黃土丘陵區(qū)不同土地利用類(lèi)型土壤呼吸及其與溫度和水分的關(guān)系

馬 濤, 賈志清, 周 波, 張 峰, 董彥麗, 陳天林

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京 100091; 2.甘肅省水土保持科學(xué)研究所,甘肅 蘭州 730020; 3.西安理工大學(xué), 陜西 西安 710048; 4.甘肅省水利廳水土保持局, 甘肅 蘭州 730000)

陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳平衡和碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用。一方面，植被通過(guò)光合作用吸收大量的碳進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)；另一方面，土壤中的碳通過(guò)呼吸作用又以CO2的形式釋放到大氣中。這兩條途徑是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。土壤呼吸作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的第二大通量，是導(dǎo)致全球氣候變化的關(guān)鍵性生態(tài)學(xué)過(guò)程[1]。每年因土壤呼吸產(chǎn)生的CO2約占大氣中CO2總量的10%[2]。因此，土壤呼吸速率的微小變化都可能引起大氣中CO2濃度的明顯改變。在研究全球尺度的碳收支平衡時(shí)，土壤CO2的釋放特征引起了人們極大關(guān)注。中國(guó)“十三五”規(guī)劃提出推動(dòng)低碳循環(huán)發(fā)展，主動(dòng)控制碳排放，牢固樹(shù)立綠色的生產(chǎn)方式和生活方式，使低碳水平上升，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善。鑒于此，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究將是今后生態(tài)學(xué)研究的重要命題。

黃土丘陵溝壑區(qū)屬典型的生態(tài)脆弱區(qū)，特有的地形地貌、土壤和氣候條件使該區(qū)水土流失問(wèn)題突出，嚴(yán)重制約了區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來(lái)，開(kāi)展的以退耕還林(草)為主的植被恢復(fù)工程遏制了當(dāng)?shù)貒?yán)重的水土流失，也改變了生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)。目前，在該區(qū)開(kāi)展的土壤呼吸研究多以森林[3-5]和農(nóng)田[6]生態(tài)系統(tǒng)為主，也有對(duì)坡面侵蝕程度[7]和坡位[8-9]土壤呼吸研究的報(bào)道，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)而言主要以探尋退耕后植被恢復(fù)、演替過(guò)程中土壤呼吸變化規(guī)律[10-11]為主，對(duì)單一牧草(苜蓿)不同刈割時(shí)間處理下的土壤呼吸差異研究[12]也見(jiàn)有報(bào)道。

本研究擬選取蘭州市小青山水土保持科技示范園5種土地利用類(lèi)型，分析土壤呼吸日、季變化特征及其與溫度、水分的關(guān)系，以期為揭示本區(qū)域不同立地類(lèi)型C循環(huán)特征奠定基礎(chǔ)，為當(dāng)?shù)赝恋乩门c管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

蘭州市小青山水土保持科技示范園位于甘肅省蘭州市，地理位置103°56′37″E，36°01′40″N，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)，地貌類(lèi)型以梁狀黃土丘陵為主，地勢(shì)西南高，東北低，海拔1 544.5～1 847.5 m。研究區(qū)屬北溫帶半干旱大陸性氣候，年均降水量329.7 mm，蒸發(fā)量1 377.2 mm，年平均氣溫6.6 ℃，平均風(fēng)速0.9 m/s，最大凍土深103.0 cm；土壤類(lèi)型以灰鈣土為主，有機(jī)質(zhì)含量0.5%～1.5%，pH值為8～9，土壤容重1.1～1.4；植被屬半干旱草原植被類(lèi)型，天然植被稀疏，以人工植被為主，主要樹(shù)種有松、柏、槐、柳、云杉、月季、牡丹、榆葉梅、紫葉李、連翹等；草種有早熟禾、黑麥草等。

