不同土地利用方式下的土壤CO2排放研究

陳麗明

摘 要：利用Li-8100測定福州市大學城周邊地區不同土地利用方式下的土壤CO2通量，同時測定其土壤理化性質，利用SPSS 17.0軟件對數據進行統計分析。結果表明：不同土地利用方式下，土壤CO2的排放量存在差異，土壤呼吸的日差較小，不同土地利用方式中土壤呼吸速率的均值大小為：草坪（7.696μmol·m-2·s-1）>苗圃（4.419μmol·m-2·s-1）>甘蔗園（3.842μmol·m-2·s-1）>果園（3.185μmol·m-2·s-1）；草坪的呼吸速率與其他三者的差異較大，說明不同的土地利用方式對土壤呼吸速率有較大的影響；影響土壤呼吸的主要因子因土地利用方式的不同而有所差異。

關鍵詞：土地利用方式；土壤CO2排放；福州市大學城

中圖分類號 S154.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）22-34-04

當前，全球氣候變暖及其帶來的影響已經成為科學界和公眾關注的熱點問題，嚴重威脅著全球生態系統和人類自身的生存與發展。全球陸地以有機質形態貯存于土壤中的碳約有1.5×109g，約是全球大氣碳庫的2倍和陸地植被總碳貯量的3倍[1-3]。土壤自養微生物同化CO2的速率一般遠低于土壤排放CO2的速率，土壤CO2通量表現為土壤向大氣釋放CO2的過程，這一過程主要是土壤微生物氧化有機物和根系呼吸產生，另有極少一部分來自土壤動物的呼吸和化學氧化[4]。通過土壤呼吸作用向大氣釋放的CO2量約（68±4）×1015gC/a[5]，約占全球CO2交換量的25%[6-7]，因此，土壤呼吸作用的微小變化將可能引起大氣CO2濃度的明顯改變，進而進一步影響全球氣候的變化。其中土地利用變化引起的陸地生態系統類型轉變對于全球碳循環有重要作用[8]，而土地利用方式是影響土壤CO2排放的重要因素之一，根據Houghton的估算[9]，全世界在1850-2000年間，由于土地利用變化而導致的CO2釋放總量約為156 Pg（以c計算，1Pg=1 015g）。從全球范圍來看，對土壤呼吸的研究雖然已經涉及到農田、草原、森林、濕地、凍原等生態系統[5，7，10-12]，目前土壤CO2排放方面的研究，大多都是對特定植被類型覆蓋下的土壤（例如，森林、草地、沼澤濕地）單獨進行研究，已經發現土壤CO2排放速率與土壤溫度、土壤水分、微生物的分解、植物生理活動等條件密切相關[11，13-15]。對同一地區不同土地利用方式下的CO2排放也有少量的進行對比研究，周志田[10]等對亞熱帶紅壤丘陵區不同土地利用方式下土壤CO2排放規律初探，楊智杰[16]等對中亞熱帶山區不同土地利用方式土壤呼吸的日動態變化，研究都表明土壤溫度、水分與CO2排放速率存在著密切的關系[10，13]。

隨著城市化進程在全球范圍內迅速發展，城市作為區域系統的核心，其土地利用方式對整個區域有著導向性作用，土地利用方式的改變必將改變土壤CO2排放速率[17]。不同的土地利用方式改變了植被覆蓋和土壤性質，將影響土壤呼吸作用的強度，是目前碳預算不確定性的一個重要原因[1]。而在城市化進程的背景下研究土壤呼吸變化的相對較少，因此，研究城市土壤變化及其與環境的影響關系，保證城市的可持續發展，就顯得十分重要。為此，本研究選取福州市大學城地區典型的旱地（甘蔗園）、草坪、果園、苗圃，測定其土壤CO2排放量及相應的土壤理化性質，借助SPSS軟件，對比分析不同土地利用方式下土壤CO2排放量，探討各因子對土壤呼吸速率的影響，旨在為相關決策部門，特別是環境部門和國土部門提供基礎數據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況 試驗地位于福州市閩侯縣的福州大學城周邊地區。閩侯縣介于北緯25°47′～26°37′，東經118°51′～119°25′，屬亞熱帶海洋性季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，年降水量1 200～2 100mm，年平均氣溫19.5℃，日照充足，多年平均日照時數為1 959h[18]。閩侯土壤分為6個土類、17個亞類、37個土屬、45個土種。全縣紅壤面積9.61萬hm2，是占全縣土地面積最大、分布最廣的土壤[18]。在大學城周邊地區，選擇4種不同的土地利用方式，分別為旱地（甘蔗園）、草坪、果園、苗圃進行研究。旱地主要是種植食用甘蔗即竹蔗（Saccharum sinense），草坪地主要種植馬尼拉草坪（Zoysia matrella），果園主要種植龍眼（Dimocarpus longan Lour），苗圃主要栽培鵝掌柴（Schefflera octophylla）、紅花繼木（Loropetalum chinense）、紅背桂花（Excoecaria cochinchinensis Lour）等。土壤采樣時間為2009年7月份，土壤樣品自然風干，過2mm篩。采樣點的基本信息及其土壤的理化性質見表1。

