郭全恩，李保國(guó)，南麗麗，曹詩(shī)瑜，陳建剛1. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 70070；2. 農(nóng)業(yè)部甘肅耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，甘肅 武威，7017；. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 10009；. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州　70070

疏勒河流域綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸特征及其影響因素

郭全恩1， 2， 3，李保國(guó)3，南麗麗4，曹詩(shī)瑜1， 2，陳建剛41. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2. 農(nóng)業(yè)部甘肅耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，甘肅 武威，733017；
3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100094；4. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州730070

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的關(guān)鍵問題之一。為了研究綠洲荒漠演化過程土壤呼吸的變化特征及其影響因素，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法分析了500 m間隔取樣尺度下甘肅省玉門鎮(zhèn)飲馬農(nóng)場(chǎng)一條綠洲荒漠過渡帶（荒漠、荒漠-綠洲、綠洲）土壤呼吸速率在不同時(shí)期（5、7、10月）的時(shí)空變異性，并結(jié)合過渡帶不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的植被蓋度、土壤溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤容積含水量以及土壤0～20 cm土層pH值、鹽分、HCO3-、Cl-、Ca2+、Mg2+、SO42-、K+、Na+等理化性質(zhì)分析，探討了環(huán)境因素與土壤呼吸速率之間的相關(guān)性。結(jié)果表明：從荒漠向綠洲過渡，土壤呼吸速率從荒漠端的1.21 μmol·m-2·s-1逐漸增大到綠洲端的4.85 μmol·m-2·s-1，增加3倍。從季節(jié)變化來看，7月份土壤呼吸速率最大，10月份土壤呼吸速率最小，5月份土壤呼吸速率居中。綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸速率的變異系數(shù)為64.1%～78.1%，屬中等變異。從空間相關(guān)性來看，7月和10月土壤呼吸速率的塊金值為0.065和0.113，均小于0.25，空間相關(guān)性強(qiáng)；5月份土壤呼吸速率的塊金值為0.690，空間相關(guān)性中等。研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P=0.002）。

疏勒河流域；綠洲荒漠過渡帶；土壤呼吸；季節(jié)變化；影響因素

引用格式：郭全恩， 李保國(guó)， 南麗麗， 曹詩(shī)瑜， 陳建剛. 疏勒河流域綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸特征及其影響因素［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（6）: 934-938.

GUO Quanen， LI Baoguo， NAN Lili， CAO Shiyu， CHEN Jiangang. Characteristics of Soil Respiration and Its Influence Factors in Oasis-desert Transitional Belt of Shule River Basin ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（6）: 934-938.

綠洲-荒漠過渡帶是綠洲生態(tài)系統(tǒng)與荒漠生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換及信息傳遞的場(chǎng)所（樊自立等，2002）。同時(shí)，綠洲-荒漠過渡帶在干旱區(qū)處于非常重要的地位，綠洲的變遷和綠洲農(nóng)田的未來擴(kuò)展都是從綠洲荒漠過渡帶開始，它不僅保護(hù)綠洲免受風(fēng)沙危害，并且為綠洲農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展提供天然屏障。因此，研究綠洲荒漠過渡帶具有非常重要的科學(xué)意義。

土壤呼吸作為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分，通常作為土壤生物活性、土壤肥力及透氣性指標(biāo)而受到重視（劉紹輝等，1997）。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤呼吸的研究主要集中在北方森林、亞熱帶森林、熱帶季節(jié)雨林北方草原和西藏高寒草原等地區(qū)（李曉杰等，2016；曾清蘋等，2016；趙慧麗等，2016；郭其強(qiáng)等，2016；Adachi et al.，2005）。然而，有關(guān)疏勒河流域綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸的研究還鮮見報(bào)道。

土壤呼吸速率具有明顯的晝夜變化和季節(jié)動(dòng)態(tài)，氣溫和土壤溫度對(duì)土壤呼吸都有一定的影響（崔驍勇等，1999），土壤呼吸與土壤5 cm溫度和0～20 cm平均土壤含水量（體積比）呈顯著正相關(guān)（林麗莎等，2006）。不同植被類型的土壤呼吸隨時(shí)間有明顯的變化，且與土壤溫度最大值同步，滯后于空氣溫度最大值，與土壤濕度相關(guān)性較差（王傳寬等，2005）。由于沿荒漠向綠洲過渡，土壤剖面水分和地表植被發(fā)生著梯度變化，這必然引起土壤呼吸速率的梯度變化。因此，本研究以綠洲荒漠過渡帶土壤為研究對(duì)象，對(duì)過渡帶土壤呼吸特征及其影響因素進(jìn)行研究，旨在為綠洲荒漠的演變預(yù)測(cè)及其土壤碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省河西走廊西端疏勒河流域的玉門市飲馬農(nóng)場(chǎng)，平均年降水量47～63 mm，年蒸發(fā)量2897～3042 mm，年平均氣溫6.9～8.8 ℃，屬典型的內(nèi)陸干旱性氣候，當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑槌蓖痢?/p>

