邱盛媛，陳 豪，黎祖堯，b，施建敏，b，楊飛強(qiáng)，申 展，b

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院；b.江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045）

在全球碳循環(huán)中，土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的重要組成部分，也是碳排放的重要來源[1]，土壤呼吸是未經(jīng)擾動(dòng)的土壤經(jīng)過一系列的代謝活動(dòng)向大氣釋放CO2的過程[2]。通過土壤呼吸向大氣輸入的碳通量占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的10%，是化石燃料燃燒釋放的11 倍多[3]，土壤呼吸的輕微變化都有可能打破土壤碳循環(huán)的平衡和引起大氣CO2濃度變化。土壤呼吸受一系列生物因素和非生物因素綜合影響，其中溫度是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因子[4,5,6]。胡文沛[7]等研究顯示，紅外增溫使土壤呼吸速率提高16.8%；孫亞榮[8]等研究表明，10 cm 土層中的土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率高，而50 cm 以下土層的土壤呼吸速率變化主要受土壤濕度影響；張成芳[9]等的研究結(jié)果也顯示土壤呼吸速率具有明顯的春秋低夏季高的季節(jié)變化規(guī)律。

厚竹Phyllostachys edulis‘Pachyloen’是毛竹Phyllostachys edulis的變種，是我國(guó)首個(gè)獲得植物新品種保護(hù)權(quán)的竹類植物，也是我國(guó)重要的筍用林竹種[10]，2017 年被審定為國(guó)家級(jí)優(yōu)良品種。自然狀態(tài)下，厚竹筍期為3 月下旬至4 月上旬，筍期短且不能滿足春季期間市場(chǎng)對(duì)鮮筍的大量需求。所以，冬季在筍用林林地表面增施枯餅等發(fā)熱物質(zhì)并覆蓋谷殼等保溫材料提高土壤溫度，促使春筍冬出，已經(jīng)成為筍用林經(jīng)營(yíng)中提高產(chǎn)量和效益的重要措施。程慧娟[11]等研究發(fā)現(xiàn)，通過覆蓋能增加土壤溫度，促使厚竹提早出筍?？筛采w過程中伴隨著有機(jī)物的發(fā)酵分解及土壤溫度升高，影響了土壤CO2排放，對(duì)土壤碳的動(dòng)態(tài)平衡造成重要影響[12]。解夢(mèng)怡[13]等發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋促進(jìn)了土壤呼吸，同時(shí)降低了土壤呼吸的溫度敏感度；張奎月[14]等發(fā)現(xiàn)，植被下的土壤呼吸速率在1 d 內(nèi)始終大于裸地，土壤呼吸速率和土壤溫度呈顯著正相關(guān)；顏廷武[15]等研究表明，土壤呼吸速率年際變化呈單峰型，最大值出現(xiàn)在7—8 月份并與10 cm土層溫度相關(guān)性顯著。前人有關(guān)土壤覆蓋及土壤溫度對(duì)土壤CO2排放的影響多集中于單一覆蓋物覆蓋方式及影響結(jié)果，關(guān)于發(fā)熱物質(zhì)加保溫材料的雙層或多層覆蓋方式，覆蓋前進(jìn)行林地大量補(bǔ)水，提高土壤溫度超過15℃的筍用林地覆蓋中土壤CO2排放對(duì)土壤溫度的響應(yīng)情況少有報(bào)道。本文以厚竹筍用林為對(duì)象，探索覆蓋期內(nèi)土壤CO2排放速率與土壤溫度的關(guān)系，旨在為研究綠色低碳的覆蓋模式提供參考，降低筍用林覆蓋對(duì)環(huán)境的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江西省貴溪市鴻塘鎮(zhèn)，28°17′44.91″N，117°14′24.26″E，海拔50 m，年均氣溫18.2℃，年均降水量1 850 mm，氣溫偏高，光照充足，雨量豐沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)，適宜厚竹生長(zhǎng)。試驗(yàn)地地形平坦，土壤類型為紅壤，土層深厚，土壤質(zhì)地為壤土，微酸性。試驗(yàn)林分為2013 年?duì)I造的厚竹純林，立竹度9 000 株/hm2，立竹平均胸徑4 cm，生長(zhǎng)狀況良好，立地條件、竹林結(jié)構(gòu)和撫育管理措施一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置

