吳亞華,肖榮波,王 剛,黃柳菁,鄧一榮,陳 敏

1 廣東工業(yè)大學(xué),廣州 510006 2 廣東省環(huán)境科學(xué)研究院,廣州 510045 3 福建農(nóng)林大學(xué),福州 350002

城市綠地土壤呼吸速率的變化特征及其影響因子

吳亞華1,2,肖榮波2,*,王 剛2,黃柳菁3,鄧一榮2,陳 敏1

1 廣東工業(yè)大學(xué),廣州 510006 2 廣東省環(huán)境科學(xué)研究院,廣州 510045 3 福建農(nóng)林大學(xué),福州 350002

城市綠地土壤呼吸作用深刻影響著城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程,強化城市綠地土壤呼吸速率(Rs)的變化特征及其影響因素的研究,可揭示綠地在城市生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中的作用,為優(yōu)化布局城市綠地和實現(xiàn)低碳排放目標提供科學(xué)依據(jù)。以廣州市海珠湖公園的疏林、灌叢和草地3種典型植被類型的土壤為研究對象,于2013年11月—2014年10月采用靜態(tài)箱—氣相色譜法對公園綠地Rs進行跟蹤觀測。結(jié)果表明：海珠湖公園城市綠地在干濕季節(jié)中Rs差異顯著；干季Rs較低且波動幅度較小,疏林、灌叢和草地的Rs變化范圍分別為(1.66±0.18)—(3.26±0.20)μmol m-2s-1、(1.27±0.15)—(3.67±0.16)μmol m-2s-1和(1.94±0.08)—(6.82±1.13)μmol m-2s-1；濕季Rs較高且波動幅度較大,疏林、灌叢和草地的Rs變化范圍分別為(3.53±0.46)—(13.81±1.31)μmol m-2s-1、(2.82±0.22)—(12.72±1.16)μmol m-2s-1和(2.80±0.30)—(9.83±0.96)μmol m-2s-1。T10和VWC10均對土壤呼吸過程有重要的影響,進一步通過回歸分析得出,土壤10cm處溫度(T10)和體積含水量(VWC10)分別解釋Rs時間變異的40%左右和10—24%左右。T10和VWC10相互影響、共同作用于土壤呼吸過程,雙因素復(fù)合模型的解釋能力較單因素模型明顯提高,均在50%以上,復(fù)合模型為Rs=α·exp(β·T10+γ·VWC10)。干濕季土壤呼吸的溫度敏感性(Q10)有明顯差異,濕季的Q10比干季的分別高0.44、0.70和0.46。

土壤呼吸速率；城市綠地；植被類型；土壤溫度；土壤體積含水量

大氣中以CO2為主的溫室氣體濃度持續(xù)升高,導(dǎo)致全球氣候變暖,誘發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題,如海平面上升、極地冰川融化和極端氣象災(zāi)害等[1]。土壤呼吸過程可向大氣中釋放大量的CO2,該過程包括土壤微生物、植物根系及土壤動物等的呼吸作用以及含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用[2],是大氣中CO2的重要來源之一。據(jù)估計,土壤呼吸作用的CO2排放量是全球CO2排放總量的25%[3],占陸地生態(tài)系統(tǒng)總排放量的60%—90%[4]。土壤呼吸作用的微小變化,將導(dǎo)致大氣中CO2濃度的巨大波動[5]。因此,強化土壤呼吸作用的研究將有利于揭示不同生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)過程中的作用。

城市化進程正不斷加快,全球城市空間面積每年新增10萬km2[6],城市人口大量集聚,導(dǎo)致物質(zhì)和能源大量集中消耗和CO2排放量劇增。在城市化過程中,公園綠地作為城市低碳與生態(tài)發(fā)展的重要載體,是城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要“碳匯”[7]。同時,城市公園綠地也可通過土壤呼吸作用向大氣中釋放CO2,對城市區(qū)域大氣CO2濃度和碳循環(huán)過程有重要影響。由于受到人工管護和人類活動的綜合影響,城市綠地植被特征和土壤性質(zhì)與自然生態(tài)系統(tǒng)差異較大,可能導(dǎo)致土壤呼吸過程也存在較大差異。羅上華等[8]研究發(fā)現(xiàn),城市綠地土壤的碳通量比自然土壤和農(nóng)業(yè)土壤的高。Schimel等[4]則發(fā)現(xiàn)在干旱和半干旱地區(qū)城市化引起了土壤呼吸強度的降低。