1.2研究方法

1.2.1取樣調(diào)查方法

依據(jù)土壤水分和地表植被梯度變化，在甘肅省酒泉市玉門鎮(zhèn)飲馬農(nóng)場(chǎng)布設(shè)了一條東北-西南走向（東北地段為荒漠，西南地段為綠洲），長(zhǎng)約 6 km的綠洲荒漠過渡帶，在這條樣帶線上，采用GPS定位采樣，相鄰樣點(diǎn)間相隔大約500 m，共選取12個(gè)樣地作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)劃分為1個(gè)樣段，共劃分為3個(gè)樣段：Ⅰ荒漠，地塊是鹽堿荒地，植被有白刺 Nitraria tangutorum、駱駝刺 Alhagi sparsifolia、蘆葦Phragmites australis、紅柳Ammania gracilis；Ⅱ荒漠-綠洲，地塊有撂荒地、新開墾種植小麥Triticum aestivum、孜然Cuminum cyminum和茴香 Foeniculum vulgare；Ⅲ綠洲，地塊種植苜蓿Medicago Sativa和油葵Helianthus annuus。

1.2.2樣品采集和分析方法

于2012年5月上旬、7月下旬和10月上旬，在選定樣地采用土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng) Li-8100A （USA）監(jiān)測(cè)土壤呼吸速率的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化，利用Li-8100連接探頭測(cè)定土壤溫度、水分和空氣相對(duì)濕度，各樣地每次重復(fù)測(cè)定 3次，每次測(cè)定 4個(gè)觀察值。用步測(cè)法測(cè)定植被蓋度。采用GPS定位采樣法，每個(gè)樣地選取 3個(gè)點(diǎn)采集表層（0～20 cm）土壤混勻，四分法取大約500 g土壤封裝帶回實(shí)驗(yàn)室，用鋁盒烘干法測(cè)定土壤含水量，將土樣研磨過1mm篩子封裝。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量取樣，使兩次取樣地點(diǎn)在半徑2 m的范圍內(nèi)，有效地減少了誤差。土壤鹽分、8大離子和pH的測(cè)定均采用常規(guī)分析方法。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Spss 20.0軟件對(duì)土壤呼吸速率進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和正態(tài)分布檢驗(yàn)，依據(jù)正態(tài)分布 K-S檢驗(yàn)對(duì)土壤呼吸速率進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，3個(gè)時(shí)期土壤呼吸速率PK-S值均小于0.375（n=12，P=0.05），故不符合正態(tài)分布。因此，在進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析前必須對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化，使其符合正態(tài)分布。用ArcGIS 10.0進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，用GS+9.0地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)土壤呼吸做半方差分析。為方便采樣點(diǎn)土壤呼吸速率空間變異的分析，取樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)在 ArcGIS中利用高斯-克呂格變化處理轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。土壤呼吸速率與環(huán)境因子之間的關(guān)系采用Canoco for windows 4.5軟件進(jìn)行冗余分析，根據(jù)方差膨脹因子（VIF）剔除土壤鹽分（X1）、Cl-（X4）、Mg2+（X6）、Na+（X9），挑選了9個(gè)主要環(huán)境因子。

2　結(jié)果分析

2.1綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸速率的季節(jié)性演變規(guī)律

從荒漠向綠洲演化，土壤呼吸速率呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，但在不同季節(jié)增幅不同（圖 1）。5月份土壤呼吸速率從荒漠地段的 0.95 μmol·m-2·s-1逐漸增大到綠洲的4.47 μmol·m-2·s-1，增加3.7倍；7月份土壤呼吸從荒漠地段的 1.46 μmol·m-2·s-1逐漸增大到綠洲的11.33 μmol·m-2·s-1，增加6.8倍；10月份土壤呼吸速率從荒漠地段的 0.51 μmol·m-2·s-1逐漸增大到綠洲的1.07 μmol·m-2·s-1，增加1.1倍。這說明由荒漠向綠洲演替，土壤的生物活性逐漸增強(qiáng)。從土壤呼吸的季節(jié)性變化來看，7月份土壤呼吸速率最高，10月份最低，5月居中。

圖1　綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸速率在不同季節(jié)的變化Fig. 1　Seasonal variation of soil respiration rate in oasis-desert transitional belt

