魯 江 ，駱檢蘭，蘇正偉，楊 柯，楊樹鋒，李 玥

（1.湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南長沙410000；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；3.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊065000）

全球土壤（在1m深度內(nèi)）碳儲(chǔ)量為2300 Pg C（其中包含有機(jī)碳儲(chǔ)量1550 Pg C，無機(jī)碳儲(chǔ)量750 Pg C[1，2]，約是大氣碳庫（760 Pg C）的3倍[3]。全球土壤呼吸的碳排放約為77 Pg C/a[4]，而由于人類活動(dòng)（化石燃料燃燒、水泥生產(chǎn)、用地改變）引起的碳排放約為7.9 PgC/a[5]，前者比后者要大一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于土壤呼吸的很小變化就能嚴(yán)重改變大氣CO2濃度的平衡，所以碳循環(huán)研究中要求土壤呼吸數(shù)據(jù)盡可能精準(zhǔn)。

IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）2007年氣候變化第4次評(píng)估報(bào)告指出，化石燃料燃燒和土地利用變化形成的碳通量對(duì)地球大氣CO2濃度變化的貢獻(xiàn)居前兩位[6]。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，化石燃料的使用在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)還難以得到控制，調(diào)整土地利用可能成為調(diào)節(jié)大氣中CO2濃度的一個(gè)重要途徑[7]。農(nóng)業(yè)是當(dāng)前具有很大緩解能力和潛力的一個(gè)重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，全球農(nóng)業(yè)減排的自然總潛力（Total Biophysical Potential）高達(dá) 7300(-1100-16900)Mt/a，其中93%來自減少土壤CO2釋放（即固定土壤碳）[8]。

亞熱帶紅壤區(qū)豐富的水、熱、光能賦予生物以巨大的生產(chǎn)潛力，是我國重要的糧食作物和各種熱帶、亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物與林木的重要基地，在我國碳平衡研究中占有重要地位[9]。周志田等[10]對(duì)亞熱帶紅壤丘陵區(qū)四種不同的土地利用方式下的土壤比較發(fā)現(xiàn)，CO2年排放總量從高到低依次為玉米地、柑桔園、水稻田、杉木林；婁運(yùn)生等[11]研究表明紅壤區(qū)內(nèi)不同利用方式對(duì)農(nóng)田土壤CO2排放通量有顯著影響，表現(xiàn)為在水田淹水植稻季，其排放通量明顯低于旱地，而在水田非淹水期（排水落干或休閑期），其排放通量則顯著高于旱地。前人的研究表明不同土地利用方式對(duì)土壤呼吸的影響十分顯著。它不僅改變了地表植被，而且改變了土壤的透氣性，從而使土壤有機(jī)質(zhì)含量、微生物組成和活性、根系生物量等發(fā)生了變化[12，13]。對(duì)不同土地利用方式下土壤呼吸進(jìn)行研究不僅可以為土壤固碳潛力計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還能為提高土壤碳儲(chǔ)量大背景下的土地利用管理提供參考依據(jù)。

目前，在亞熱帶紅壤區(qū)對(duì)土壤呼吸進(jìn)行研究的技術(shù)手段主要采用箱式-氣相色譜法和渦度相關(guān)技術(shù)[14-16]，隨著土壤呼吸測定方法和技術(shù)的不斷發(fā)展，本文應(yīng)用目前國際上通用的動(dòng)態(tài)密閉氣室法進(jìn)行原位觀測，在水稻田休閑期內(nèi)對(duì)亞熱帶紅壤區(qū)不同土地利用方式土壤CO2排放規(guī)律及其影響因素進(jìn)行探討，以期為紅壤區(qū)稻田土壤固碳潛力估算和稻田生態(tài)系統(tǒng)碳收支計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)（28°30′N，113°25′E），土壤區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъt壤區(qū)，成土母質(zhì)母巖為花崗巖風(fēng)化物，年平均氣溫16℃-18℃，年平均日照1300 h-1800 h，無霜期345 d，年平均降雨量1200 mm-1500 mm。主要種植水稻。2010年10月中旬晚稻收割完成，進(jìn)入水稻休閑期。

