马 涛, 贾志清, 周 波, 张 峰, 董彦丽, 陈天林

(1.中国林业科学研究院 荒漠化研究所, 北京 100091; 2.甘肃省水土保持科学研究所,甘肃 兰州 730020; 3.西安理工大学, 陕西 西安 710048; 4.甘肃省水利厅水土保持局, 甘肃 兰州 730000)

陆地生态系统在全球碳平衡和碳循环中起着至关重要的作用。一方面，植被通过光合作用吸收大量的碳进入陆地生态系统；另一方面，土壤中的碳通过呼吸作用又以CO2的形式释放到大气中。这两条途径是全球碳循环的重要环节。土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的第二大通量，是导致全球气候变化的关键性生态学过程[1]。每年因土壤呼吸产生的CO2约占大气中CO2总量的10%[2]。因此，土壤呼吸速率的微小变化都可能引起大气中CO2浓度的明显改变。在研究全球尺度的碳收支平衡时，土壤CO2的释放特征引起了人们极大关注。中国“十三五”规划提出推动低碳循环发展，主动控制碳排放，牢固树立绿色的生产方式和生活方式，使低碳水平上升，生态环境质量总体改善。鉴于此，对陆地生态系统土壤呼吸的研究将是今后生态学研究的重要命题。

黄土丘陵沟壑区属典型的生态脆弱区，特有的地形地貌、土壤和气候条件使该区水土流失问题突出，严重制约了区域生态经济可持续发展。20世纪90年代以来，开展的以退耕还林(草)为主的植被恢复工程遏制了当地严重的水土流失，也改变了生态系统的碳水循环。目前，在该区开展的土壤呼吸研究多以森林[3-5]和农田[6]生态系统为主，也有对坡面侵蚀程度[7]和坡位[8-9]土壤呼吸研究的报道，对草地生态系统而言主要以探寻退耕后植被恢复、演替过程中土壤呼吸变化规律[10-11]为主，对单一牧草(苜蓿)不同刈割时间处理下的土壤呼吸差异研究[12]也见有报道。

本研究拟选取兰州市小青山水土保持科技示范园5种土地利用类型，分析土壤呼吸日、季变化特征及其与温度、水分的关系，以期为揭示本区域不同立地类型C循环特征奠定基础，为当地土地利用与管理提供科学依据。

1 研究区概况

兰州市小青山水土保持科技示范园位于甘肃省兰州市，地理位置103°56′37″E，36°01′40″N，属黄土丘陵沟壑区第Ⅴ副区，地貌类型以梁状黄土丘陵为主，地势西南高，东北低，海拔1 544.5～1 847.5 m。研究区属北温带半干旱大陆性气候，年均降水量329.7 mm，蒸发量1 377.2 mm，年平均气温6.6 ℃，平均风速0.9 m/s，最大冻土深103.0 cm；土壤类型以灰钙土为主，有机质含量0.5%～1.5%，pH值为8～9，土壤容重1.1～1.4；植被属半干旱草原植被类型，天然植被稀疏，以人工植被为主，主要树种有松、柏、槐、柳、云杉、月季、牡丹、榆叶梅、紫叶李、连翘等；草种有早熟禾、黑麦草等。

2 材料与方法

选取科技示范园标准径流小区红豆草、苜蓿、撂荒地，梯田苜蓿、沙打旺共5个样地，径流小区和梯田修建于2011年，径流小区坡度35°。每个样地设置3个测量环作为重复，径流小区样地测量环按S型布置，梯田测量环随机布置，进行土壤呼吸速率测定。将PVC土壤测量环(内径20 cm)于测定前1 d打入土中6—8 cm，出露地表5—6 cm，将测量环内植被自土壤表层剪除干净，尽量做到不破坏地表原状土。测定时每个测量环分别测量2次，取平均值计为测量时间点该环的土壤呼吸速率值，3个测量环测量结果的平均值记为测量时间点测量样地的土壤呼吸速率。每个测定周期24 h，9∶00开始，次日7∶00结束。具体为：9∶00—17∶00每2 h测定1次，17∶00至次日7∶00每3 h测定1次，共计10次。季节变化测定为秋季(2014年11月)、冬季(2015年1月)、春季(2015年3月)、夏季(2015年7月)。

2.1 土壤呼吸速率测定

土壤呼吸速率采用LI-8100土壤碳通量测量系统测定，呼吸室为便携式呼吸室8 100～103。测定土壤碳通量的同时，用LI-8100自带的温度探针和土壤水分探头同步测定观测点附近土壤温度(5 cm)和土壤含水量，利用气温计同步观测地表温度。

