高金芳, 周 波, 馬 濤, 張 峰, 董彥麗, 王彥武, 于 惠

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所, 蘭州 730020)

半干旱區(qū)不同土地利用方式下土壤呼吸特征

高金芳, 周 波, 馬 濤, 張 峰, 董彥麗, 王彥武, 于 惠

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所, 蘭州 730020)

采用動(dòng)態(tài)密閉氣室紅外CO2分析法測(cè)定了鹽堿地、撂荒地和苜蓿地三種土地利用方式下的土壤呼吸速率，并結(jié)合水熱因子，對(duì)不同土地利用方式下土壤呼吸速率的差異性以及其和溫度、含水量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：三種土地利用類型土壤呼吸速率日變化均呈現(xiàn)單峰型曲線，與氣溫變化趨勢(shì)一致，一天中氣溫最高時(shí)的土壤呼吸速率均顯著高于其他時(shí)間；不同土地利用方式土壤呼吸與水熱因子均呈正相關(guān)，采用線性關(guān)系式來(lái)分析土壤呼吸速率與土壤水分含量的關(guān)系。不同土地利用方式下土壤呼吸速率與近地面氣溫、不同深度土壤溫度的關(guān)系可以用指數(shù)方程得到較好的擬合(p<0.05)，撂荒地土壤呼吸的溫度敏感性系數(shù)Q10值變化較大，從而對(duì)土壤溫度的響應(yīng)更為敏感，且不同深度土壤的Q10值存在較大差異，鹽堿地和苜蓿地不同土層的Q10值均在2.0左右變化，與全球Q10的平均水平接近。鹽堿地、撂荒地和苜蓿地土壤呼吸與土壤溫度和濕度的雙變量模型關(guān)系顯著，比相應(yīng)的單變量模型更好地解釋了土壤呼吸變異。

土地利用方式; 土壤呼吸; 鹽堿地; 半干旱區(qū)

土壤呼吸是一個(gè)受多種因素綜合影響的復(fù)雜的CO2排放過(guò)程，土地利用方式的改變極大的影響著土壤呼吸，它改變了植被覆蓋、根系分布、主要的環(huán)境因素和土壤特性，植被覆蓋的改變可以影響到土壤表層的能量平衡，也對(duì)近地層的空氣相對(duì)濕度產(chǎn)生影響[1]，因?yàn)橥寥浪?、根系生物量、微生物?shù)量或者凋落物量隨著距離植株的遠(yuǎn)近而發(fā)生變化。在植物根系作用下的土壤性質(zhì)的改變，一方面反作用于植物根系，另一方面對(duì)土壤微生物也產(chǎn)生極大的影響，這些都會(huì)強(qiáng)烈影響到土壤呼吸[2-3]。另外，不同土地利用方式所引起的土壤有機(jī)物含量及有機(jī)物穩(wěn)定性、質(zhì)量和生物多樣性等也會(huì)影響到土壤呼吸速率。

