張彥軍，郭勝利，，，* ，劉慶芳，南雅芳，郭慧敏，李俊超

(1.西北農林科技大學水土保持研究所，楊凌 712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;3.西北農林科技大學資源與環(huán)境學院，楊凌 712100)

土壤有機碳含量與土壤的各種物理、化學、生態(tài)性狀和土壤肥力密切相關。陸地表面1m土層中有機碳儲量(1500—2000 Pg C，1 Pg=1015g)，為大氣CO2中C含量的2倍左右［1］。因此，土壤有機碳儲量的潛在變化不僅會影響土壤質量，而且也會導致大氣CO2濃度的波動，但土壤到底是大氣CO2的源或匯與土壤碳的輸出變化密切相關?；A土壤呼吸是微生物作用下土壤有機碳礦化分解而釋放CO2的過程［2］，直接影響土壤有機碳儲量或土壤碳匯能力大?。?］，是碳輸出的重要過程之一。因此，了解土壤基礎呼吸的變化過程對深入理解土壤碳匯能力及其影響因素具有重要意義。

水分和溫度是影響土壤呼吸的重要環(huán)境因素［4-7］，也是氣候變化條件下土壤有機碳儲量變化的重要驅動力，但水分和溫度對有機碳分解的影響具有顯著的變異性［8］。目前國內外關于土壤呼吸與土壤水分和土壤溫度關系的大量研究，均包括根系呼吸在內［9-14］。而已有的基礎土壤呼吸報道多基于室內培養(yǎng)，例如，從土壤氮素供應的角度來看，室內條件下開展了大量有機質礦化分解研究，但室內與田間的試驗條件相差懸殊，室內結果很難應用到田間分析與模擬［15］。從土壤二氧化碳排放角度來看，田間條件下進行了大量土壤呼吸的定位觀測與研究，但獲得的試驗結果常常包含作物根系呼吸［16-19］。裸地土壤及其環(huán)境條件在土壤水分、溫度、底物供應等多方面均與有植被生長的土壤不同。裸地條件下，由于缺乏植被，源于根系和凋落物的有機物輸入得到了限制，根系呼吸不復存在。因此，裸地土壤呼吸主要反映了土壤原有有機碳的礦化分解(即基礎土壤呼吸)，進而探討及其與水分、溫度等環(huán)境條件的關系。在田間條件下，開展裸地土壤呼吸的研究有助于深入了解土壤有機碳的變化機理。鑒于此，本研究以裸地處理為研究對象，通過3a(2009—2011年)連續(xù)監(jiān)測土壤呼吸、土壤水分和土壤溫度的變化，研究田間條件下土壤基礎呼吸的年際和季節(jié)間變化及其與環(huán)境變量之間的關系。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于陜西省長武縣(東經107°40'，北緯35°12')，長武農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(簡稱長武站)。屬于典型的黃土旱塬區(qū)，海拔1200 m，半干旱濕潤性季風氣候。1984—2011年間年均降水量為586 mm，其中最高年份為954 mm，最低年份為296 mm，7—9月降水量占年總量的57%左右。年平均氣溫9.4℃，大于10℃積溫為3029℃，年日照時數(shù)為2230 h，日照率為51%，年輻射總量為484 kJ/cm2，無霜期171d。2009、2010、2011 年的總降水量分別為481.20、588.10、644.20 mm，7—9 月的降水總量依次占全年降水總量的62%、74%、60%，其對應的平均大氣溫度則依次為10.06、10.27、9.43℃。與多年平均降水量以及大氣溫度相比較而言，無論是降水量還是大氣溫度都呈增加趨勢，特別7—9月降水量明顯增加。地帶性土壤為粘壤質黑壚土，母質為中壤質馬蘭黃土，土層深厚，土質疏松。耕層土壤(0—20 cm)有機碳6.50 g/kg，全氮0.62 g/kg，堿解氮 37.0 mg/kg，速效磷 3.0 g/kg，速效鉀 129.3 mg/kg，CaCO310.5%，pH 8.4，試驗地 N、P 含量較低，鉀素豐富，呈微堿性反應。

