北京山區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤呼吸的影響研究

董士偉+李紅+張微微+等

摘要：以北京山區(qū)為例，首先采用LI-8100開(kāi)路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定土壤呼吸速率，同時(shí)采集土壤樣品測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；其次對(duì)土壤呼吸與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行分析研究，并從不同有機(jī)質(zhì)等級(jí)和不同種植類型兩個(gè)層面對(duì)農(nóng)田土壤呼吸速率進(jìn)行特征分析，以揭示農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)與土壤呼吸的關(guān)系。結(jié)果表明，北京山區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤呼吸速率有顯著影響，二者呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系，土壤呼吸速率與有機(jī)質(zhì)等級(jí)正相關(guān)；不同種植類型下農(nóng)田土壤呼吸速率不同，玉米最高，大豆次之，花卉最低。

關(guān)鍵詞：土壤呼吸；有機(jī)質(zhì)；農(nóng)田；特征分析；北京山區(qū)

中圖分類號(hào)：S154 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）20-4982-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.015

Impact of Farmland Soil Organic Matter on Soil Respiration in Beijing Mountainous Area

DONG Shi-wei， LI Hong， ZHANG Wei-wei， LIU Xiao-na

（Institute of Agricultural Integrated Development， Beijing Academy of Agriculture and Forest Science， Beijing 100097， China）

Abstract： Beijing mountainous area was chosen to research. Firstly， LI-8100 Automated Soil CO2 Flux System was adopted to measure soil respiration， and soil samples were collected to measure soil organic matter content. Secondly， relationship of soil organic matter and soil respiration was specifically analyzed. Farmland soil respiration rate was implemented characteristic analysis from two levels including different grades of organic matter and different planting types，to reveal the relationship of farmland soil respiration and soil organic matter. The results showed that farmland soil organic matter content had a significant effect on soil respiration rate in Beijing mountainous area and both exhibited logarithmic relationship. Soil respiration rate and organic matter grade were positive correlation. Farmland soil respiration rates were not the same under different cropping types， and their descending order was corn， soybeans， and flowers.

Key words： soil respiration； organic matter； farmland； characteristic analysis；Beijing mountainous area

土壤呼吸過(guò)程是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中土壤碳的主要輸出途徑，是大氣CO2重要排放源，其排放量是陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣排放碳的最大通量之一[1]。農(nóng)業(yè)是重要的溫室氣體來(lái)源，土壤中的有機(jī)物質(zhì)經(jīng)微生物分解，以CO2的形式釋放入大氣。許多研究表明，土壤溫度、水分和有機(jī)質(zhì)的變化是造成土壤呼吸有明顯日變化和季節(jié)變化規(guī)律的重要原因[2-5]。雖然很多研究者在這些方面做了大量工作，但各個(gè)因素作用于土壤呼吸的影響機(jī)理和作用大小尚不明確，不同環(huán)境影響因子所起的作用也不同。土壤有機(jī)質(zhì)能促使土壤形成結(jié)構(gòu)，改善土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)過(guò)程，對(duì)CO2影響最顯著，為此從土壤有機(jī)質(zhì)角度出發(fā)，系統(tǒng)研究了農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤呼吸速率的影響。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京山區(qū)位于北京市西部、北部和東北部，地處東經(jīng)115°24′～117°30′，北緯39°38′～41°05′。面積約10 400 km2，占整個(gè)北京市國(guó)土總面積的62%，海拔80～2 303 m，該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均溫度11.8 ℃。山區(qū)地帶性土壤為褐土，兼有少量的山地草甸土、山地棕壤和沼澤土等。山前平原是農(nóng)田集中地，主要種植玉米、小麥、花卉和豆類等。丘陵和低山溝谷主要種植桃、梨、柿、杏、板栗等林果?？紤]北京山區(qū)地質(zhì)地貌、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和山區(qū)溝域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r[6，7]，選擇房山區(qū)、延慶縣和懷柔區(qū)開(kāi)展此項(xiàng)研究。

1.2 試驗(yàn)方法

野外試驗(yàn)于2014年9月10日至17日在房山區(qū)、延慶縣和懷柔區(qū)進(jìn)行，分別測(cè)定不同地區(qū)和不同種植類型下的農(nóng)田土壤呼吸速率和土壤有機(jī)質(zhì)含量。

