范洪旺, 滕臻, 許克福
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城市綠地土壤呼吸研究綜述
范洪旺, 滕臻, 許克福*
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院, 合肥 230036
土壤呼吸是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)主要組成部分, 它與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、區(qū)域及全球碳循環(huán)以及碳儲(chǔ)存和碳交易密切相關(guān)。深入研究城市綠地土壤呼吸機(jī)制, 確定調(diào)控土壤呼吸的主要因子, 能夠有效控制城市生態(tài)系統(tǒng)的碳釋放, 也有助于評估城市碳循環(huán)對環(huán)境變化的響應(yīng)與反饋。該文綜述國內(nèi)外近年來(2007—2017)城市綠地土壤呼吸的研究現(xiàn)狀和影響因素, 土壤呼吸的時(shí)空異質(zhì)性, 分析未來城市綠地土壤呼吸的研究方向, 為準(zhǔn)確評估城市生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯貢獻(xiàn)、降低溫室氣體的濃度以及改善城市生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。
城市綠地; 土壤呼吸; 時(shí)空變異; 影響因子
土壤呼吸是指土壤中的有機(jī)體和植物地下部分產(chǎn)生CO2的所有代謝作用, 主要包括三個(gè)生物學(xué)過程(根呼吸、微生物呼吸及動(dòng)物呼吸)和一個(gè)非生物學(xué)過程(含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化過程), 并受環(huán)境及生物因素的綜合影響[1]。土壤呼吸作為生態(tài)系統(tǒng)呼吸的重要組成部分, 在調(diào)控全球碳循環(huán)和氣候動(dòng)態(tài)方面起著關(guān)鍵的作用。
土壤呼吸的研究可以追溯到19世紀(jì), 當(dāng)時(shí)土壤呼吸研究是為了描述土壤的代謝特征。20世紀(jì)初產(chǎn)生了一些較為原始的測定土壤呼吸方法, 目的是了解農(nóng)業(yè)土壤特性和微生物活性[2]。20世紀(jì)50—70年代, 土壤呼吸的研究活動(dòng)比較活躍, 在影響因子、測量方法、組分的區(qū)分、土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)碳過程等方面均有重要進(jìn)展[3]。近年來, 由于受到氣候變化的驅(qū)動(dòng)和對理解土壤呼吸本身的要求, 使得土壤呼吸研究得到格外重視[4]。目前國內(nèi)外對土壤呼吸的相關(guān)研究主要集中在非城市區(qū)域的農(nóng)田、草地或森林生態(tài)系統(tǒng), 而對城市生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究較少[5]。國外對城市土壤碳循環(huán)的研究領(lǐng)域涉及城市土壤呼吸特征及其影響因素[6–7], 如溫度、濕度、土壤質(zhì)地、底物供應(yīng)、氮含量、pH值、土地利用變化, 植被類型和人類活動(dòng)[8–11]; 土壤微生物與土壤碳循環(huán)的相關(guān)性[12], 土壤碳儲(chǔ)量特征, 土壤呼吸時(shí)空變異性[13–17]及土壤呼吸對環(huán)境變化的響應(yīng)[18]等。
城市綠地包含城市建設(shè)用地范圍內(nèi)用于綠化的土地和城市建設(shè)用地之外, 對改善城市環(huán)境和居民生活品質(zhì)具有重要作用的綠化區(qū)域[19]。城市綠地面積雖然只占城市生態(tài)系統(tǒng)的一部分, 但對城市及全球生態(tài)系統(tǒng)碳平衡起到積極作用[20]。城市綠地可以通過植物的光合、蒸騰、隔離、吸收作用降低城市溫度、增加濕度、固碳釋氧、凈化空氣、降低噪音、保護(hù)生物多樣性[21]。國內(nèi)學(xué)者對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要涉及城市綠地碳儲(chǔ)量及碳通量的特征和估算[22]、城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯功能[23–24]、城市綠地對減緩溫室氣體方面的作用及土壤呼吸對外界環(huán)境的響應(yīng)等[25–27]。盡管全球碳循環(huán)帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻, 但前人對城市區(qū)域土壤呼吸的研究仍遠(yuǎn)落后于自然生態(tài)系統(tǒng)[2]。開展城市綠地土壤呼吸的研究對于準(zhǔn)確的了解城市碳過程, 控制CO2濃度的增長、減緩城市熱島效應(yīng), 提高城市環(huán)境質(zhì)量具有重要作用。文章綜述了近10年來城市綠地土壤呼吸的時(shí)空變異特征和土壤呼吸影響因素, 分析了生物因子和非生物因子對土壤呼吸的影響規(guī)律, 討論了城市綠地土壤呼吸的存在問題及未來的研究方向, 以期為精確估算城市生態(tài)系統(tǒng)碳收支, 科學(xué)規(guī)劃城市綠地提供理論依據(jù)。