在試驗(yàn)林分中設(shè)置27 塊面積為25 m2（5 m×5 m）的試驗(yàn)樣地，樣地之間保留2m 隔離帶，選取枯餅（發(fā)熱物質(zhì)）用量（3.0、4.5、6.0 t/hm2）、谷殼（保溫材料）覆蓋厚度（15、25、35 cm）和覆蓋前林地補(bǔ)水量（澆水至濕潤(rùn)土層10、15、20 cm）3 個(gè)覆蓋因子，每個(gè)因子分3 個(gè)水平，采用考慮交互作用的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排各個(gè)樣地的覆蓋因子及水平，并在未覆蓋林分內(nèi)設(shè)置3 塊對(duì)照樣地。

1.2.2 樣地覆蓋

覆蓋時(shí)間為2018 年12 月2 日，覆蓋前先對(duì)每個(gè)試驗(yàn)樣地澆水至設(shè)計(jì)補(bǔ)水量水平，選擇正中央、東南角和西北角作為土壤溫度和CO2排放速率調(diào)查樣方，在所選調(diào)查樣方中的相同位置0 cm 土層埋置玻璃棒水銀地溫計(jì)（地溫計(jì)精度為0.1℃），然后均勻撒施發(fā)熱物質(zhì)，撒施發(fā)熱物質(zhì)后安放1 個(gè)直徑20 cm 的PVC 管（Li-8100A 土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的CO2排放通量測(cè)量筒），PVC 管長(zhǎng)度為高出本樣地設(shè)計(jì)谷殼層厚度6 cm，垂直放置于地面上，最后覆蓋谷殼至設(shè)計(jì)覆蓋厚度，PVC 管內(nèi)覆蓋同樣厚度的谷殼。按照覆蓋樣地的相同位置在每個(gè)未覆蓋樣地中埋置玻璃棒水銀地溫計(jì)和安放3 個(gè)6 cm 高的PVC 管作為對(duì)照。

1.3 樣地調(diào)查

1.3.1 土壤溫度觀測(cè)

從2018 年12 月1 日（厚竹林覆蓋前）起，直至2019 年3 月16 日，整個(gè)覆蓋期內(nèi)每周六中午觀測(cè)并記錄所有調(diào)查樣方0 cm 土層的溫度。

1.3.2 土壤CO2 排放速率測(cè)定

由于有谷殼層的保溫作用，土壤溫度日變化相對(duì)較小，并且土壤呼吸日動(dòng)態(tài)變化一般呈正態(tài)趨勢(shì)[16]，9:00—11:00 的土壤呼吸值可代表1 天的平均值。因此，在覆蓋期內(nèi)每周六9:00—11:00 使用土壤碳通量測(cè)定儀（Li-8100A）測(cè)定各調(diào)查樣方的土壤CO2排放速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2021 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和圖表繪制，利用SPSS 25.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線估計(jì)和皮爾遜相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋厚竹林土壤溫度和CO2 排放速率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

從圖1 看出，覆蓋期內(nèi)CO2排放速率和土壤溫度的變化規(guī)律相似，均表現(xiàn)為單峰型曲線動(dòng)態(tài)變化。土壤溫度和CO2排放速率在覆蓋后的前2周都急劇上升，第3 周達(dá)到峰值并保持較高值，4～5 周快速下降，之后緩慢下降，土壤溫度在翌年2 月底開始略有上升。土壤溫度和CO2排放速率的平均值和峰值均顯著高于對(duì)照樣地的相應(yīng)值（P＜0.05）。

圖1 厚竹林覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil temperature and carbon dioxide emissions during the cover period of Phyllostachys edulis ‘Pachyloen’ forest

