来亚男，严俊霞，李洪建

（山西大学黄土高原研究所，山西 太原 030006）

土壤呼吸（Rs）是将植物固定的CO2释放到大气的主要途径。据估计，在全球范围内，Rs每年释放的CO2量是工业释放CO2的10倍[1-2]。由于土壤巨大的呼吸量，因此，对不同生态系统的Rs研究越来越受到关注[3-5]。在土壤温度作用的驱使下，Rs具有明显的日变化特点，不同地区Rs的日变化幅度不同，主要取决于土壤温度的变化范围和幅度，这给精确估算日均Rs带来很大的困难。受仪器和劳动力的限制，目前绝大多数土壤呼吸测定很难做到24 h的连续测定，而是以不同时间的测定结果代表日土壤呼吸值。有研究表明，用白天测定的Rs代表日均Rs可能高估Rs[6]。他们认为白天12 h的Rs平均值比24 h的Rs平均值大10%。也有研究报道，可用12 h的平均值代替24 h的平均值[7]；夜间Rs的平均值比白天的小8%[8]。因为大多数Rs测定都在白天进行且不连续。因此，白天不同时段所测得的Rs的代表程度如何，是许多研究所关注的问题。

本试验对太原盆地3种土地利用方式的土壤呼吸、土壤温度进行了3次24 h的定位测定，旨在研究和比较不同土地利用方式下不同时间段的Rs日动态及其差异；分析土壤温度对Rs日变化的影响，明确估算日均Rs的最佳时间窗口。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在山西省农业科学院农业环境与资源研究所北营试验基地进行。试验所在区域海拔785m。气候为暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温9.5℃；最冷月1月平均气温-6.6℃，最热月7月平均气温23.5℃。多年平均降水量478 mm，降水年内分布极为不均，夏季降水量占全年降水量的60%、秋季23%、春季14%和冬季3%。试验田土壤均为冲积黄土，土层深厚，具有广泛的代表性。3种土地利用类型分别种植柠条、中药材和玉米。样地土壤理化性状：土壤容重1.38～1.381g/cm3；田间持水量21.7%～22.7%；有机质3.91%～3.99%；全氮0.11%；速效磷6.80～12.292 mg/kg；速效钾 23.0～277.7 mg/kg。

1.2 土壤呼吸及环境因子测定

用LI-COR 6400便携式光合作用仪连接LI-COR-09土壤气室测定Rs。3种土地利用方式Rs测定均为3个样点。首先在每个样地选取一个区域，面积约15 m2，每次测定都选定区域进行。测定样点呈三角形分布，每个样点测定1次，每次3个循环，9个数据，取其平均值作为该次测定值进行分析。测定于6月22日、8月4日和10月10日进行，6月22日共测定9次，其余2 d为11次。10 cm深度的土壤温度（T10）由系统土壤温度探针（6400-12）测定。在测定Rs的同时，将温度探针垂直插入所测土体附近10 cm深，系统将自动同步记录T10和Rs数据，用来分析Rs与T10的关系。采用传统烘干法测定0～10 cm深度的土壤水分。

1.3 数据分析

简单方差分析用于分析3个样地之间的Rs，T10和土壤水分（Ws，%）均值差异程度。日尺度土壤呼吸和温度的变异系数CV（%）用于分析同一样地内各指标的日变异程度。用指数模型（Rs=αeβT；式中，Rs为土壤呼吸，T为实测土壤温度；α，β为拟合参数）分析土壤呼吸（Rs）和土壤温度（T10）的因子关系。用偏差（deviation）来衡量各时间段Rs的平均值（Rr）与日平均Rs（Rm）的差异大小，其计算公式为deviation＝（Rr-Rm）/Rm×100%。

数据处理用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0软件，用Sigmaplot 12.5绘制图形。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸的日变化趋势

3次Rs日变化测定时的T10有比较明显的日变化特点。早晨，土壤温度较低，随气温升高，土壤温度亦逐渐升高，土壤温度的最高值出现在15：00—16：00，最低值出现在 6：00—8：00。Rs同样具有明显的日变化，3种土地利用方式Rs的日变化在3次测定时均呈单峰趋势，且不对称（图1）。在6月份，柠条地、药材地和玉米地的Rs日变化趋势比较一致，最大值均出现在12：00左右，最低值均出现在6：00左右。药材地Rs的CV最高，为25.38%，柠条地和玉米地的CV差异不大，在14%左右。在8月份，3种土地利用方式下的Rs最小值出现在晚上或者早晨温度相对较低的时候，柠条地和药材地的Rs最大值出现在 12：00—14：00，而玉米地的 Rs在21：00左右达到最大，主要由于玉米地8月3日降水之前的灌溉，测定时的土壤水分相对其他样地较高，水分过多抑制Rs，随后经过一天的水分蒸发，水分降低到抑制Rs的临界值之下，最终因为晚上温度逐渐下降，Rs也随之逐渐下降。柠条地和药材地Rs的CV比玉米地的分别高12.68%和12.10%。在10月份，3种土地利用方式下的土壤呼吸最大值均出现在 14：00—16：00，最小值均出现在 6：00，土壤呼吸速率日变化趋势比较一致。柠条地Rs的CV最低，为16.35%，药材地和玉米地Rs的CV差异不大，在23%左右。