由于城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、類型多樣性, 同時(shí)受人類活動(dòng)、氣溫、降水等因素的綜合影響, 土壤呼吸具有強(qiáng)烈的時(shí)空變異特征。植被類型、土壤理化性質(zhì)、凋落物的質(zhì)量、土壤質(zhì)地、溫濕度的差異, 都會(huì)對土壤呼吸速率產(chǎn)生顯著影響。
城市綠地土壤呼吸受到各種人為干擾和環(huán)境因子的影響, 表現(xiàn)出明顯日變化、季節(jié)變化和年際變化[4]。研究表明, 城市綠地土壤呼吸晝夜變化主要受溫度的影響, 與溫度的變化基本上趨于一致, 多表現(xiàn)為單峰型曲線[23]。如王中煜等[27]的研究發(fā)現(xiàn), 成都市綠地土壤呼吸表現(xiàn)為單峰型, 最大值出現(xiàn)在中午前后, 最小值出現(xiàn)在清晨前后, 這與森林[4]、農(nóng)田[28]、草原[29]和濕地[30]生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的日變化具有一致性。一般情況下, 土壤呼吸的日變化與溫度擬合函數(shù)最優(yōu), 因?yàn)槠渌h(huán)境因子如土壤濕度、土壤微生物量、土壤特性等在一天中的變化相對較小, 而溫度變化較強(qiáng)烈[31]。另外, 光合作用和降雨也可能是影響土壤呼吸日變化的重要因子。而杜紫賢等[32]對城市濕地研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸的日變化沒有規(guī)律, 溫濕度對土壤呼吸影響不明顯, 推測影響土壤呼吸關(guān)鍵因素可能是水位。土壤呼吸季節(jié)動(dòng)態(tài)主要受植物生長及水、熱、光照等因子共同驅(qū)動(dòng)。冬季溫度低, 植物生長和微生物生理代謝活動(dòng)弱, 土壤呼吸速率較低, 春季溫度慢慢回升, 土壤呼吸速率逐漸增強(qiáng), 夏季溫度高, 水分足, 植物生長旺盛促進(jìn)了土壤呼吸, 使土壤呼吸達(dá)到最高值[1]。梁晶等[33]的研究發(fā)現(xiàn), 上海市綠地土壤呼吸速率季節(jié)變化呈單峰曲線, 與武夷山不同海拔林分土壤呼吸的季節(jié)變化一致[34]。研究表明, 不同地理位置城市草坪的土壤呼吸均的季節(jié)變化略有差異, 但總體上均表現(xiàn)為夏季土壤呼吸速率高, 冬春季節(jié)較低, 且城市草坪的年均呼吸速率大于當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)[35]。幾乎在多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)中都觀察到了土壤呼吸的年際變化, 如森林、草原、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng), 這可能是因?yàn)闅夂蛞蜃拥哪觌H變化或是應(yīng)對氣候因子的變化而產(chǎn)生的生理或生態(tài)過程的改變, 養(yǎng)分可利用性的變化等因素造成的[2]。在全球尺度上, 土壤呼吸的年際變化與年平均氣溫相關(guān), 在季節(jié)性干旱的區(qū)域, 土壤呼吸的年變化與年際間降水量的差異顯著相關(guān)[36]。
城市綠地土壤呼吸的空間變化主要是由于氣候、溫度、降雨量、土壤特性、植被類型以及不同配置模式引起的。不同區(qū)域、不同生態(tài)類型、不同梯度間土壤呼吸的差異很大。城市綠地土壤CO2通量一般高于農(nóng)業(yè)土壤和自然土壤[22]。Kaye等[37]研究發(fā)現(xiàn), 柯林斯堡城市草坪土壤呼吸顯著大于農(nóng)田和自然草坪土壤呼吸。Groffman等[38]對美國城鄉(xiāng)梯度上森林土壤呼吸的研究發(fā)現(xiàn)城市森林土壤呼吸顯著高于鄉(xiāng)村, 這可能與土壤性質(zhì)與凋落物的質(zhì)量有關(guān)。不同地理位置, 其溫濕度、土壤條件、景觀水平、自然干擾和土地利用管理方式的差異, 導(dǎo)致土壤呼吸空間變化明顯[39–40], 如盛浩等[41]的研究發(fā)現(xiàn), 長沙初春城郊草坪土壤呼吸速率明顯低于福州和上海城市草坪冬春季土壤呼吸速率。城市綠地受人為干擾較大, 因而不同組分土壤呼吸的空間變異特征及其影響因素也不同[4]。陶曉等[20]對合肥市不同功能區(qū)綠地土壤呼吸的研究表明, 土壤呼吸的年均值依次為學(xué)校>公園>工廠>居住區(qū), 這可能與城市不同區(qū)域土壤有機(jī)碳含量相關(guān)。