2 材料與方法

選取科技示范園標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)紅豆草、苜蓿、撂荒地，梯田苜蓿、沙打旺共5個(gè)樣地，徑流小區(qū)和梯田修建于2011年，徑流小區(qū)坡度35°。每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)測(cè)量環(huán)作為重復(fù)，徑流小區(qū)樣地測(cè)量環(huán)按S型布置，梯田測(cè)量環(huán)隨機(jī)布置，進(jìn)行土壤呼吸速率測(cè)定。將PVC土壤測(cè)量環(huán)(內(nèi)徑20 cm)于測(cè)定前1 d打入土中6—8 cm，出露地表5—6 cm，將測(cè)量環(huán)內(nèi)植被自土壤表層剪除干凈，盡量做到不破壞地表原狀土。測(cè)定時(shí)每個(gè)測(cè)量環(huán)分別測(cè)量2次，取平均值計(jì)為測(cè)量時(shí)間點(diǎn)該環(huán)的土壤呼吸速率值，3個(gè)測(cè)量環(huán)測(cè)量結(jié)果的平均值記為測(cè)量時(shí)間點(diǎn)測(cè)量樣地的土壤呼吸速率。每個(gè)測(cè)定周期24 h，9∶00開(kāi)始，次日7∶00結(jié)束。具體為：9∶00—17∶00每2 h測(cè)定1次，17∶00至次日7∶00每3 h測(cè)定1次，共計(jì)10次。季節(jié)變化測(cè)定為秋季(2014年11月)、冬季(2015年1月)、春季(2015年3月)、夏季(2015年7月)。

2.1 土壤呼吸速率測(cè)定

土壤呼吸速率采用LI-8100土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定，呼吸室為便攜式呼吸室8 100～103。測(cè)定土壤碳通量的同時(shí)，用LI-8100自帶的溫度探針和土壤水分探頭同步測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)附近土壤溫度(5 cm)和土壤含水量，利用氣溫計(jì)同步觀測(cè)地表溫度。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007整理分析并繪圖，采用SPSS 21.0完成相關(guān)性分析，檢驗(yàn)土壤碳通量與溫度、土壤含水量之間單因素和雙因素的擬合程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤呼吸速率日變化

各樣地土壤呼吸速率與溫度日變化見(jiàn)圖1。

圖1 土壤呼吸速率與溫度日變化特征

由圖1可知，春、夏、秋、冬4季各樣地土壤呼吸速率日變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為晝高夜低的單峰型曲線，與溫度的變化趨勢(shì)一致。自上午9∶00開(kāi)始，土壤呼吸速率逐漸增大，冬季在11∶00達(dá)到最大值，春、夏、秋3季在13∶00—15∶00達(dá)到最大值，之后土壤呼吸速率逐漸減小，次日5∶00—7∶00出現(xiàn)最小值?？梢钥闯?，土壤呼吸速率在4季的日變化趨勢(shì)基本與溫度保持同步，僅在冬季呼吸速率最大值較溫度提前出現(xiàn)。相比地表溫度，土壤溫度(5 cm)變化平緩、穩(wěn)定。

春季各樣地日均土壤呼吸速率大小排序?yàn)椋荷炒蛲?梯田)>苜蓿(梯田)>苜蓿>紅豆草>撂荒地，其值分別為1.77，1.76，1.56，1.28，0.56 μmol/(m2·s)。經(jīng)多重分析，沙打旺(梯田)與苜蓿(梯田)、紅豆草與苜蓿之間差異不顯著(p>0.05)，其他地類(lèi)兩兩之間差異均顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅大小依次為撂荒地>苜蓿>紅豆草>苜蓿(梯田)>沙打旺(梯田)，其值分別為99.78%，44.34%，40.98%，35.02%和25.40%。

夏季日均土壤呼吸速率表現(xiàn)為沙打旺(梯田)最大，其值為5.34 μmol/(m2·s)；撂荒地最小，其值為1.91 μmol/(m2·s)。多重分析比較可知，苜蓿(梯田)與苜蓿之間差異不顯著(p>0.05)，其他地類(lèi)之間差異均顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅在55.30%～100.75%，表現(xiàn)為撂荒地最大，紅豆草最小。

秋季各樣地日均土壤呼吸速率表現(xiàn)為：沙打旺(梯田)>苜蓿>紅豆草>苜蓿(梯田)>撂荒地，其值分別為1.38，0.87，0.83，0.51，0.36 μmol/(m2·s)。經(jīng)多重分析比較，苜蓿與紅豆草、撂荒地與苜蓿(梯田)之間差異不顯著(p>0.05)，其他地類(lèi)之間差異顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅表現(xiàn)為撂荒地>苜蓿(梯田)>沙打旺(梯田)>苜蓿>紅豆草，其值分別為183.17%，132.13%，88.59%，81.17%和64.52%。

冬季各樣地日均土壤呼吸速率在0.25～0.60 μmol/(m2·s)之間，沙打旺(梯田)最大，撂荒地最小。多重分析比較可知，沙打旺(梯田)與其他各地類(lèi)之間差異均顯著(p<0.05)。土壤呼吸速率日變幅在96.36%～206.48%，其中：撂荒地最大，沙打旺(梯田)最小。

