呂海波，梁宗鎖

（1．中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2．渭南師范學院 化學與生命科學學院，陜西 渭南714000；3．西北農(nóng)林科技大學 生命學院，陜西 楊凌712100）

全球變暖改變了大氣環(huán)流和水文循環(huán)，導致全球和地區(qū)范圍內(nèi)降水格局的變化，因此，在全球變化的背景下，了解土壤水分狀況對土壤呼吸的影響機理，對于估計和預(yù)測未來全球變化的方向以及理解陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯碳源功能都有重要的理論和實踐意義［1］。目前，國內(nèi)土壤呼吸強度對大氣降水響應(yīng)方面的研究并不多，已有的也多集中于降水變率大的干旱地區(qū)，如有研究發(fā)現(xiàn)干旱地區(qū)土壤增濕后CO2出現(xiàn)脈沖式增加［2－4］，土壤 CO2通量迅速增加，從而成為土壤年CO2釋放總量的一個重要組成部分［5］。

對陜西黃土高原地區(qū)降水變化進行研究發(fā)現(xiàn)，從20世紀90年代末期以來，陜西省日降水量大于25mm的強降水日數(shù)有增加趨勢［6］。暴雨量的增加能夠改變土壤含水量、增大土壤可溶性有機質(zhì)（DOM）的淋失，進而影響土壤呼吸強度。一般來說，土壤含水量的變化是通過改變微生物生存環(huán)境來影響其呼吸強度的，微生物對SOC的礦化分解是土壤呼吸的主要過程之一，而土壤水分是微生物活動必要的需求。微生物產(chǎn)生的胞外酶以及利用的有機物的擴散都需要在液相中進行，因此當含水量低時，會降低胞外酶和呼吸底物的擴散以及微生物的移動，從而降低了微生物與呼吸底物的接觸機會，最終影響到土壤呼吸，而土壤水分過高會影響到氧氣的擴散，從而影響微生物活動和SOC的氧化［7］。另外，土壤含水量的變化可通過對微生物可利用基質(zhì)（如枯落物碎屑、水溶性有機碳）擴散的影響而間接作用于土壤呼吸。枯落物的分解產(chǎn)物為微生物提供必要的C，N源［8］，枯落物碎屑的隨水遷移增加了深層土壤的微生物量，從而影響土壤的呼吸強度；同時，水溶性有機質(zhì)（DOC）是土壤微生物主要的呼吸底物和能量來源［9］。有關(guān)研究證明適量的降水能夠增加DOC的釋放，從而對土壤呼吸有促進作用［1］，而從理論上講，強降水和持續(xù)性降水的淋洗作用可使土壤淺層大量DOC淋失，可能造成土壤呼吸強度的減弱，但這方面的研究鮮見報道。

本研究基于室內(nèi)土壤呼吸培養(yǎng)方法，選擇陜西省安塞紙坊溝流域31a人工刺槐林林下土壤及枯落物為研究對象，觀測和分析了淹水狀態(tài)、好氣增濕狀態(tài)和干旱狀態(tài)下未處理土樣、枯落物添加土樣及去除DOC土樣在59d和93d培養(yǎng)過程中CO2的累積釋放量，目的在于研究降水導致的土壤增濕后枯落物層及20，40，60cm各層土壤呼吸強度的變化，通過對比分析來反映不同深度土樣的呼吸強度變化、混合枯落物中刺槐枯落物和草本枯落物對土壤呼吸的貢獻程度以及DOC淋失后土壤呼吸強度的變化。

1 材料與方法

1．1 采樣點概況

紙坊溝流域地理坐標為109°13′46″—109°16′03″E，36°46′42″—36°46′28″N，地形破碎，溝壑縱橫，為黃土高原丘陵溝壑地貌。屬暖溫帶半干旱季風氣候，海拔1 010～1 400m，年均氣溫8．8 ℃，年均降水量505．3mm，降水多集中于6—9月，占全年降水量的60%～75%。土壤為黃土母質(zhì)下的黃綿土，抗侵蝕能力差。植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶。

采集樣品的刺槐林林齡31a，海拔1 296m左右，胸徑23．8cm，高度15～20m，郁閉度0．75～0．80，間距4m×4m，坡度為21．4°，坡向為南西西。林地下部草本植物主要由鐵桿蒿（Artemisiagmelinii）、茭蒿（A．giraldii）、達烏里胡枝子（Lespedeza dahuvicus）、長芒草（Stipabungeana）組成。