3.1.1 土壤質(zhì)地
城市綠地土壤受到人為因素的嚴(yán)重改變, 自然土壤層被破壞, 土壤層次中有較多的建筑垃圾、生活廢棄物和磚塊等其他混合物, 土壤顆粒組成差異較大, 空間變異性較強(qiáng)[42]。研究發(fā)現(xiàn), 大多數(shù)城市綠地土壤均存在壓實(shí)現(xiàn)象, 土壤容重大, 孔隙度低于自然土壤, 導(dǎo)致城市綠地土壤的透氣性排水性差[43–48]。土壤質(zhì)地不同, 水的滲透和氣體擴(kuò)散變化很大, 強(qiáng)烈影響著微生物群落的繁殖和運(yùn)動(dòng), 從而間接影響土壤呼吸。馬莉[49]對寶雞市綠地研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸與土壤礫石含量呈正相關(guān), 可能因?yàn)樯暗[土壤透氣性好, 有利于氣體的交換。在美國佐治亞州松樹混交林中, 當(dāng)土壤含水量高于萎蔫含水量時(shí), 黏土地土壤含水量與土壤呼吸相關(guān)性不明顯, 而沙土地則顯著相關(guān), 可能是因?yàn)轲ね镣杆圆? 可以減緩濕度對土壤呼吸的影響[50]。另外, 土壤質(zhì)地也影響根的生長, 間接的影響土壤呼吸。郝艷如等[51]對種在砂質(zhì)土、粉砂質(zhì)土和黏質(zhì)土中檸檬近根區(qū)的土壤呼吸的研究發(fā)現(xiàn), 灌水后的砂壤土相對于另外兩種質(zhì)地較密的土壤呼吸速率較高。
3.1.2 土壤溫度
城市地區(qū)的熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市土壤溫度普遍高于城郊土壤, 且不同植被類型土壤溫度差異顯著[52]。土壤溫度是影響城市綠地土壤呼吸關(guān)鍵因素, 強(qiáng)烈影響土壤呼吸的各個(gè)方面[53]。溫度主要通過促進(jìn)或抑制酶活性、根的生長、微生物活動(dòng)和植被的生長發(fā)育來調(diào)控土壤呼吸。土壤溫度較低時(shí)對土壤呼吸的影響較大, 一般超過15℃其他因素對土壤呼吸影響就會(huì)增加。當(dāng)溫度超過35℃時(shí), 原生質(zhì)可能開始降解, 呼吸速率減弱[54]。土壤呼吸和溫度具有一致的變化規(guī)律, 其相關(guān)性擬合方程一般呈顯著的指數(shù)、線性、二次方程關(guān)系[55]。土壤呼吸與5cm地溫相關(guān)性最好, 并且擬合方程指數(shù)方程最優(yōu)[31], 如孫倩等[56]對上海不同植物群落土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 土溫是影響土壤呼吸的主要因子, 土壤呼吸與土溫具有顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系, 這與前人的研究的結(jié)果一致[57-58]。Q10是反應(yīng)土壤呼吸對溫度變化敏感性及預(yù)測土壤呼吸排放的重要參數(shù), 是指溫度每升高10℃, 土壤呼吸速率增加的倍數(shù)[59]。對于不同生態(tài)系統(tǒng)和不同環(huán)境梯度, 土壤呼吸Q10的值差異很大。根據(jù)早前Raichard對土壤呼吸數(shù)據(jù)整理發(fā)現(xiàn), 全球Q10的中間值為2.4, 變化范圍1.3—3.3[60]。研究發(fā)現(xiàn), Q10值具有明顯的季節(jié)性變化, 冬春季節(jié)高于夏季, 如盛浩等[41]對城市草坪研究發(fā)現(xiàn), 在冬春季溫度較低時(shí), 土壤呼吸對溫度的變化較敏感。土壤水分條件也會(huì)影響土壤呼吸Q10, 如吳亞華等[57]對城市綠地研究發(fā)現(xiàn), 干濕兩季 Q10有明顯的差異, 濕季高于干季, 與徐文嫻等[61]對??诔鞘芯G地的研究結(jié)果一致。另外, 土層深度也會(huì)影響Q10的變化。張鴿香等[1]對南京城市綠地土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 隨著土層深度增加, 土壤Q10越大, 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)榈販卦陔S著土層深度的增加而減小。
