高 勝，王 蕊，Salman Ali，郭勝利，

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌712100）

大氣CO2濃度升高引起的溫室效應(yīng)是全球變暖的重要原因之一［1-4］。全球尺度上，陸地生態(tài)系統(tǒng)是僅次于海洋釋放CO2的第二大生態(tài)系統(tǒng)［5］，土壤呼吸微小變化會(huì)對(duì)大氣CO2濃度造成顯著影響［4］，同時(shí)土壤呼吸也是調(diào)控陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要生態(tài)過(guò)程［6］。因此，監(jiān)測(cè)土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于研究碳循環(huán)以及預(yù)測(cè)全球氣候變化趨勢(shì)有非常重要的意義。

溫度和水分是影響土壤呼吸的重要環(huán)境因素［6-8］，水熱因子對(duì)土壤呼吸作用機(jī)理是準(zhǔn)確地評(píng)估土壤碳循環(huán)過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［9］。已有研究表明，溫度在很大程度上可以解釋土壤呼吸的季節(jié)變化［10-13］，而水分對(duì)土壤呼吸的影響尚未取得共識(shí)［8，14-18］：有 研 究 表 明 水 分 促 進(jìn) 土 壤 呼 吸 作 用［8，14］，也有研究表明水分抑制土壤呼吸作用［15-16］或者無(wú)明顯影響［17-18］。王鳳玉等［9］對(duì)內(nèi)蒙古草地水分與土壤呼吸的定量研究中發(fā)現(xiàn)土壤水分含量不同時(shí)，影響和決定土壤呼吸的機(jī)制也會(huì)發(fā)生變化。

在黃土高原地區(qū)，種植果園既是當(dāng)?shù)鼐用衩撠氈赂坏闹匾窘?jīng)，也是坡地治理水土流失的重要措施。1980年以來(lái)蘋果樹(shù)種植面積逐年增加，至2009年，黃土區(qū)蘋果園面積已達(dá)到1.00×106hm2多，已成為黃土區(qū)支柱性產(chǎn)業(yè)［19］。果園土壤有機(jī)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化與區(qū)域果業(yè)的持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，而土壤呼吸變化是影響土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要過(guò)程。與黃土區(qū)農(nóng)田和林草生態(tài)系統(tǒng)相比，果園土壤呼吸變化及其影響因素報(bào)道較少［20-21］。研究水分對(duì)旱地蘋果園土壤呼吸季節(jié)性與年際變化的影響是理解黃土區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)。基于此，本研究選取黃土高原旱塬區(qū)典型盛果期果園，通過(guò)原位監(jiān)測(cè)土壤呼吸速率，分析土壤呼吸季節(jié)性和年際性變化特征，討論不同水分狀態(tài)下溫度對(duì)果園土壤呼吸的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于陜西省長(zhǎng)武縣（東經(jīng)107°40′，北緯35°12′），屬于典型的黃土高原溝壑區(qū)，海拔1 200 m，為大陸性季風(fēng)氣候。1984—2012年期間，年平均降水量為576 mm，其中最高年份為954 mm，最低年份為296 mm，7—9月份降水量約占全年總降水量的49%，年平均蒸發(fā)量為1 565 mm。年平均氣溫為9.4℃，大于等于10℃積溫為3 029℃，年日照時(shí)數(shù)為2 230 h，日照率為51 %，年輻射總量為484 kJ／m2。地帶性土壤為黏壤質(zhì)黑壚土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土，土層深厚，土質(zhì)疏松。土壤肥力指標(biāo)為：有機(jī)碳6.50 g／kg，全氮0.62 g／kg，堿解氮37.0 mg／kg，速效磷3.0 g／kg，速效鉀129.3 mg／kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試果園面積為2 000 m2（建于2000年），主要品種為紅富士（Mɑlus pumilɑ），多年平均產(chǎn)量為4 000 kg／hm，冠幅3.2 m×3.5 m，莖粗約為15 cm。為增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性，將果園沿對(duì)角線三等分，各區(qū)段內(nèi)選取1棵長(zhǎng)勢(shì)良好且無(wú)病蟲(chóng)害果樹(shù)，間距約為50 m，共計(jì)3棵。以樹(shù)主干為中心，沿三等分圓半徑方向取0.5，1，2 m 3點(diǎn)，每株果樹(shù)設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)（如圖1所示）。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝PVC 管（d×h＝20 cm×12 cm），PVC 管高出地面2 cm，用于測(cè)定土壤呼吸速率［22］。