土地利用方式通過(guò)對(duì)土壤孔隙度、土壤濕度和土壤肥力的直接影響而間接地調(diào)控土壤呼吸作用。目前，關(guān)于半干旱區(qū)土壤呼吸特征有大量報(bào)道，齊麗彬等[4]研究了黃土高原5種土地利用方式的土壤呼吸速率與水熱因子的關(guān)系，土壤呼吸與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系，土壤呼吸的雙變量模型關(guān)系顯著，比相應(yīng)的單變量模型更好地解釋了土壤呼吸變異；付微等[5]研究黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶指出，土壤呼吸與土壤溫度呈現(xiàn)顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系，每種灌木林地黃綿土土壤呼吸的溫度敏感性系數(shù)Q10高于風(fēng)沙土，從而對(duì)土壤溫度的響應(yīng)更為敏感。高會(huì)議等[6]認(rèn)為，土壤呼吸與土壤溫度具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，可以用指數(shù)函數(shù)擬合，水分對(duì)土壤呼吸的影響復(fù)雜。裸地土壤呼吸的雙變量模型關(guān)系顯著，比相應(yīng)的單變量模型更好地解釋了土壤呼吸變異。Bouma[7]通過(guò)對(duì)粉粒、砂粒和黏粒含量不同的土壤進(jìn)行土壤呼吸對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)通常情況下，土壤質(zhì)地對(duì)土壤呼吸幾乎沒(méi)有影響，但在灌水處理后，細(xì)質(zhì)土的土壤呼吸過(guò)程比砂土受到較強(qiáng)的制約。然而，有關(guān)土壤呼吸對(duì)土地利用方式響應(yīng)方面的研究較少，鹽堿地土壤呼吸與水熱因子的關(guān)系鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究在半干旱地區(qū)，選擇不同土地利用方式下的鹽堿地、撂荒地和苜蓿地為研究對(duì)象，利用便攜式CO2分析儀對(duì)不同土地利用方式下土壤呼吸進(jìn)行了24 h的野外對(duì)比研究，分析不同土地利用方式下土壤呼吸之間的差異，闡明土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)土壤溫度的敏感性，初步探討該地區(qū)土壤呼吸對(duì)不同土地利用方式的響應(yīng)機(jī)制，力求為該地區(qū)半干旱生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的深入研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)位于甘肅省蘭州市小青山(103°56′37″E，36°01′40″N)，海拔1 724 m。該區(qū)屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，地貌特征以梁狀黃土丘陵為主，為北溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)極寒。年降水量為329.7 mm，蒸發(fā)量為1 377.2 mm，年平均氣溫6.6℃，大于等于10℃的有效活動(dòng)積溫為1 200～3 200℃，年均日照時(shí)數(shù)2 666 h，太陽(yáng)輻射量為130.57 kJ/cm2，無(wú)霜期為85～148 d。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的灰鈣土，有機(jī)質(zhì)含量0.5%～1.5%左右，pH值為8～9，土壤容重為1.1～1.4 g/cm3。本研究選取該區(qū)三種土地利用方式，其中鹽堿地為覆膜滴灌試驗(yàn)用地，當(dāng)年種植作物為玉米，種植前經(jīng)過(guò)處理，土壤較為疏松，種植密度為3 000株/666.7 m2，土壤平均pH值為11.24；撂荒地棄耕五年，坡向朝東，坡度<5°，坡面分布零星雜草(白沙蒿、冰草)，測(cè)定基座布置在無(wú)植物生長(zhǎng)的空地；苜蓿地為種植苜蓿7 a，覆蓋率為80%以上。鹽堿地和撂荒地的表層土壤養(yǎng)分之間具有一定的差異性。其中鹽堿地(0.57 g/kg)與撂荒地(4.04 g/kg)和苜蓿地(5.84 g/kg)土壤全氮含量差別較大，鹽堿地的土壤養(yǎng)分較差。

1.2 測(cè)定方法

土壤呼吸速率觀測(cè)在2015年10月18日—20日進(jìn)行，土壤呼吸速率測(cè)定采用土壤CO2通量自動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)，測(cè)定儀器型號(hào)為L(zhǎng)I-8100(USA)，測(cè)定前在每個(gè)樣地內(nèi)安置測(cè)定基座(去除基座內(nèi)的地表植物)，為了減少安置測(cè)定基座對(duì)土壤系統(tǒng)的破壞，在測(cè)定基座安置24 h后再進(jìn)行測(cè)定，從而避免了由于安置氣室基座對(duì)土壤擾動(dòng)而造成的短期呼吸速率波動(dòng)。以24 h為1周期，每間隔2～3 h測(cè)定1次土壤呼吸，每個(gè)樣地設(shè)置兩個(gè)重復(fù)，每個(gè)土壤隔離環(huán)重復(fù)測(cè)定3次，取平均值，以獲取土壤呼吸日變化動(dòng)態(tài)。在進(jìn)行土壤呼吸測(cè)定的同時(shí)，利用曲管溫度計(jì)測(cè)量5，10 cm深度土壤溫度；用LI-8100便攜式CO2分析儀自帶土壤水分計(jì)插入各小樣方內(nèi)土壤隔離環(huán)的周圍，來(lái)測(cè)定的土壤體積含水量，每次測(cè)定3次重復(fù)。氣溫?cái)?shù)據(jù)由研究區(qū)內(nèi)全自動(dòng)氣象站獲取。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2007和SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件分析作圖。用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件檢驗(yàn)不同土地利用方式土壤呼吸變化差異顯著性，應(yīng)用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析土壤呼吸與溫度和水分之間的關(guān)系，建立土壤呼吸與溫度和水分的指數(shù)模型，動(dòng)態(tài)曲線采用Excel 2007繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸日變化特征