試驗(yàn)地選取耕地（水稻田，采用當(dāng)?shù)氐湫偷牡尽尽蓍e種植制度）、休耕地（撂荒已達(dá)半年）和自然荒地（主要生長灌木雜草）三種土地利用方式，耕地和休耕地面積各120m2，荒地由于面積有限，選取2m×8m。在樣地內(nèi)按照梅花形或直線型隨機(jī)設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。

圖1 研究區(qū)土壤呼吸監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

1.2 研究方法

于各采樣點(diǎn)埋下外徑20 cm PVC圈，保證在整個(gè)測定期間進(jìn)行定點(diǎn)測量。PVC圈高10 cm，插入地下8 cm，地上PVC圈高度為2 cm。測量前提前24 h將PVC圈中活的植物齊地面剪除。

從2010年10月15日-2010年12月20日，使用便攜式土壤CO2通量自動(dòng)測量系統(tǒng)LI-8100A(LICOR,Lincoln,Nebraska,USA），約15 d對(duì)樣地進(jìn)行24 h觀測，每1 h觀測一次。每次測量時(shí)長設(shè)置為120 s，氣體混勻時(shí)間（Dead B and）設(shè)置為15 s，前清洗時(shí)間設(shè)置為0s，后清洗時(shí)間設(shè)置為30 s。觀測期間天氣為晴或多云天氣，在原位觀測土壤呼吸的同時(shí)，分別用Omega土壤溫度探頭和The t aPr obe ML2x土壤水分探頭（Delta-T Devices,Cambridge）測量5cm深處的土壤溫度及土壤體積含水量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，剔除由于儀器故障以及特殊天氣條件的影響導(dǎo)致出現(xiàn)部分異常值，一般剔除的原則是從時(shí)間序列中剔除大于2倍方差(±2σ)的數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)的缺失，采用線性內(nèi)插法進(jìn)行補(bǔ)充。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析在Excel 2003和SPSS 13.0軟件環(huán)境下進(jìn)行，作圖采用Sigmaplot 10.0軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土地利用方式土壤呼吸的日變化特征

本研究觀測日期均在稻田休閑期內(nèi)，研究區(qū)降雨和空氣濕度相對(duì)較平穩(wěn)，不同土地利用方式土壤呼吸速率日變化趨勢基本一致，CO2通量均表現(xiàn)明顯的單峰型日變化特征。圖2為10月30日土壤CO2通量和土壤溫度的日變化趨勢，天氣變化平穩(wěn)，土壤CO2通量隨著土壤溫度的升高而增加，隨著土壤溫度的持續(xù)升高，高峰值出現(xiàn)在13:00-15:00間，之后隨著溫度的降低而下降。耕地日變化曲線波動(dòng)最大，而荒地始終具有較低的呼吸速率，且日變化曲線較平穩(wěn)。

圖2 亞熱帶紅壤區(qū)不同土地利用方式土壤CO2通量和土壤溫度均值（5cm）的日變化趨勢

2.2 觀測周期內(nèi)不同土地利用方式土壤呼吸速率變化

2010年10月15日到12月20日監(jiān)測期間，三塊樣地土壤呼吸隨溫度降低整體均呈下降趨勢（圖3），主要是由溫度、濕度、光合作用所驅(qū)動(dòng)。

圖3 2010年冬季亞熱帶紅壤區(qū)不同土地利用方式CO2通量的月變化動(dòng)態(tài)

從表1可看出，不同土地利用方式CO2排放通量的均值和變化幅度大小的次序均為：耕地＞休耕地＞荒地，主要是由于水稻收割后有根茬和大量的凋落物留在田間，雜草生長，土壤呼吸底物供應(yīng)增加，另耕地土壤雖處于落干狀態(tài)，但其土壤濕度卻明顯高于其他類型樣地，而且由于淋溶造成其耕層粘粒含量相對(duì)較低，土壤通氣性良好，有利于微生物呼吸代謝的進(jìn)行[11]。而休耕地和荒地相對(duì)于耕地，受人類活動(dòng)的干擾程度小，土壤有機(jī)質(zhì)變化緩慢，影響土壤呼吸變化的控制因子和土壤碳沉積趨于穩(wěn)定，CO2通量均值和變化幅度均相對(duì)較小。