表1 采樣點的基本信息及其土壤理化性質

[采樣點＼&地理位置＼&pH＼&不同土層深度下的

有機質含量（%） ＼& 不同粒徑下的機械組成（%） ＼&0～20cm＼&20～40cm＼&0.01～0.05mm＼&0.01～0.005mm＼&0.005～0.001mm＼&<0.001mm＼&甘蔗園＼&119°12′09.07"E，26°01′47.22"N＼&6.16＼&1.41＼&1.25＼&21.87＼&7.03＼&10.40＼&12.17＼&草坪＼&119°12′20.43"E，26°01′55.89"N，＼&6.76＼&1.37＼&0.65＼&20.60＼&3.63＼&6.57＼&5.67＼&果園＼&119°12′02.66"E，26°01′40.02"N＼&4.86＼&2.48＼&1.88＼&18.10＼&9.97＼&10.40＼&15.17＼&苗圃＼&119°12′51.26"E，26°01′19.70"N＼&5.01＼&2.07＼&1.57＼&32.00＼&7.84＼&17.96＼&20.50＼&]

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 通過遙感影像及實地考察，在福州大學城地區選取4種典型土地利用類型：旱地（甘蔗園）、草坪、果園、苗圃。按隨機取樣原則，于每種土地利用類型內分別布設3個土壤呼吸測定點，用特定大小的PVC土壤環圈定，并將圈內的綠色植物齊地剪除，盡可能不擾動地表的土壤，保持土壤環在整個測定期間位置不變。土壤環全部布置完成并經過至少24h平衡后，開始土壤呼吸測定。

1.2.2 測定方法 選擇連續晴好的天氣，采用Li-8100土壤碳通量測定儀[19]連續24h進行測定，測定時間為3min/次，白天（08：00～18：00）觀測的時間間隔為2h，夜晚（18：00～次日06：00）觀測的時間間隔為3h。每次觀測前進行儀器調零校準，避免零點漂移造成的誤差，并使各項讀數在自然狀態下穩定，同時采用儀器自身配置的溫度感應器測定5cm深處土層的溫度、水分等要素。求取各測定點各個時段觀測值的平均值，作為測定樣地的土壤呼吸速率。待土壤呼吸速率測定結束后，對土壤進行分層采樣（0～20cm，20～40cm），土壤機械組成采用比重計方法測定，土壤有機質采用丘林法測定，土壤pH值采用電位法測定。

1.2.3 數據處理 在SPSS 17.0軟件包中對溫度、水分和空氣中CO2濃度因素進行雙變量相關分析，計算各因子對土壤CO2排放速率的影響程度。

2 結果與討論

2.1 不同土地利用方式的土壤呼吸速率日變化 由圖1可知，4種不同土地利用方式的土壤呼吸速率存在差異，苗圃與果園呈現為單峰曲線，峰值都出現在14：00；甘蔗園的呈現為雙峰曲線，峰值出現在14：00和3：00；草坪土壤呼吸速率的日變化呈振蕩式變化，無明顯的峰值，最大值出現在14：00，最小值出現在3：00。從整體上看，白天的土壤呼吸速率大于夜晚的呼吸速率，這與白天溫度高于夜晚溫度較為一致；土壤呼吸速率的波動幅度并不大，說明土壤呼吸速率的日差較小，這可能與處于夏季普遍高溫有關，所以日變化特征不明顯[16]。土壤呼吸速率的日差大小順序為：苗圃>草坪>果園>甘蔗園；不同土地利用方式中土壤呼吸速率的均值大小為：草坪（7.696μmol·m-2·s-1）>苗圃（4.419μmol·m-2·s-1）>甘蔗園（3.842μmol·m-2·s-1）>果園（3.185μmol·m-2·s-1）。草坪的呼吸速率與其他三者的差異較大，分別約是苗圃和甘蔗園的2.42倍和2倍，說明不同的土地利用方式對土壤呼吸速率有較大的影響。