長期以來,對非城市區(qū)域的森林、農(nóng)田和草地等生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸作用已有大量研究[9- 10],而關(guān)于城市公園綠地土壤呼吸過程也正日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。比如,張香鴿等[11]對南京中山植物園內(nèi)近自然林、疏林和草坪的土壤呼吸速率變化特征及其影響因子進行了研究；李丹丹等[12]對沈陽冬季城市草地的土壤呼吸速率變化及其與土壤溫度和濕度的定量關(guān)系進行了研究。然而,這些研究集中于北亞熱帶和溫帶區(qū)域,對南亞熱帶地區(qū)城市綠地土壤呼吸作用的研究較少。

大量研究表明,土壤呼吸過程的主要環(huán)境影響因子是土壤溫度和土壤濕度[13- 14]。多數(shù)研究表明土壤呼吸與土壤溫度之間存在顯著的相關(guān)性,以指數(shù)模型最為典型。另外,野外監(jiān)測研究表明,當(dāng)土壤含水量過低或過高時,其對土壤呼吸的影響更明顯[15- 16]。而事實上,土壤呼吸過程不僅受到土壤溫度和土壤濕度的影響,同時還受到城市公園綠地植物類型及配置方式的影響[17],城市不同植物的呼吸作用也對大氣中碳循環(huán)過程具有一定的影響[18]。 因此,本研究選擇廣州市海珠湖公園的3種典型植被的土壤為研究對象,綜合分析不同植被類型的土壤呼吸速率的變化特征,探討土壤呼吸過程對土壤溫度和土壤濕度變化的響應(yīng)機制,揭示引起城市綠地土壤呼吸速率季節(jié)變化的主要影響因子,為優(yōu)化布局城市綠地和實現(xiàn)低碳排放目標提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于海珠湖公園(23°4′36"E,113°19′5"N),該公園是廣州中心城區(qū)規(guī)模最大、保存最完整的濕地生態(tài)系統(tǒng),被稱為廣州的“南腎”,公園面積149.89hm2。其中,湖心區(qū)94.84hm2(水面面積53hm2,陸地面積41.84hm2),綠化配套用地55.05hm2。陸地部分是典型的喬灌草鑲嵌結(jié)構(gòu),有細葉榕(Ficusmicrocarpa)、樟樹(Sect.Camphora)、人面子(Dracontomelonduperreanum)、夾竹桃(Neriumindicum)、三角梅(Bougainvilleaspectabilis)和馬尼拉草(Zoysiamatrella)等上百個品種的植物。

該區(qū)域氣候?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候,雨量充沛,光照充足,溫暖濕潤,全年溫差較小,干濕季節(jié)明顯。全年氣溫較高,年平均氣溫超過20℃。年降水量1500—2000mm,干季(1—3月,10—12月)降水量少；濕季(4—9月)降水量大,占全年降水總量的80%—90%以上,干濕兩季分明。

圖1 試驗樣地分布位置Fig.1 Location of sample set

1.2 試驗設(shè)計

為減小不同植被類型分布區(qū)域的小氣候差異,試驗樣地選定在公園唯一一處集中了疏林、灌叢和草地3種植被類型的東北角,該區(qū)域人工管護水平基本一致,土壤類型一致(圖1),是開展本研究的理想之地。試驗選取細葉榕(Ficusmicrocarpa)疏林、夾竹桃(Neriumindicum)灌叢和馬尼拉草(Zoysiamatrella)草地等3種植被類型的土壤為監(jiān)測研究對象(圖1),3種植被類型的土壤理化性質(zhì)見表1。采用典型樣地法,在3種植被類型中分別選取一個20m×20m標準樣地,在每個樣地內(nèi)隨機設(shè)置3個2m×2m重復(fù)的樣方,并在每個樣方中隨機選取3個重復(fù)測定點。

表1 試驗樣方的選取及其土壤理化性質(zhì)

1.3 土壤呼吸速率及相關(guān)因子的測定

試驗在2013年11月至2014年10月間進行,于每月下旬無雨的9:00至12:00[19],采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對土壤呼吸速率進行觀測。2013年10月18日,將高5cm的PVC材質(zhì)的底座埋設(shè)到土壤監(jiān)測點,底座埋入土壤3cm。將底座保留在土壤中,避免擾動土壤。監(jiān)測采樣時,先清除底座中的凋落物,然后將箱體(內(nèi)徑20cm,高30cm)扣入底座的水槽中,向水槽注水密封。箱內(nèi)均裝有空氣攪拌器,使箱內(nèi)氣體混合均勻。采樣箱的頂部設(shè)有采氣孔,與采氣三通閥相連接。分別在扣箱后0min、10 min、20min、30 min,用注射器抽取采樣箱內(nèi)氣體樣品100mL轉(zhuǎn)存于專用氣袋內(nèi),并迅速運回實驗室及時分析。