2.2 覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)性

從圖2 看出，土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性在覆蓋后的前4 周不斷增強(qiáng)，第4 周相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值（0.927），之后緩慢下降，5～10 周相關(guān)系數(shù)較大；第11 周相關(guān)系數(shù)大幅下降，之后又緩慢下降直至覆蓋結(jié)束。整個(gè)覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。說明厚竹林覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率之間存在顯著相關(guān)性。

圖2 全部樣地覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放速率相關(guān)性Fig.2 Correlation between soil temperature and carbon dioxide emission rate during the cover period

2.3 CO2 排放速率對(duì)土壤溫度的響應(yīng)模型研究

分別采用指數(shù)和線性回歸模型建立土壤溫度及相關(guān)系數(shù)峰、谷值日的CO2排放速率對(duì)土壤溫度的響應(yīng)關(guān)系，并用指數(shù)和線性曲線對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3。

圖3 CO2 排放速率對(duì)土壤溫度響應(yīng)的指數(shù)和線性模型Fig.3 Exponential and linear models of carbon dioxide emission rate responding to soil temperature

指數(shù)回歸方程：RS=aebT；Q10=e10b

線性回歸方程：RS=aT+b

式中：RS為土壤CO2排放速率；T為土壤溫度；Q10為土壤CO2排放速率的溫度敏感性，即溫度每升高10℃，土壤CO2排放速率增加的倍數(shù)[17]；a、b為擬合參數(shù)。

由圖3 可知，在土壤溫度及土壤溫度與CO2排放速率相關(guān)系數(shù)峰、谷值日，CO2排放速率與土壤溫度間的指數(shù)和線性回歸關(guān)系均極顯著（P＜0.01）；土壤溫度最高和最低日及相關(guān)系數(shù)最小日均是指數(shù)回歸關(guān)系優(yōu)于線性回歸關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最大日是線性回歸關(guān)系優(yōu)于指數(shù)回歸關(guān)系；土壤溫度最低日的Q10值明顯高于土壤溫度最高日。說明CO2排放速率對(duì)土壤溫度存在顯著的指數(shù)和線性回歸響應(yīng)關(guān)系，土壤溫度對(duì)CO2排放速率的貢獻(xiàn)值隨著土壤溫度的升高而降低。

2.4 土壤溫度與CO2 排放速率相關(guān)性對(duì)土壤溫度的響應(yīng)

將覆蓋期內(nèi)全部樣地各觀測(cè)日的土壤溫度從低到高分成4 個(gè)梯度，分別計(jì)算各溫度段的土壤溫度與CO2排放速率間的相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

從圖4 看出，不同溫度段的相關(guān)系數(shù)均大于0，說明土壤溫度與CO2排放速率之間呈正相關(guān)關(guān)系，土壤溫度越高，CO2排放速率越高。但相關(guān)性隨著土壤溫度的升高而下降，當(dāng)土壤溫度低于20℃時(shí)，相關(guān)性極顯著，當(dāng)土壤溫度高于20℃時(shí)，相關(guān)性變得不顯著。

圖4 不同溫度段土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficients between soil temperature and carbon dioxide emission rate in different temperature zones

2.5 覆蓋前林地補(bǔ)水對(duì)土壤溫度與CO2 排放速率相關(guān)性的影響

由于谷殼保溫層的阻隔作用，筍用林覆蓋前林地補(bǔ)水可影響整個(gè)覆蓋期內(nèi)土壤的水分和通氣狀況，從而影響土壤的微生物活動(dòng)和呼吸作用[18-19]。從圖5 看出，覆蓋前林地補(bǔ)水量不同，土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性及變化規(guī)律有所不同。補(bǔ)水量較少（濕潤(rùn)土層10 cm 時(shí)）或較多（補(bǔ)水至濕潤(rùn)土層20 cm）時(shí)，覆蓋期內(nèi)土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)系數(shù)變化幅度大，其中補(bǔ)水量較少時(shí)，覆蓋中期相關(guān)性顯著(P＜0.05)，覆蓋前期和后期的相關(guān)性不顯著(P＞0.05)，補(bǔ)水量較多時(shí)，覆蓋前期和中期相關(guān)性顯著(P＜0.05)，覆蓋后期相關(guān)性不顯著(P＞0.05)；補(bǔ)水至濕潤(rùn)土層15 cm時(shí)，整個(gè)覆蓋期內(nèi)土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性均達(dá)到顯著程度(P＜0.05)，且變化幅度較小。說明覆蓋前林地補(bǔ)水對(duì)覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性影響顯著，較少或過多的水分都會(huì)降低土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性。

