常 明，周 游，余 韵，夏战鹰，廖超林

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

人类活动等导致大气中的CO2浓度升高[1]，其中土地利用的改变和土地管理措施是影响温室气体排放的重要因素[2-4]。据Houghton等[5]研究，在1850～1990年间，由于土地利用变化造成的全球CO2排放约为1.24×1011t。土壤对大气中温室气体浓度的增加同样也起着重要作用，据估计大气中每年净释放量中有5%～20%的CO2来源于土壤及土地利用方式的改变等过程[6]。城市化是人类社会发展的必然趋势和现代市场经济发展的客观要求。城郊农用土壤作为城市生态系统的重要组成部分，也是城镇居民生存与发展的物质基础[7]。城市在扩张的同时，也引起了城郊土地利用类型的变更，相应的导致了土壤性质的改变。土壤温室气体排放受土壤理化性状的影响，包括土壤有机碳含量、土壤质地、土壤温度、湿度以及pH值等[8]。本研究选择位于长沙城郊的湖南农业大学实习基地——耘园及其附近等地作为典型研究区，选择基本农田及其变更为旱地、林地、草地和荒地的土地作为观测点，通过碱吸收测定法研究了不同土地利用途径变更条件下土壤CO2通量的变化特征，对于研究土地利用性质变更条件下土壤CO2通量及其动态变化具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于长沙市东郊湖南农业大学试验基地—耘园及附近，属河流冲积性地貌，为亚热带季风湿润气候，年平均气温17.2℃，年积温为5457℃，年均降水量1361.6 mm，土壤类型为红底河潮土，呈弱酸性。

1.2 研究方法

分别选择荒地、草地、菜地、水田、林地5种主要利用类型的土地做观测实验，CO2通量测定方法采用碱吸收田间容量法测定[9-10]。试验观测在2010年4月至2011年3月进行，根据作物生产规律及天气状况确定每月测定天数。每次测定在上午8∶00～10∶00进行测定，根据滴定所消耗的总碱液量，计算平均CO2释放量。每块样地选取有代表性样点2个，每点重复测定3次。为研究土壤CO2释放量和有关环境因子的关系，在观测点同步测定地温、土壤含水量。用曲管地温表测定地表5 cm处地温，烘干法测定土壤5 cm处的自然含水量。

2 结果与分析

2.1 土壤表面CO2通量季节变化特征

图1为长沙东郊不同植被类型土壤表面CO2通量变化曲线图。可以看出，不同土地利用类型的土壤CO2通量表现不同。整体上，以水田CO2通量最高，以林地最低；不同植被类型土壤CO2通量变化趋势大致一致，均以2月份最低，荒地、草地、水田、菜地和林地分别为 32.22、15.96、30.66、13.77、21.15 mg/m2·h。最大值均出现在气温最高的8月，分别为127.98、280.32、425.52、317.67、196.70 mg/m2·h，最高的为水田。本研究中5种土地利用方式土壤CO2排放通量的变化范围在13.77～425.52 mg/m2·h之间，这些结果基本都在Raich等[11]所报道的温带土壤CO2排放通量的范围内（21～506 mg/m2·h）。就同一植被类型土壤来说，从2010年4月到2011年2月，水田CO2通量在4月有所变化，但变化不大，4月24日突变升高，可能与天气晴朗，温度升高较快有关。从4月27日到8月3日，CO2通量由106.88 mg/m2·h 升高到 425.52 mg/m2·h。8 月 20 日，由于降雨降温的作用，CO2通量降为 220.21 mg/m2·h，之后逐渐升高。到9月16日，CO2通量由313.72 mg/m2·h转折下降，这一变化趋势可能与晚稻成熟、收割和农闲及气温下降有关。菜地土壤CO2通量变化最无规律，这可能与除受土壤水分和土壤温度等影响外，还与菜地复耕指数高，受环境因素影响较大相关。

图1 长沙东郊不同土地利用类型土壤CO2通量排放季节变化

2.2 与其他观测法观测结果比较

与已报道的利用箱室法研究的结果比较（表1），由于各观测点所处的地理位置、土壤母质和土壤理化特性的差异，各稻田监测点的土壤呼吸并不完全相同，但其土壤呼吸速率和年排放量有较好的一致性，处在一定的变化范围内。如邹建文等研究表明，水稻生长期稻田土壤CO2平均排放速率为（198.3±34.0）mg/m2·h；谢艳兵等对辽河下游稻田休闲期的土壤呼吸通量测定结果为10～200 mg/m2·h；朱咏莉等观测结果表明，晚稻生长期稻田土壤呼吸平均为 285.4 mg/m2·h；任秀娥等采用涡度相关法对桃源生态站多年水田观测结果表明，稻田土壤呼吸平均为178.5～259.9 mg/m2·h。与箱室法观测结果对比，碱吸收法有较好的一致性，利用碱吸收法对土壤观测结果得到的关系模式可以估算长沙东郊土壤呼吸。

