曹詩(shī)瑜　郭全恩　南麗麗　劉海建　康發(fā)云

摘要：土壤呼吸速率是反映陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)之一。采用土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)LI-8100A 對(duì)甘肅省玉門鎮(zhèn)飲馬農(nóng)場(chǎng)5種不同植被類型土壤（裸地、葵花、小麥、孜然、茴香）呼吸速率、空氣濕度、土壤溫度、水分等影響因素的日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了不同植被類型土壤呼吸速率的日變化特征及與環(huán)境因素的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，不同植被類型土壤呼吸速率明顯不同，5種植被類型土壤呼吸速率的日平均值大小順序?yàn)椋很钕鉡7.710±1.705 μmol/（m2·s） ]> 小麥[5.266±0.953 μmol/（m2·s）] > 葵花[5.237±0.568 μmol/（m2·s） ]> 孜然[3.504±0.431 μmol/（m2·s）] > 荒地[2.567±0.666 μmol/（m2·s）] 。對(duì)于有植被覆蓋的地塊，土壤呼吸速率的日變化呈現(xiàn)先減小，后逐漸增大，在13：00 — 15：00時(shí)達(dá)到峰值，隨后逐漸減小的趨勢(shì)，大致呈“S”型曲線；而對(duì)于裸地，土壤呼吸速率的日變化呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，大致呈“M”型或倒“V”型。

關(guān)鍵詞：植被；土壤呼吸；影響因素

中圖分類號(hào)：S154.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2018）11-0032-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2018.11.010

Soil Respiration Characteristics of 5 Different Vegetation Types and Its Influence Factors

CAO Shiyu 1， GUO Quanen 1， NAN Lili 2， LIU Haijian 3， KANG Fayun 4

（1.Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China； 2. College of Pratacultural， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China； 3.Yumen Agricultural Technology Extension Center， Yumen Gansu 735211， China； 4.Yongjing Agricultural Technology Extension Center， Yongjing Gansu 731600， China）

Abstract：The soil respiration rate is one of the important indices for terrestrial ecosystem. This paper studied the dynamic variation of soil respiration rate， air relative humidity， soil temperature and soil moisture under different vegetation condition （wasteland， sunflower， wheat， cumin， aniseed） by soil carbon flux measurement system （LI-8100A） in Yinma farm of Yumen County of Gansu province in July 2012， and the correlation between the change of the soil respiration rate and the environment factors. The result indicated that there were significant differences in soil respiration among the various vegetation types， and the soil respiration rate of different vegetation were in the sequence of aniseed（7.710±1.705 μmol/m2·s） > wheat（5.266±0.953 μmol/m2·s > sunflower（5.237±0.568 μmol/m2·s） > cumin（3.504±0.431 μmol/m2·s）>wasteland（2.567±0.666 μmol/m2·s）. The diurnal variation of soil respiration rate under vegetation cover presented a decrease with time， and then increased， and the maximum value of soil respiration rate appeared at 13：00 — 15：00 pm， and then decreased. The daily variation of soil respiration rate can be described approximately as curve of “S”； The diurnal variation of soil respiration rate under uncovered land presented a increase with time， and then decreased， the daily variation of soil respiration rate can be described approximately as curve of “M” or an inverted“V”.

Key words：Vegetation；Soil respiration；Influence factors

土壤呼吸是指土壤產(chǎn)生CO2的過(guò)程，它包括植物根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸、土壤微生物呼吸和含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用等生物學(xué)和非生物學(xué)部分[1 ]，它是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。土壤通過(guò)呼吸作用排放到大氣中的CO2高達(dá)68～100 Pg C/a[2 ]，約占大氣中CO2總量的1/10，而因燃燒化石燃料排放到大氣的CO2約為5 Pg C/a，不到前者的10%[3 ] 。因此，土壤呼吸對(duì)全球氣候變化和碳循環(huán)產(chǎn)生著重大影響。