土壤呼吸速率采用LI-8100開(kāi)路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定[8]。每次測(cè)量前，去除測(cè)定基座中的凋落物以及新鮮的植物苗體，減少木質(zhì)殘?bào)w分解和植物地上部分釋放出的CO2對(duì)土壤呼吸測(cè)定的影響。測(cè)量采用一次測(cè)量3次重復(fù)，取平均值作為該樣點(diǎn)的土壤呼吸速率。土壤呼吸測(cè)定后，以測(cè)定點(diǎn)為中心點(diǎn)，在30 m×30 m范圍內(nèi)按照S型曲線進(jìn)行土壤樣品的采集，一般采集7～12處，取表層0～20 cm土壤現(xiàn)場(chǎng)均勻混合后用四分法從中選取1 kg土樣作為代表該樣點(diǎn)的混合樣品。采樣點(diǎn)利用GPS進(jìn)行坐標(biāo)定位，并記錄種植類型和周圍環(huán)境特征信息。室內(nèi)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后對(duì)采集的土壤樣品進(jìn)行分析測(cè)試，農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量依據(jù)LY/T1237-1999標(biāo)準(zhǔn)，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 研究方法

北京山區(qū)農(nóng)田土壤呼吸與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系分析研究方法流程如圖1所示，首先分別測(cè)定土壤呼吸速率和土壤有機(jī)質(zhì)含量；其次從整體特征對(duì)農(nóng)田土壤呼吸和土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行分析；最后從不同土壤有機(jī)質(zhì)等級(jí)和不同種植類型層面分別對(duì)農(nóng)田土壤呼吸特征進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系分析

農(nóng)田土壤呼吸與土壤有機(jī)質(zhì)野外采集樣點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。采樣時(shí)間為2014年9月，按照各區(qū)縣2013年農(nóng)田播種面積比例，此次野外試驗(yàn)共采集17個(gè)樣點(diǎn)，其中房山區(qū)5個(gè)，延慶縣8個(gè)，懷柔區(qū)4個(gè)，土壤呼吸速率采用3次測(cè)量的平均值。北京山區(qū)農(nóng)田土壤呼吸與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系分析見(jiàn)圖2，可以看到農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤呼吸速率影響顯著，二者呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：

y=2.769 2ln（x）-4.115 5，R2=0.64（1）

式中，y表示土壤呼吸速率，x表示土壤有機(jī)質(zhì)含量。

2.2 不同有機(jī)質(zhì)等級(jí)下土壤呼吸特征分析

參考北京市土肥工作站2006年制定的《北京市土壤養(yǎng)分分等定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分等定級(jí)，分為極低、低、中、高和極高5個(gè)等級(jí)，具體指標(biāo)數(shù)值參見(jiàn)表2。結(jié)合表1和表2對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分等定級(jí)，并對(duì)不同等級(jí)下農(nóng)田土壤呼吸速率進(jìn)行特征分析。結(jié)果表明，北京山區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)無(wú)極低等級(jí)；低、中、高和極高等級(jí)分別有4、6、2和5個(gè)樣點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的土壤呼吸速率均值依次為2.81、3.78、5.19和5.87 μmol/（m2·s）。土壤呼吸速率隨著有機(jī)質(zhì)等級(jí)的提升而逐漸增強(qiáng)，土壤呼吸速率與有機(jī)質(zhì)等級(jí)呈正相關(guān)。

2.3 不同種植類型下土壤呼吸特征分析

北京山區(qū)農(nóng)田以種植玉米、小麥和豆類為主，近幾年溝域經(jīng)濟(jì)的興起和發(fā)展，山區(qū)重點(diǎn)溝域著力打造區(qū)域特色，如延慶四季花海溝域大面積推廣種植花卉，包括萬(wàn)壽菊、向日葵、薰衣草、百合等。此次山區(qū)試驗(yàn)抽樣樣點(diǎn)的種植類型主要有玉米、大豆和花卉3種。結(jié)合表1對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不同種植類型下的土壤呼吸特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，玉米的土壤呼吸速率最高、大豆次之、花卉最低，依次為4.73、4.37和3.31 μmol/（m2·s），不同種植類型下的農(nóng)田土壤呼吸速率不同。

3 小結(jié)

通過(guò)野外測(cè)定土壤呼吸速率，室內(nèi)測(cè)定土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，北京山區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤呼吸有明顯影響，呈對(duì)數(shù)關(guān)系。土壤呼吸速率與有機(jī)質(zhì)等級(jí)呈正相關(guān)，隨著土壤有機(jī)質(zhì)等級(jí)的提升，土壤呼吸速率隨之增強(qiáng)。農(nóng)田不同種植類型下土壤呼吸速率不同，玉米、大豆、花卉的土壤呼吸速率依次減弱。

該研究不僅對(duì)于評(píng)估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支非常關(guān)鍵，而且對(duì)更好地研究土壤碳獲取及尋找減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳分解的對(duì)策和措施具有重要的指導(dǎo)意義。未來(lái)將進(jìn)一步分析農(nóng)田土壤呼吸與溫度、土壤含水量等因素的關(guān)系，綜合分析不同因素對(duì)農(nóng)田土壤呼吸的影響機(jī)理。

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[9] 北京市土肥工作站.北京市土壤養(yǎng)分分等定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].http：//www.bjtf.org//trgl/trfl/yfpj/pjbz/401.htm，2011-04-09.