2.2 数据统计与分析

试验数据用Excel 2007整理分析并绘图，采用SPSS 21.0完成相关性分析，检验土壤碳通量与温度、土壤含水量之间单因素和双因素的拟合程度。

3 结果与分析

3.1 土壤呼吸速率日变化

各样地土壤呼吸速率与温度日变化见图1。

图1 土壤呼吸速率与温度日变化特征

由图1可知，春、夏、秋、冬4季各样地土壤呼吸速率日变化规律基本一致，均表现为昼高夜低的单峰型曲线，与温度的变化趋势一致。自上午9∶00开始，土壤呼吸速率逐渐增大，冬季在11∶00达到最大值，春、夏、秋3季在13∶00—15∶00达到最大值，之后土壤呼吸速率逐渐减小，次日5∶00—7∶00出现最小值。可以看出，土壤呼吸速率在4季的日变化趋势基本与温度保持同步，仅在冬季呼吸速率最大值较温度提前出现。相比地表温度，土壤温度(5 cm)变化平缓、稳定。

春季各样地日均土壤呼吸速率大小排序为：沙打旺(梯田)>苜蓿(梯田)>苜蓿>红豆草>撂荒地，其值分别为1.77，1.76，1.56，1.28，0.56 μmol/(m2·s)。经多重分析，沙打旺(梯田)与苜蓿(梯田)、红豆草与苜蓿之间差异不显著(p>0.05)，其他地类两两之间差异均显著(p<0.05)。土壤呼吸速率日变幅大小依次为撂荒地>苜蓿>红豆草>苜蓿(梯田)>沙打旺(梯田)，其值分别为99.78%，44.34%，40.98%，35.02%和25.40%。

夏季日均土壤呼吸速率表现为沙打旺(梯田)最大，其值为5.34 μmol/(m2·s)；撂荒地最小，其值为1.91 μmol/(m2·s)。多重分析比较可知，苜蓿(梯田)与苜蓿之间差异不显著(p>0.05)，其他地类之间差异均显著(p<0.05)。土壤呼吸速率日变幅在55.30%～100.75%，表现为撂荒地最大，红豆草最小。

秋季各样地日均土壤呼吸速率表现为：沙打旺(梯田)>苜蓿>红豆草>苜蓿(梯田)>撂荒地，其值分别为1.38，0.87，0.83，0.51，0.36 μmol/(m2·s)。经多重分析比较，苜蓿与红豆草、撂荒地与苜蓿(梯田)之间差异不显著(p>0.05)，其他地类之间差异显著(p<0.05)。土壤呼吸速率日变幅表现为撂荒地>苜蓿(梯田)>沙打旺(梯田)>苜蓿>红豆草，其值分别为183.17%，132.13%，88.59%，81.17%和64.52%。

冬季各样地日均土壤呼吸速率在0.25～0.60 μmol/(m2·s)之间，沙打旺(梯田)最大，撂荒地最小。多重分析比较可知，沙打旺(梯田)与其他各地类之间差异均显著(p<0.05)。土壤呼吸速率日变幅在96.36%～206.48%，其中：撂荒地最大，沙打旺(梯田)最小。

3.2 土壤呼吸速率季节变化

各样地土壤呼吸速率均表现出明显的季节变化特征(图2)。夏季土壤呼吸速率最高，春季和秋季次之，冬季最低。

对比各季节土壤呼吸速率特征可知，夏季土壤呼吸速率昼夜变幅大，而春、秋、冬3季土壤呼吸速率表现稳定。各样地年均土壤呼吸速率表现为：沙打旺(梯田) 2.27 μmol/(m2·s)>红豆草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)。

图2 土壤呼吸速率季节变化特征

通过对各样地4季间多重分析比较可知(表1)，沙打旺(梯田)除春、秋两季间土壤呼吸速率差异不显著(p>0.05)外，其他季节间差异均显著(p<0.05)；苜蓿(梯田)和苜蓿地除秋、冬两季间土壤呼吸速率差异不显著(p>0.05)外，其他季节间差异均显著(p<0.05)；红豆草春、夏、秋、冬4季土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)；撂荒地夏季土壤呼吸速率与春、秋、冬3季土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)。

表1 土壤呼吸速率方差分析 μmol/(m2·s)

注：同行不同大写字母表示同一地类不同季节土壤呼吸速率差异显著；同列不同小写字母表示各季节不同地类之间土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)。

3.3 土壤呼吸速率与温度、水分的关系

3.3.1 土壤呼吸速率与温度的关系 各样地土壤呼吸速率与地表温度和土壤温度(5 cm)均呈现较好的指数关系，由图3—4可知，土壤呼吸速率与地表温度的相关系数R2在0.741 1(红豆草)～0.832 8(苜蓿)之间；土壤呼吸速率与土壤温度(5 cm)的R2范围为0.687 0(撂荒地)～0.882 4(苜蓿(梯田))。除撂荒地外，各样地土壤呼吸速率与土壤温度(5 cm)的相关度均高于其与地表温度的相关度。相关分析可知，土壤呼吸速率与地表温度和土壤温度(5 cm)的相关性均达到显著(p<0.05)。

Q10值表示土壤呼吸对温度响应的敏感程度，本研究采用土壤呼吸速率(y)与土壤温度(5 cm)(Ts)之间的指数方程，利用公式Q10=e10×β1计算土壤呼吸Q10值，其中：β1是土壤呼吸速率的温度指数曲线方程中y=β0eβ1 Ts的温度反应系数，β0为0 ℃时的土壤呼吸速率。结果显示，苜蓿(梯田)的Q10值最大(3.00)，以下依次为红豆草(2.18)、苜蓿(2.17)、撂荒地(2.02)，沙打旺(梯田)的Q10值最小，为1.94。

