孟 春

(東北林業(yè)大學(xué) 森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

從二十世紀(jì)初至今，人們一直沿用Lundegardh對(duì)土壤呼吸的定義，即土壤呼吸是指未擾動(dòng)土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝過(guò)程[1]，包括三個(gè)生物學(xué)過(guò)程(土壤微生物呼吸、土壤動(dòng)物呼吸、根呼吸)和一個(gè)化學(xué)過(guò)程。不可否認(rèn)，這三個(gè)生物學(xué)過(guò)程和一個(gè)化學(xué)過(guò)程是土壤呼吸產(chǎn)生的根源，也可以稱為“真土壤呼吸”。但是，土壤作為一個(gè)有機(jī)體，其自身結(jié)構(gòu)以及外界環(huán)境條件不僅影響上述真土壤呼吸的發(fā)生與發(fā)展，同時(shí)也會(huì)影響土壤真呼吸產(chǎn)生的CO2流動(dòng)到大氣的過(guò)程，而這一過(guò)程是純粹的物理過(guò)程。

如果把用各種儀器測(cè)的由土壤向大氣釋放CO2的速率稱為土壤表面呼吸速率，那么由真呼吸所產(chǎn)生CO2的速率應(yīng)當(dāng)稱為真呼吸速率。由于土壤是個(gè)多孔的復(fù)雜系統(tǒng)，真呼吸產(chǎn)生的CO2多聚集在這些孔隙中，然后遵循物理學(xué)的擴(kuò)散與對(duì)流原理釋放到大氣中。擴(kuò)散與對(duì)流受到土壤溫度、濕度、土氣壓力差、土壤中CO2濃度、土壤孔隙大小和多少的影響，真呼吸不能馬上擴(kuò)散到大氣中。可見(jiàn)，在較短的時(shí)間跨度內(nèi)，如一晝夜，土壤表面呼吸速率不是真正的、實(shí)時(shí)的土壤呼吸速率，而是蓄積在土壤孔隙中的CO2釋放出來(lái)的結(jié)果。因此，有必要對(duì)土壤呼吸的物理過(guò)程進(jìn)行研究，并根據(jù)土壤表面呼吸速率推算土壤真呼吸。

1 土壤呼吸產(chǎn)生與傳輸過(guò)程

從土壤表面排放的CO2可以認(rèn)為是兩個(gè)主要過(guò)程綜合的結(jié)果：CO2的產(chǎn)生和氣體在土壤中的傳輸[2]。

按照Lundegardh[1]對(duì)土壤呼吸的定義，從量上看，土壤微生物呼吸和根呼吸構(gòu)成了土壤呼吸的絕對(duì)主體，而土壤動(dòng)物呼吸和由化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的CO2則占有很小的比例。因此，在研究土壤呼吸物理過(guò)程的時(shí)候，可以認(rèn)為CO2的產(chǎn)生主要來(lái)源于植物的根呼吸和土壤微生物呼吸，而忽略土壤動(dòng)物呼吸和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的CO2。

土壤中氣體的組成成分復(fù)雜，但有兩種最為重要的氣體，且所占分量在土壤空氣中最多，一是土壤中的O2，二是土壤中的CO2[3]。土壤中氣體的傳輸則決定了CO2從土壤向大氣的釋放和O2在反方向的運(yùn)動(dòng)。

鑒于以上分析，土壤碳循環(huán)中碳流、環(huán)境因素以及二者之間的相互作用可以用圖1描述(實(shí)線表示碳流，虛線表示環(huán)境因素對(duì)呼吸或氣體傳輸?shù)挠绊?；矩形表示狀態(tài)，橢圓形表示過(guò)程。)。土壤碳主要來(lái)源于碎屑(地面上的木質(zhì)殘?bào)w和死根)和光合作用產(chǎn)物(碳水化合物)從植物葉向根部的輸送。假設(shè)土壤碳的遺失僅為植物根和土壤微生物以呼吸的形式從土壤向大氣釋放CO2。其他數(shù)量極其微小的碳源和碳匯，如化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的、土壤動(dòng)物呼吸和由于地下水引起的碳水化合物的流失，均可忽略不計(jì)。