圖5 不同林地補(bǔ)水量條件下土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)系數(shù)Fig.5 Correlation coefficients between soil temperature and carbon dioxide emission rate under different water replenishment conditions

3 討 論

3.1 林地覆蓋可顯著提高覆蓋期內(nèi)的土壤溫度和CO2 排放速率

林地覆蓋的時(shí)間、材料和方式均會(huì)影響土壤溫度，從而影響植物生長(zhǎng)[20-21]。筍用林冬季覆蓋通過發(fā)熱物質(zhì)（枯餅等）分解產(chǎn)生熱能，并被保溫材料（谷殼）阻止熱量散失，從而提高土壤溫度，促進(jìn)竹筍萌發(fā)[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋厚竹林的土壤溫度在覆蓋前期和中期顯著高于未覆蓋林地，但翌年2 月底開始，未覆蓋林地的土壤溫度高于覆蓋林地。原因是覆蓋前期和中期林地中有大量枯餅分解釋放熱量，谷殼層阻止了熱量的散失，土壤溫度高；翌年2 月底氣溫開始回升，未覆蓋林地表層土壤溫度迅速升高，但覆蓋林地中的谷殼層阻止了部分大氣中的熱量滲入，而此時(shí)枯餅又已分解完畢，不再釋放熱量，所以覆蓋林地的表層土壤溫度低于未覆蓋林地。

土壤CO2排放速率受環(huán)境條件、土壤理化性質(zhì)、土壤水熱狀況、人類活動(dòng)等多種因素的影響[23,24]；覆蓋林地的CO2排放主要來源于微生物對(duì)有機(jī)物質(zhì)的分解，實(shí)施覆蓋的集約經(jīng)營(yíng)雷竹林全年的土壤呼吸明顯大于粗放經(jīng)營(yíng)雷竹林的土壤呼吸[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，厚竹林覆蓋期內(nèi)CO2排放平均速率為20.86 μmol·m-2·s-1，顯著高于未覆蓋林地，CO2排放動(dòng)態(tài)變化規(guī)律呈先升高后下降的單峰型曲線變化，與趙成政[26]、崔慧瑾[27]等研究結(jié)果一致。原因是覆蓋前期未分解枯餅量多，隨著土壤溫度的升高及微生物種群數(shù)量和活性的增加，枯餅分解速度加快，CO2排放量迅速增加；覆蓋中后期隨著未分解枯餅數(shù)量逐漸減少，微生物活動(dòng)也因底物不足而下降，致使CO2排放速率降低。另外，由于土壤微生物種群數(shù)量及活性隨土壤溫度升高而增加，但種群數(shù)量達(dá)到峰值需要有一定的累積時(shí)間，所以CO2排放速率峰值滯后于土壤溫度峰值1 周。

3.2 厚竹覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放速率之間存在顯著正相關(guān)性

土壤CO2排放是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程[28]。研究表明，增溫會(huì)提高土壤平均呼吸速率[29]；模擬變暖顯著增加土壤呼吸99.6%，而模擬變冷可顯著減少土壤呼吸43.3%[30]；可以用指數(shù)函數(shù)擬合土壤CO2排放速率對(duì)土壤溫度的響應(yīng)特征[31-33]，且土壤表層溫度與呼吸擬合最好[34]。本研究表明，厚竹筍用林整個(gè)覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，CO2排放速率對(duì)土壤溫度的響應(yīng)以指數(shù)函數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系擬合均極顯著，與宋麗[35]和彭亞敏等[36]的研究結(jié)果相似。