表1 亞熱帶紅壤區(qū)不同土地利用方式CO2通量統(tǒng)計(jì)值

2.3 不同土地利用方式下影響土壤呼吸速率變化的因素

為了更清楚了解環(huán)境因子對(duì)不同土地利用方式土壤呼吸的影響，將所有觀測獲得的土壤溫度、土壤濕度、大氣溫度、大氣壓力和相對(duì)濕度與不同土地利用方式下的土壤呼吸速率數(shù)據(jù)做相關(guān)分析，結(jié)果表明（表2），三種土地利用方式土壤呼吸均與土壤溫度、大氣溫度顯著正相關(guān)（p＜0.01），而與土壤濕度顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。此外，休耕地、耕地與大氣相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，休耕地還與大氣壓力顯著負(fù)相關(guān)。其原因可能是由于不同土地利用方式下土壤孔隙度、地下根系量及人類活動(dòng)干擾程度差異所致。

表2 不同用地類型土壤呼吸速率與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

不同土地利用方式下，因?yàn)橹脖?、微地形等影響存在較小差別，對(duì)三種樣地監(jiān)測所取得的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)求平均值（表3）。由表中可看出耕地與休耕地環(huán)境因素均值接近，而荒地主要由于植被覆蓋與前兩者的差異，環(huán)境影響因素的均值差別相對(duì)較大。

表3 不同用地類型土壤呼吸環(huán)境影響因素平均值

本研究區(qū)為大陸性特征明顯的季風(fēng)濕潤氣候[17]，稻田休閑期內(nèi)主要為濕冷天氣，溫度較低，通常認(rèn)為土壤呼吸與土壤濕度之間的關(guān)系是，土壤CO2通量在干燥條件下較低，在中等土壤濕度水平時(shí)最大，當(dāng)含水量很高、厭氧條件占優(yōu)勢致使好氧微生物的活性受到抑制時(shí)又下降[18]。最適宜的含水量通常是接近田間持水量，這時(shí)大孔隙空間大部分充滿空氣，利于氧氣擴(kuò)散，小孔隙空間大部分充滿水，利于可溶性底物的擴(kuò)散[19]。三塊不同利用方式樣地土壤呼吸均與土壤濕度顯著負(fù)相關(guān)，說明可能由于土壤濕度過大，成為抑制土壤呼吸的因子。

2.4 不同土地利用方式下土壤呼吸溫度敏感度Q10的計(jì)算

呼吸過程對(duì)溫度的敏感性通常用Q10來描述，Q10是溫度增加10℃所造成呼吸速率改變的商，定義如下：

式中，RT0和RT0+10分別是參比溫度T0和溫度為T0+10℃時(shí)的呼吸速率。當(dāng)溫度和土壤呼吸之間的關(guān)系用一個(gè)指數(shù)函數(shù)擬合時(shí)，Q10就可以通過方程中的系數(shù)b估計(jì)出來：

根據(jù)式（1），將不同用地類型所測得的土壤呼吸數(shù)據(jù)分別與土壤溫度和大氣溫度相擬合（圖4），得到各自的溫度響應(yīng)系數(shù)，再根據(jù)式（2）計(jì)算出各自的溫度敏感性指標(biāo)Q10（表4）。

表4 不同土地利用方式溫度響應(yīng)系數(shù)和敏感度

圖4 不同土地利用方式土壤呼吸與土壤溫度的擬合曲線

土壤溫度敏感度大小順序?yàn)楦兀净牡兀拘莞亍?/p>

Raich和Schlesinger[20]通過整理大量文獻(xiàn)根據(jù)土壤溫度與土壤呼吸的季節(jié)變化，計(jì)算全球Q10的中間值為2.4，變化范圍為1.3-3.3之間。中國南方水稻土的Q10值為1.0-2.4[21]，紅壤性水稻土的Q10值為1.11-1.79[22]。本區(qū)三種樣地類型土壤呼吸對(duì)土溫的敏感性高于已有文獻(xiàn)對(duì)中國南方水稻土和紅壤性水稻土的研究，主要由于測量是在秋季進(jìn)行，溫度低于全年平均，而一年中的Q10在仲夏時(shí)最低，在冬季最高[23]。耕地Q10最高，分析其原因主要由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被類型簡單，結(jié)構(gòu)單一，與植被類型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的荒地生態(tài)系統(tǒng)相比，更易受外界影響，從而對(duì)于溫度變化存在著較高的敏感性[24]。