土壤呼吸不僅受生物因素影響，而且還受環(huán)境因素（土壤水分、溫度、氣候等）的影響。近年來(lái)在土壤呼吸方面國(guó)內(nèi)外已有大量報(bào)道。劉四義等[4 ]研究了玉米和大豆秸稈還田對(duì)黑土呼吸速率的影響。李琳等[5 ]研究了華北平原不同耕作措施下冬小麥生育期農(nóng)田CO2排放速率，表現(xiàn)為翻耕 > 旋耕 > 免耕。陳全勝等[6 ]報(bào)道指出，在濕潤(rùn)生態(tài)系統(tǒng)，降水對(duì)土壤呼吸會(huì)產(chǎn)生比較明顯的抑制現(xiàn)象，而在干旱的生態(tài)系統(tǒng)，降水會(huì)強(qiáng)烈地激發(fā)土壤呼吸。謝靜霞等[7 ]研究認(rèn)為，農(nóng)田土壤CO2通量遠(yuǎn)高于鹽生荒漠。林麗莎等[8 ]報(bào)道，土壤CO2排放通量與5 cm土層溫度和0～20 cm土層的平均含水量（體積比）呈顯著正相關(guān)。王豐川等[9 ]研究認(rèn)為，蘆葦、檉柳、堿蓬3種植物群落土壤呼吸速率日變化曲線都呈單峰形式。黃斌等[10 ] 研究認(rèn)為，農(nóng)田CO2釋放主要受有機(jī)物投入量、土壤水分和氣溫等因素的影響。然而，有關(guān)不同植被對(duì)土壤呼吸特征的影響還鮮見報(bào)道。我們開展不同植被土壤呼吸特征及其影響因素的研究，旨在為全球環(huán)境變化和碳循環(huán)研究提供參考。

1 材料與方法

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)，多年平均年降水量47～63 mm，年蒸發(fā)量2 897～3 042 mm，年平均氣溫6.9～8.8 ℃，屬典型的內(nèi)陸干旱性氣候。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，分別為Ⅰ未種植荒地，（CK）、Ⅱ（葵花）、Ⅲ（小麥）、Ⅳ（孜然）、Ⅴ（茴香）。試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積20 m2。在作物旺盛生長(zhǎng)期用土壤碳通量?jī)x測(cè)定各處理下的土壤呼吸速率的日變化（每隔1～2 h測(cè)定1次，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)共測(cè)定7次），每個(gè)樣地選取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為3次重復(fù)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每次測(cè)定4個(gè)觀察值。

1.3 土壤呼吸速率及環(huán)境因子的測(cè)定

于2012年7月7日，采用土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)LI-8100A紅外氣體分析儀（IR-GA）在田間原位測(cè)定5個(gè)處理下的土壤呼吸速率日變化[11 ]。從 9：00時(shí)開始至18：00時(shí)結(jié)束，每間隔1～2 h測(cè)定1次土壤呼吸速率。同時(shí)用LI-8100A儀器攜帶探頭自動(dòng)監(jiān)測(cè)大氣濕度、土壤溫度和土水分。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)土壤呼吸速率描述性統(tǒng)計(jì)，用Microsoft Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被下土壤呼吸速率的描述性統(tǒng)計(jì)

由表1可知，茴香地土壤呼吸速率日平均值最大，為（7.710±1.705） μmol/（m2·s）；其次是小麥、葵花和孜然，土壤呼吸速率日平均值從大到小依次為（5.266±0.953） μmol/（m2·s）、（5.237±0.568） μmol/（m2·s）和（3.504±0.431） μmol/（m2·s）；荒地土壤呼吸速率最小，為（2.567±0.666） μmol/（m2·s）。 在5個(gè)處理中，土壤呼吸速率的日平均值從大到小依次為：茴香、 小麥、葵花、孜然、荒地，這說(shuō)明土壤呼吸速率與地上植被類型有關(guān)。