采用限制性內(nèi)切酶EcoRⅠ對提取的mtDNA樣品進行酶切，酶切體系為10 μL，其中樣品DNA 200 ng/μL 0.5 μL，EcoRⅠ0.5 μL，10 × buffer 1 μL，ddH2O 8 μL，于37℃下水浴1 h，1%瓊脂糖凝膠電泳檢測。

在每次采集氣體樣品時,同步監(jiān)測研究樣地內(nèi)的風(fēng)速、大氣濕度、氣溫、大氣壓強、地表10cm處土壤溫度(T10)以及土壤體積含水量(VWC10)等環(huán)境因子。其中,風(fēng)速、大氣濕度、氣溫和大氣壓強(1.5m)采用手持氣象追蹤儀測定(Kestrel4500,美國)；T10和VWC10采用路格溫濕度記錄儀(L93- 7,杭州路格科技有限公司)測定。

氣體樣品的測定采用安捷倫GC7890氣相色譜儀。CO2檢測采用離子火焰化檢測器(FID),工作溫度為200℃；CO2的分析采用長度為2m的60- 80目的PoraPak Q色譜柱(直徑2mm),工作柱溫度55℃,載氣為高純N2,流速為30mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過靜態(tài)箱計算的CO2通量可用以下公式表示：

(1)

式中,F為CO2氣體交換通量(mg m-2s-1),ρ為標準狀態(tài)下CO2密度 (1.963mg/mL)；H為采樣箱高度(m)；P為采樣點的氣壓(kPa)；P0和T0分別為標準狀態(tài)下的大氣壓和空氣絕對溫度,即為101.3kPa和273.2K；T為采樣時該點的溫度(K)； Δc/Δt為氣體質(zhì)量濃度隨時間的變化率(m3m-3s-1)；F為正值時表示土壤系統(tǒng)向大氣排放CO2,為負值時表示土壤系統(tǒng)從大氣吸收CO2[20]。

整理觀測的數(shù)據(jù),剔除異常值和由儀器故障造成的誤差值。土壤溫度敏感系數(shù)(Q10)為反映土壤呼吸(Rs)對溫度敏感性的指數(shù),是溫度每增加10℃所導(dǎo)致的Rs改變的熵,當(dāng)Rs與T之間存在指數(shù)關(guān)系時,Q10通過式(2)確定:

Q10=e10β

(2)

式中,β為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種植被類型土壤溫度、土壤體積含水量及土壤呼吸速率的變化

疏林、灌叢和草地3種植被類型土壤溫度變化一致,呈單峰曲線趨勢。干季(10月至3月)土壤溫度(T10)較低(低于24℃),12月T10最低；濕季(4月至9月)T10較高,7月或8月最高。同樣,3種植被類型土壤體積含水量(VWC10)的變化也幾乎一致,干季較低(疏林、灌叢和草地10—3月平均VWC10分別為26.6%、24.7%和24.0%)；濕季較高(疏林、灌叢和草地4—9月平均VWC10分別為32.1%、31.8%和32.6%)。3種植被類型T10和VWC10均有較明顯的干濕季節(jié)變化特點(圖2,P<0.05),與所處區(qū)域明顯的干濕氣候特點一致。

在整個監(jiān)測期內(nèi),疏林、灌叢和草地3種植被類型的Rs月變化規(guī)律基本一致,均呈較明顯的單峰曲線(圖2a)。11月至2月間,疏林和草地Rs波動下降,灌叢Rs穩(wěn)中有升。疏林和草地Rs在2月最小,而灌叢的Rs在12月最小,7月份均最大。然而,在干濕季節(jié)變化過程中,Rs的變化規(guī)律有所差異。在干季,3種植被類型Rs均較小,且月變化波動幅度較小,范圍分別為(1.66±0.18)—(8.34±0.53) μmol m-2s-1,(1.27±0.15)—(3.67±0.16) μmol m-2s-1和(1.94±0.08)—(6.12±0.83) μmol m-2s-1。在濕季,3種植被類型Rs較大,且月變化波動幅度較大,范圍分別為(3.54±0.46)—(13.81±1.31)μmol m-2s-1,(2.82±0.22)—(12.72±1.16)μmol m-2s-1和(3.53±0.68)—(9.82±0.96)μmol m-2s-1,濕季Rs變化幅度比干季的分別大4.59μmol m-2s-1, 7.50μmol m-2s-1和2.11μmol m-2s-1。

圖2 3種植被類型的Rs、T10和VWC10的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variations of Rs,T10,and VWC10 of three typical vegetation types

