2種城市綠地土壤呼吸與溫濕度關系

趙龍飛　李德生　張成芳　陳鑫童　趙亮玉

摘要：以天津市2種城市綠地國槐梨樹林（GL）和國槐銀杏林（GY）的土壤為研究對象，通過測定綠地生長季土壤呼吸速率，分析了土壤呼吸和土壤溫度、土壤濕度之間的關系。結果表明：（1）城市綠地土壤呼吸速率的日變化多呈現單峰型，峰值于14：00—18：00出現，而在8月和10月日動態(tài)呈現非單峰型;（2）土壤呼吸速率季節(jié)動態(tài)呈現出單峰趨勢，GY和GL分別在7月和8月達到土壤呼吸速率最大值，分別為2.26±0.19、2.46±0.27 μmol/（m2·s），2種城市綠地土壤呼吸均值均為2.51 μmol/（m2·s），但變幅不同;（3）城市綠地土壤呼吸速率與深度10 cm處土壤溫度（T10）間的關系以二次模型擬合最好，而與深度5 cm處土壤濕度（M5）間的關系以指數模型擬合最好;（4）對土壤呼吸速率和T10、M5之間的關系進行多元線性擬合，相關系數達0.70以上，表明多元線性模型能更好地解釋T10和M5對土壤呼吸的協(xié)同作用。

關鍵詞：城市綠地;土壤呼吸;土壤溫度;土壤濕度

中圖分類號： S153文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0291-04

收稿日期：2018-07-18

基金項目：國家自然科學基金（編號：41303057）;天津市應用基礎與前沿技術研究計劃（編號：14JCYBJC2300）;天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（編號：201710060049）。

作者簡介：趙龍飛（1993—），女，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事環(huán)境與城市生態(tài)研究。E-mail：lf_Cici@163.com。

通信作者：李德生，博士，教授，主要從事城市環(huán)境與城市生態(tài)教學及科研工作。E-mail：deshli@tjut.edu.cn。

土壤呼吸是大氣CO2的主要來源和土壤碳庫唯一的輸出途徑，是影響陸地生態(tài)碳循環(huán)和碳平衡乃至全球氣候變化的一個至關重要的生物學過程[1]。城市綠地（城市中各種草地、耕地、公園綠地以及林地等）作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是溫室氣體重要的源和匯。隨著城市化面積的不斷擴大，土壤碳排放越來越受到生態(tài)學家的關注[2-3]。土壤呼吸受植被類型、樹種、土壤溫濕度以及地形地貌等多種因素的影響[4-5]。前人對土壤呼吸的研究多集中在農業(yè)、高寒、森林等區(qū)域[5-6]，而對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)進行的研究較少。因此，探明統(tǒng)一氣候區(qū)內具有不同樹種的城市綠地土壤呼吸特征及其影響因素，可為預測城市綠地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳排放和不同時間尺度下城市綠地的碳源-匯功能提供有力證據，對全球氣候的變化和碳平衡研究具有重要意義。

天津市城市綠化廣泛使用的樹種為國槐（Sophora japonica Linn.），其對城市綠地土壤碳循環(huán)具有舉足輕重的作用。因此，本研究選擇2種國槐的優(yōu)勢樹種，以典型城市綠地為研究對象，利用便攜式土壤碳通量全自動分析儀（ACE）測量城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳排放量及其影響因子，分析2種城市綠地環(huán)境因子與土壤呼吸的相關關系，以期為城市景觀規(guī)劃過程中合理布局城市綠地以及更好地探索土壤碳排放量與其影響因素間的關系提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天津市西青區(qū)（117.132°～117.136°E、39.56°～39.64°N），該區(qū)氣候為暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，干濕季節(jié)分明，冬、夏季長，春、秋季短，寒暑交替明顯，全年平均氣溫為11.6 ℃，7月均溫為26 ℃，全年平均無霜期為184 d，日均氣溫>0 ℃天數的有271 d，日均氣溫大于10 ℃天數的有199 d，年均降水量為584.6 mm，年內50%的降水日和75%以上的降水量集中于夏季，植物生長季為5—10月。天津市西青區(qū)總面積是545 km2，林地面積達到120.6 km2，苗圃地面積為6.9 km2，率先建設為國家級生態(tài)區(qū)，全區(qū)綠化率高達41%。2種城市綠地概況見表1。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤呼吸的測定