3.2 土壤呼吸速率季節(jié)變化

各樣地土壤呼吸速率均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征(圖2)。夏季土壤呼吸速率最高，春季和秋季次之，冬季最低。

對(duì)比各季節(jié)土壤呼吸速率特征可知，夏季土壤呼吸速率晝夜變幅大，而春、秋、冬3季土壤呼吸速率表現(xiàn)穩(wěn)定。各樣地年均土壤呼吸速率表現(xiàn)為：沙打旺(梯田) 2.27 μmol/(m2·s)>紅豆草1.79 μmol/(m2·s)>苜蓿1.77 μmol/(m2·s)>苜蓿(梯田)1.62 μmol/(m2·s)>撂荒地0.77 μmol/(m2·s)。

圖2 土壤呼吸速率季節(jié)變化特征

通過(guò)對(duì)各樣地4季間多重分析比較可知(表1)，沙打旺(梯田)除春、秋兩季間土壤呼吸速率差異不顯著(p>0.05)外，其他季節(jié)間差異均顯著(p<0.05)；苜蓿(梯田)和苜蓿地除秋、冬兩季間土壤呼吸速率差異不顯著(p>0.05)外，其他季節(jié)間差異均顯著(p<0.05)；紅豆草春、夏、秋、冬4季土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)；撂荒地夏季土壤呼吸速率與春、秋、冬3季土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)。

表1 土壤呼吸速率方差分析 μmol/(m2·s)

注：同行不同大寫(xiě)字母表示同一地類(lèi)不同季節(jié)土壤呼吸速率差異顯著；同列不同小寫(xiě)字母表示各季節(jié)不同地類(lèi)之間土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)。

3.3 土壤呼吸速率與溫度、水分的關(guān)系

3.3.1 土壤呼吸速率與溫度的關(guān)系 各樣地土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)均呈現(xiàn)較好的指數(shù)關(guān)系，由圖3—4可知，土壤呼吸速率與地表溫度的相關(guān)系數(shù)R2在0.741 1(紅豆草)～0.832 8(苜蓿)之間；土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)的R2范圍為0.687 0(撂荒地)～0.882 4(苜蓿(梯田))。除撂荒地外，各樣地土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)的相關(guān)度均高于其與地表溫度的相關(guān)度。相關(guān)分析可知，土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著(p<0.05)。

Q10值表示土壤呼吸對(duì)溫度響應(yīng)的敏感程度，本研究采用土壤呼吸速率(y)與土壤溫度(5 cm)(Ts)之間的指數(shù)方程，利用公式Q10=e10×β1計(jì)算土壤呼吸Q10值，其中：β1是土壤呼吸速率的溫度指數(shù)曲線方程中y=β0eβ1 Ts的溫度反應(yīng)系數(shù)，β0為0 ℃時(shí)的土壤呼吸速率。結(jié)果顯示，苜蓿(梯田)的Q10值最大(3.00)，以下依次為紅豆草(2.18)、苜蓿(2.17)、撂荒地(2.02)，沙打旺(梯田)的Q10值最小，為1.94。

3.3.2 土壤呼吸速率與土壤水分的關(guān)系 將土壤呼吸速率與土壤體積含水量進(jìn)行線性方程擬合(圖5)，結(jié)果顯示：土壤呼吸速率與土壤含水量之間的線性相關(guān)均不顯著(p>0.05)，土壤含水量?jī)H可以解釋土壤呼吸速率變化的0.47%(苜蓿)～9.27%(撂荒地)。

3.3.3 土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)、水分的關(guān)系 選擇土壤溫度(5 cm)和土壤含水量作為變量，對(duì)土壤呼吸速率做多元線性回歸分析(表2)。結(jié)果表明，各樣地土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)和土壤含水量的交互作用具有很好的相關(guān)性，均達(dá)到顯著水平(p<0.01)?；貧w模型可共同解釋土壤呼吸變異的63.60%～80.60%。

圖3 土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系

圖4 土壤呼吸速率與地表溫度的關(guān)系

圖5 土壤呼吸速率與土壤含水量的關(guān)系

土地類(lèi)型線性回歸方程R2P沙打旺(梯田)y=-0．109+0．147T+0．068W0．71700．00苜蓿(梯田)y=0．070+0．128T+0．017W0．80600．00苜蓿y=0．108+0．119T+0．023W0．68300．00紅豆草y=-0．374+0．123T+0．062W0．67400．00撂荒地y=-0．219+0．047T+0．038W0．63600．00