1.2 試驗設計

試驗所用裸地為長武站長期試驗處理之一。該長期試驗于1984年設立，主要用于研究不同作物和肥料管理措施對土壤生產力、土壤養(yǎng)分和水分的影響［20］。小區(qū)面積10.3 m×6.5 m，小區(qū)間距0.5 m，區(qū)組間距和周邊寬各1.0 m。裸地處理自1984年6月小麥收獲后至今一直處于休閑狀態(tài)，雜草等及時人工清除。土壤耕翻與小麥連坐處理同步，一年翻耕兩次，7—9月間進行，耕翻深度大約20 cm。

1.3 土壤呼吸、水分和溫度的測定

每個重復(小區(qū))內安裝2個氣室基座(PVC管，直徑20 cm，高度12 cm)，基座離地面高2 cm。為避免了由于安置氣室基座對土壤擾動而造成的短期呼吸速率波動，在氣室基座安置24 h后再進行測定。測定前去除氣室基座內的一切活體。土壤呼吸速率測定采用便攜式土壤碳通量測量系統(tǒng)LI-8100(LI-COR，Lincoln，NE，USA)。土壤溫度測定利用LI-8100自帶的土壤溫度計，土壤水分的測量利用烘干法

2009年3月—2011年11月(除寒冷冬季的12、1、2月份)，選擇晴好天氣在9:00—11:00進行土壤呼吸速率、土壤溫度、土壤水分的測定。大約每10d測定1次，其中高溫多雨季節(jié)(7—9月)每周測定1次。3a試驗期間土壤呼吸速率、溫度以及水分各測量73次，其中2009年測量25次;2010年測量26次;2011年測量22次。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

利用線性內插法推算不同年際間的累積土壤呼吸量(g C/m2)［21］，利用Sigmplot軟件制作相關的基礎圖件。

在半干旱的黃土旱塬區(qū)，受大陸季風氣候的影響，土壤水分低且干濕多變，初步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，除溫度外，水分變化也是影響土壤呼吸的重要因素。鑒于此，本研究利用指數(shù)關系模型模擬土壤呼吸與土壤溫度的關系，用一元二次方程模型模擬土壤呼吸與土壤水分的關系。考慮到土壤溫度和水分對土壤呼吸的協(xié)同作用，用雙變量模型研究土壤溫度和水分與土壤呼吸之間的關系［22］:

式中，F(xiàn)(μmol·m2·s－1)為土壤呼吸速率;T(℃)為土壤0—5 cm土層溫度;θ(%)為土壤0—5 cm土層水分;β0和β1為模型參數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)預處理結果表明，當土壤含水量＜18%時，土壤呼吸隨土壤含水量的增加而增加;土壤含水量＞18%時，土壤呼吸隨土壤含水量的增加而降低。因此，上述雙變量模型可具體為:

式中，β0、β1、β2、β3、β4為模型參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 土壤呼吸速率的季節(jié)和年際變化。

3a的觀測期間都可看到裸地土壤呼吸隨季節(jié)變化而波動。雨季前(3—6月)，土壤溫度在逐漸回升但土壤干旱制約使得土壤呼吸相對穩(wěn)定在一個較低水平:2009年為 0.97μmol·m2·s－1，2010年為 1.12 μmol·m2·s－1，2011年為1.15μmol·m2·s－1;7月當?shù)剡M入高溫多雨季節(jié)，月初土壤由干變濕，土壤呼吸出現(xiàn)顯著升高現(xiàn)象(圖1)。雨季(7—9月)，土壤呼吸隨降水變化而波動，2009年的土壤呼吸平均為1.22μmol·m2·s－1高于雨季前，但2010年7—9月雨季土壤呼吸為0.85μmol·m2·s－1，2011年為0.77μmol·m2·s－1都低于雨季前其相應土壤呼吸速率;雨季結束(10月后)，隨著秋季來臨土壤溫度降低，土壤呼吸快速降低。雨季后，2009年土壤呼吸平均為1.14μmol·m2·s－1，2010年為0.64μmol·m2·s－1，2011年為0.54μmol·m2·s－1。