3.1.3 土壤含水量
土壤含水量是調(diào)控土壤呼吸的另一關(guān)鍵因子。土壤含水量主要通過影響根的生長、氧氣或底物的運(yùn)輸、微生物的活性等來影響土壤呼吸[2]。研究表明, 土壤含水量接近田間持水量時(shí), 土壤呼吸的速率最大, 當(dāng)含水量低于田間持水量時(shí), 土壤呼吸速率與田間含水量呈正相關(guān), 反之, 土壤呼吸會(huì)隨著水分的增加而減小[62]。大量研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸和土壤含水量之間相關(guān)關(guān)系可以用指數(shù)[27]、線性[63]和二次函數(shù)模型擬合[64]。當(dāng)水分不是脅迫因子時(shí), 土壤呼吸與土壤含水量無明顯相關(guān)性[58], 如徐文嫻等[61]對??诔鞘芯G地研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸與5cm土壤溫度呈正相關(guān), 而與體積含水量相關(guān)性不顯著, 可能與研究地區(qū)降雨較多, 水分含量高有關(guān)。在干旱地區(qū), 降雨和土壤水分的較大波動(dòng), 通常會(huì)引起自然生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的強(qiáng)烈變化, 這可能因?yàn)榻邓? 有利于土壤微生物和土壤酶活性增強(qiáng)有關(guān)[65]。陶曉等[20]對合肥城市綠地研究發(fā)現(xiàn), 降水對土壤呼吸影響顯著, 這主要是由于降雨后土壤含水率的增加, 提高微了生物呼吸。而常思琦等[24]的研究發(fā)現(xiàn), 降雨后城市草坪土壤呼吸速率下降, 可能是因?yàn)闈穸冗^大導(dǎo)致土壤透氣性低, 從而影響微生物活性和根系生長, 抑制了土壤呼吸??傮w來講, 土壤呼吸與土壤含水量關(guān)系非常復(fù)雜, 常與其他環(huán)境因子混雜在一起, 并伴隨著地區(qū)和時(shí)間尺度的不同而變化[66], 要將土壤呼吸與土壤含水量的關(guān)系精確量化還需要進(jìn)一步的研究。
3.1.4 土壤有機(jī)質(zhì)、氮含量
城市綠地土壤由于經(jīng)常使用有機(jī)肥和無機(jī)肥, 使得有機(jī)碳含量總體上高于農(nóng)業(yè)土壤和自然土壤[22], 但也有些研究發(fā)現(xiàn)城市綠地土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量較低[43]。有機(jī)質(zhì)為植物提供營養(yǎng), 提高陽離子交換能力, 從而維持土壤肥力, 并能改善土壤結(jié)構(gòu)。有研究表明, 土壤呼吸強(qiáng)烈地受到土壤有機(jī)質(zhì)中碳底物的調(diào)控。戴雅婷等[67]對庫布齊沙地土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸速率與有機(jī)質(zhì)之間有極顯著相關(guān)關(guān)系。但也有研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間相關(guān)性不顯著, 如在干旱地區(qū), 土壤含水量較低, 限制了可溶性有機(jī)質(zhì)的擴(kuò)散, 降低了有機(jī)質(zhì)對土壤呼吸的作用[68]。氮元素通過影響植物的生長速率、凋落物的分解、微生物活性和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)而影響土壤呼吸[2]。土壤中可利用氮含量高會(huì)促進(jìn)單位根呼吸和增加根系生物量, 從而促進(jìn)土壤呼吸。如Burton等[69]在不同地點(diǎn)比較的研究中發(fā)現(xiàn), 呼吸速率與組織氮濃度相關(guān), 有效氮的差異和氮沉積都會(huì)改變根系呼吸[70]。但也有研究發(fā)現(xiàn)在氮含量豐富的環(huán)境里, 可能有一部分氮被固定在有機(jī)質(zhì)中, 從而導(dǎo)致土壤呼吸速率減小[2]。氮添加對土壤呼吸生理生態(tài)過程的影響比較復(fù)雜, 導(dǎo)致部分響應(yīng)機(jī)理仍存在諸多不確定性[71]。
3.1.5 土壤重金屬