2.2 土壤溫度、體積含水量對土壤呼吸速率的影響

如圖3所示,Rs隨T10的升高而增大,3種植被類型的Rs與T10具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。利用不同模型對Rs與T10之間的關(guān)系進行模擬分析[21- 24],指數(shù)方程(Rs=α·exp(βT10))最適用于描述該研究區(qū)域Rs與T10的關(guān)系。模擬分析結(jié)果表明,T10對疏林、灌叢和草地的Rs變化的解釋程度分別可達到46.5%,42.2%和37.4%。3種植被類型的Rs與VWC10關(guān)系比較復(fù)雜,利用不同模型模擬分析發(fā)現(xiàn),三次曲線模擬效果相對較好,但也只能解釋疏林、灌叢和草地Rs變化的10.3%、23.1%和23.7%。

圖3 Rs與T10、VWC10的關(guān)系Fig.3 Relations between Rs and T10, VWC10

從圖2可以看出,6月份灌叢和草地的Rs并未隨著T10的升高而繼續(xù)增大,而是隨著VWC10的上升而減小；同樣,高溫的8月并未同7月一樣保持較大Rs值,而是隨著VWC10的升高而急劇減小。從一定程度上說,T10和VWC10相互作用、相互影響,共同作用于城市綠地的土壤呼吸過程。如圖4所示,與單因子模型相比,包含了T10和VWC10雙因子的指數(shù)模型能更好的解釋Rs變化,其解釋能力分別為54.6%、56.7%、50.8%。

圖4 T10、VWC10與Rs之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between Rs and T10, VWC10

聯(lián)合式(1)和(2)估算Q10,對其全年和干濕兩季的變化進行分析,干濕兩季土壤呼吸的溫度敏感性不同,濕季高于干季。如表2所示,3種植被類型濕季的Q10比干季的分別高0.44、0.70和0.46。從不同植被類型看,在干季,疏林的Q10明顯高于灌叢和草地的,灌叢的Q10最??；在濕季,灌叢的Q10卻最大,草地的最小。

表2 不同植被類型土壤呼吸Q10的擬合方程

3 討論

3.1 土壤呼吸的季節(jié)變化

已有研究表明陸地不同生態(tài)系統(tǒng)的Rs呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)城市綠地3種植被類型的Rs變化呈明顯的單峰曲線變化趨勢,且干濕季Rs差異顯著,濕季Rs較大,干季Rs較小,這與同緯度其它相關(guān)研究結(jié)果基本一致[25- 26]。一般來說,Rs季節(jié)變化主要原因是研究區(qū)域外部環(huán)境因子的季節(jié)性改變。在干季,低溫少雨,微生物活性低,抑制了城市綠地的土壤呼吸作用,Rs下降；在濕季,環(huán)境溫度高,降雨增多,土壤溫度和體積含水量均有所增加,綠地植被及其土壤中的微生物新陳代謝作用旺盛,土壤呼吸作用增強,Rs普遍增加。另外,Rs最小值一般出現(xiàn)在冬季,最大值則出現(xiàn)在夏季[27- 28]。本研究結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn),3種植被類型7月的Rs最大,而12月或2月的最小。但值得注意的是與7月同樣高溫的8月,其Rs卻較低,Farque等[29]也有類似的發(fā)現(xiàn)。這主要是由于城市綠地Rs不僅受土壤溫度的影響,同時也受土壤體積含水量的影響。由于8月份的VWC10很高,疏林、灌叢和草地的VWC10分別達到42.3%、36.8%和39.9%(分別為田間持水量的119.2%、111.6%和107.0%),從而抑制了城市綠地土壤呼吸過程。Richard等[15]指出,當(dāng)土壤水分超過了田間持水量,土壤CO2通量會大幅減少。

3.2 土壤溫度、體積含水量對土壤呼吸的影響

土壤溫度可調(diào)控酶的活性,而酶的活性變化可直接或間接地影響土壤中微生物代謝過程、植物根系分泌物及有機質(zhì)的分解過程,進而影響土壤呼吸過程。已有研究表明土壤溫度是影響土壤呼吸過程的關(guān)鍵環(huán)境因子,幾乎影響土壤呼吸的全過程[13,30]。與其它研究結(jié)果類似[21],本研究發(fā)現(xiàn)Rs與T10呈明顯的指數(shù)關(guān)系,3種植被類型的T10對Rs變異的解釋程度均在40%左右。對土壤呼吸過程而言,土壤溫度對土壤微生物活動的影響有著至關(guān)重要的作用。當(dāng)土壤溫度較低時,土壤微生物活動受限,優(yōu)勢微生物的數(shù)量少、豐度?。浑S著溫度的升高,參與呼吸的微生物數(shù)量和種類增加,并且呼吸酶的活性也增強[31]。但也有研究[32- 33]表明,土壤溫度對土壤呼吸過程的影響存在一定溫度范圍,高于或低于這一范圍,指數(shù)關(guān)系不再適合描述兩者的關(guān)系。譚炯銳等[32]的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤溫度小于零度時,土壤呼吸速率明顯高于擬合方程求解的值,土壤呼吸速率隨土壤溫度的升高而減小。另外,疏林、灌叢和草地在整個觀測期間的Q10分別為1.99、1.90和1.72,均小于全球Q10平均值(2.4),但處于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)Q10范圍內(nèi)(1.28—4.75),而且非常接近我國亞熱帶Q10的平均值(1.94)[21]。Luo等[31]認為,土壤呼吸Q10因地理位置不同而具有較大差異的主要原因是不同地區(qū)氣候溫度不一樣,其土壤呼吸Q10對土壤溫度的敏感性也就不同。此外,本研究發(fā)現(xiàn),干濕兩季Q10有明顯的差異,濕季高于干季。這是因為,土壤水分條件也會影響土壤呼吸的溫度敏感性,Reichstein等[34]發(fā)現(xiàn),濕度大的地方Q10比排水良好的地方的高。而Dorr和Munnich[35]在研究德國草地和云杉林土壤呼吸的溫度敏感性時發(fā)現(xiàn),濕潤年份Q10較低,干旱年份的較高。