圖1 不同土地利用方式的土壤呼吸速率的日動態變化

2.2 土壤呼吸的影響因子分析

2.2.1 土壤呼吸速率與土壤溫度的關系 建立4種土地利用方式下土壤呼吸速率與同步觀測的土壤5cm處的溫度數據關系。由圖2可以看出，4種土地利用方式土壤呼吸速率與土壤溫度的峰值時間大致相同，基本上出現在12：00～16：00。這是因為土壤溫度一方面通過影響植物根系呼吸和土壤微生物活動間接影響土壤CO2排放，另一方面還直接決定著土壤有機質的氧化分解速率[9]。對各個測定樣地的土壤呼吸速率日動態變化量與溫度作相關性分析可得出：甘蔗園、草坪和果園的土壤呼吸速率與其對應土壤溫度并沒有顯著的相關性（依次為r=0.582，p=0.078>0.05，n=10；r=0.622，p=0.055>0.05，n=10；r=0.563，p=0.09>0.05，n=10）；而苗圃的土壤呼吸速率與其土壤溫度具有極高的顯著相關性（r=0.880，p=0.001<0.05，n=10）。這主要是因為不同的土地利用方式土壤植被的不同所造成的影響，一方面植被能通過影響土壤微生物、土壤結構、土壤有機質和根呼吸等而影響土壤呼吸[20]；另一方面植被的地上部分不同，對太陽輻射的阻擋與吸收不同，照射到地面的輻射也因此而不同，從而影響土壤溫度，進而使其不同的土地利用方式下土壤CO2排放量存在差異。可見，土壤溫度對土壤呼吸的排放速率具有較大的影響。

2.2.2 土壤呼吸速率與水分的關系 土壤水分對土壤呼吸速率的影響主要是通過對植物和微生物的生理活動、微生物的能量供應和體內再分配、土壤的透氣性和氣體的擴散等調節來實現的[21]。在SPSS 17.0軟件包中處理各測定樣地土壤呼吸速率與對應水分的相關性分析可得出：草坪和果園的土壤呼吸速率與水分的相關性不顯著（依次為r=0.408，p=0.242，n=10；r=0.548，p=0.101，n=10）；甘蔗園和苗圃的土壤呼吸速率與水分有著顯著的相關性（依次為r=0.694，p=0.026，n=10；r=0.754，p=0.012，n=10）。土壤水分對土壤呼吸的影響比較復雜，實際上土壤濕度是與溫度共同對土壤呼吸起作用的，在一定條件下，土壤呼吸會被降水量或土壤溫度所抑制[9，17，22]。

2.2.3 土壤呼吸速率與空氣中CO2的關系 對各個測定樣地的土壤呼吸速率與其對應的土壤溫度作相關性分析得出：甘蔗園、草坪的土壤呼吸速率與空氣中CO2并沒有顯著的相關性（依次為r=-0.449，p=0.192，n=10；r=-0.612，p=0.060，n=10），而果園和苗圃的土壤呼吸速率與空氣中的CO2有著較強的負相關性（依次為r=-0.7，p=0.024，n=10；r=-0.756，p=0.011，n=10）。大氣中的CO2濃度對土壤呼吸的影響較為復雜，大氣中的CO2濃度也會因時因地而有所改變。果園和苗圃的土壤呼吸速率與空氣中的CO2有著較強的負相關性，這一結果是否與空氣中較高的CO2濃度對土壤微生物及根系呼吸產生抑制作用，而引起土壤呼吸速率下降有關，目前還沒有直接的實驗數據來證明[15]。

3 結論

通過對福州大學城不同土地利用方式下土壤CO2排放規律的研究，得出了土壤CO2排放隨著時間的變化規律。不同土地利用方式下土壤CO2排放存在差異，苗圃與甘蔗園呈現為單峰曲線；果園呈現為雙峰曲線；草坪土壤呼吸呈振蕩式變化，無明顯的峰值。在夏季普遍高溫時土壤呼吸的日差較小，發現土壤呼吸的影響因子因不同土地利用方式的不同而表現出的相關性也不同，這說明影響土壤呼吸的主要因子因不同的土地利用方式而有所不同，一般情況下，溫度越高，土壤CO2排放的速率也就越大。4種土地利用方式的土壤CO2日動態排放速率與5cm處土壤的溫度日變化曲線總體趨勢類似，4種土地利用方式土壤呼吸速率與土壤溫度的峰值時間大致相同。總體上影響土壤呼吸速率的最重要的因子是溫度和水分。

參考文獻

[1]Dixon R K，Brown S，Houghton R A.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J]. Science，1994，262：185-190.