1．2 樣品采集和處理

培養(yǎng)樣品采集于2009年7月。采樣時20d內(nèi)無降水記錄。設(shè)置3個50cm×50cm樣方收集地表枯落物（不包括直立枯落物），每個樣方附近隨機選擇并挖掘3個剖面坑以采集20±2cm，40±2cm，60±2cm深度土樣，樣方呈品字形平均分布。各剖面同深度土樣均勻混合后取1 000g帶回實驗室在冰箱內(nèi)保存直到分析?？萋湮镌诤嫦渲?05℃烘干48h計算干重，計算刺槐林枯落物量為362．9g／m2，仔細分選混合枯落物的刺槐類枯落物和草本類枯落物，分別稱重，計算兩者的百分含量（表1）。

表1 樣地枯落物含量及其養(yǎng)分概況

土樣化學分析前風干3d，破碎后挑選去除殘留植物碎屑過1mm篩。SOC用重鉻酸鉀外加熱法。易氧化性碳（POC）用333mmol／L高錳酸鉀氧化—光度計法：稱量含有15mg有機態(tài)碳的土樣加入25ml濃度為333mmol／L高錳酸鉀溶液，常規(guī)震蕩1h后在轉(zhuǎn)速2 000rpm下離心5min，將上清液用去離子水以1∶250倍稀釋，稀釋樣品用分光光度計在565納米處測定吸光值，根據(jù)預(yù)先測定的標準曲線來計算POC含量。用酸水解法［10］測定惰性SOC（ROC），緩性SOC（LOC）用公式LOC＝SOC－POC－ROC得到。全氮用開氏定氮法（KJELTEC 2300全自動定氮儀）。供試枯落物化學成分見表1，供試土樣化學成分如表2所示。

表2 供試土樣SOC組分含量 g／kg

用去離子水去除土壤中的可溶性有機質(zhì)。稱取過1mm篩風干土樣50g放入預(yù)先稱重的250ml錐形瓶中，加入去離子水150ml（水土比1∶5），在25℃下震蕩1h，靜置5h后小心抽去上層水分，稱重并調(diào)整瓶內(nèi)水土比為1∶1。

1．3 室內(nèi)培養(yǎng)實驗

本研究將土壤含水量分為100%，20%和2%這3個水平，分別代表了過量降水、有限降水和干旱狀態(tài)下的土壤含水量。稱取8組20，40和60cm深度土樣50g分別放入24個250ml潔凈錐形瓶中，每組包括3深度土樣各1個。其中2組用來進行去除DOC預(yù)處理，其他每3組分別調(diào)整含水量為100%，20%和2%，確保重復(fù)樣品實驗結(jié)果無明顯差異。

另稱取9份20cm深度土樣50g分別放入潔凈的錐形瓶中，其中3份加入烘干混合枯落物2g，3份加入烘干刺槐枯落物25．0g，3份加入烘干草本枯落物10．46g，枯落物量由其在樣地中的質(zhì)量比換算得來（表1）。每組3個處理將枯落物混合均勻后加入去離子水以調(diào)整含水量為100%，20%和2%。每個處理不做重復(fù)。

裝有樣品的錐形瓶敞口放置2d以恢復(fù)微生物活性。將裝 有5ml 0．4mol／L 的 NaOH 溶 液 的10ml離心管小心斜靠在每個錐形瓶內(nèi)，用橡膠塞密封錐形瓶后在25±5℃的培養(yǎng)箱黑暗狀態(tài)下培養(yǎng)，培養(yǎng)前一周每天通氣1次（30min），通氣過程中注意關(guān)閉離心管塞。每2～3d隨時收集離心管中的堿液，并重新注入同量堿液。抽出的吸收液加2ml 2mol／L的BaCl2，搖勻后以酚酞為指示劑，用0．1mol／LHCl滴定，中和未耗盡的NaOH，通過HCl消耗量來計算CO2的摩爾數(shù)。培養(yǎng)后期堿液提取間隔根據(jù)前次堿液殘留量估算。培養(yǎng)室同時培養(yǎng)33個樣品＋2個空白對照。