選擇研究區(qū)面積均為20 m×40 m的國槐梨樹林（GL）和國槐銀杏林（GY），每個城市綠地布設3個監(jiān)測點，在第1次土壤呼吸速率測定的前1 d，將鋼圈（直徑 30 cm，高8 cm）砸入離樹干約0.5 m的土內，鋼圈砸入土內 5 cm 且與土體之間無縫隙。開始試驗前2 h將鋼圈中植物齊根剪去，待干擾平衡后，安裝便攜式土壤碳通量全自動分析儀（ACE，英國ADC生物科學有限公司生產）。在2017年5—10月上旬（植物的生長初期、中期、末期）對土壤呼吸速率進行測定，土壤日呼吸速率測定時間為08：00至次日08：00，每次測定保證24 h連續(xù)監(jiān)測，儀器每30 min測定1組數據，間隔 30 min 后自動監(jiān)測下組數據。用于分析季節(jié)變化的數據是2種綠地當日多個時間點觀測的土壤呼吸速率的平均值。

1.2.2 土壤指標的測定

在監(jiān)測土壤呼吸速率的同時，利用便攜式土壤碳通量自動分析儀（ACE）自身攜帶的溫度、濕度探頭測定深度為10 cm處土壤的溫度（T10）和5 cm處土壤的濕度（M5）。

1.3 數據處理與分析

試驗數據用Excel整理后，采用SPSS 21軟件分析土壤呼吸速率與土壤溫濕度的相關性，顯著性差異水平設定為0.05，并用Origin 9.64進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 2種城市綠地環(huán)境因子的變化

2種城市綠地的T10生長季變化趨勢基本相同，呈現出明顯的單峰趨勢;T10均于7月達到最高水平，之后逐漸下降（圖1-A）。GL和GY的T10變化范圍分別為19.9～28.5、17.2～27.5 ℃，生長季的平均T10分別為23.8、23.0 ℃，GL>GY，但兩者差異不顯著（圖1-B）。

2種城市綠地M5生長季變化趨勢差異性明顯，GY的M5在5、6、10月明顯比GL高，且GY的M5在5月和8月較高，呈現雙峰動態(tài)趨勢;而GL的M5在8月最高，之后持續(xù)下降，為單峰趨勢（圖2），GL、GY的M5變化范圍分別為19.6%～49.4%、32.6%～51.7%，M5的均值GY>GL。

2.2 2種城市綠地土壤呼吸速率特性

2.2.1 2種城市綠地土壤呼吸速率的日變化

從圖3可知，2種城市綠地土壤呼吸速率日動態(tài)變化具有明顯的季節(jié)性。天津市城市綠地土壤呼吸速率日變化主要表現為：在未受干擾月份[GL（5-7月、9月）、GY（6-10月）]，土壤呼吸速率日動態(tài)均呈單峰型，且土壤呼吸速率的最小值均出現在 02：00—11：00，最大值出現在14：00—18：00;而在8、10月，GL土壤呼吸速率動態(tài)變化較為紊亂且無明顯規(guī)律，但日間土壤呼吸速率明顯高于夜間;在溫度最低的5月，GY土壤呼吸速率在0 μmol/（m2·s）附近變化。整個生長季土壤呼吸速率日變化幅度除5月份為GL>GY外，6—10月日變化幅度均為GY>GL，且日變化幅度均表現為日間大于夜間。顯著分析顯示，GL和GY土壤呼吸速率日變化在5、7、9、10月差異顯著（P<0.05），而在6、8月差異不顯著。

2.2.2 2種城市綠地土壤呼吸速率的季節(jié)變化

2種城市綠地土壤呼吸速率季節(jié)變化呈現出單峰變化趨勢（圖4）。5月份，氣溫較低同時T10也較低，導致GL和GY植物生長緩慢且土壤中微生物活動不夠活躍，因此土壤呼吸速率較低，5月GY較高的M5也導致該點土壤呼吸速率值幾乎為零。6—7月，隨著外界氣溫的逐漸升高，土壤溫度也較大地提高，在此期間，綠地植物生長旺盛且微生物活躍，土壤中根系和微生物呼吸強烈，2種城市綠地土壤呼吸速率快速上升。GY土壤呼吸速率在7月達到最大值，為（2.26±0.19） μmol/（m2·s），而GL土壤呼吸速率最大值則出現于8月，為（2.46±0.27） μmol/（m2·s），9月土壤呼吸速率逐漸下降。2種城市綠地整個生長季土壤呼吸速率變化范圍為0.01～2.46 μmol/（m2·s），且2種城市綠地間土壤呼吸速率的季節(jié)變化差異不明顯。

2.3 土壤溫濕度對土壤呼吸的影響

為了進一步探討城市綠地土壤呼吸與土壤溫度、濕度的關系，國內外的學者利用線性方程、二次方程和指數方程的模型等多種方法擬合。本研究將T10、M5和土壤呼吸速率進行模型擬合，篩選出擬合度最佳的方程，即R2最大的曲線模型。由表2可以看出，二次曲線方程對土壤呼吸速率與T10之間關系解釋最好，但GL生長季土壤呼吸速率與T10之間的相關關系不顯著，而GY土壤呼吸速率與T10極顯著相關。指數曲線方程能更好地解釋2種城市綠地土壤呼吸速率與M5之間的關系。