VWC10是影響城市綠地土壤呼吸作用的另一個重要環(huán)境因子,其可直接影響土壤微生物及植被根系的生理過程,也可間接影響底物和O2擴散,影響機制較為復(fù)雜[36- 37]。在本研究中, VWC10分別解釋疏林、灌叢和草地Rs變異的10.3%、23.1%和23.7%,明顯低于土壤溫度對Rs變異的解釋程度。但值得注意的是,在7、8月溫度最高時,8月較7月Rs有明顯的下降,并且6月灌叢和草地的Rs并未隨T10升高而增大,從圖2中可以看出6、8月的土壤體積含水量均超過30%,此時土壤濕度可能已成為影響土壤呼吸作用的主導(dǎo)因子。由于影響土壤呼吸的因子除土壤溫度和土壤濕度外,還有土壤碳氮含量、植物和土壤孔隙度等,這些因素又往往相互作用,共同影響土壤呼吸[38],因此在不同情況下,土壤體積含水量影響土壤呼吸的機制不同,其影響大小不同。當(dāng)土壤體積含水量變化范圍很小,其對土壤呼吸的影響有可能被其他因子所掩蓋,一般很難顯現(xiàn)出來,只有土壤體積含水量超出極端范圍,影響到了微生物與植物根系活動的時候,對土壤呼吸的影響才凸顯出來。

然而,城市綠地土壤的水熱條件往往相互作用、相互影響,難以區(qū)分其各自對城市綠地土壤呼吸過程的作用。本研究結(jié)果顯示,綜合了T10和VWC10的雙因子復(fù)合模型對土壤呼吸速率的變化解釋能力明顯強于單因子模型,解釋能力均超過50%,這與其它研究結(jié)果類似[33,39]。楊金艷等[33]發(fā)現(xiàn),復(fù)合模型的解釋能力甚至達到67.5%—90.6%。但也有研究表明,復(fù)合模型并沒有提高對土壤呼吸速率變化的解釋能力[40],這可能是因為不同研究區(qū)域的土壤體積含水量的范圍不同。Kucera和kirkham[41]指出,土壤體積含水量只有達到土壤微生物永久性萎蔫點或者超過田間持水量的情況下,土壤體積含水量才對土壤呼吸的影響起主導(dǎo)作用,而在一般情況下,土壤體積含水量對土壤呼吸的影響不大?？偟膩碚f,城市綠地的土壤呼吸速率在大的時間尺度上(一年以上)主要受土壤溫度的影響；但在小的時間尺度上,城市綠地土壤體積含水量的每次峰值變化都會引起土壤呼吸作用的變化,本研究中6、8月Rs的降低可能正是由于監(jiān)測取樣前一天的降雨造成的。

4 結(jié)論

(1)海珠湖公園城市綠地的Rs變化受季節(jié)變化的影響較大。在濕季,Rs較大且變化幅度較大,疏林、灌叢和草地的Rs變化范圍分別為(3.53±0.46)—(13.81±1.31)μmol m-2s-1、(2.82±0.22)—(12.72±1.16)μmol m-2s-1和(2.80±0.30)—(9.83±0.96)μmol m-2s-1；在干季,Rs較小且變化幅度較小,疏林、灌叢和草地的Rs變化范圍分別為(1.66±0.18)—(3.26±0.20)μmol m-2s-1、(1.27±0.15)—(3.67±0.16)μmol m-2s-1和(1.94±0.08)—(6.82±1.13)μmol m-2s-1。