城市中煙塵、汽車尾氣、工業(yè)排放超標(biāo)等因素, 使城市綠地土壤中積累了大量重金屬[72]。重金屬污染影響土壤酶活性和土壤微生物代謝功能, 最終影響土壤碳周轉(zhuǎn)過程[53]。一般情況下, 當(dāng)重金屬含量超過生態(tài)系統(tǒng)凈化能力時(shí), 土壤呼吸會(huì)受到抑制。例如低濃度鎘的添加會(huì)增加土壤呼吸速率, 高濃度則產(chǎn)生抑制, 隨著濃度的增加, 受抑制程度也越強(qiáng)[73]。谷盼妮等[74]研究了環(huán)草隆與鎘復(fù)合污染對城市綠地土壤的影響, 發(fā)現(xiàn)環(huán)草隆、鎘單一污染及二者復(fù)合污染對土壤呼吸的影響均達(dá)到極顯著水平, 結(jié)果表明重金屬復(fù)合污染對微生物及酶活性、植物的生物生理活動(dòng)都有影響, 從而間接影響土壤呼吸。秦永生等[72]的研究發(fā)現(xiàn), Pb和Cu同時(shí)存在時(shí), 土壤呼吸速率會(huì)先增大后減小, 表明復(fù)合污染對土壤呼吸有一定的促進(jìn)作用。另外, 城市綠地土壤中的生活垃圾會(huì)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物的活性, 從而對土壤呼吸產(chǎn)生影響。
3.2.1 植被類型
城市綠地不同植被類型的碳分配模式、凋落物生產(chǎn)速率、植被覆蓋度, 以及根呼吸對土壤呼吸的相對貢獻(xiàn)均表現(xiàn)出較大的差異, 從而導(dǎo)致植被下土壤理化性質(zhì)、土壤的溫濕度和土壤微生物生物量的不同, 進(jìn)而影響土壤呼吸[27]。張鴿香等[1]對南京城市公園綠地土壤呼吸研究, 發(fā)現(xiàn)草坪土壤呼吸>疏林>近自然林, 且3種植被類型土壤呼吸均值差異顯著。王中煜等[27]對成都市不同園林植物的土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 同一時(shí)間不同植物的土壤的呼吸速率不同, 基本表現(xiàn)為合歡>榆樹>龍柏>青岡, 造成這種差異的主要原因可能是不同植物的土壤養(yǎng)分和土壤酶活性不同。在條件可比的情況下, 草原的土壤呼吸速率總是比森林高約20%, 比臨近農(nóng)田高約25%; 在森林中, 在相同的土壤條件下, 針葉林的土壤呼吸速率平均比闊葉林低10%[2]。另外, 植物根系呼吸是土壤呼吸的主要組成部分, 不同植被類型根呼吸速率對土壤呼吸的貢獻(xiàn)差異很大[23]。植物根系的密度、分布深度、生長周轉(zhuǎn)速率、形態(tài)特征、根際分泌物及代謝活性等對根呼吸強(qiáng)度有一定程度的影響。對成都和南京城市綠地土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 不同植被類型的根系分泌有機(jī)質(zhì)數(shù)量、質(zhì)量和根尖細(xì)胞的敏感性不同, 這必然會(huì)影響土壤微生物活性, 從而導(dǎo)致不同植物間土壤呼吸過程存在顯著差異[75–76]。陶曉[20]等對城市不同功能區(qū)綠地土壤呼吸的研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸與細(xì)根含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系, 這可能是因?yàn)榧?xì)根通過影響根際呼吸和根際凋落物的分解進(jìn)而影響。但Epron等[77]對桉樹林土壤呼吸時(shí)空變異的研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸與微生物呼吸相關(guān), 而與根系生物量和碳含量無關(guān)。城市草坪土壤的CO2通量一般比其他植被類型綠地高, 在自然生態(tài)系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)草地土壤呼吸速率大于森林和農(nóng)田[35]。土壤呼吸雖然是多種因子協(xié)同的結(jié)果, 但在同一區(qū)域, 植被類型是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因素之一。
3.2.2 微生物
微生物是土壤呼吸的重要參與者。微生物對土壤呼吸影響主要是通過參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的[78]。研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物生物量與土壤呼吸速率呈顯著線性正相關(guān)。如周海蓮等[79]對合肥市區(qū)和近郊的片林土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 兩種林分土壤呼吸差異顯著, 可能是因?yàn)榻紖^(qū)林分土壤微生物種類繁多, 微生物活動(dòng)的影響大于溫度對土壤呼吸的影響。郝瑞軍等[80]對上海不同植被土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 土壤呼吸強(qiáng)度受土壤微生物和可利用底物決定。李熙波等[35]對城市建成區(qū)草坪土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 微生物是土壤呼吸的關(guān)鍵影響因子。在干旱條件下底物的供應(yīng)是限制微生物活性的主要因子, 在濕潤土壤中, 主要是氧氣擴(kuò)散控制微生物活性, 降低了底物的分解速率, 從而影響土壤呼吸。富含氮的化合物與酚類的縮合反應(yīng)使土壤有機(jī)質(zhì)變得難分解, 也會(huì)導(dǎo)致土壤微生物呼吸降低[81]。