2.2 土壤呼吸的日变化差异

3种土地利用类型的Rs日变化趋势相一致，但Rs值有所不同，3个测定日3种土地利用方式的土壤呼吸差异性检验结果如表1所示。6月份药材地的T10显著低于柠条地和玉米地的T10，而药材地的Rs却显著高于柠条地和玉米地的Rs。其原因可能是因为药材地的Ws显著高于柠条地和玉米地的Ws，柠条地和玉米地的Rs受到土壤水分干旱胁迫所致。8月份3种土地利用方式下的Rs总体差异不显著（P＞0.05），玉米地的Rs略高于柠条地和药材地的Rs。3种土地利用方式下的T10和Ws总体差异显著（P＜0.05），药材地的T10显著高于玉米地的T10，而与柠条地的T10无显著差异，玉米地的Ws显著高于药材地和柠条地的Ws。10月份Rs的日均值为玉米地＞柠条地＞药材地，其中，柠条地和玉米地的Rs显著高于药材地的Rs（P＜0.05）。3种土地利用方式下的T10相互之间无显著差异。

从3次测定的结果来看，3种不同土地利用方式下的土壤呼吸呈现先增加后减低的趋势。3个样地的Rs日均值最高值出现在8月，而柠条地和玉米地的T10的最高值出现在6月，药材地则出现在8月，柠条地、药材地和玉米地的Ws的最高值分别出现在10，6，8月，土壤呼吸的最高值并未出现在土壤温度或土壤水分最高的月份，而是出现在土壤温度和土壤水分适中的月份，表明土壤呼吸受土壤温度和土壤水分的共同影响。

表1 土壤呼吸、土壤温度及土壤水分的日变化方差分析

2.3 土壤呼吸日变化与土壤温度（T10）日变化的 关系

表2 3种土地利用方式的土壤呼吸日变化与土壤温度日变化的关系

分别用各次测定的T10为自变量、Rs为因变量拟合关系模型，结果列于表2。由表2可知，3个测定日除了8月测定的玉米地的T10与Rs相关关系显著外（P＜0.05），其余测定日3种土地利用类型的T10与Rs相关关系都不显著（P＞0.05）。分析其原因可能与土壤温度的变化滞后于土壤呼吸的日变化有关，如土壤呼吸的最大值多出现在12：00左右，而土壤温度的最大值则出现在14：00—15：00时。当考虑了温度的滞后效应后重新进行分析时，发现T10与Rs的关系方程的决定系数都有很大的提高，进一步表明了土壤温度的日变化比土壤呼吸的日变化有滞后性。

2.4 不同时间段土壤呼吸值与土壤呼吸日均值的比较

由表3可知，3个测定日柠条地和药材地的Rs日均值与 8：00—10：00（8 月除外）和 16：00—18：00这2个时间段的平均值最为接近，偏差在±10%左右；3个测定日玉米地全天各时间段的Rs平均值与日均值的偏差变异不大，6月 8：00—10：00和14：00—18：00，8 月和 10 月的 8：00—16：00 各时间段的均值都能用于估算Rs日均值，偏差在±15%以内。

表3 白天不同时段土壤呼吸的平均值与24 h土壤呼吸平均值的比值分析 %

3 结论与讨论

在温带森林或其他土地利用条件下，受气温日变化的影响，土壤呼吸常常表现出明显的日变化特点[9-10]，即使在热带地区也是如此[11]。YU等[12]研究表明，松嫩平原西部草甸草原的6个样地的土壤呼吸均具有明显的日变化特点，最低值出现在21：00—23：00 或黎明前，最高值出现在 11：00—13：00。本研究中，3种土地利用方式的土壤呼吸均有明显的日变化趋势，最低值出现在23：00或黎明前后，最高值出现在12：00—16：00。不同土地利用方式不同季节最高值和最低值出现的时间不尽相同，可能的原因是研究区不同时间土壤微生物活性和根系呼吸对温度和水分的敏感性不同所致。

一般情况下，一天之内土壤水分及土壤理化性质都不会有明显变化。因此，土壤呼吸的日变化主要受土壤温度日变化的影响[13]。本研究中，Rs随土壤温度的升高增加，但相关关系均不显著；但是去除土壤温度的滞后效应后，相关系数得到了极大的提高，表明土壤温度对Rs的影响具有滞后性，其滞后程度与土壤水分有关[14]。Rs的最高值并未出现在土壤温度或土壤水分最高的月份，而是出现在土壤温度和土壤水分适中的月份，表明土壤呼吸受土壤温度和土壤水分的共同影响[15]。

日尺度土壤呼吸值是精确估算区域累计CO2释放量的一个重要指标[16]。许多研究把在单一时间点观测的土壤呼吸当作测定当天甚至测定当周或2周的平均土壤呼吸，这种方法会高估或低估土壤呼吸[17-18]。有学者认为，9：00—11：00 的土壤呼吸值可以代表日平均值，其误差在0.9%～1.5%[19]。YU等[12]研究结果表明，松嫩平原西部草甸草原的6个样地的 7：00—9：00 和 17：00—19：00 间测定的土壤呼吸平均值能够代表24 h土壤呼吸的日平均值；DAVIDSON等[16]利用温带阔叶混交林连续2 d观测的数据研究表明，9：00—12：00测定的值能够代表日平均值[20]。本研究中，3个测定日期3种土地利用类型的 Rs日均值与 8：00—10：00 和 16：00—18：00这2个时间段的平均值最为接近，偏差在±10%左右，用该时段的值可作为日均值计算呼吸通量值。

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