Q10值描述土壤呼吸對(duì)溫度的敏感性，即溫度每升高10℃，土壤呼吸增加的倍數(shù)。有研究發(fā)現(xiàn)，Q10值在高溫時(shí)較低，在低溫時(shí)較高[37]，并且在增溫狀態(tài)下Q10值與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）[38]。本研究表明，土壤溫度峰、谷值日的Q10值差異較大，土壤溫度最低日的Q10值（17.29）明顯高于土壤溫度最高日的Q10值（2.51），說明在溫度較低時(shí)CO2排放速率對(duì)土壤溫度的變化更敏感。原因是隨著溫度的升高，土壤中真菌數(shù)量增加，土壤中的有機(jī)碳被大量轉(zhuǎn)化為惰性更大的腐殖質(zhì)[39]，從而減少了呼吸底物的有效性；另外，土壤微生物呼吸還需要酶的參與[40]，溫度過高時(shí)酶活性下降，從而導(dǎo)致Q10值降低。

筍用林覆蓋期土壤CO2排放速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，從圖1 還可以看出，覆蓋期內(nèi)前期和中期土壤CO2排放速率非常高，與土壤溫度的相關(guān)性也更大，原因可能與這一時(shí)期發(fā)熱物質(zhì)的大量分解增加了CO2排放量有關(guān)。所以，在覆蓋時(shí)選用枯餅等發(fā)熱周期長(zhǎng)的發(fā)熱物質(zhì)[12]，并且在不影響竹筍萌發(fā)的前提下，適當(dāng)減少發(fā)熱物質(zhì)施用量和谷殼保溫層厚度，不但可以降低高溫期的土壤溫度，減少土壤CO2的排放[41]，還能避免對(duì)筍用林產(chǎn)生高溫脅迫[22]，實(shí)現(xiàn)高效低碳的覆蓋目標(biāo)。今后可針對(duì)不同竹種竹筍萌發(fā)的適宜溫度研究高效低碳覆蓋模式，如發(fā)熱物質(zhì)種類和施用量、保溫層材料和厚度、覆蓋期等。

3.3 土壤水熱狀況顯著影響土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)性

溫度變化可影響土壤呼吸的溫度敏感性，變溫模式明顯高于恒溫模式[42]；土壤含水量的變化可改變或者解耦土壤溫度和土壤呼吸之間的相關(guān)關(guān)系[18-19]，提高土壤含水量會(huì)降低土壤呼吸速率與土壤溫度的相關(guān)性[43]。本研究發(fā)現(xiàn)，厚竹筍用林覆蓋期內(nèi)土壤水熱狀況可顯著影響土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性。隨著土壤溫度的升高，土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性降低，當(dāng)土壤溫度超過20℃，相關(guān)性變得不顯著；覆蓋前林地澆水至濕潤(rùn)土層15 cm 時(shí)，可顯著提高覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)系數(shù)及其穩(wěn)定性，較少（澆水至濕潤(rùn)土層10 cm）或過多（澆水至濕潤(rùn)土層20 cm）的補(bǔ)水量會(huì)使覆蓋前期或后期的相關(guān)性不顯著，并且加大了相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)。

4 結(jié) 論

厚竹林筍用林覆蓋顯著提高了土壤溫度和CO2排放量，覆蓋期內(nèi)土壤溫度和CO2排放速率均呈單峰型動(dòng)態(tài)曲線變化。土壤溫度和CO2排放速率之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，CO2排放速率對(duì)土壤溫度的響應(yīng)特征呈指數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系。土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性隨著土壤溫度的升高而降低；覆蓋前較少或過多的林地補(bǔ)水量會(huì)使覆蓋前期或后期的土壤溫度與CO2排放速率相關(guān)性不顯著，并加大覆蓋期內(nèi)相關(guān)性的變化幅度。覆蓋時(shí)選用發(fā)熱周期長(zhǎng)的發(fā)熱物質(zhì)，適當(dāng)減少發(fā)熱物質(zhì)施用量和谷殼保溫層厚度，可降低土壤CO2排放量，實(shí)現(xiàn)筍用林覆蓋的高效低碳目標(biāo)。