3.2.3人類活動(dòng)
城市綠地與自然生態(tài)系統(tǒng)不同, 受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾。城市的硬化鋪裝使得物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化較為緩慢, 微生物的數(shù)量種類減少, 降解能力大幅下降。城市中的凋落物的移除阻礙了養(yǎng)分循環(huán), 人工灌溉施肥的過程中使得各種污染物積累在土壤中, 改變了城市綠地土壤的原有特性。研究發(fā)現(xiàn), 在未受干擾的草原上, 移除土壤表層凋落物會(huì)使年土壤呼吸減少15%[82]。付芝紅等[83]對城市地表不同覆蓋類型的研究發(fā)現(xiàn), 城市中的全硬化地表土壤呼吸速率>部分硬化地表>草坪覆蓋地表, 造成土壤呼吸的差異原因主要是溫度和覆蓋類型。非城市用地轉(zhuǎn)化為城市用地會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)碳的輸入以及微生物和根系生活環(huán)境等[84], 從而會(huì)影響土壤呼吸速率。龐學(xué)勇等[85]對城市公共綠地土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn), 露營和人為踐踏區(qū)土壤 CO2通量明顯地低于對照區(qū), 主要因?yàn)閲?yán)重遮陰和土壤的壓實(shí)阻礙了光合作用, 降低了根系和微生物活性, 從而導(dǎo)致土壤呼吸速率的下降。
綜上所述, 城市綠地土壤呼吸是一個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)過程, 受多重因素的影響。1)在大多數(shù)情況下, 城市綠地土壤呼吸受到土壤溫度和濕度的共同作用, 同時(shí)還受到土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)和氮的含量以及重金屬等因素影響; 2)在氣候狀況和土壤特征差異不大的條件下, 植被類型、根系、土壤微生物和人類活動(dòng)對土壤呼吸也有重要影響; 3)城市綠地土壤呼吸具有強(qiáng)烈的時(shí)空變異特征, 時(shí)間上的變異主要受溫度或溫度與含水量綜合作用的影響, 空間上的變異主要受氣候、降雨、土壤特性和生態(tài)類型的影響。今后需要加強(qiáng)以下研究:
(1) 加強(qiáng)土壤呼吸測定方法和組分區(qū)分的研究
由于測定土壤呼吸的方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 土壤各組分間復(fù)雜的相互作用, 使得精確區(qū)分土壤呼吸非常困難。因此, 制定適合不同生態(tài)系統(tǒng)的測定方法和區(qū)分各組分對土壤呼吸的貢獻(xiàn)將是未來研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
(2) 開展不同城市生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的連續(xù)觀測體系
目前對城市綠地土壤呼吸的研究都是處于小尺度短時(shí)間觀測, 且研究的城市數(shù)量有限, 使得城市區(qū)域的碳數(shù)據(jù)較少。開展不同城市生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的連續(xù)觀測體系, 對于準(zhǔn)確評估城市生態(tài)系統(tǒng)碳源匯貢獻(xiàn), 以及完善區(qū)域和全球碳預(yù)算等都具有重要的作用。另外, 使用碳通量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)有效的種植和管理策略, 提高城市景觀的增匯能力, 減少大氣CO2的濃度, 將更加有效的提高城市環(huán)境的質(zhì)量。
(3) 土壤呼吸模型模擬準(zhǔn)確性有待提高
