東北農場農作物生長季土壤呼吸對溫度和含水量的響應

來雪慧, 李 丹, 于波峰, 朱 江, 姚志遠, 張姝婷

(太原工業學院 環境與安全工程系, 太原 030008)

(平均值±標準誤差)

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東北農場農作物生長季土壤呼吸對溫度和含水量的響應

來雪慧, 李 丹, 于波峰, 朱 江, 姚志遠, 張姝婷

(太原工業學院 環境與安全工程系, 太原 030008)

通過靜態堿液吸收法測定了東北典型農場水稻和玉米兩種農作物在生長期(4—7月)的土壤呼吸速率及其變化規律，分析了不同深度的土壤呼吸速率對土壤溫度和土壤含水量的響應。結果表明：在作物生長期，水稻樣地的土壤呼吸速率高于玉米樣地。水稻和玉米樣地在0—15 cm深度的土壤呼吸速率明顯高于15—30 cm和30—60 cm。隨著土壤深度的增加，土壤呼吸速率逐漸減小。水稻土壤的呼吸速率最大值為580.6 μg/(kg·h)，最小值為160.4 μg/(kg·h)；而玉米的土壤呼吸速率最大值為565.3 μg/(kg·h)，最小值為137.5 μg/(kg·h)。水稻和玉米樣地土壤呼吸速率與土壤溫度呈現極顯著相關關系(p<0.01)，土壤溫度曲線在4月到6月初明顯上升，而土壤呼吸速率曲線在這一時段也呈相同態勢；6月下旬到7月初土壤溫度變化平穩，土壤呼吸速率與土壤溫度的同步變化趨勢不明顯。同時，兩種作物的土壤含水量與土壤呼吸速率間的相關性也極為顯著(p<0.01)，說明土壤含水量也能夠解釋生長期水稻和玉米的土壤呼吸速率變化。

土壤呼吸速率; 土壤溫度;Q10; 含水量

土壤呼吸作用影響著大氣中CO2濃度的變化，同時對全球碳循環也有重要的影響[1]。因此，在全球氣候明顯變化的背景下，測定各陸地生態系統的土壤呼吸作用的影響因素對于碳損失和全球變化的研究十分重要[2-3]。大多數研究認為土壤溫度、土壤濕度以及兩者的交互作用是影響土壤呼吸的主要驅動力[4]。土壤呼吸作用對溫度的響應結果很大程度上決定著全球碳循環與氣候變化的相互作用[5-6]，有利于碳循環模型的優化與調整[7]。大多學者認為，在土壤水分含量變化范圍較小的情況下，土壤呼吸與土壤含水量之間沒有顯著的關系，也就是說土壤含水量對呼吸作用的影響相對較小，這可能是由于被其他因子或誤差所掩蓋[8]。

目前，對于土壤呼吸的研究大多僅限于森林[9-10]和草地生態系統[11-12]，對于農田生態系統的研究則較少。農業生態系統被認為是全球碳庫中最活躍的部分，大氣中20%的CO2來源于農業生產等過程。近年來，對于農田生態系統及農作物的土壤呼吸作用研究也增多[13-14]，但主要集中在旱地農作物土壤方面，尤其是玉米[15-16]和大豆[17-18]。土壤呼吸與土壤溫度之間的關系通常以溫度敏感性表征(Q10)，即溫度每增加10℃土壤呼吸的變化。根據野外試驗監測，發現中國土壤呼吸速率的溫度敏感性Q10值介于下遼河平原玉米田土壤的0.93[19]到川西亞高山針葉林土壤的6.27[20]范圍之間，而南京的土壤—玉米系統中的Q10值為1.90～2.88[21]。目前關于不同生態系統土壤呼吸作用的研究已經較為成熟，且大多關注土壤呼吸速率對溫度、水分與底物變化的響應機理，而針對不同作物類型土壤呼吸速率的研究則較少。本文以位于東北糧食主產區的三江平原八五九農場為例，比較2012年4—6月，旱地典型作物(玉米)和水田作物(水稻)兩種農作物的土壤呼吸速率差異，分析作物生長季不同農作物的土壤呼吸速率對土壤溫度和含水量變化的響應以及土壤呼吸溫度敏感性特點，并探討土壤呼吸速率與不同土層溫度、含水量的關系，旨在為評估和預測該區域的碳收支平衡提供科學依據。

1　研究區概況

黑龍江省八五九農場，地處三江平原沿江三角洲亞區，為典型的東北糧食生產基地。全場場區總面積為1 355 km2，其中耕地面積300 km2。八五九農場氣候屬寒溫帶季風性大陸氣候，根據1964—2010年農場氣象監測站數據，發現農場年平均氣溫2.5℃，年平均最高氣溫為7.9℃，年平均最低氣溫為-2.8℃。年平均降水量約559.6 mm，夏季短促而濕熱，雨量集中，為302.4 mm，占年平均降水量的54%；冬季降水量最少，為26.9 mm，占年平均降水量的4.8%，10℃以上活動積溫2 439.96℃，凍結期長達7～8個月，平均凍土深度141 cm。土壤以白漿土和沼澤土等為主，其中白漿土占研究區總面積的60.7%。場內農田土壤表層(0—20 cm)的氮磷平均含量分別為2.39，0.90 g/kg，而速效氮、速效磷和速效鉀的平均含量為236.5，21.3，144.9 mg/kg，有機質含量為38.3 g/kg。整體而言，農場內耕地的有機質含量豐富，土壤養分氮磷含量較多。研究中樣地位于八五九農場的旱地和水田試驗示范田，樣地描述見表1。