2.1.1 土壤呼吸日變化動(dòng)態(tài) 不同土地利用方式土壤呼吸的日變化呈單峰趨勢(shì)(圖1)，鹽堿地土壤呼吸峰值1.24 μmolCO2/(m2·s)出現(xiàn)在15：00，最低值0.34 μmolCO2/(m2·s)出現(xiàn)在05：00；撂荒地土壤呼吸峰值0.60 μmolCO2/(m2·s)出現(xiàn)在15：00，最低值0.02 μmolCO2/(m2·s)出現(xiàn)在05：00；苜蓿地土壤呼吸峰值1.21 μmolCO2/(m2·s)出現(xiàn)在13：00，最低值0.29 μmolCO2/(m2·s)出現(xiàn)在7：00。鹽堿地、撂荒地和苜蓿地土壤呼吸速率晝夜變化幅度分別為122.42%，199.83%，130.03%，土壤呼吸晝夜變化較大，均在120%以上。

圖1不同土地利用方式土壤呼吸速率日變化

2.1.2 土壤呼吸日變化與溫度的關(guān)系 不同土地利用方式下土壤呼吸的日變化趨勢(shì)與近地面溫度和地溫變化格局一致，一天中土壤呼吸速率極值出現(xiàn)的時(shí)間與近地面氣溫和地溫變化極值出現(xiàn)的時(shí)間具有較高的一致性(圖2)。鹽堿地的近地面溫度高于5 cm地溫，與撂荒地和苜蓿地的相反，可能由于鹽堿地的土壤含水量為撂荒地和苜蓿地的5倍，土壤水分對(duì)地溫有控制作用。鹽堿地、撂荒地和苜蓿地近地面溫度晝夜變化分別為87.03%，171.79%和169.45%，表明土壤呼吸的晝夜變化不僅受外界溫度條件的影響，還受到植物生長(zhǎng)狀態(tài)和水分等因素的影響。土壤呼吸是很多生物因素和環(huán)境因素影響的復(fù)雜過(guò)程，這些影響因素具有很大的時(shí)空變異，由此而造成土壤呼吸變異性增大。

2.2 土壤呼吸速率與環(huán)境因素的關(guān)系

2.2.1 土壤呼吸速率與土壤濕度 在不同土地利用方式下，首先比較檢驗(yàn)土壤呼吸速率(R)與土壤水分(W)的相關(guān)性(表1)，以驗(yàn)證模型的可行性，表1結(jié)果顯示：不同土地利用方式土壤呼吸與水熱因子均呈正相關(guān)，與高艷紅等人的研究結(jié)果一致[8]。鹽堿地土壤呼吸與土壤水分的相關(guān)性均較好，撂荒地和苜蓿地土壤水分對(duì)土壤呼吸速率表現(xiàn)不明顯；這是因?yàn)樵谳^適宜的水分條件下，并不足以影響微生物和植物根系的活動(dòng)，則很難明顯地測(cè)出水分對(duì)土壤呼吸的影響，此時(shí)土壤水分的影響很可能被其他因子的影響所掩蓋[9]。

采用線性關(guān)系式來(lái)分析土壤呼吸速率與土壤水分含量的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)只有鹽堿地土壤水分對(duì)土壤呼吸速率的影響達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，撂荒地和苜蓿地土壤水分對(duì)土壤呼吸速率表現(xiàn)不明顯(表2)，鹽堿地土壤水分對(duì)土壤呼吸變化的解釋能力為56.21%～57.33%。