2.5 土壤呼吸對(duì)土壤溫度和濕度的響應(yīng)

大量研究資料表明，土壤濕度和溫度是影響土壤呼吸的關(guān)鍵環(huán)境因素[19，25]，本文嘗試?yán)猛寥罍囟群蜐穸鹊碾p變量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚26]，建立濕度和溫度共同影響的土壤呼吸雙因素關(guān)系模型為：

式中，RS為土壤呼吸速率，T為土壤溫度，M為土壤濕度，α、β和χ為常數(shù)。

將每種用地方式下獲取的土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤濕度相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到不同土地利用方式下的常數(shù)α、β、χ和擬合度R2的值（表5）。

表5 土壤呼吸與土壤溫度、土壤濕度擬合模型參數(shù)

由表5看出，耕地和休耕地的雙變量模型決定系數(shù)為0.83和0.91，相關(guān)性顯著，土壤溫度和水分的變化可以共同解釋80%以上的土壤呼吸變異，溫度—呼吸所建立的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)模型只能解釋土壤呼吸變異的71%-78%?；牡貏t反之，土壤呼吸與溫度的單變量較之雙變量模型擬合更好。

由于土壤呼吸受諸多因子的交互影響且對(duì)其本質(zhì)還不清楚，本研究只是試圖通過建立模型來描述本區(qū)域內(nèi)土壤呼吸對(duì)溫度和濕度變化的響應(yīng)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）稻田休閑期內(nèi)，亞熱帶紅壤區(qū)不同土地利用方式耕地、休耕地和荒地的土壤CO2呼吸值分別為1.87±0.78μmol/m2·s、1.33±0.05μmol/m2·s、1.16±0.01 μmol/m2·s。

（2）不同土地利用方式土壤呼吸有著明顯的“單峰型”日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，土壤CO2通量隨著土壤溫度的升高而增加，高峰值出現(xiàn)在13:00-15:00間，之后隨著溫度的降低而下降。

（3）三種土地利用方式土壤呼吸均與土壤溫度、大氣溫度顯著正相關(guān)（p＜0.01），而與土壤濕度顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

（4）對(duì)不同土地利用方式建立溫度、水分與土壤呼吸速率的雙變量關(guān)系模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型對(duì)耕地和休耕地的擬合系數(shù)明顯高于土壤溫度單變量指數(shù)模型的擬合系數(shù)。

4.2 討論

本文根據(jù)有限的原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)亞熱帶紅壤區(qū)稻田休耕期內(nèi)幾種主要土地利用方式土壤呼吸特征進(jìn)行了初步研究，并建立了土壤溫度和濕度交互作用下的土壤呼吸響應(yīng)模型，但由于土壤呼吸作用是幾個(gè)不同過程共同作用的結(jié)果，包括復(fù)雜的生物過程，生物因子強(qiáng)烈影響著土壤呼吸作用的強(qiáng)度和變化，僅依靠氣候因子的測定難以揭示土壤呼吸作用與控制其時(shí)空變化之間的內(nèi)在規(guī)律，研究區(qū)內(nèi)植被類型、土壤有機(jī)質(zhì)、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）、地上和地下生物量的分配和人為田間管理措施對(duì)土壤碳呼吸影響較大，這些因素對(duì)土壤碳呼吸的影響研究仍在數(shù)據(jù)采集之中，有待進(jìn)一步研究。

[1]Batjes N.Total carbon and nitrogen in the soils of the world[J].European Journal ofSoil Science,1996,47(2):151-164.