圖1 土壤碳流示意圖

土壤溫度、濕度是影響土壤呼吸的重要因素，二者既影響CO2的產(chǎn)生，也影響CO2的傳輸過(guò)程。土壤中的O2是根呼吸和微生物呼吸的必要元素，但他僅影響土壤呼吸的產(chǎn)生，對(duì)CO2的傳輸則無(wú)影響。土壤溫度、濕度以及地表壓力對(duì)土壤呼吸傳輸?shù)挠绊懯峭ㄟ^(guò)擴(kuò)散與對(duì)流作用而表現(xiàn)出來(lái)的。

2 土壤呼吸傳輸物理模型

土壤為多孔聚合體，且土壤孔隙度在深度方向呈現(xiàn)變化的趨勢(shì)，即土壤為非均勻多孔聚合體。為簡(jiǎn)化物理模型的建立，對(duì)土壤及土壤中的CO2作如下幾點(diǎn)假設(shè)：

(1)一定深度的土壤為均勻多孔體，且孔隙度不產(chǎn)生隨時(shí)間、溫度、壓力的變化。

(2)液態(tài)階段的CO2不考慮。

(3)氣態(tài)CO2只有垂直向上的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)質(zhì)量守恒方程，土壤表面排放通量與真呼吸、土壤中CO2質(zhì)量變化的關(guān)系可以表述為：

R+Δm+rg=0。

(1)

式中：R為土壤表面CO2排放通量；Δm為土壤中CO2質(zhì)量變化量；rg真呼吸量。

氣體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)是由壓力梯度驅(qū)動(dòng)的，產(chǎn)生壓力梯度的因素可以是土氣界面的壓力差(直接因素)，也可以是由于土壤內(nèi)氣體體積、溫度的變化引起的土氣界面的壓力差(間接因素)。根據(jù)克拉伯龍方程分別對(duì)壓力(P)、體積(v)和溫度(T)求導(dǎo)，可分別得到由于壓力、體積、溫度變化引起的對(duì)流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的土壤中CO2質(zhì)量變化量，如下式。

直接因素和間接因素的作用是相互影響的，三者對(duì)土壤CO2質(zhì)量變化的影響關(guān)系可表述為下式：

dm=dmv·dmT·dmP。

(2)

土壤的多孔性，使CO2從土壤中排放出受到阻礙作用，因此，土壤中CO2質(zhì)量變化量為：

Δm=ξ·dmv·dmT·dmP，

(3)

式中：ξ氣態(tài)CO2在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)。

土壤真呼吸為：

rg=-(R+Δm)=-[R+ξ·dmv·dmT·dmP]。

(4)

3 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)處理

3.1 研究區(qū)域概況

研究樣地選擇在東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)內(nèi)的白樺和落葉松人工林內(nèi)。該實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)位于哈爾濱市區(qū)內(nèi)馬家溝河西岸(N45°15′，E128°37′)，地形平緩，土壤為地帶性黑土，水分條件良好。屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫3.5℃，年積溫2 757℃，年降水量534 mm。

本次實(shí)驗(yàn)選取該林場(chǎng)內(nèi)白樺(BetulaplatyphyllaSuk)人工林和落葉松(LarixgmeliniRupr)人工林為研究樣地。樣地概況見(jiàn)表1[5-6]。

表1 樣地概況

3.2 觀測(cè)方法及模型與數(shù)據(jù)處理

2009年5月1日在林地內(nèi)隨機(jī)選取1.0×1.0 m的一個(gè)區(qū)域，在選取的區(qū)域內(nèi)，相距一定距離埋設(shè)5個(gè)高為10 cm、內(nèi)徑為10.5 cm的PVC管，一個(gè)作為觀測(cè)使用，其他作為備用。

分別于2009年5月24～26日、6月25～27日、7月30～8月1日、8月28～30日和9月27～29日對(duì)2個(gè)林地分別進(jìn)行了5次定點(diǎn)、24小時(shí)晝夜觀測(cè)。每個(gè)林地的觀測(cè)始于首日下午16時(shí)，結(jié)束于次日16時(shí)。