2.3 土壤表层CO2通量与大气温度的关系

温度对土壤CO2排放的影响是通过多种途径起作用的，如可以提高作物根系的呼吸，加速土壤中有机质的分解和提高微生物活性等，从而促进CO2的释放。经过分析发现，CO2排放通量与大气温度（图2）、土壤5 cm深处温度（图3）呈正相关，其中以土壤5 cm处温度与CO2排放通量的相关性最好，其拟合方程分别为水田y=16.621 e0.1089x，荒地y=14.906 e0.0645x，草地 y=6.5566 e0.115x，菜地 y=5.3598 e0.119x，林地 y=10.114 e0.0911x。研究表明，土壤 5 cm温度至少可以解释CO2排放通量变化的60%以上。此外，如图2、图3所示，在温度较低的情况下CO2排放通量的散点集中在拟合曲线附近，而温度较高的时候，点就散开了，这一现象表明温度较低的情况下土壤呼吸受温度变化的影响较显著，而温度较高的情况下，其他因素的影响就更为突出，李凌浩等[16]也有报道类似的研究结果。

Q10表示温度升高10℃时CO2排放通量的变化速率，它被认为是表达CO2排放通量与温度之间关系较好的参数。多数研究者采用Q10值反映CO2排放通量对温度的敏感性。利用CO2排放通量与5 cm处土温的幂函数方程计算得到4种土壤的Q10值分别是：水田 2.97，荒地 1.91，草地 3.16，菜地3.29，林地2.49。该结果表明菜地对温度的敏感性最高，而荒地最低。Raich等[17]报道了各种生态系统中Q10变化在1.3～3.3之间，平均为2.4。本研究所获得的Q10值恰好在此范围内。

2.4 土壤表层CO2通量与土壤含水率的关系

影响土壤CO2排放速率变化的主导因子可以是温度也可以是土壤湿度，这主要取决于哪一个因子是限制性环境因子。Sorensen等[18]认为，土壤的干湿循环会增加土壤有机碳和氮的矿化作用；研究发现土壤湿度存在一个阈值，在阈值之下，土壤CO2排放速率随土壤湿度的增加而增大，超过这个阈值，土壤CO2排放速率随土壤湿度的增加而减小。因为土壤水分是植物生长和土壤微生物活动的必要营养成分，在一定范围内土壤水分含量增加能使这两个过程加强，另一方面，土壤湿度过大时，会造成土壤通透性降低，从而抑制土壤CO2排放。试验观测发现（图4），长沙东郊不同植被类型土壤CO2通量与土壤湿度呈较好的正相关关系，其拟合方程分别为荒地 y=4.5176 x-6.4774，R2=0.5523*，草地y=11.321 x-76.033，R2=0.5674*，菜地 y=15.435 x-149.23，R2=0.6992*，林地 y=5.5380 x-44.421，R2=0.7025*，土壤呼吸速率与土壤湿度呈显著二次曲线相关，土壤含水率小于35.8%时，土壤呼吸与土壤湿度呈正相关，但当土壤含水率超过35.8%这个阈值时，土壤湿度就成了土壤呼吸的抑制因子。

图2 土壤表层CO2通量与大气温度的关系

图3 土壤表层CO2通量与5 cm土壤温度的关系

图4 土壤表层CO2通量与土壤含水率的关系

3 结 论

（1）不同土地利用类型土壤CO2通量表现不同。整体上，以水田CO2通量最高，以林地最低；不同植被类型土壤CO2通量变化趋势大致一致，均以2月份最低，最大值均出现在气温最高的8月，最高的为水田。

（2）CO2排放通量与大气温度及土壤5 cm深处温度呈正相关，其中以土壤5 cm处温度与CO2排放通量的相关性最好。利用CO2排放通量与5 cm处土温的幂函数方程计算得到5种土壤的Q10值分别是：水田 2.97，荒地 1.91，草地 3.16，菜地3.29，林地2.49。该结果表明菜地对温度的敏感性最高，而荒地最低。

（3）长沙东郊不同植被类型土壤CO2通量与土壤湿度呈显著的二次曲线相关。

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