土壤溫度和土壤濕度對土壤呼吸速率均有影響，尤其是在植物生長季最為明顯，為進一步探討土壤溫度和濕度對土壤呼吸速率的協(xié)同影響，對土壤呼吸速率和土壤溫度、濕度之間的關系進行多元線性擬合，結果（表3）顯示，多元線性曲線能更好地解釋土壤呼吸與土壤溫度和土壤濕度之間的關系。

2.4 2種城市綠地對土壤呼吸的影響

GL和GY生長季土壤呼吸速率具有明顯的季節(jié)性變化（圖4），呈現出單峰變化趨勢。由表4可知，5—10月GL和GY的土壤呼吸速率平均值分別為（1.51±0.20）、（1.51±0.18） μmol/（m2·s），變化范圍以及變化幅度（土壤呼吸速率最大值與最小值之差）分別為0.81～2.46 μmol/（m2·s），1.45? μmol/（m2·s）和0.01～2.26 μmol/（m2·s），2.25 μmol/（m2·s）。這表明土壤呼吸速率受到生物因子影響隨著季節(jié)的變化而變化，因此土壤呼吸速率呈現明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。此外，城市綠地中植物的凋落物數量及分解率、土壤中根系和微生物呼吸、土壤狀況均會影響土壤呼吸。

3 討論與結論

本研究中，2種城市綠地土壤呼吸速率日動態(tài)呈現出非單峰型和單峰型2種變化趨勢。土壤呼吸未受干擾時呈現出單峰型，這與陳驥等的研究結果[5]一致。在土壤溫度較低和土壤濕度出現極端現象的影響下，土壤呼吸速率動態(tài)變化較為紊亂且無明顯規(guī)律，呈現非單峰型[5，7]。本研究中，未受干擾月份的土壤呼吸峰值于14：00—18：00出現。這主要因為土壤碳排放量的日動態(tài)規(guī)律主要受到日氣溫變化影響，研究表明，土壤呼吸的日變化和氣溫、地表的溫度呈顯著相關性[8]，1 d中外界溫度在 14：00 達到最高值，但土壤呼吸的最大值有時會出現滯后現象，這主要因為此時土壤溫度并未出現與氣溫一致的高峰值，而是滯后于氣溫[9]。土壤呼吸對土壤溫度響應速度較快，因此在該時段呼吸速率出現最大值。5月土壤呼吸速率日變化幅度為GL>GY，6—10月日變化幅度總體表現為GY>GL，這可能受到綠地郁閉度和林下植被覆被率的影響，GL郁閉度較低，日間光照通過林間空隙照射到地表，導致GL日間地表土壤溫度變化幅度小，使得土壤微生物活動和根系呼吸在日間的變化幅度較低，因此土壤呼吸速率的日變化幅度較小。2種城市綠地土壤呼吸速率日變化幅度均為日間大于夜間，這是因為日間溫度較高，土壤根系呼吸和微生物活動都較活躍[10-11]。5—10月，2種城市綠地土壤呼吸速率隨季節(jié)變化均呈現出單峰的變化趨勢，其變化主要受土壤溫度和濕度的影響，這與前人的研究結果[12]一致。植物生長初期，氣溫和T10均較低，使土壤微生物活動受限，GL和GY植物生長緩慢導致土壤呼吸速率較低，且GY的M5較高導致其5月份土壤呼吸速率幾乎為零。植物生長中期，較高的氣溫與土壤溫度導致綠地植物生長旺盛和微生物活動活躍，土壤中根系和微生物呼吸強烈，2種城市綠地土壤呼吸速率快速上升，GY和GL分別在7月和8月達到呼吸速率最大值[13-14]。植物生長季2種城市綠地土壤呼吸均值相等，但整個生長季變化幅度不同。

許多研究表明，溫度是土壤呼吸速率的主要影響因素之一[15-16]，但本研究中GL土壤呼吸速率與T10無顯著相關性，而與M5顯著相關，其原因可能是生長季GL的土壤溫度不再是土壤呼吸速率的限制因素，而水分則對其影響顯著[17]。GY土壤呼吸速率與土壤溫度和濕度顯著相關，受到土壤溫度和濕度的同時影響，這與Frank等的研究結果[18]一致。通常情況下，土壤溫度和土壤濕度相互影響，并共同影響土壤呼吸強度[18-19]，尤其在植物生長季最為明顯。為更好地解釋土壤溫度和土壤水分對土壤呼吸的協(xié)同作用，對土壤呼吸速率和土壤溫度、濕度之間的關系進行多元線性擬合，相關系數達到0.70以上。這表明多元線性模型能更好地解釋土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤濕度之間的關系，也表明T10和M5是影響天津市城市綠地生長季土壤呼吸的主要環(huán)境因素。