圖1 蘋果園PVC管設(shè)置示意圖

1.3 土壤呼吸、水分及溫度的測(cè)定

土壤呼吸速率測(cè)定采用便攜式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)LI-8100（LI-COR，Lincoln，NE，USA）。土壤溫度測(cè)定利用LI-8100自帶的土壤溫度計(jì)。土壤水分的測(cè)量采用烘干法，利用直徑為1 cm 土鉆采集0—5 cm 土層土壤樣品，重復(fù)3次，混合均勻后采用四分法留取適量樣品，其余樣品回填。于2011 年3 月至2013 年11 月 （除12，1，2 月），選 擇 晴 朗 天 氣 在09：00—11：00 進(jìn)行土壤呼吸速率、土壤溫度及水分的測(cè)定［22］。3 a試驗(yàn)期間共計(jì)測(cè)量57次，其中2011年測(cè)量19次，2012年測(cè)量22次，2013年測(cè)定16次。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用Sigmplot軟件制作相關(guān)的基礎(chǔ)圖件。采用SAS（SAS 9.1，SAS Institute）軟件中非均衡數(shù)據(jù)方差分析（Proc GLM 程序包）分別進(jìn)行土壤呼吸、土壤溫度、土壤水分、土壤累積呼吸量的方差分析。在評(píng)價(jià)環(huán)境因子對(duì)土壤呼吸的影響時(shí)，利用指數(shù)關(guān)系（y＝ɑebx）模擬土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系，用一元二次方程（y＝ɑx2＋bx＋c）模擬土壤呼吸與土壤水分的關(guān)系，利用線性內(nèi)插法推算不同年際間的累積土壤呼吸量（g／m2）（以CO2-C計(jì)）［23］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度與水分

受大陸性季風(fēng)氣候影響，研究區(qū)降水和氣溫呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變動(dòng)格局。2011降水量高于近30 a年均降水量，2012年和2013年低于年均降水量（圖2a）。3 a試驗(yàn)期間降水總量依次為624，469，520 mm，其中雨季降水量分別占到62.2%（388 mm），65.0%（305 mm），75.4%（392 mm）。有效降水（＞5 mm）2011年44次，2012 年25 次，2013 年24 次，雨 季 分別為25，15，15次。

圖2 2011－2013年黃土區(qū)蘋果園降雨、氣溫、土壤溫度和土壤水分的季節(jié)性變化

土壤溫度呈現(xiàn)顯著季節(jié)變異性（圖2b）：地表5 cm 處溫度在春季逐漸增加，夏季達(dá)到最高值，秋季逐漸 降 低：2011 至2013 這3 a 最 高 值 均 出 現(xiàn) 在7 月（25.86 ℃，25.73 ℃和24.58 ℃），最 低 值 出 現(xiàn) 在11月（3.87 ℃，1.97 ℃，2.41 ℃）。試 驗(yàn) 期 間 年 均 土 壤溫度差異不大（p＜0.01），分別為14.28 ℃（2011），15.95 ℃（2012），15.65 ℃（2013）。0—5 cm 土 壤 水分受降雨量及降雨頻率的影響波動(dòng)較為劇烈：2011年變動(dòng)范圍為10.95%～27.15%，2012 年波動(dòng)于7.24%～24.80%，2013 年處于9.41%～23.92%。3 a間年平均土壤水分：2011 年（19.41）＞2013 年（15.39）＞2012 年（13.84），與年降水總量趨勢(shì)相一致（圖2c）。

2.2 土壤呼吸速率的季節(jié)性與年際變化

如圖2—3所示，果園土壤呼吸速率隨季節(jié)變化波動(dòng)。雨季前（3—6月），土壤溫度逐漸回升，但受土壤干旱影響，土壤呼吸較低。2011 年為2.00μmol／（m2·s），2012 年 為1.82μmol／（m2·s），2013 年2.68μmol／（m2·s）。雨季（7—9月），土壤呼吸速率隨降水波動(dòng)，2011 年平均為2.30μmol／（m2·s），2012年2.45μmol／（m2·s），2013年3.21μmol／（m2·s），均高于雨季前。但是雨水較多時(shí)，土壤呼吸會(huì)因土壤溫度的降低或者水分過(guò)飽和而有所降低。雨季后（10月后），隨著土壤溫度下降，土壤呼吸呈現(xiàn)快速降低趨勢(shì)：2011 年土壤呼吸年平均速率為1.30 μmol／（m2·s），2012年為1.52μmol／（m2·s），2013年為2.25μmol／（m2·s）。