圖2 不同土地利用方式土壤呼吸速率、溫度日變化表1 不同土地利用方式土壤呼吸速率(R)與土壤溫度(T)和土壤水分(W)的相關(guān)性

注：**在0.01水平上顯著相關(guān)，*在0.05水平上顯著相關(guān)。

2.2.2 土壤呼吸速率與溫度 由表1看出，不同土地利用方式下土壤呼吸速率(R)與溫度(T)顯著相關(guān)，土壤溫度要比土壤水分對(duì)土壤呼吸作用的影響更明顯，在土壤呼吸與所有溫度指標(biāo)之間的關(guān)系中，鹽堿地與近地面溫度的相關(guān)性最好，與5 cm土壤溫度相關(guān)性也達(dá)到顯著水平，土壤呼吸主要發(fā)生在土壤表層；撂荒地與土壤5 cm地溫和大氣溫度的相關(guān)性最好，與近地面溫度和10 cm土壤溫度相關(guān)性也達(dá)到顯著水平；苜蓿地與土壤5 cm地溫的相關(guān)性最好，與10 cm土壤溫度相關(guān)性也達(dá)到顯著水平，但與近地面溫度和大氣溫度相關(guān)性較差，很可能是由于苜蓿地植被覆蓋度大，其地表溫度不易受外界影響造成土壤呼吸與其極顯著相關(guān)。不同土地利用方式下的土壤呼吸與溫度均達(dá)到顯著相關(guān)(p<0.05)。

土壤呼吸對(duì)溫度的響應(yīng)較為敏感，一般認(rèn)為溫度升高，促進(jìn)植物根系呼吸、土壤微生物活動(dòng)，土壤呼吸因而增強(qiáng)。本研究中，采用指數(shù)方程模型(R=aebT)分析土壤呼吸與溫度的關(guān)系，與多數(shù)學(xué)者的研究基本一致[10-12]。研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下土壤呼吸速率與近地面氣溫、不同深度土壤溫度的關(guān)系可以用指數(shù)方程得到較好的擬合(p<0.05)(表2)。鹽堿地和撂荒地土壤呼吸速率與近地面氣溫指數(shù)相關(guān)最好，苜蓿地土壤呼吸速率與5 cm地溫指數(shù)相關(guān)最好。

為與其他相關(guān)研究對(duì)比分析溫度敏感性指數(shù)Q10，本文對(duì)土壤呼吸速率與近地面氣溫、5 cm和10 cm土壤溫度進(jìn)行指數(shù)關(guān)系分析，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯煌恋乩梅绞较峦寥篮粑腝10隨著土層深度的增加而增加，這主要是由于隨著土層深度的增加土壤溫度的變化幅度減少而造成的。隨著溫度的升高，撂荒地Q10值的變化較大，土壤呼吸對(duì)土壤溫度的響應(yīng)更為敏感，且不同深度土壤的Q10值存在較大差異。鹽堿地和苜蓿地不同土層的Q10值均在2.0左右變化，與全球Q10的平均水平接近[13]。

表2 不同土地利用方式土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤水分的關(guān)系

2.2.3 土壤呼吸與土壤溫度和土壤濕度 實(shí)際上，土壤溫度總是和土壤水分一起對(duì)呼吸速率的變化產(chǎn)生影響，兩者之間存在明顯的交互作用。本研究采用以下模型描述土壤水分和溫度對(duì)土壤呼吸變化的影響。

R=aebTWc

式中：R為土壤呼吸速率;T為土壤溫度;W為土壤水分含量;a，b，c為常數(shù)。

本文利用5，10 cm深度土層的土壤溫度和土壤體積含水量與土壤呼吸依據(jù)公式R=aebTWc，建立了土壤呼吸速率與土壤溫度和水分的雙變量關(guān)系(表3)。

與單因子模型相比，復(fù)合模型的決定系數(shù)(R2)均顯著提高，鹽堿地復(fù)合模型的決定系數(shù)隨土層深度的增加而減小，5 cm土層水分和土壤溫度復(fù)合模型的決定系數(shù)最大(表3)，表明0—10 cm土壤溫度和水分的變化能夠解釋91.85%的土壤呼吸變異；撂荒地復(fù)合模型的決定系數(shù)隨土層深度的增加而減小，5 cm土層水分和土壤溫度復(fù)合模型的決定系數(shù)最大，表明0—10 cm土壤溫度和水分的變化能夠解釋86.25%的土壤呼吸變異；苜蓿地復(fù)合模型的決定系數(shù)隨土層深度的增加而減小，5 cm土層水分和土壤溫度復(fù)合模型的決定系數(shù)最大，表明0—10 cm土壤溫度和水分的變化能夠解釋88.0%的土壤呼吸變異。