(2)T10和VWC10均對土壤呼吸過程有重要的影響。單因子指數(shù)模型可以很好的擬合T10與Rs的關(guān)系,T10對Rs變化的解釋能力在40%左右；VWC10對Rs變化的解釋能力在10%—24%左右；T10和VWC10往往相互作用、相互影響,共同作用于土壤呼吸過程,雙因素(T10和VWC10)復(fù)合模型的解釋能力較單因子模型有明顯提高,均在50%以上,復(fù)合模型為Rs=α·exp(βT10+γVWC10)。

(3)干濕季Q10差異顯著,疏林、灌叢和草地濕季的Q10比干季的分別高0.44、0.70和0.46。

(4)本研究重點考慮了T10和VWC10對城市綠地土壤呼吸速率季節(jié)動態(tài)變化的影響,但城市綠地土壤呼吸過程的影響因素相當(dāng)復(fù)雜。比如土壤有機質(zhì)含量、土壤微氣候、植被根系分泌物和植被生物量分配等均可能對土壤呼吸過程有重要影響,未來有必要綜合考慮相關(guān)因素的影響。

[1] Harper C W, Blair J M, Fay P A, Knapp A K, Carlisle J D. Increased rainfall variability and reduced rainfall amount decreases soil CO2flux in a grassland ecosystem. Global Change Biology, 2005, 11(2): 322- 334.

[2] Singh J S, Gupta S R. Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems. The Botanical Review, 1977, 43(4): 449- 528.

[3] Buchmann N. Biotic and abiotic factors controlling soil respiration rates inPiceaabiesstands. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(11- 12): 1625- 1635.

[4] Schimel D S, House J I, Hibbard K A, Bousquet P, Ciais P, Peylin P, Braswell B H, Apps M J, Baker D, Bondeau A, Canadell J, Churkina G, Cramer W, Denning A S, Field C B, Friedlingstein P, Goodale C, Heimann M, Houghton R A, Melillo J M, Moore III B, Murdiyarso D, Noble I, Pacala S W, Prentice I C, Raupach M R, Rayner P J, Scholes R J, Steffen W L, Wirth C. Recent patterns and mechanisms of carbon exchange by terrestrial ecosystems. Nature, 2001, 414(6860): 169- 172.

[5] Schlesinger W H, Andrews J A. Soil respiration and the global carbon cycle. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 7- 20.

[6] Seto K C, Güneralp B, Hutyra L R. Global forecasts of urban expansion to 2030 and direct impacts on biodiversity and carbon pools. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Stated of America, 2012, 109(40): 16083- 16088.

[7] 朱旺生. 城市綠地系統(tǒng)樹種規(guī)劃研究[D]. 南京: 南京林業(yè)大學(xué), 2011.

[8] 孫倩, 方海蘭, 梁晶, 錢秀葦, 劉鳴達, 張慶費, 郝瑞軍, 郝冠軍. 上海典型城市草坪土壤呼吸特征. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(8): 1572- 1578.

[9] 張東秋, 石培禮, 張憲洲. 土壤呼吸主要影響因素的研究進展. 地球科學(xué)進展, 2005, 20(7): 778- 785.

[10] 楊玉盛, 董彬, 謝錦升, 陳光水, 高人, 李靈, 王小國, 郭劍芬. 森林土壤呼吸及其對全球變化的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報, 2004, 24(3): 583- 591.

[11] 張鴿香, 徐嬌, 王國兵, 武珊珊, 阮宏華. 南京城市公園綠地不同植被類型土壤呼吸的變化. 生態(tài)學(xué)雜志, 2010, 29(2): 274- 280.

[12] 李丹丹. 沈陽城市綠地土壤呼吸特征及其碳匯分析[D]. 沈陽: 遼寧大學(xué), 2012.

[13] 陳驥, 曹軍驥, 魏永林, 劉吉宏, 馬扶林, 陳迪超, 馮嘉裕, 夏瑤, 岑燕. 青海湖北岸高寒草甸草原非生長季土壤呼吸對溫度和濕度的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報, 2014, 23(6): 78- 86.

[14] 王風(fēng)玉, 周廣勝, 賈丙瑞, 王玉輝. 水熱因子對退化草原羊草恢復(fù)演替群落土壤呼吸的影響. 植物生態(tài)學(xué)報, 2003, 27(5): 644- 649.

[15] Bowden R D, Newkirk K M, Rullo G M. Carbon dioxide and methane fluxes by a forest soil under laboratory-controlled moisture and temperature conditions. Soil Biology and Biochemistry, 1998, 30(12): 1591- 1597.

[16] Carlyle J C, Than U B. Abiotic controls of soil respiration beneath an eighteen-year-old Pinus radiata stand in south-eastern Australia. Journal of Ecology, 1988, 76(3): 654- 662.

[17] 周志翔, 邵天一, 唐萬鵬, 王鵬程, 劉學(xué)全, 徐永榮. 城市綠地空間格局及其環(huán)境效應(yīng)——以宜昌市中心城區(qū)為例. 生態(tài)學(xué)報, 2004, 24(2): 186- 192.