[2]Eswaran H,Van Den Berg E,Reich P,et al.Global soil carbon resources[M]//LalR,KimbleJM,LevineE,etal.Soils andGlobalChange.Boca Raton;CRC/Lewis.1995:27-43.

[3]Lal R.Soil erosion and the global carbon budget[J].Environment International,2003,29(4):437-450.

[4]Raich J W,Potter C S.Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Global Biogeochemistry Cycles,1995,9(1):23-36.

[5]Schimel D,House J,Hibbard K,et al.Recent patterns and mechanisms ofcarbon exchange by terrestrial ecosystems[J].Nature,2001,414(6860):169-172.

[6]IPCC.Geneva,Switzerland:IPCC,2007.

[7]Watson R T,Noble I R,Bolin B,et al.land use,land-use change, and for estry[M].Cambridge,UK:Cambridge University Press,2000.

[8]潘根興,周萍,李戀卿,等.固碳土壤學(xué)的核心科學(xué)問題與研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào),2007,44(2):327-337.

[9]翁伯琦,王義祥.亞熱帶山區(qū)紅壤地碳平衡研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(1):143-150.

[10]周志田,成升魁,劉允芬,等.中國亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤CO2排放規(guī)律初探[J].資源科學(xué),2002,24(2):83-87.

[11]婁運(yùn)生,李忠佩,張?zhí)伊?不同利用方式對(duì)紅壤CO2排放的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(5):978-983.

[12]Badia D V,Alcaniz J M.Basaland specific microbial respiration in semiarid agricultural soils:organic amendment and irrigation managementeffects[J].Journal ofGeomicrobiology,1993,11(3):261-74.

[13]Chagas C I,Santanatoglia O J,Castiglioni MG,et al.Tillage and croppingeffectsonselected properties ofan Argiudollin Argentina[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,1995,26(5/6):643-655.

[14]朱詠莉,吳金水,周衛(wèi)軍,等.亞熱帶稻田生態(tài)系統(tǒng)CO2排放及影響因素[J].中國環(huán)境科學(xué),2005,25(2):151-154.

[15]任秀娥,王勤學(xué),童成立,等.亞熱帶稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的估算[J].科學(xué)通報(bào),2007,52(13):1548-1553.

[16]鄒建文,黃 耀,宗良綱,等.稻田CO2、CH4和N2O排放及其影響因素[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2003,23(6):758-764.

[17]《長沙縣志》編纂委員會(huì).長沙縣志1988-2002[M].北京:方志出版社,2006.

[18]Davidson E A,Verchot L V,Catta^nio J H,et al.Effects of soil water content on soil respiration in for ests and cattle pastures of eastern Amazonia[J].Biogeochemistry,2000,48(1):53-69.

[19]Luo Y,Zhou X.Soil respiration and the environment[M].San Diego,CA:Elsevier,2006.

[20]Raich J W,Schlesinger W H.The golbal carbon-dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J].Tellus Series B-Chemicaland Physical Meteorology,1992,44(2):81-99.

[21]Zhang X-H,Li L-Q,Pan G-X.Topsoil organic carbon mineralization and CO2evolution of three paddy soils from South China and the temperaturedependence[J].Journal ofEnvironmentalSciences,2007,19(3):319-326.

[22]鄭聚鋒,潘根興,吳新民.升金湖枯水期灘地土壤CO2-C釋放通量及有機(jī)碳穩(wěn)定性研究[J].濕地科學(xué),2011,9(2):132-139.

[23]Xu M,Qi Y.Budgets of soil erosion and deposition for sediments and sedimentary organic carbon across the conterminous United States[J].Global Biogeochem Cycles,2001,15(3):687-696.

[24]齊麗彬,樊軍,邵明安,等.黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶不同土地利用類型土壤呼吸季節(jié)變化及其環(huán)境驅(qū)動(dòng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(11):5428-5436.

[25]Raich J W,Tufekcioglu A.Vegetation and soil respiration:correlations and controls[J].Biogeochemistry,2000,48(1):71-90.

[26]Gulledge J,Schimel J P.Controls on soil carbon dioxide and methane fluxes in a variety of taiga for est stands in Interior Alaska[J].Ecosystems,2000,3(3):269-282.