此外，土壤呼吸速率存在顯著年際差異。2011年土壤呼吸速率于0.97～3.14μmol／（m2·s）之間波動(dòng)，平均為1.80μmol／（m2·s）；2012 年均值為2.01μmol／（m2·s）〔0.89～3.9 8μmol／（m2·s）〕；2013年變化于0.69～4μmol／（m2·s），均值為2.81 μmol／（m2·s）。依據(jù)觀測(cè)期內(nèi)所測(cè)定的數(shù)據(jù)對(duì)土壤CO2累積量進(jìn)行估算，與年土壤呼吸平均值表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律：2013年最高值（772 g／m2），2012年最低值（525 g／m2）（見(jiàn)圖4）。

圖3 2011－2013年土壤呼吸的季節(jié)性變化

圖4 土壤累積呼吸量

2.3 土壤呼吸速率與土壤溫度、水分的關(guān)系

3 a試驗(yàn)期間（2011—2013），土壤呼吸速率與5 cm處土壤溫度呈現(xiàn)明顯的指數(shù)相關(guān)性（p＜0.01），土壤溫度的變化最高可表達(dá)土壤呼吸變異性的83%（2011），最低為54%（2012）；表征土壤呼吸溫度敏感性的Q10值3 a分別為1.67（2011），1.51（2012）和1.82（2013），變異系數(shù)為9.30%（圖5）。土壤呼吸速率與土壤水分的相關(guān)分析顯示，土壤呼吸與土壤水分呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，但僅可以表達(dá)土壤呼吸速率的23%～62%的變異性（圖5）。

進(jìn)一步對(duì)觀測(cè)期內(nèi)全部土壤呼吸與水分測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行偏相關(guān)分析，并對(duì)土壤水分和土壤呼吸速率與水分的偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合［9］，擬合函數(shù)如下：

式中：PRs——偏 相 關(guān) 系 數(shù)；x——土 壤 水 分 含 量（%）。

對(duì)函數(shù)（1）進(jìn)行求解，得出偏相關(guān)系數(shù)為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的水分為11.12%和23.63%（圖6）。以11.12%和23.63%為分界點(diǎn)探討水分差異對(duì)土壤呼吸速率及其對(duì)溫度的響應(yīng)，結(jié)果顯示土壤含水量處于11.12%～23.63%之間時(shí)土壤呼吸速率最大為2.24μmol／（m2·s），較低水分條件（＜11.12%）和高水分條件（＞23.63%）分別提高了11%和70%（圖7）；3種不同水分狀態(tài)（＜11.12%，11.12%～23.63%，＞23.63%）下，溫度的變化分別可以表達(dá)土壤呼吸變異性的72%，75%和44%（圖8）。

圖5 土壤呼吸與溫度、水分的關(guān)系

圖6 土壤呼吸與土壤含水量的偏相關(guān)系數(shù)

圖7 不同水分狀況下平均土壤呼吸速率

圖8 不同水分狀況下土壤呼吸隨溫度的變化

3 討論

3.1 水分對(duì)土壤呼吸及溫度敏感性的影響

土壤水分是影響土壤呼吸的重要因素，尤其是在受季風(fēng)氣候影響的干旱半干旱區(qū)。但是受到溫度等其他因素影響，水分對(duì)土壤呼吸的影響較為復(fù)雜。本研究中，土壤呼吸速率與土壤水分的相關(guān)性較差，圖5明顯表明水分對(duì)土壤呼吸的影響程度不同（R2為23%～62%），其原因可能是雨季與非雨季下頻繁的干濕交替現(xiàn)象影響微生物活動(dòng)。圖7顯示水分升高條件下土壤呼吸降低，這可能與以下因素有關(guān)：①土壤中氧氣含量及擴(kuò)散性能降低；②植物根系活動(dòng)和微生物的活動(dòng)受到抑制。且土壤水分在11.12%～23.63%時(shí)，土壤呼吸速率較高。此結(jié)論與王鳳玉等［9］對(duì)內(nèi)蒙古區(qū)草地土壤呼吸的研究結(jié)論（7.5%～18.4%）略有不同，可能與氣候及植物本身的性狀差異有關(guān)；也與張芳等［20］在該地區(qū)對(duì)夏閑期小麥研究時(shí)所定臨界值（18%）不同，主要因?yàn)樘O果樹(shù)吸水根下扎消耗深層水分。