表3 不同土地利用方式土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤水分的雙變量模型

3 結(jié) 論

(1) 不同土地利用方式土壤呼吸的日變化均呈單峰趨勢(shì)，一天中氣溫最高時(shí)的土壤呼吸速率均顯著高于其他時(shí)間；土壤呼吸速率極值出現(xiàn)的時(shí)間與近地面氣溫和地溫變化極值出現(xiàn)的時(shí)間具有較高的一致性。

(2) 不同土地利用方式土壤呼吸與水熱因子均呈正相關(guān)，采用線性關(guān)系式來(lái)分析土壤呼吸速率與土壤水分含量的關(guān)系。鹽堿地土壤水分對(duì)土壤呼吸速率的影響達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，鹽堿地土壤水分對(duì)土壤呼吸變化的解釋能力為56.21%～57.33%，撂荒地和苜蓿地土壤水分對(duì)土壤呼吸速率表現(xiàn)不明顯；不同土地利用方式下的土壤呼吸與溫度均達(dá)到顯著相關(guān)(p<0.05)，不同土地利用方式下土壤呼吸速率與近地面氣溫、不同深度土壤溫度的關(guān)系可以用指數(shù)方程得到較好的擬合(p<0.05)。撂荒地土壤呼吸的溫度敏感性系數(shù)Q10值變化較大，從而對(duì)土壤溫度的響應(yīng)更為敏感，且不同深度土壤的Q10值存在較大差異。鹽堿地和苜蓿地不同土層的Q10值均在2.0左右變化，與全球Q10的平均水平接近。

(3) 土壤溫度總是和土壤水分一起對(duì)呼吸速率的變化產(chǎn)生影響，兩者之間存在明顯的交互作用，建立了不同土地利用方式下土壤呼吸速率與土壤溫度和水分的雙變量關(guān)系，比相應(yīng)的單變量模型更好地解釋了土壤呼吸變異，鹽堿地、撂荒地和苜蓿地雙變量模型能夠解釋91.85%，86.25%和88.0%的土壤呼吸變異。

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SoilRespirationCharacteristicsUnderDifferentLandUsePatternsinSemi-aridArea

GAO Jinfang, ZHOU Bo, MA Tao, ZHANG Feng, DONG Yanli, WANG Yanwu, YU Hui

(GansuScienceInstituteofSoilandWaterConservation,Lanzhou730020,China)

Soil respiration rates under the saline land, abandoned land andMedicagosativaland were measured by the closed-IRGA infrared CO2method, the differences in soil respiration in different land use patterns and the relationships between soil respiration, soil temperature and soil moisture were analyzed. The results showed that diurnal changes of soil respiration presented single peak curves and the changes of air temperature followed a similar trend, the soil respiration reached the maximum values when the soil temperature was close to the maxsimum; there were positive correlations between soil respiration and soil moisture, soil temperature under different land use patterns, the relationship between soil respiration and soil moisture content was linear. The exponential equation could present the relationship between soil respiration and near-surface air temperature, soil temperature at different depths better(p<0.05), the significant variation of theQ10of soil respiration of abandoned land was observed, illustrating that the soil respiration was more sensitive to soil temperature, the values ofQ10were significantly different in different soil depths; the values ofQ10in saline land andMedicagosativaland at different soil depths were around 2.0, which was closed to the global average value. A two-variable soil respiration model (soil temperature and soil moisture) could explain the variations of soil respiration much better than mono-variable model under saline land， abandoned land andMedicagosativaland.

land use patterns; soil respiration; saline land; semi-arid area

2016-05-06

：2016-08-02

甘肅省水利重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013-293);水利部“948”項(xiàng)目(201522);甘肅省自然科學(xué)資助項(xiàng)目(1506RJZA176);甘肅省青年科技資助項(xiàng)目(1506RJYA177);甘肅省水利重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2014-223-6)

高金芳(1982—),女,甘肅靖遠(yuǎn)縣人,碩士,工程師,主要從事水土保持研究。E-mail:317660806@qq.com

S714.5

：A

：1005-3409(2017)02-0089-05