2.2 不同植被土壤呼吸速率的日變化

從圖1可以看出，不同植被土壤呼吸速率日變化曲線各不相同，且峰值出現(xiàn)的時(shí)間也不一致?？傮w上各處理土壤呼吸速率從大到小依次為：茴香、小麥、葵花、孜然、荒地。對(duì)于有植被覆蓋的地塊，土壤呼吸速率的日變化呈現(xiàn)先減?。?：00 —10：00時(shí)）后逐漸增大（10：00 — 15：00時(shí)），13：00 — 15：00時(shí)達(dá)到峰值，然后再減小的趨勢(shì)，在18：00時(shí)呼吸速率最小，基本呈現(xiàn)“S”型曲線。而對(duì)于荒地和小麥地，土壤呼吸速率的日變化呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，基本呈現(xiàn)“M”型或倒“V”型。這是由于觀測(cè)期大氣溫度日變化幅度大，14：00時(shí)溫度達(dá)到最高、植物的光合作用最強(qiáng)、根系的呼吸代謝旺盛，故土壤呼吸速率在此時(shí)段也達(dá)到峰值。18：00時(shí)空氣濕度較大、地表溫度較低、根系活動(dòng)和呼吸作用較弱，因此土壤呼吸速率較低。

2.3 不同植被群落環(huán)境因子的日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 2.3.1 大氣濕度 由圖2A可知，各處理下的大氣濕度從大到小依次為：孜然、茴香、葵花、小麥、荒地。從日變化的趨勢(shì)來(lái)看，孜然和茴香地的近地面大氣濕度的日變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)波浪型，而荒地、葵花和小麥地的近地面大氣濕度的日變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)“V”型，在13：00時(shí)最小，且小麥地和荒地的近地面大氣濕度的日變化幅度要大于葵花田。

2.3.2 土壤溫度 由圖2B可以明顯看出，在相同時(shí)段，荒地土壤溫度最高，其次是葵花和小麥地，茴香和孜然地土壤溫度最低。從日變化峰值來(lái)看，各植被下均在9：00 時(shí)左右土壤溫度最低，在15：00時(shí)土壤溫度最高，之后基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？傮w而言，土溫變化為：荒地 > 葵花 > 小麥 > 茴香 > 孜然。

2.3.3 土壤水分含量 從圖2C可以看出，5個(gè)處理的土壤濕度日變化趨勢(shì)不太一致：荒地與孜然地的土壤水分變化不是很明顯；小麥地的土壤水分含量大致呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)，在13：00時(shí)左右達(dá)到最??；而葵花地和茴香地土壤水分的變化幅度相對(duì)較大，且沒有明顯的變化規(guī)律?？偟膩?lái)說(shuō)，土壤水分含量荒地 > 孜然 > 茴香 > 小麥 > 葵花。

2.4 土壤呼吸速率與環(huán)境因子關(guān)系分析

土壤呼吸速率與環(huán)境因子（空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤含水量）的相關(guān)關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，土壤呼吸速率與大氣濕度的相關(guān)系數(shù)從大到小依次為葵花（0.127）、 孜然（0.036）、 小麥（0.027）、 茴香（0.011）、 荒地（0.010）。且荒地與孜然處理的土壤呼吸速率與大氣濕度呈正相關(guān)，而葵花、小麥、茴香3個(gè)處理的土壤呼吸速率與大氣濕度呈負(fù)相關(guān)。不同處理下土壤呼吸速率與土壤含水量的相關(guān)性是：葵花的相關(guān)系數(shù)最大（0.652），孜然群落的次之（0.373），茴香的最小（0.011）。且荒地、葵花、小麥3個(gè)處理下土壤呼吸速率均與土壤水分含量呈現(xiàn)正相關(guān)，而孜然與茴香地土壤呼吸速率與土壤水分含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)?？ǖ耐寥篮粑俾逝c土壤溫度相關(guān)系數(shù)最大（0.652），茴香的最小（0.011）。