目前關(guān)于土壤呼吸模型構(gòu)建的方法和標(biāo)準(zhǔn)還存在爭議。城市綠地土壤呼吸過程影響因素比較復(fù)雜, 從而使模型具有很大的不確定性。未來的研究應(yīng)該把更多的影響因子考慮到土壤呼吸模型中, 加強(qiáng)遙感技術(shù)在城市綠地土壤呼吸估測中的應(yīng)用, 以提高模型模擬有效性和準(zhǔn)確性, 這對探索土壤呼吸的影響因素和預(yù)測城市生態(tài)系統(tǒng)的碳收支具有重要意義。
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The review of soil respiration in urban green space
FAN Hongwang, TENG Zhen, XU Kefu*
School of Forestry and Landscape Architecture, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, china
Soil respiration is a major component of the ecosystem carbon cycle, which is closely related to ecosystem productivity, regional and global carbon cycling and carbon storage and trading. Further study on the mechanism of the soil respiration and identifing the main factors that regulate the soil respiration in urban green space can effectively control carbon release in urban ecosystem is needed. And it is also helpful to evaluate the response and feedback to environmental changes in urban carbon cycle. In this paper, the research status, influencing factors and spatial-temporal heterogeneity of soil respiration were reviewed in recent years (2007-2017), and the future research direction of soil respiration was also analyzed in urban green space. It provides theoretical basis for accurately assess the contribution of carbon sources and storage sinks, reduce the concentration of greenhouse gases and improve the ecological environment in urban ecosystem.
urban green space; soil respiration; spatial-temporal heterogeneity; impact factor
10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.028
Q148
A
1008-8873(2018)05-210-07
2017-10-7;
2017-12-27
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)與穩(wěn)定人才項(xiàng)目(yj2014-1)
范洪旺(1992—), 男, 安徽碭山人, 碩士研究生, 主要從事城市生態(tài)研究, E-mail:fhw_0926@163.com
通信作者:許克福, 男, 博士, 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院教授, 碩士生導(dǎo)師, 主要從事風(fēng)景名勝區(qū)、綠地系統(tǒng)及風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)研究, E-mail: xkf69@163.com
范洪旺, 滕臻, 許克福. 城市綠地土壤呼吸研究綜述[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(5): 210-216.
FAN Hongwang, TENG Zhen, XU Kefu. The review of soil respiration in urban green space[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 210-216.