2.2土壤呼吸速率的半方差分析

對(duì)綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸速率的變異系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其變化在64.1%～78.1%之間，屬于中等變異性（10%＜CV＜100%）。為進(jìn)一步量化綠洲-荒漠過渡帶不同地段土壤呼吸速率的變化情況，將其人為劃分為：荒漠地段、荒漠-綠洲地段、綠洲地段。采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì) 3個(gè)時(shí)期土壤呼吸速率進(jìn)行了半方差函數(shù)分析（表1）。從表1可知，5月份，土壤呼吸速率為指數(shù)模型，模型決定系數(shù)為0.341，殘差為12.7；7月和10月土壤呼吸速率均符合球形模型，其決定系數(shù)分別為 0.886和0.793，殘差分別為0.014和0.018。5月份土壤呼吸速率的塊金值為0.690，在0.25～0.75之間，空間相關(guān)性中等；7月和10月呼吸速率的塊金值為0.065和0.113，均小于0.25，空間相關(guān)性強(qiáng)。5、7、10月變程依次為1558、1510、1642 m，超出這個(gè)距離，土壤呼吸速率就不再表現(xiàn)出空間自相關(guān)性。

表1　土壤呼吸速率的半方差函數(shù)參數(shù)及檢驗(yàn)Table 1　Test and semivariance of soil respiration rate

2.3土壤呼吸速率與環(huán)境因子的關(guān)系

對(duì)土壤呼吸速率與環(huán)境因子之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析（圖2），研究發(fā)現(xiàn)土壤溫度對(duì)呼吸速率的影響最為顯著（P=0.002，F(xiàn)=17.58），pH、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、植被蓋度、空氣相對(duì)濕度、土壤水分對(duì)土壤呼吸速率的影響均不顯著（P＞0.05）。從圖2可知，土壤溫度、pH、SO42-、Ca2+、K+對(duì)荒漠段（采樣點(diǎn)1，2，3，4）土壤呼吸速率有較大的影響；HCO3-、植被蓋度、空氣相對(duì)濕度、土壤水分對(duì)綠洲段（采樣點(diǎn) 9，10，11，12）土壤呼吸速率有較大的影響。

圖2　土壤呼吸與環(huán)境因子關(guān)系的冗余分析Fig. 2　Biplot of the first two axes of the RDA for environment factors associated with soil respiration

3　討論

3.1從荒漠向綠洲過渡環(huán)境因子的變化規(guī)律

干旱區(qū)氣候變化對(duì)荒漠綠洲過渡帶的影響，主要表現(xiàn)在對(duì)水資源配置、植被覆蓋、沙化、荒漠化以及鹽堿化的發(fā)展上（李謝輝等，2008）。在疏勒河流域的微型荒漠綠洲過渡帶，綠洲段的農(nóng)業(yè)主要以灌溉為主，但在荒漠段植被的生長(zhǎng)主要依靠天然降雨，降雨量的減少和溫度、蒸發(fā)量的升高將會(huì)抑制荒漠段植被的生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)從荒漠向綠洲過渡，植被蓋度由51.5%逐漸增大到100.0%，近地面空氣相對(duì)濕度由15.3%逐漸增大到18.6%，土壤鹽分由4.775%逐漸減小到0.188%，Cl-由3.029%逐漸減小到0.053%，SO42-由0.280%逐漸減小到0.027%，Ca2+由0.394%逐漸減小到0.034%，K+由0.085%逐漸減小到 0.002%，Na+由 0.991%逐漸減小到0.030%；而土壤近地面空氣溫度、土壤水分、pH值、HCO3-、Mg2+的變化不太明顯。這說明由荒漠向綠洲過渡，植被蓋度和近地面空氣相對(duì)濕度增大，土壤鹽分、Cl-、Ca2+、SO42-、K+、Na+含量明顯減少。這主要是由于從荒漠向綠洲過渡，生態(tài)系統(tǒng)向良性發(fā)展轉(zhuǎn)變，即從荒漠生態(tài)系統(tǒng)向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，是人類干預(yù)的結(jié)果。盡管水分是荒漠-綠洲植物生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的限制因子，但從表層土壤水分沒有明顯的變化規(guī)律來看，這主要是由于表層土壤水分受外界環(huán)境的影響較大所致。