3 結(jié)論與討論

5種植被下的土壤日平均呼吸速率從大到小依次為：茴香（7.710±1.705） μmol/（m2·s）、小麥（5.266±0.953） μmol/（m2·s）、葵花（5.237±0.568） μmol/（m2·s）、孜然（3.504±0.431） μmol/（m2·s）、荒地（2.5672.567±0.666） μmol/（m2·s）。5種植被下土壤呼吸速率日變化曲線各不相同，且峰值出現(xiàn)的時(shí)間也不一致。對(duì)于有植被覆蓋的地塊，土壤呼吸速率的日變化呈現(xiàn)先減?。ㄔ?：00 — 10：00時(shí)），后逐漸增大（在10：00 —15：00時(shí)），在13：00時(shí)—15：00時(shí)達(dá)到峰值，再減小的趨勢(shì)，在18：00時(shí)呼吸速率最小，基本呈現(xiàn)“S”型曲線；而對(duì)于荒地和小麥地，土壤呼吸速率的日變化呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，基本呈現(xiàn)“M”型或倒“V”型。

不同植被條件下，環(huán)境因子對(duì)土壤呼吸的影響不同?；牡氐耐寥篮粑俾逝c土壤溫度、水分含量、空氣濕度呈現(xiàn)正相關(guān)；葵花和小麥地的土壤呼吸速率與空氣濕度呈負(fù)相關(guān)，與土壤溫度、水分含量呈現(xiàn)正相關(guān)；孜然地的土壤呼吸速率與空氣濕度呈正相關(guān)，與土壤溫度、水分含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；茴香地的土壤呼吸速率與空氣濕度、土壤溫度、水分含量均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。影響土壤呼吸的因素很多，例如土壤溫度、濕度、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土地利用、施肥、作物品種、土壤生物等 [12 ]。因此，影響土壤呼吸的各項(xiàng)因素之間并不是孤立的，而是相互也有影響[12 ]。

5種植被中茴香地的土壤呼吸速率的日變化明顯高于其他植被，這主要是由于在7月下旬茴香正處于旺盛生長(zhǎng)的花期，根系呼吸作用較強(qiáng)所致。其次，小麥和葵花地塊土壤呼吸速率較高，且二者相比，盡管葵花處于現(xiàn)蕾期，而小麥處于成熟期，但小麥地塊土壤呼吸速率略高于葵花地塊，這主要是由于小麥屬于單子葉植物須根系，根系活力較強(qiáng)，而葵花屬于雙子葉植物直根系，根系活力不及小麥。孜然地的土壤呼吸速率較低，其原因是孜然本身根系較淺，且孜然處于成熟期根系生長(zhǎng)趨于停止，根系對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)減弱所致。而裸地土壤呼吸速率最低，這主要是由于荒地土壤植物根系和微生物數(shù)量較少所致。

土壤溫度和水分是土壤呼吸最重要的影響因素 [13 - 16 ]。本研究發(fā)現(xiàn)，水熱環(huán)境因子與土壤呼吸速率之間存在著弱的線性相關(guān)關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，葵花地的土壤溫度與土壤呼吸速率的相關(guān)性最好，土壤水分對(duì)土壤呼吸速率也有較大影響；茴香地的土壤呼吸速率與土壤水分的相關(guān)性最差，土壤溫度對(duì)該處理土壤呼吸速率貢獻(xiàn)較大。孜然地土壤水分充足，水分對(duì)土壤呼吸的影響往往被溫度的影響所遮蓋[17 ]。綜上所述，茴香地土壤呼吸速率受大氣濕度的影響較大，其他處理土壤呼吸速率受空氣濕度、土壤溫度、土壤水分的共同影響；溫度與濕度是影響土壤呼吸最主要的因素，它們共同對(duì)土壤呼吸起作用，土壤呼吸的大部分變化可由溫度和濕度的共同作用來(lái)解釋[18 ]。這也說(shuō)明不同植被生長(zhǎng)顯著地改變了土壤呼吸速率與水熱環(huán)境因子的關(guān)系。

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（本文責(zé)編：楊 杰）