 cm地溫的相關(guān)性最好（0.572

（3）在一定土壤水分范圍內(nèi)，土壤呼吸速率于土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系，但是兩者的相關(guān)關(guān)系較弱，P值沒有達(dá)到顯著水平(P>0.05)，其解釋了土壤呼吸周期變化的18.9%~36.7%。

（4）不同施肥處理的土壤呼吸速率大小順序依次為：T1>T2>CK，有機(jī)肥處理的土壤呼吸速率最高，其次是無機(jī)肥處理，最低的是對照處理。

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