表1　農作物樣地位置與土壤理化性質

2　研究方法

2.1樣品采集

在水田、旱地進行水稻和玉米兩種作物的土壤野外采樣。考慮到研究區土壤類型中以白漿土為主，而白漿土在構造上分為3個層次，分別為黑土層、白漿層和沉積層。黑土層厚度一般為0—15 cm，白漿層厚度一般在15—30 cm，白漿層以下為沉積層。因此，根據白漿土的構造進行不同深度的土壤采樣，分別選擇0—15，15—30，30—60 cm共3個深度。八五九農場的作物生長季主要是每年的4—7月份，采樣時在每個采樣點于2012年4月29日、5月24日、6月2日、6月19日和7月2日進行采樣。對于水稻和玉米作物土壤，分別選取1 m×1 m樣地各3塊，各樣地內用環刀采取不同深度(0—15，15—30，30—60 cm)的原狀土樣各3個。另外，將每塊樣地的多點土壤進行混合，以分析其土壤理化性質。采樣后由于不能立即進行測定，因此將土壤樣品置于4℃冰箱保存。

2.2測定方法

作物土壤樣品的土壤呼吸速率通過靜態堿液吸收法測定[22]。該方法通過堿液(NaOH或者KOH溶液)吸收CO2形成碳酸根，然后通過中和滴定法，計算剩余的堿量，從而求出CO2的排放量。土壤溫度采用長桿針式土壤溫度計測定，分別測定土壤環刀周圍0—15，15—30，30—60 cm深度的土壤溫度，每個樣方測定1次。采用24 h烘干法測定土壤含水量，水浸—電位法測定土壤pH值，用濃硫酸重鉻酸鉀法測定土壤有機質，全氮通過元素分析儀測定。

2.3數據處理方法

應用簡單經驗指數模型[23]計算土壤呼吸的溫度敏感性(Q10)，其計算公式如下：

Rs=aebT

(1)

Q10=e10b

(2)

式中：Rs——土壤呼吸速率[μg/(kg·h)]；T——不同農作物的土壤溫度(℃)；a——0℃時的土壤呼吸速率[μg/(kg·h)]；b——溫度響應系數；當T為0℃時，土壤呼吸速率為a。

采用SPSS軟件進行單因素方差分析和顯著性差異分析，并利用Excel 2010作圖。

3　結果與分析

3.1不同農作物生長季土壤呼吸速率的變化

由圖1可知，在研究區不同土壤深度的兩種農作物土壤呼吸速率變化規律基本相似。水稻和玉米均呈現出0—15 cm深度的土壤呼吸速率明顯高于15—30 cm和30—60 cm。隨著土壤深度的增加，土壤呼吸速率隨之減小。這主要是由于土壤溫度隨著土壤深度的增加呈現逐漸降低的趨勢。其中，通過配對樣本T檢驗發現，玉米樣地的土壤呼吸速率在0—15 cm與15—30 cm深度的差異性顯著(p<0.05)。水稻樣地土壤中的呼吸速率最大值為580.6 μg/(kg·h)，出現在0—15 cm深度，而最小值為30—60 cm深度的160.4 μg/(kg·h)。玉米的土壤呼吸速率最大值為565.3 μg/(kg·h)，同樣出現在土壤的表層，土壤呼吸速率的最小值為137.5 μg/(kg·h)。另外，在農作物生長季，每個深度的土壤呼吸速率隨著時間的變化整體呈現增長趨勢，其中在6月19日整體有下降趨勢，這是因為當日的氣溫和土壤溫度均較低。同時，水稻和玉米的土壤呼吸速率最大值都出現在6月2日，而最小值均出現在4月29日，這都與土壤溫度呈現了同步的變化趨勢。

圖12012年生長季水稻和玉米土壤呼吸速率的變化(平均值±標準誤差)

從圖2可以看出，隨著土壤溫度的上升，兩種農作物樣地的土壤呼吸速率也呈現增加趨勢；而當土壤溫度下降時，土壤呼吸速率也隨之降低。說明土壤呼吸速率與土壤溫度在植物生長期基本保持同步變化的趨勢。值得一提的是，土壤溫度曲線在4月到6月初明顯上升，而土壤呼吸速率曲線在這一時段也呈相同態勢；6月下旬到7月初土壤溫度變化平穩，土壤呼吸速率與土壤溫度的同步變化趨勢不明顯。另外，水稻土壤呼吸速率整體高于玉米。