觀測(cè)時(shí)，將Li-8100土壤碳通量全自動(dòng)觀測(cè)儀的氣室置于安置好的PVC環(huán)上，同時(shí)，將該系統(tǒng)配備的土壤溫度和濕度傳感器從PVC管外側(cè)斜向PVC環(huán)插入地表下10 cm深處，用于觀測(cè)地表下10 cm處的土壤溫度和含水率。按儀器操作過(guò)程設(shè)定觀測(cè)參數(shù)后，啟動(dòng)觀測(cè)儀器，相隔30 min記錄一次土壤表面CO2排放通量、地表溫度、地表下10 cm處的土壤溫度和含水率。一晝夜內(nèi)共有48組觀測(cè)數(shù)據(jù)[7-8]。

根據(jù)對(duì)土壤呼吸物理過(guò)程的分析，對(duì)土壤進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，取圓柱體作為研究對(duì)象，圓柱體上下表面積1 m2，高1 m。

根據(jù)實(shí)際取樣測(cè)定結(jié)果，兩林地各月份CO2擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土壤CO2擴(kuò)散系數(shù)

根據(jù)各次觀測(cè)結(jié)果，采用SPSS11.0軟件進(jìn)行擬合并求導(dǎo)求得dmv、dmT和dmP。采用公式(4)求得各觀測(cè)時(shí)點(diǎn)真呼吸。計(jì)算每晝夜土壤表面呼吸速率和真呼吸均值。

4 結(jié)果與分析

4.1 晝夜土壤表面呼吸通量與真呼吸

應(yīng)用公式(2)～(4)分別計(jì)算白樺和落葉松林地土壤真呼吸，如圖2～圖11所示。從模擬過(guò)程和結(jié)果看，溫度變化對(duì)土壤CO2排放通量變化影響較大，但由于壓力及體積變化對(duì)土壤CO2排放通量變化影響極小，導(dǎo)致三者共同作用的結(jié)果是：土壤CO2排放通量與真呼吸的差值很小。

圖2 5月19日白樺林地呼吸通量

圖3 6月20日白樺林地呼吸通量

圖4 8月14日白樺林地呼吸通量

圖5 9月18日白樺林地呼吸通量

圖6 10月8日白樺林地呼吸通量

圖7 5月20日落葉松林地呼吸通量

圖8 6月21日落葉松林地呼吸通量

圖9 8月15日落葉松林地呼吸通量

圖10 9月19日落葉松林地呼吸通量

圖11 10月9日落葉松林地呼吸通量

從晝夜變化上看，兩林地土壤表面CO2排放通量和真呼吸的關(guān)系表現(xiàn)的有所不同。落葉松林地在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)從清晨至夜晚均出現(xiàn)土壤表面CO2排放通量與真呼吸值大小轉(zhuǎn)變的過(guò)程，5月20日和6月21日的3種處理、8月15日的處理III、9月19日的處理I表現(xiàn)為真呼吸由小于土壤表面CO2排放通量到大于土壤表面CO2排放通量的轉(zhuǎn)變形態(tài)，其余各次觀測(cè)則表現(xiàn)外相反的轉(zhuǎn)變形態(tài)，這種轉(zhuǎn)變特征決定于地表壓力的變化特征。白樺林地在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)從清晨至夜晚土壤表面CO2排放通量與真呼吸值大小關(guān)系表現(xiàn)出了非一致性，5月19日觀測(cè)各處理和8月15日觀測(cè)的處理II表現(xiàn)出了真呼吸從小于土壤表面CO2排放通量到大于土壤表面CO2排放通量的轉(zhuǎn)變過(guò)程，6月20日觀測(cè)各處理和8月15日觀測(cè)的處理I、III則表現(xiàn)出相反的轉(zhuǎn)變過(guò)程；9月18日和10月8日觀測(cè)各處理均表現(xiàn)為土壤表面CO2排放通量小于真呼吸，且從清晨至傍晚，其差值有減小的趨勢(shì)。

4.2 晝夜土壤表面CO2排放通量與真呼吸平均值

從晝夜土壤表面CO2排放通量與真呼吸平均值看，二者差值不大，見(jiàn)表3和表4。落葉松林地各次觀測(cè)各種處理土壤表面CO2排放通量與真呼吸平均值差值未表現(xiàn)出規(guī)律性。白樺林地則在8月14日觀測(cè)的3個(gè)處理中表現(xiàn)出差值最小，其余各次觀測(cè)差值明顯大于8月14日。雖然兩林地土壤表面CO2排放通量與真呼吸平均值差值未表現(xiàn)出一致性規(guī)律，但是，觀測(cè)期內(nèi)兩林地土壤表面CO2排放通量均值均小于真呼吸均值，落葉松和白樺土壤表面CO2排放通量均值分別為2.245μmol/m2·s和2.000μmol/m2·s，真呼吸均值分別為2.294μmol/m2·s和2.005μmol/m2·s，二者之差分別為-0.049μmol/m2·s和-0.005μmol/m2·s。