[18] Freibauer A, Rounsevell M D A, Smith P, Verhagen J. Carbon sequestration in the agricultural soils of Europe. Geoderma, 2004, 122(1): 1- 23.

[19] Mosier A, Schimel D, Valentine D, Bronson K, Parton W. Methane and nitrous oxide fluxes in native, fertilized and cultivated grasslands. Nature, 1991, 350(6316): 330- 332.

[20] 裴淑瑋. 華北農(nóng)田施肥對溫室氣體及含氮氣體排放影響[D]. 北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2012.

[21] 展小云, 于貴瑞, 鄭澤梅, 王秋鳳. 中國區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸碳排放及其空間格局——基于通量觀測的地學(xué)統(tǒng)計評估. 地理科學(xué)進展, 2012, 31(1): 97- 108.

[22] 李霞, 孫睿, 李遠, 王修信, 謝東輝, 嚴曉丹, 朱啟疆. 北京海淀公園綠地二氧化碳通量. 生態(tài)學(xué)報, 2010, 30(24): 6715- 6725.

[23] 王旭, 閆瑞瑞, 鄧鈺, 閆玉春, 辛?xí)云? 放牧對呼倫貝爾草甸草原土壤呼吸溫度敏感性的影響. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(5): 1909- 1914.

[24] 朱楠, 王彬, 王云琦, 孫素琪, 吳超, 劉李紫淵. 重慶縉云山4種典型林分生長季土壤呼吸特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系. 中國水土保持科學(xué), 2014, 12(2): 16- 23.

[25] Zhang Q, Lei H M, Yang D W. Seasonal variations in soil respiration, heterotrophic respiration and autotrophic respiration of a wheat and maize rotation cropland in the North China Plain. Agricultural and Forest Meteorology, 2013, 180: 34- 43.

[26] 李濤, 李芹, 王樹明, 李春, 趙東興, 張勇, 高梅. 云南河口不同林齡人工橡膠林土壤CO2濃度的變化規(guī)律及其影響因素. 熱帶作物學(xué)報, 2015, 36(1): 9- 15.

[27] 顏廷武, 尤文忠, 張慧東, 魏文俊, 王睿照, 毛沂新. 遼東山區(qū)落葉松人工林非生長季土壤呼吸及其影響因子研究. 遼寧林業(yè)科技, 2015, (1): 20- 22, 52- 52.

[28] 付芝紅, 呼延佼奇, 李鋒, 宋英石, 趙丹, 李慧. 城市不同地表覆蓋類型對土壤呼吸的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(18): 5500- 5508.

[29] Epron D, Farque L, Lucot E, Badot P M. Soil CO2efflux in a beech forest: the contribution of root respiration. Annals of Forest Science, 1999, 56(4): 289- 295.

[30] 孟春, 王立海, 沈微. 針闊混交林擇伐作業(yè)后土壤呼吸與土壤溫度和濕度的關(guān)系. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 36(5): 33- 35.

[31] Luo Y Q, Zhou X H. Soil Respiration and the Environment. New York: Academic Press, 2006: 257- 305.

[32] 譚炯銳, 查同剛, 張志強, 孫閣, 戴偉, 方顯瑞, 徐楓. 土壤溫濕度對北京大興楊樹人工林土壤呼吸的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2009, 18(6): 2308- 2315.

[33] 楊金艷, 王傳寬. 土壤水熱條件對東北森林土壤表面CO2通量的影響. 植物生態(tài)學(xué)報, 2006, 30(2): 286- 294.

[34] Reichstein M, Rey A, Freibauer A, Tenhunen J, Valentini R, Banza J, Casals P, Cheng Y F, Grünzweig J M, Irvine J, Joffre R, Law B E, Loustau D, Miglietta F, Oechel W, Ourcival J M, Pereira J S, Peressotti A, Ponti F, Qi Y, Rambal S, Rayment M, Romanya J, Rossi F, Tedeschi V, Tirone G, Xu M, Yakir D. Modeling temporal and large-scale spatial variability of soil respiration from soil water availability, temperature and vegetation productivity indices. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(4), doi: 10.1029/2003GB002035.

[35] Davidson E A, Verchot L V, Cattnio J H, Ackerman I L, Carvalho J E M. Effects of soil water content on soil respiration in forests and cattle pastures of eastern Amazonia. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 53- 69.

[36] Ilstedt U, Nordgren A, Malmer A. Optimum soil water for soil respiration before and after amendment with glucose in humid tropical acrisols and a boreal mor layer. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(11- 12): 1591- 1599.