1．4 數(shù)據(jù)分析

在Excel 2003中進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、作圖，在SPSS 11．0軟件中進行方差分析：LSD法（p≤0．05）。

2 實驗結(jié)果

2．1 不同土壤深度土壤呼吸強度

同一條件下3深度土壤呼吸強度決定于SOC組分差異（表2）。3深度土壤SOC，POC及ROC隨深度增加呈遞減趨勢，但LOC為20cm土樣＞60cm土樣＞40cm土樣，這與100%和20%含水量下CO2總釋放量對比特點類似（圖1），土壤含水量較大條件下的LOC礦化可能導致這種差異特點（表2）。

3深度土壤樣品呼吸強度隨含水量的變化情況見圖1。含水量為100%和20%時，CO2累積釋放量都為20cm土樣＞60cm土樣＞40cm土樣，20cm與40cm有顯著差異，含水量為2%時，20cm和40cm差距較小，土壤呼吸強度為20cm土樣（1．03mmol）＞40cm 土 樣 （0．95mmol）＞60cm 土 樣（0．67mmol），20cm 和40cm 差異顯著。

圖1 不同含水量條件下3個深度土樣CO2釋放量對比

2．2 枯落物混合處理土樣的CO2累積釋放量

在93d室內(nèi)培養(yǎng)過程中，添加混合枯落物（刺槐林土表枯落物）的土壤在100%含水量時CO2累積釋放量最高，與20%含水量差異顯著。2%和20%含水量條件下CO2累積釋放量在73d內(nèi)沒有明顯差異，73～93d的2%含水量CO2釋放量大于20%含水量（圖2）。

分選混合枯落物為草本和木本（刺槐），結(jié)果顯示，2%和20%含水量條件下CO2累積釋放量木本混合樣品含量大于草本且呈顯著差異，而100%含水量條件下差異減小，草本稍大于木本樣品（圖3）。

刺槐林土壤表層枯落物在強降水情況下（淹水）CO2釋放量較高，地表刺槐枯落物較草本枯落物CO2釋放速率在短期內(nèi)沒有明顯的差異。而非淹水狀態(tài)下，混合枯落物CO2釋放量隨含水量增加在短期內(nèi)沒有明顯變化，高含水量持續(xù)一段時間后CO2釋放量有所增加，刺槐枯落物CO2釋放量明顯高于草類枯落物。

2．3 去除DOC土樣CO2釋放量的變化

為分析強降水沖刷對土壤呼吸的影響，采用3個深度土壤與其處理后土壤進行呼吸培養(yǎng)，結(jié)果顯示（圖4），水洗去除DOC后，20cm土樣CO2釋放量明顯減少，40cm先減少后增加，CO2釋放累積量有一定的增加，60cm土樣略有減少，主要表現(xiàn)在培養(yǎng)初期（5d內(nèi)）和末期（59d），培養(yǎng)中期沒有明顯差異。

圖2 3個含水量條件下混合枯落物的CO2釋放量對比

圖3 3個含水量條件下刺槐林枯落物和草本類枯落物CO2釋放量對比

圖4 100%含水量條件下3個深度土壤樣品DOC去除對CO2釋放量的影響

3 討 論

3．1 SOC組分差異對呼吸強度的影響

培養(yǎng)過程中培養(yǎng)物質(zhì)的礦化分解是微生物主導下的生物化學過程，受培養(yǎng)物質(zhì)的化學成分及培養(yǎng)條件的影響。土壤中SOC組分差異造成了其呼吸強度的不同。SOC中活性碳庫（POC）、緩性碳庫（LOC）和惰性碳庫（ROC）的周轉(zhuǎn)周期呈遞增趨勢［11］，說明三者的礦化降解能力依次遞減，造成在各含水量條件下20cm土樣CO2釋放量大于40cm和60cm土樣。