3.2從荒漠向綠洲演替土壤呼吸速率對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)特征

土壤呼吸受到生物和非生物因素（包括降水、土壤溫度、土壤含水量、植被類型、基質(zhì)質(zhì)量、根生物量及微生物活性等）的影響，在不同時(shí)空條件及不同生態(tài)系統(tǒng)中影響的主導(dǎo)因素各不相同（涂利華等，2009）。Iqbal et al.（2010）認(rèn)為在鹽漬土中，土壤含鹽量是影響土壤呼吸的重要因素。在本研究中，綠洲-荒漠過渡帶土壤均有不同程度的鹽化現(xiàn)象，在荒漠地段，植被稀疏，主要植被有白刺、駱駝刺、蘆葦、紅柳；在荒漠綠洲地段，有新開墾農(nóng)田和撂荒地，主要植被有小麥、孜然和茴香；在綠洲地段主要植被是苜蓿和油葵。在荒漠-綠洲過渡帶實(shí)際包括3個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，即荒漠生態(tài)系統(tǒng)、半荒漠半農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)，土壤呼吸主要受放牧強(qiáng)度（董全民等，2012；Carrera et al.，2008；Zhang et al.，2012）、植被類型和植被蓋度的影響；在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，土壤呼吸對(duì)管理措施變化響應(yīng)十分敏感（楊士紅等，2015），如不同作物種植及其種植方式、施肥、灌溉、地面覆蓋等均會(huì)影響土壤呼吸，另外，同一植物在不同地點(diǎn)由于生物量不同，可能造成呼吸的差異。

研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與土壤溫度呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這與一些學(xué)者在干旱區(qū)鹽堿土的研究結(jié)論一致（Fang et al.，1998；Reth et al.，2004；王忠媛等，2013），這是由于土壤溫度升高，土壤微生物活性增大，土壤呼吸增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與土壤水分含量相關(guān)性不顯著，這與高強(qiáng)等（2015）人報(bào)道的一致。

從土壤呼吸速率的季節(jié)性變化來看：7月＞5月＞10月，這說明夏季土壤呼吸速率最高，其次是春季，最后是秋季。這一結(jié)果基本與秦璐等（2013）報(bào)道在艾比湖地區(qū)早春凍土融化階段土壤呼吸速率高于深冬凍結(jié)期土壤呼吸速率相一致。

4　結(jié)論

（1）從荒漠向綠洲演化，土壤呼吸速率的變異系數(shù)在64.1%～78.1%之間，屬中等變異，且土壤呼吸速率呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)。從空間相關(guān)性來看，在7月和10月土壤呼吸速率的空間相關(guān)性強(qiáng)，5月土壤呼吸速率的空間相關(guān)性中等。從土壤呼吸的季節(jié)性變化來看，7月土壤呼吸速率最高，10月最低，5月居中。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，疏勒河流域綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸速率與土壤溫度呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系（P=0.002）。

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Characteristics of Soil Respiration and Its Influence Factors in Oasis-Desert Transitional Belt of Shule River Basin

GUO Quanen1， 2， 3， LI Baoguo3， NAN Lili4， CAO Shiyu1， 2， CHEN Jiangang4
1. Soil Fertilizer and Water-Saving Institute， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou 730070， China；
2. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agriculture Environment （Gansu）， Ministry of Agriculture，Wuwei 733017， China；
3. College of Resources and Environmental Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193， China；4. Pratacultural College， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China

Soil respiration is one of critical problems to study of carbon cycle in terrestrial ecosystem. The influence factors （vegetation coverage， soil temperature， air humidity， soil moisture， soil salt， pH， HCO3-， Cl-， Ca2+， Mg2+， SO42-， K+， Na+） and its change characteristics of soil respiration during the different seasons （May， July and October） in oasis-desert transitional belt in Yumen County of Gansu Province are studied by the methods of geostatistics at 500 m sampling scale. Relationships between soil respiration rate and influence factors were analyzed. Results showed that soil respiration in desert was 1.21 μmol·m-2·s-1， in oasis was 4.85 μmol·m-2·s-1， it was rising four times in oasis than in desert. From the point of view of seasonal variation， soil respiration was the highest in July and the lowest in October， the middle of in May， it belonged to medium variability （10%≤CV≤100%） and coefficient variation （CV） was 64.1%～78.1%， the nugget was 0.065 and 0.113 in July and October， respectively， both of them were less than 0.25， a strong spatial correlation is seen between soil respiration in desert and oasis， moreover， spatial correlation was median and the nugget was 0.690 in May. It was found that there was a significantly positively correlation between soil respiration and soil temperature （P=0.002）.

Shule river basin； oasis-desert transitional belt； soil respiration； seasonal variation； influence factors

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.004

X144； S154.1

A

1674-5906（2016）06-0934-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41163002；41363004；31460630）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD05B03）；甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程學(xué)科團(tuán)隊(duì)（2015GAAS03）；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1208RJZA142）；甘肅省中青年人才科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化扶持（06）；甘肅甕福集團(tuán)項(xiàng)目（TFSQYHZ-10-01）

郭全恩（1974年生），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)楹祬^(qū)土壤水鹽運(yùn)移及鹽漬化土壤改良。E-mail: qnguo@sina.com

2016-01-21