表3 白樺林地CO2排放通量與真呼吸晝夜平均值

表4 落葉松林地CO2排放通量與真呼吸晝夜平均值

5 結(jié)論與討論

目前，對(duì)土壤呼吸的研究均以土壤表面CO2排放通量來(lái)表示土壤呼吸。但是，土壤表面CO2排放通量受氣體傳輸物理過(guò)程的影響而與土壤真呼吸值存在差異。由于土壤多孔體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及環(huán)境變量的不確定性，人們對(duì)CO2排放的地下物理過(guò)程了解甚少[9]，所以，對(duì)于土壤真呼吸的研究較為困難。

土壤CO2向大氣中排放的物理過(guò)程受到擴(kuò)散和對(duì)流雙重作用的影響，而擴(kuò)散與對(duì)流作用又受到環(huán)境因素的影響。如果只考慮土壤氣體體積、溫度和土氣界面壓力三個(gè)環(huán)境變量，當(dāng)某一時(shí)點(diǎn)土壤中CO2以定速產(chǎn)生時(shí)，不考慮CO2向下滲漏，若環(huán)境變量均不發(fā)生變化，則土壤中氣體所占體積分維數(shù)不變，在由濃度梯度決定的擴(kuò)散作用下，土壤中CO2將以恒定的速度向大氣中排放。但在實(shí)際條件下，隨季節(jié)以及晝夜內(nèi)日照時(shí)間和強(qiáng)度的變化土壤溫度有顯著的晝夜變化；由于土壤含水率的變化而使土壤氣體體積發(fā)生變化；由風(fēng)力以及土壤氣體濃度的變化導(dǎo)致土氣界面壓力的變化。所以，對(duì)流作用在土壤CO2的傳輸中也具有重要作用。

為建立土壤呼吸傳輸物理模型，將土壤簡(jiǎn)化為理想狀態(tài)下的均質(zhì)多孔體，這樣，根據(jù)質(zhì)量守恒定律討論土氣界面CO2交換時(shí)，可以按照克拉百龍方程研究土壤中CO2氣體質(zhì)量的變化量，進(jìn)而根據(jù)土壤表面CO2排放通量計(jì)算出土壤真呼吸，即rg=-(R+Δm)=-[R+ξ·dmv·dmT·dmP]。

從模擬過(guò)程和結(jié)果看，各次觀測(cè)各種處理真呼吸的晝夜變化特征體現(xiàn)了林地土壤自養(yǎng)及異養(yǎng)呼吸的晝夜變化特征，土壤CO2排放通量與真呼吸的差值很小。表明氣體傳輸?shù)奈锢磉^(guò)程對(duì)土壤CO2傳輸有一定的影響，且土壤呼吸傳輸物理模型較準(zhǔn)確地體現(xiàn)了土壤表面CO2排放通量與真呼吸的關(guān)系。

從土壤表面CO2排放通量和真呼吸平均值的關(guān)系上看，觀測(cè)期內(nèi)兩林地土壤表面CO2排放通量均值均小于真呼吸均值，表明在春、夏和秋三個(gè)季節(jié)土壤CO2表現(xiàn)為積累的過(guò)程，這一結(jié)果也解釋了為何北方冬季土壤仍可以觀測(cè)到一定量土壤表面CO2的排放。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]Lundegardh H.Carbon dioxide evolution of soil crop growth[J].Soil Science，1927，23(6)：417-453.

[2]秦耀東.土壤物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]Fang C，Moncrieff J B.A model for soil production and transport 1：model development[J].Agricultural and Forest Meteorology，1999，95(4)：225-236.

[4]孟 春，羅 京，趙淑蘋.白樺人工林土壤主要養(yǎng)分元素時(shí)空變異[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(5)：114-118.

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