土壤呼吸速率不僅僅是植物根系和土壤微生物生命活動的體現，還是全球生態(tài)系統(tǒng)功能上的重要過程[20]，通過對城市生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率及與之相關的環(huán)境因子的測定，能夠為全球變暖背景下氣候變化和全球碳循環(huán)研究提供科學依據。

參考文獻：

[1]Schlesinger W H，Andrews J A. Soil respiration and the global carbon cycle[J]. Biogeochemistry，2000，48（1）：7-20.

[2]郁珊珊，王 浩，王亞軍. 福州市綠地生態(tài)系統(tǒng)光合特性及土壤呼吸研究[J]. 江蘇農業(yè)科學，2016，44（6）：483-488.

[3]吳亞華，肖榮波，王 剛，等. 城市綠地土壤呼吸速率的變化特征及其影響因子[J]. 生態(tài)學報，2016，36（22）：7462-7471.

[4]閆美芳，張新時，周廣勝. 不同樹齡楊樹（Populus balsamifera）人工林的土壤呼吸空間異質性[J]. 生態(tài)學雜志，2013，32（6）：1378-1384.

[5]陳 驥，曹軍驥，魏永林，等. 青海湖北岸高寒草甸草原非生長季土壤呼吸對溫度和濕度的響應[J]. 草業(yè)學報，2014，23（6）：78-86.

[6]Liu Y，Wan K Y，Tao Y. Carbon dioxide flux from rice paddy soils in central China：effects of intermittent flooding and draining cycles[J]. PLoS ONE，2013，8（2）：1-8.

[7]陳 亮，劉子亭，韓廣軒，等. 環(huán)境因子和生物因子對黃河三角洲濱海濕地土壤呼吸的影響[J]. 應用生態(tài)學報，2016，27（6）：1795-1803.

[8]劉紹輝，方精云，清田信. 北京山地溫帶森林的土壤呼吸[J]. 植物生態(tài)學報，1998，22（2）：119-126.

[9]秦 娟，上官周平. 白榆/刺槐不同林型生長季土壤呼吸速率的變化特征[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2012，40（6）：91-98.

[10]Peng S S，Piao S L，Wang T，et al. Temperature sensitivity of soil respiration in different ecosystems in China[J]. Soil Biology and Biochemistry，2009，41（5）：1008-1014.

[11]劉紹輝，方精云. 土壤呼吸的影響因素及全球尺度下溫度的影響[J]. 生態(tài)學報，1997，17（5）：19-26.

[12]Wildung R E，Garland T R，Buschbom R L. The interdependent effects of soil temperature and water content on soil respiration rate and plant root decomposition in arid grassland soils[J]. Soil Biology & Biochemistry，1975，7（6）：373-378.

[13]Almagro M，López J，Querejeta J I，et al. Temperature dependence of soil CO2 efflux is strongly modulated by seasonal patterns of moisture availability in a Mediterranean ecosystem[J]. Soil Biology and Biochemistry，2009，41（3）：594-605.

[14]Zhang Q，Lei H M，Yang D W. Seasonal variations in soil respiration，heterotrophic respiration and autotrophic respiration of a wheat and maize rotation cropland in the North China Plain[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2013，180：34-43.

[15]Gaumont-Guay D，Black A T，Griffis T，et al. Influence of temperature and drought on seasonal and interannual variations of soil，bole and ecosystem respiration in a boreal aspen stand[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2006，140（1/2/3/4）：203-219.

[16]Khomik M，Arain A M，McCaughey J H. Temporal and spatial variability of soil respiration in a boreal mixedwood forest[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2006，140（1/2/3/4）：244-256.

[17]Oechel W C，Vourlitis G L，Hastings S J，et al. Acclimation of ecosystem CO2 exchange in the Alaskan Arctic in response to decadal climate warming[J]. Nature，2000，406（6799）：978-978.

[18]Frank A B，Liebig M A，Hanson J D. Soil carbon dioxide fluxes in northern semiarid grasslands[J]. Soil Biology & Biochemistry，2002，34（9）：1235-1241.

[19]李凌浩，王其兵，白永飛，等. 錫林河流域羊草草原群落土壤呼吸及其影響因子的研究[J]. 植物生態(tài)學報，2000，24（6）：680-686.

[20]陳全勝，李凌浩，韓興國，等. 水熱條件對錫林河流域典型草原退化群落土壤呼吸的影響[J]. 植物生態(tài)學報，2003，27（2）：202-209.