除顯著的季節(jié)變化特征外，土壤呼吸在年際間也存在變異。2009年土壤呼吸速率的最小值為0.62 μmol·m2·s－1，最大值為1.83μmol·m2·s－1，均值為1.16μmol·m2·s－1;2010年和2011年土壤呼吸范圍和均值都低于2009年。2010年土壤呼吸的變化范圍為0.30—1.46μmol·m2·s－1，均值為0.92μmol·m2·s－1;2011年則為0.06—1.68μmol·m2·s－1和0.88μmol·m2·s－1(圖1)。

2.2 土壤呼吸速率與土壤溫度、水分的關系

3a觀測期間(2009—2011年)，土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著指數(shù)關系(P＜0.0001)(表1)，土壤溫度變化可以解釋土壤呼吸57%—67%的變異性;而土壤呼吸速率與土壤水分含量呈顯著負相關關系(P＜0.003—0.0001)(表1)，土壤水分可以解釋土壤呼吸52%—79%的變異性。由此表明，土壤呼吸由土壤溫度和土壤水分共同控制，并符合以下土壤呼吸與溫度、水分的雙變量方程 F= β0eβ1Teβ2θ+β3θ2(P＜0.0001)，該關系式可以解釋土壤呼吸73%—86%的變異性(表1)。

圖1 試驗期間土壤呼吸，溫度和水分的含量變化Fig.1 Changes in soil respiration，soil temperature，and soil moisture between 2009 and 2011

表1 土壤呼吸與溫度、水分的關系方程Table 1 Equations between soil respiration，soil temperature and soil moisture

2.3 土壤呼吸累積量的年際變化及其與年際氣溫和降水的關系

2009年為282 g C/m2，2010年為234 g C/m2，而2011年為230 g C/m2(圖2)。測定日期內(3月15日—11月20日)，試驗期間年均氣溫差異不大(2009年、2010年和2011年依次為15.41、15.07、14.63℃)，但總降水量具有顯著差異，2009年、2010年和2011年依次為448.60、561.70、597.80 mm(圖2)。除總量3a間存在顯著差異外，與2009年相比，2010和2011年＞5mm降水次數(shù)和頻率顯著高于2009年。觀測期間，雨季前土壤呼吸年際差異并不大(2009—2011波動于0.97—1.15μmol·m2·s－1)，但其余季節(jié)年際間變異較大。雨季期間(0.77—1.22μmol·m2·s－1)和雨季后(0.54—1.14μmol·m2·s－1)。這一結果表明，土壤呼吸累積量的年際變化與降水量年際變化有關。2010年和2011年雨季和雨季后土壤濕度維持較高水平可能是導致這兩年土壤呼吸降低的原因。

圖2 3a試驗期間降水總量，平均氣溫和累積土壤呼吸量的變化Fig.2 Variations in total rainfall，mean air temperature and cumulative soil respiration between 2009 and 2011

3 討論

3.1 裸地土壤有機碳的流失與水分、溫度變化的關系

試驗期間的不同年度均可看到土壤水分和溫度的劇烈波動，土壤水分和溫度影響土壤微生物呼吸的主要環(huán)境因素，且兩者季節(jié)變化均與土壤呼吸的季節(jié)變化顯著相關(圖1，表1)，在不同生態(tài)系統(tǒng)都有類似報道［4-5，23-25］。同樣地，盡管年氣溫和降水變化也會影響年際土壤呼吸變異，但在氣溫不是植被生長的限制性因素的地區(qū)或一些寒冷地區(qū)(年均氣溫4—10℃)，年均氣溫與年土壤呼吸就無相關關系［7，26］。在降水變異顯著的地區(qū)，年降水顯著影響年呼吸變化［7］。本研究地處干旱半干旱地區(qū)，降水在季節(jié)和年際間劇烈波動，而年氣溫相對穩(wěn)定。因此，土壤呼吸年際變化主要與年降水總量有關，而與年均氣溫無關(圖2)。

土壤溫度常常被作為影響土壤呼吸的重要環(huán)境因素。在不考慮土壤水分變化或其不是限制因子時，可依據(jù)呼吸與溫度的指數(shù)關系方程獲得土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)(Q10)。在干旱半干旱地區(qū)，尤其本研究所在的黃土旱塬區(qū)，土壤含水量低(圖1)且干濕變化劇烈，在季節(jié)尺度上水分和溫度變化都會顯著影響土壤呼吸及其對溫度的敏感性(圖3，表1)。從圖3可直觀地看出，土壤水分含量高或低時，土壤呼吸因溫度變化顯著不同;相應地，土壤溫度高或低時，呼吸隨溫度變化也不同。已有報道發(fā)現(xiàn)Q10變化與土壤水分或土壤溫度變化密切相關［23，27-28］。因此，在黃土區(qū)，土壤呼吸的模擬應充分考慮水分和溫度環(huán)境因素的影響。