3.3.2 土壤呼吸速率与土壤水分的关系 将土壤呼吸速率与土壤体积含水量进行线性方程拟合(图5)，结果显示：土壤呼吸速率与土壤含水量之间的线性相关均不显著(p>0.05)，土壤含水量仅可以解释土壤呼吸速率变化的0.47%(苜蓿)～9.27%(撂荒地)。

3.3.3 土壤呼吸速率与土壤温度(5 cm)、水分的关系 选择土壤温度(5 cm)和土壤含水量作为变量，对土壤呼吸速率做多元线性回归分析(表2)。结果表明，各样地土壤呼吸速率与土壤温度(5 cm)和土壤含水量的交互作用具有很好的相关性，均达到显著水平(p<0.01)。回归模型可共同解释土壤呼吸变异的63.60%～80.60%。

图3 土壤呼吸速率与土壤温度的关系

图4 土壤呼吸速率与地表温度的关系

图5 土壤呼吸速率与土壤含水量的关系

土地类型线性回归方程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红豆草y=-0．374+0．123T+0．062W0．67400．00撂荒地y=-0．219+0．047T+0．038W0．63600．00

注：T为温度；W为土壤水分含量。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本研究结果表明，各样地土壤呼吸速率日变化均表现为昼高夜低的单峰型曲线，研究结果与陕西省安塞县混播草地土壤呼吸日变化特征[13]一致。土壤呼吸是表征土壤质量和肥力性状的重要生物学指标，4个季度中，沙打旺(梯田)日均土壤呼吸速率均最大，而撂荒地均最小。多重分析比较结果显示，沙打旺(梯田)、撂荒地基本表现为与其他各地类之间差异显著(p<0.05)，说明裸露地表在恢复植被的过程中，土壤环境质量显著提升。各样地中，改造成梯田的地类日均土壤呼吸速率总体表现为大于径流小区(坡地)的，可能与梯田的水热条件好于坡地有关，当然，种植的植物种类不同，表现亦存在差异。各样地中，撂荒地的土壤呼吸速率日变幅最大，为99.78%～206.48%，主要由于地表植物可减少到达地面的太阳辐射，缓和了地表和土壤温度的变化幅度，其土壤呼吸速率表现为相对平缓的趋势，而裸露地表缺少拦挡，环境能量直接到达地面，使得土壤呼吸速率变幅相对剧烈。

土壤呼吸具有明显的季节性变化。本研究结果显示，各样地土壤呼吸速率均表现出明显的季节变化特征，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低，与谢慧慧等[14]和齐丽彬等[15]的研究结果一致。夏季与春、秋、冬3个季节土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)，原因为夏季土壤水热条件优越，土壤生物活性高，植物处于旺盛生长阶段，促使土壤以较快的速度排放CO2，而本文研究对象是生长量相对较小的草类，因此其他3个季节之间差异较小。

温度是调节和控制许多生态学过程的关键因素，同时也是影响土壤碳通量的决定性因子之一[16]。本研究结果显示，土壤呼吸速率与地表温度和土壤温度(5 cm)的相关性均达到显著水平(p<0.05)，与土壤含水量之间线性相关不显著(p>0.05)，与许浩等[11]对宁夏彭阳退耕苜蓿、农田和天然草地的研究结果一致。本研究中，各样地土壤温度(5 cm)Q10值在1.94～3.00之间，与陈吉等[13]的研究结果基本相同，在陆地生态系统Q10值(1.3～5.6)[17]范围内。

土壤温度和水分不仅单独对土壤呼吸起作用，通常在自然环境中，土壤呼吸往往受二者共同作用。本研究结果显示，土壤呼吸速率与土壤温度(5 cm)和土壤含水量的交互作用显著相关(p<0.01)，与李学章等[18]和齐丽彬等[15]的研究结果一致。

4.2 结 论

(1) 各样地土壤呼吸速率日变化均表现为昼高夜低的单峰型曲线，与温度的变化趋势一致。冬季在11∶00达到最大值，春、夏、秋3季在13∶00—15∶00达到最大值，5∶00—7∶00出现最小值。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) 各样地土壤呼吸速率均表现出明显的季节变化特征，夏季最高，春季和秋季次之，冬季最低，夏季土壤呼吸速率为冬季的7.75～15.94倍。夏季与春、秋、冬3季土壤呼吸速率差异显著(p<0.05)。

(3) 土壤呼吸速率与地表温度和土壤温度(5 cm)的相关性均达到显著水平(p<0.05)。除撂荒地外，各样地土壤呼吸速率与土壤温度(5 cm)的相关度均高于其与地表温度的相关度。各样地土壤温度(5 cm)Q10值介于1.94～3.00。

(4) 土壤呼吸速率与土壤含水量之间线性相关不显著(p>0.05)。其与土壤温度(5 cm)和土壤含水量的交互作用显著相关(p<0.01)。回归模型解释土壤呼吸变异的63.60%～80.60%。

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