[2]Jenkinson D S，Adams D E，Wild A.Model estimates of CO2 emission from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

[3]Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J].Bot Rev，1997，43：449-528.

[4]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].生態學報，1997，17（5）：469-476.

[5]李兆富，宮憲國，楊青，等.濕地土壤CO2通量研究進展[J].生態學雜志，2002，21（6）：47-50.

[6]Raich J W，Potyer C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Gibol Biogeoehem Cycles，1995，9：23-36.

[7]劉允芬，歐陽化，張憲洲，等.青藏高原農田生態系統碳平衡[J].土壤學報，2002，39（5）：636-642.

[8]Post W M，Kwon K C. Soil carbon sequestration and land use change：processes and potential[J].Global Change Biology，2000，6：317-327.

[9]Houghton R A. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000[J].Tellus，2003，55B：378-390.

[10]周志田，成升魁，劉允芬，等.中國亞熱帶紅壤丘陵區不同土地方式下土壤CO2排放規律初探[J].資源科學，2002，24（2）：83-87.

[11]尉海東，馬祥慶.中亞熱帶3種主要人工林的土壤呼吸動態[J].福建農林大學學報，2006，35（3）：272-277.

[12]孫 軼，魏 品，吳鋼，等.長白山高山凍原土壤呼吸及其影響因子分析[J].生態學雜志，2005，24（6）：603-606.

[13]Seiko Osozawa and Shuichiha segawa，Diel and seasonal changes in carbon dioxide concentration and flux in an andisol[J].Soil Science，1995，160（2）：117-124.

[14]盧妍，宋長春，王毅勇，等.植物對沼澤濕地生態系統CO2和CH4排放的影響[J].西北植物學報，2007，27（11）：2306-2313

[15]張慧東，周梅，趙鵬武，等.寒溫帶興安落葉松林土壤呼吸特征[J].林業科技，2008，44（9）：142-145.

[16]楊智杰，陳光水，黃石德，等.中亞熱帶山區不同土地利用方式土壤呼吸的日動態變化[J].亞熱帶資源與環境學報，2009，4（2）：39-46

[17]朱鶴健.土壤學與地理學交叉研究[M].北京：科學出版社，2006.

[18]福建省閩侯縣地方志編纂委員閩侯縣志[M].北京：方志出版社，2001，12

[19]趙廣東，王兵，楊晶，等.LI-8100開路式土壤碳通量測量系統及其應用[J].氣象科技，2005，33（4）：363-366.

[20]劉惠，趙平，林永標，等.華南丘陵不同土地利用方式下土壤呼吸[J].生態學雜志，2007，26（12）：2012-2027.

[21]Irvine J，Law B E.Contrasting soil respiration in young and old-growth ponderosa pine forests[J].Global Change Biology，2002，8（12）：1183—1193.

[22]王小國，朱波，王艷強，等.不同土地利用方式下土壤呼吸及其溫度敏感性[J].生態學報，2007，27（5）：1960-1968.

（責編：張宏民）

參考文獻

[1]Dixon R K，Brown S，Houghton R A.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J]. Science，1994，262：185-190.

[2]Jenkinson D S，Adams D E，Wild A.Model estimates of CO2 emission from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

[3]Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J].Bot Rev，1997，43：449-528.

[4]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].生態學報，1997，17（5）：469-476.

[5]李兆富，宮憲國，楊青，等.濕地土壤CO2通量研究進展[J].生態學雜志，2002，21（6）：47-50.

[6]Raich J W，Potyer C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Gibol Biogeoehem Cycles，1995，9：23-36.

[7]劉允芬，歐陽化，張憲洲，等.青藏高原農田生態系統碳平衡[J].土壤學報，2002，39（5）：636-642.

[8]Post W M，Kwon K C. Soil carbon sequestration and land use change：processes and potential[J].Global Change Biology，2000，6：317-327.

[9]Houghton R A. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000[J].Tellus，2003，55B：378-390.

[10]周志田，成升魁，劉允芬，等.中國亞熱帶紅壤丘陵區不同土地方式下土壤CO2排放規律初探[J].資源科學，2002，24（2）：83-87.

[11]尉海東，馬祥慶.中亞熱帶3種主要人工林的土壤呼吸動態[J].福建農林大學學報，2006，35（3）：272-277.

[12]孫 軼，魏 品，吳鋼，等.長白山高山凍原土壤呼吸及其影響因子分析[J].生態學雜志，2005，24（6）：603-606.

[13]Seiko Osozawa and Shuichiha segawa，Diel and seasonal changes in carbon dioxide concentration and flux in an andisol[J].Soil Science，1995，160（2）：117-124.