[37] Stark J M, Firestone M K. Mechanisms for soil moisture effects on activity of nitrifying bacteria. Applied and Environmental Microbiology, 1995, 61(1): 218- 221.

[38] 陳全勝, 李凌浩, 韓興國, 閻志丹. 水分對土壤呼吸的影響及機理. 生態(tài)學(xué)報, 2003, 23(5): 972- 978.

[39] 于雷, 王玉杰, 王云琦, 張會蘭, 孫素琪, 周彬. 重慶縉云山針闊混交林地土壤呼吸速率及溫度敏感性特征分析. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014, 27(1): 57- 63.

[40] Chen Q S, Wang Q B, Han X G, Wan S Q, Li L H. Temporal and spatial variability and controls of soil respiration in a temperate steppe in northern China. Global Biogeochemical Cycles, 2010, 24(2), doi: 10.1029/2009GB003538.

[41] Kucera C L, Kirkham D R. Soil respiration studies in tallgrass prairie in Missouri. Ecology, 1971, 52(5): 912- 915.

Controlling factors of variation in soil respiration rate in urban green-space ecosystems

WU Yahua1,2, XIAO Rongbo2,*, WANG Gang2, HUANG Liujing3, DENG Yirong2, CHEN Min1

1GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China2GuangdongProvincialAcademyofEnvironmentalScience,Guangzhou510045,China3FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China

Soil respiration is a major component of the carbon cycle in terrestrial ecosystems, and small changes have a significant effect on CO2concentration in the atmosphere. Previous studies from different terrestrial ecosystems have confirmed that soil respiration is related to both global climate change and the carbon cycle. However, many studies have focused on non-urban ecosystems, such as forests, farmlands, and grasslands, while fewer studies have examined soil respiration in urban green-space ecosystems. In particular, few studies have addressed whether soil respiration is affected by different vegetation types in urban green-space ecosystems. This research explored soil respiration rate (Rs) in three different vegetation types in urban green-space, to provide basic scientific data on the contribution of urban green-space to the carbon cycle in urban ecosystems. Results will also facilitate the optimization of landscape patterns in urban green-spaces to reduce carbon emissions. In this study,Rsof three representative vegetation types (woodland, scrubland, and grassland) were investigated in Haizhu Lake Park of Guangzhou, Guangdong Province, China. From November 2013 to October 2014, we measuredRsmonthly using a static chamber and gas chromatography, while simultaneously measuring soil temperature and volumetric water content. Results showed a significant difference inRsbetween the wet and dry seasons. A relatively lowerRs, with less fluctuation, was noted in the dry season: (1.66±0.18)—(3.26±0.20) μmol m-2s-1for woodland, (1.27±0.15)—(3.67±0.16) μmol m-2s-1for scrubland, and (1.94±0.08)—(6.82±1.13) μmol m-2s-1for grassland. Conversely, a relatively higherRs, with much more fluctuation, was noted in the wet season: (3.53±0.46)—(13.81±1.31) μmol m-2s-1for woodland, (2.82±0.22)—(12.72±1.16) μmol m-2s-1for scrubland, and (2.80±0.30)—(9.83±0.96) μmol m-2s-1for grassland. In addition, environmental factors that influenced soil respiration were very complicated in these urban green-space ecosystems, and two relatively important factors were soil temperature at 10 cm depth (T10) and soil volumetric water content at 10 cm depth (VWC10). Regression analysis showed that the exponential model explained the relationship betweenT10andRswell;T10explained approximately 40%, while VWC10explained 10%—24% ofRsvariation across months. Notably, a dual-factor (including bothT10and VWC10) model:Rs=α·exp (βT10+ γVWC10), better explainedRsvariation across months, accounting for over 50% ofRsvariation. Furthermore, a significant difference was noted in temperature sensitivity of soil respiration (expressed asQ10) between the wet and dry seasons; the wet season had a greaterQ10value than did the dry season (0.44, 1.15and 0.46, respectively). This study analyzed the differences in soil respiration and influential factors (T10and VWC10) between three typical vegetation types in urban green-space ecosystems. However, there are many other potentially influential factors that were not considered, and further researcher is needed to explore these in the future.

soil respiration rate; urban green-space; vegetation type; soil temperature; soil volumetric water content

國家自然科學(xué)青年基金資助項目(31470703)

2016- 01- 08;

2016- 06- 13

10.5846/stxb201601080058

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ecoxiao@163.com

吳亞華,肖榮波,王剛,黃柳菁,鄧一榮,陳敏.城市綠地土壤呼吸速率的變化特征及其影響因子.生態(tài)學(xué)報,2016,36(22):7462- 7471.

Wu Y H, Xiao R B, Wang G, Huang L J, Deng Y R, Chen M.Controlling factors of variation in soil respiration rate in urban green-space ecosystems.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7462- 7471.