SOC的降解性會因外部條件（溫度和濕度）的改變而發(fā)生變化，一般情況下，隨著溫度的升高，土壤呼吸的溫度敏感性（Q10）下降，水分過高或過低時Q10降低［7］。由于自然條件下不同深度土壤的溫濕度、通氣性等并不相同，當3個深度的土壤處于同一條件下進行培養(yǎng)，不同深度土壤的環(huán)境變化程度（如溫濕度、通氣性等）便出現(xiàn)差異，這可能造成了不同土壤層SOC組分降解速率的差異。圖1顯示100%和20%含水量條件下40cm土樣CO2釋放量大于60cm土樣，結(jié)合表1所示的LOC含量60cm土樣＞40cm土樣，我們認為這種結(jié)果至少部分歸功于LOC的差異性降解，盡管POC含量在40cm大于60cm，60cm較高的LOC降解量彌補了較少的POC降解量。但這僅為一種推測，不同SOC組分的溫度敏感性機理尚未發(fā)現(xiàn)有研究成果。另外，結(jié)果顯示POC和LOC含量對土壤呼吸強度的貢獻程度受到含水量的影響，在20%含水量條件下60cm土壤CO2累積釋放量高出40cm 0．86mol，而100%淹水條件下僅為0．27mol，在2%含水量條件下40cm土壤CO2累積釋放量最接近于20cm，LOC的CO2釋放影響減小。

3．2 去除DOC對土壤呼吸強度的影響

去除DOC處理結(jié)果顯示（圖4），強降水的沖刷作用減弱了土壤表層呼吸強度，對較深的土壤層沒有明顯的影響。由于降水的沖刷作用對深層土壤的影響有限，深層SOC較難受到高強度的沖刷淋洗，表土層SOC呼吸強度的變化可能是造成土壤強降水后呼吸強度減弱的原因。有研究認為，有機碳的解聚和溶解是其礦化的先決條件，SOC釋放CO2前必須先進入溶液中［12］，SOC的礦化土壤中的DOC通常被認為是容易被微生物利用［13］，DOC的淋失減弱了SOC的微生物降解能力，進一步減小了微生物量，這似乎是去除DOC后土壤呼吸強度減弱的一個原因。目前，DOC的移除對土壤呼吸的影響尚無一致的結(jié)論，本實驗盡管在表土層20cm CO2釋放量變化明顯，40cm和60cm在培養(yǎng)過程中沒有出現(xiàn)一致的變化特點，顯示了降水淋失對土壤呼吸強度影響的復(fù)雜性。

4 結(jié) 論

（1）土壤呼吸強度主要決定于周轉(zhuǎn)速率不同的SOC組分，各土壤含水量條件下土壤呼吸強度并不隨樣品深度增加而減弱，是環(huán)境改變后SOC這3種組分同時分解的結(jié)果。淹水條件（100%含水量）和20%含水量條件下CO2累積釋放量為：20cm土樣＞60cm土樣＞40cm土樣，在2%含水量條件下20cm和40cm差距較小，土壤呼吸強度為：20cm土樣＞40cm土樣＞60cm土樣，顯示了SOC組分的分解速率在不同含水量條件下存在差異，表現(xiàn)為為20%含水量＞100%含水量＞2%含水量。

（2）不同種類枯落物的分解速率存在差異，其差異隨土壤含水量變化而變化。刺槐林土壤枯落物層呼吸強度在淹水狀態(tài)下最強，2%含水量和20%含水量條件下呼吸強度在73d培養(yǎng)過程中沒有明顯差異，但最終為前者大于后者。在淹水條件下（100%含水量），枯落物層刺槐枯落物和草本類枯落物的呼吸強度貢獻值沒有明顯差異，但在好氣條件下（2%和20%含水量），刺槐枯落物對呼吸強度的貢獻遠大于草本類枯落物。

（3）強降水對DOC的淋失可能導致土壤表層呼吸強度的減弱。培養(yǎng)過程中，20cm土樣培養(yǎng)過程中去除DOC土樣CO2釋放量明顯少于原土樣。與20cm土樣相比，40cm土樣和60cm土樣DOC淋失對CO2釋放量沒有一致的影響。

（4）土壤含水量對不同SOC組分、不同枯落物種類分解速率的影響，以及強降水造成的DOC淋失對土壤呼吸強度的影響研究，為土壤含水量和土壤呼吸強度的相關(guān)性研究提供一定的理論基礎(chǔ)。但在自然環(huán)境中，不同土壤層包含了不同SOC組分、不同枯落物種類等多種因素，要深入理解含水量變化對土壤呼吸強度的作用機理，還要深入研究影響呼吸強度的各種因素之間的耦合機制，而這一問題需要進一步對自然狀態(tài)下的土壤層進行綜合研究。

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