圖3 土壤呼吸對土壤水分、土壤溫度的響應曲面Fig.3 Response surface of soil respiration as a function of soil moisture and soil temperature according to the equation fitted to the soil respiration data in 2009

3.2 裸地土壤有機碳變化影響因素

裸地條件下，土壤呼吸主要來源微生物呼吸，與作物根系及其凋落物無關。因此，本研究裸地土壤呼吸速率顯著低于同期相鄰有小麥生長處理的土壤呼吸［29］。長期休閑條件下沒有新鮮有機物輸入，土壤呼吸反映了土壤微生物對原有土壤有機碳分解和流失的影響［2，30］。

從上述研究結果可以看出，觀測期內(3a平均)，裸地處理土壤有機碳流失量大約在249 g C/m2。本試驗中裸地處理自1984年休閑以來SOC儲量逐漸降低，SOC濃度由試驗開始的6.5g/kg降低到目前5.5g/kg，降幅達15%(2.5 Mg C/hm2，年流失量為0.1 Mg C/hm2)。包含休閑的輪作處理的SOC含量低于作物連作處理，休閑頻率高的輪作體系中土壤有機碳含量低于休閑頻率低的輪作體系［31-32］。但令人驚訝的是，在本研究中依據(jù)三年基礎呼吸的平均值(249 g C/m2)估算，裸地處理每年SOC流失量為2.5 Mg C/hm2左右，為實際每年碳流失量(0.1 Mg C/hm2)的25倍。究其原因可能與以下因素有關:1)裸地處理盡管沒有作物生長而降低了根系等凋落物的輸入，但通過天然降塵輸入的有機碳部分抵消了土壤有機碳的流失:在黃土高原地區(qū)，年降塵量大于2.5 Mg ha－1［33］，試驗附近地區(qū)(彬縣和西峰)的降塵中有機質含量為33.3%—42.9%［34］。因此，隨降塵進入土壤的有機碳大約為0.5—0.6 Mg C/hm2;2)盡管沒有新鮮有機物的輸入，但土壤微生物固碳可占到SOC的0.12%—0.59%［35］;3)碳通量監(jiān)測的土壤碳流失一部分來自于土壤深層;4)裸地處理在理想條件下沒有任何雜草生長，但在管理過程中采取定期人為清除裸地土壤上的雜草，少量殘留雜草根系的分解有可能使得裸地土壤呼吸觀測值偏高。但以上真實原因及其貢獻需要我們進一步用試驗研究確認。

黃土旱塬區(qū)是典型雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，夏季作物收獲后農田往往采用休閑以調節(jié)土壤水分和養(yǎng)分。從上述研究結果可以看出，7—9月高溫多雨季節(jié)，有機碳流失量大約為85 g C/m2，雨季裸地土壤有機碳的流失量約占觀測期內裸地土壤有機碳的流失量的34%。在干旱半干旱地區(qū)，在保證蓄集天然降水條件下，種植填閑作物，縮短或減少休閑期有助于促進有機物輸入，降低原有土壤有機碳分解，保持土壤肥力。

4 結論

基礎土壤呼吸的平均速率為0.99μmol·m2·s－1，因基礎呼吸年流失的有機碳為2.5 Mg C/hm2。但大氣降塵等對裸地土壤有機碳的輸入也不容忽視。裸地上，土壤呼吸具有顯著季節(jié)和年際變化，其季節(jié)間變化由土壤水分和溫度共同控制，可由溫度、水分的雙變量方程描述(F= β0eβ1Teβ2θ+β3θ2)，土壤呼吸的年際變化主要由年降水總量控制，而與年均氣溫無關。因此，在氣候變化的條件下，土壤有機碳流失與環(huán)境因素內在的生態(tài)聯(lián)系因時間尺度存在差異。

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