現(xiàn)階段研究表明土壤水分含量不同時(shí)，土壤呼吸機(jī)制發(fā)生變化［24］，進(jìn)而引起Q10值的變化［3］。目前，關(guān)于水分對(duì)Q10值的影響尚未統(tǒng)一：部分研究指出Q10值隨著水分的升高逐漸增強(qiáng)［8，14］，但有研究顯示Q10值隨水分的減少呈降低趨勢(shì)［15-16］，也有水分對(duì)Q10值無(wú)明顯影響的結(jié)論［17-18］。本研究Q10值呈現(xiàn)先增加然后降低的趨勢(shì)，土壤呼吸適宜含水量（11.12%～23.63%）時(shí)Q10值最大（1.63），分別比＜11.12%與＞23.63%時(shí)提高4%和18%。這可能是由于低水分條件下，底物的有效性受水分干旱脅迫的影響，而土壤水分升高時(shí)Q10降低，這可能是因?yàn)楦咚謼l件導(dǎo)致氧氣受阻所致。這與陳全勝等［3］所認(rèn)為的Q10值隨水分含量升高呈上升趨勢(shì)的結(jié)論略有不同。此外，有研究表明土壤呼吸在含水量低時(shí)會(huì)緩慢甚至停滯［2，25］，但本文對(duì)果園土壤呼吸速率及Q10值研究時(shí)并未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，這可能與果樹(shù)根系下扎較深受表層土壤水分影響較小有關(guān)，也可能是11.12%并未達(dá)到蘋果樹(shù)凋萎含水量的下限。

3.2 氣溫及降水對(duì)土壤呼吸累積量年際變化的影響

圖5表明土壤呼吸累積量年際間變異系數(shù)達(dá)到21%。3 a觀測(cè)期內(nèi)的平均氣溫差異不大，但年降水量及雨季降水量存在顯著年際差異：年降水量依次為624，469，519 mm；雨季降水量分別為388，305，392 mm。觀測(cè)期內(nèi)，年際間土壤呼吸累積量的變化（圖4）與年降水量變化不一致。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)不同時(shí)期降水對(duì)土壤呼吸累積量的分析，發(fā)現(xiàn)雨季降水量不僅與雨季土壤呼吸累積量規(guī)律一致，而且和整個(gè)觀測(cè)期間內(nèi)的土壤累積呼吸量規(guī)律相一致（雨季土壤呼吸累積量為244，221，308 g／m2）。由此說(shuō)明土壤呼吸累積量與年降水量，尤其是雨季降水量的年際變化有關(guān)。但是降水對(duì)土壤呼吸的影響結(jié)果也因時(shí)因地而異：在濕潤(rùn)季節(jié)或地區(qū)，降水時(shí)間對(duì)土壤呼吸可能會(huì)產(chǎn)生明顯的抑制作用；而在干旱季節(jié)或地區(qū)，降水時(shí)間可能會(huì)強(qiáng)烈地激發(fā)土壤呼吸［24］。降水過(guò)程及隨后的水分下滲，土壤的通透性、土壤溶液中的可溶性有機(jī)物濃度等理化性質(zhì)都會(huì)發(fā)生改變；降水強(qiáng)度、頻率都會(huì)對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響［9］，其具體影響機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

黃土區(qū)盛果期蘋果園土壤呼吸速率平均值3.94 μmol／（m2·s），年均積累量為624 g／m2。因年際降水波動(dòng)，累積呼吸量年際變異達(dá)到21%。水分是影響黃土高原果園土壤呼吸速率及其溫度敏感性的重要因素。土壤水分含量＜11.12% 時(shí)，果園土壤呼吸速率為2.01μmol／（m2·s），11.12%～23.63%之間時(shí)土壤呼吸速率則為2.24μmol／（m2·s），土壤水分含量＞23.63%時(shí)為1.38μmol／（m2·s）；相應(yīng)地，Q10值分別為1.57，1.63和1.38。土壤水分顯著影響黃土區(qū)蘋果園土壤呼吸，研究結(jié)果可以作為黃土區(qū)果園生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能估算的依據(jù)。

致謝：陜西長(zhǎng)武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站對(duì)本研究給予了大力支持。