注：T為溫度；W為土壤水分含量。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本研究結(jié)果表明，各樣地土壤呼吸速率日變化均表現(xiàn)為晝高夜低的單峰型曲線，研究結(jié)果與陜西省安塞縣混播草地土壤呼吸日變化特征[13]一致。土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量和肥力性狀的重要生物學(xué)指標(biāo)，4個(gè)季度中，沙打旺(梯田)日均土壤呼吸速率均最大，而撂荒地均最小。多重分析比較結(jié)果顯示，沙打旺(梯田)、撂荒地基本表現(xiàn)為與其他各地類(lèi)之間差異顯著(p<0.05)，說(shuō)明裸露地表在恢復(fù)植被的過(guò)程中，土壤環(huán)境質(zhì)量顯著提升。各樣地中，改造成梯田的地類(lèi)日均土壤呼吸速率總體表現(xiàn)為大于徑流小區(qū)(坡地)的，可能與梯田的水熱條件好于坡地有關(guān)，當(dāng)然，種植的植物種類(lèi)不同，表現(xiàn)亦存在差異。各樣地中，撂荒地的土壤呼吸速率日變幅最大，為99.78%～206.48%，主要由于地表植物可減少到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，緩和了地表和土壤溫度的變化幅度，其土壤呼吸速率表現(xiàn)為相對(duì)平緩的趨勢(shì)，而裸露地表缺少攔擋，環(huán)境能量直接到達(dá)地面，使得土壤呼吸速率變幅相對(duì)劇烈。

土壤呼吸具有明顯的季節(jié)性變化。本研究結(jié)果顯示，各樣地土壤呼吸速率均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低，與謝慧慧等[14]和齊麗彬等[15]的研究結(jié)果一致。夏季與春、秋、冬3個(gè)季節(jié)土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)，原因?yàn)橄募就寥浪疅釛l件優(yōu)越，土壤生物活性高，植物處于旺盛生長(zhǎng)階段，促使土壤以較快的速度排放CO2，而本文研究對(duì)象是生長(zhǎng)量相對(duì)較小的草類(lèi)，因此其他3個(gè)季節(jié)之間差異較小。

溫度是調(diào)節(jié)和控制許多生態(tài)學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是影響土壤碳通量的決定性因子之一[16]。本研究結(jié)果顯示，土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(p<0.05)，與土壤含水量之間線性相關(guān)不顯著(p>0.05)，與許浩等[11]對(duì)寧夏彭陽(yáng)退耕苜蓿、農(nóng)田和天然草地的研究結(jié)果一致。本研究中，各樣地土壤溫度(5 cm)Q10值在1.94～3.00之間，與陳吉等[13]的研究結(jié)果基本相同，在陸地生態(tài)系統(tǒng)Q10值(1.3～5.6)[17]范圍內(nèi)。

土壤溫度和水分不僅單獨(dú)對(duì)土壤呼吸起作用，通常在自然環(huán)境中，土壤呼吸往往受二者共同作用。本研究結(jié)果顯示，土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)和土壤含水量的交互作用顯著相關(guān)(p<0.01)，與李學(xué)章等[18]和齊麗彬等[15]的研究結(jié)果一致。

4.2 結(jié) 論

(1) 各樣地土壤呼吸速率日變化均表現(xiàn)為晝高夜低的單峰型曲線，與溫度的變化趨勢(shì)一致。冬季在11∶00達(dá)到最大值，春、夏、秋3季在13∶00—15∶00達(dá)到最大值，5∶00—7∶00出現(xiàn)最小值。沙打旺(梯田)年均土壤呼吸速率最大2.27 μmol/(m2·s)，是最小值撂荒地的2.95倍。

(2) 各樣地土壤呼吸速率均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低，夏季土壤呼吸速率為冬季的7.75～15.94倍。夏季與春、秋、冬3季土壤呼吸速率差異顯著(p<0.05)。

(3) 土壤呼吸速率與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(p<0.05)。除撂荒地外，各樣地土壤呼吸速率與土壤溫度(5 cm)的相關(guān)度均高于其與地表溫度的相關(guān)度。各樣地土壤溫度(5 cm)Q10值介于1.94～3.00。

(4) 土壤呼吸速率與土壤含水量之間線性相關(guān)不顯著(p>0.05)。其與土壤溫度(5 cm)和土壤含水量的交互作用顯著相關(guān)(p<0.01)?；貧w模型解釋土壤呼吸變異的63.60%～80.60%。

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