[14]盧妍，宋長春，王毅勇，等.植物對沼澤濕地生態系統CO2和CH4排放的影響[J].西北植物學報，2007，27（11）：2306-2313

[15]張慧東，周梅，趙鵬武，等.寒溫帶興安落葉松林土壤呼吸特征[J].林業科技，2008，44（9）：142-145.

[16]楊智杰，陳光水，黃石德，等.中亞熱帶山區不同土地利用方式土壤呼吸的日動態變化[J].亞熱帶資源與環境學報，2009，4（2）：39-46

[17]朱鶴健.土壤學與地理學交叉研究[M].北京：科學出版社，2006.

[18]福建省閩侯縣地方志編纂委員閩侯縣志[M].北京：方志出版社，2001，12

[19]趙廣東，王兵，楊晶，等.LI-8100開路式土壤碳通量測量系統及其應用[J].氣象科技，2005，33（4）：363-366.

[20]劉惠，趙平，林永標，等.華南丘陵不同土地利用方式下土壤呼吸[J].生態學雜志，2007，26（12）：2012-2027.

[21]Irvine J，Law B E.Contrasting soil respiration in young and old-growth ponderosa pine forests[J].Global Change Biology，2002，8（12）：1183—1193.

[22]王小國，朱波，王艷強，等.不同土地利用方式下土壤呼吸及其溫度敏感性[J].生態學報，2007，27（5）：1960-1968.

（責編：張宏民）

參考文獻

[1]Dixon R K，Brown S，Houghton R A.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J]. Science，1994，262：185-190.

[2]Jenkinson D S，Adams D E，Wild A.Model estimates of CO2 emission from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

[3]Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J].Bot Rev，1997，43：449-528.

[4]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].生態學報，1997，17（5）：469-476.

[5]李兆富，宮憲國，楊青，等.濕地土壤CO2通量研究進展[J].生態學雜志，2002，21（6）：47-50.

[6]Raich J W，Potyer C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Gibol Biogeoehem Cycles，1995，9：23-36.

[7]劉允芬，歐陽化，張憲洲，等.青藏高原農田生態系統碳平衡[J].土壤學報，2002，39（5）：636-642.

[8]Post W M，Kwon K C. Soil carbon sequestration and land use change：processes and potential[J].Global Change Biology，2000，6：317-327.

[9]Houghton R A. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000[J].Tellus，2003，55B：378-390.

[10]周志田，成升魁，劉允芬，等.中國亞熱帶紅壤丘陵區不同土地方式下土壤CO2排放規律初探[J].資源科學，2002，24（2）：83-87.

[11]尉海東，馬祥慶.中亞熱帶3種主要人工林的土壤呼吸動態[J].福建農林大學學報，2006，35（3）：272-277.

[12]孫 軼，魏 品，吳鋼，等.長白山高山凍原土壤呼吸及其影響因子分析[J].生態學雜志，2005，24（6）：603-606.

[13]Seiko Osozawa and Shuichiha segawa，Diel and seasonal changes in carbon dioxide concentration and flux in an andisol[J].Soil Science，1995，160（2）：117-124.

[14]盧妍，宋長春，王毅勇，等.植物對沼澤濕地生態系統CO2和CH4排放的影響[J].西北植物學報，2007，27（11）：2306-2313

[15]張慧東，周梅，趙鵬武，等.寒溫帶興安落葉松林土壤呼吸特征[J].林業科技，2008，44（9）：142-145.

[16]楊智杰，陳光水，黃石德，等.中亞熱帶山區不同土地利用方式土壤呼吸的日動態變化[J].亞熱帶資源與環境學報，2009，4（2）：39-46

[17]朱鶴健.土壤學與地理學交叉研究[M].北京：科學出版社，2006.

[18]福建省閩侯縣地方志編纂委員閩侯縣志[M].北京：方志出版社，2001，12

[19]趙廣東，王兵，楊晶，等.LI-8100開路式土壤碳通量測量系統及其應用[J].氣象科技，2005，33（4）：363-366.

[20]劉惠，趙平，林永標，等.華南丘陵不同土地利用方式下土壤呼吸[J].生態學雜志，2007，26（12）：2012-2027.

[21]Irvine J，Law B E.Contrasting soil respiration in young and old-growth ponderosa pine forests[J].Global Change Biology，2002，8（12）：1183—1193.

[22]王小國，朱波，王艷強，等.不同土地利用方式下土壤呼吸及其溫度敏感性[J].生態學報，2007，27（5）：1960-1968.

（責編：張宏民）