圖22012年生長季水稻和玉米土壤呼吸速率的比較(平均值±標準誤差)

對于水稻，其土壤呼吸速率最大值為618.8 μg/(kg·h)，此時土壤溫度為23.1℃，僅次于6月19日的23.6℃和7月2日的23.8℃；最小的土壤呼吸速率為137.5 μg/(kg·h)，出現在4月29日30—60 cm土壤深度處，對應的土壤溫度為-0.2℃，此時3個樣地在30—60 cm處的平均土壤溫度為-0.1℃，其平均土壤呼吸速率為160.4 μg/(kg·h)。玉米的土壤最大呼吸速率為618.8 μg/(kg·h)，當時的土壤溫度為29.1℃，是本研究中生長季的最高土壤溫度，出現在6月2日0—15 cm表層土壤，此時3個樣地的平均土壤溫度為29.5℃；最小土壤呼吸速率值為114.6 μg/(kg·h)，此時土壤溫度為4月29日30—60 cm深度的-0.2℃，是研究范圍內的最低土壤溫度。

3.2土壤呼吸對溫度的響應

從圖2可以看出，兩種農作物的土壤呼吸速率與土壤溫度的變化規律具有較強的一致性，通過圖3進一步說明兩者之間較好的相關性(p<0.01)。采用公式(1)所擬合的土壤溫度與土壤呼吸速率之間的關系，發現在不同土壤深度、土壤溫度對呼吸速率的解釋能力不同。對于水稻來說，0—15，15—30，30—60 cm土壤呼吸速率與土壤溫度之間的相關系數分別為0.8637，0.9165，0.8379，說明水稻在15—30 cm深度土壤溫度對呼吸速率的解釋能力最好；而玉米在不同深度的土壤呼吸速率與土壤溫度之間的相關系數分別為0.9225，0.7190，0.8379，表明玉米在土壤表層(0—15 cm)處土壤溫度對呼吸速率的解釋能力最好。總體而言，隨著土壤深度的增加，水稻和玉米在30—60 cm處土壤溫度對呼吸作用的解釋能力最差。

注：**表示相關性達到極顯著水平，p<0.01。

圖3水稻和玉米不同深度土壤呼吸速率與土壤溫度的相關關系

根據簡單經驗指數模型中的公式(2)計算土壤呼吸溫度敏感性(Q10)，圖4為水稻和玉米在不同土壤深度的Q10值。水稻和玉米在生長季的Q10值變化范圍為1.15～1.47。水稻在不同深度的Q10值變化不大，約1.40。玉米的Q10值在不同深度變化較大，其最大值出現在0—15 cm深度，為1.47，最小值為1.15，出現在15—30 cm深度。總體而言，水稻和玉米的土壤呼吸溫度敏感性差異較小。

圖4水稻和玉米在不同土壤深度的土壤呼吸溫度敏感性Q10值

(平均值±標準誤差)

3.3土壤呼吸對含水量的響應

由表2可知，土壤含水量的日變化幅度較大，同時水稻土壤的含水量明顯高于玉米土壤。水稻土壤的含水量在30.65%～51.94%范圍內變動，玉米土壤的含水量在20.96%～32.56%變動。從表2可以看出，水稻和玉米兩種作物在不同深度的土壤呼吸速率與土壤含水量均呈現正相關關系，且相關性極顯著(p<0.01)。同時，兩種作物的土壤呼吸速率與含水量相關性均表現為在土壤表層(0—15 cm)最好，在15—30 cm深度較差，但相關系數均高于0.7。研究區生長季作物土壤含水量對土壤呼吸速率的解釋能力較好，其中，水稻和玉米樣地0—15 cm土壤含水量對土壤呼吸作用的解釋能力分別為84.42%和84.68%，是研究區土壤含水量對呼吸速率解釋能力最強的，其余的土壤深度土壤含水量對土壤呼吸作用的解釋能力也都高于70%。

4　討論與結論

4.1討 論

4.1.1土壤溫度對土壤呼吸速率的影響溫度是控制陸地生態系統的重要因素，因此許多研究利用溫度來預測全球變化對土壤呼吸作用的影響[24-25]。溫度升高將增強生物的代謝活動，促使土壤呼吸量增加。許多研究證實，土壤呼吸在一定溫度范圍內，隨溫度的升高而加快。在三江平原，冬季氣溫很低，且土壤冰凍期很長，土壤微生物長時間處于休眠狀態，其土壤呼吸速率較低。但進入四月份(春季)后，土壤開始解凍，土壤呼吸速率隨著微生物活性的增強而增加。然而，本研究發現水稻的土壤呼吸速率變化在生長季并沒有表現出明顯的單峰型。這主要是因為從水稻開始種植到成熟，這段時間內水田一直保持著淹水狀態，好氧微生物處于嫌氣環境，其活性受到嚴重的抑制。溫度對土壤呼吸速率的影響就會不明顯，因此，土壤呼吸速率的變化在植物生長期會呈現出雙峰型或多峰型曲線。

表2農作物不同深度呼吸速率與土壤含水量的關系

農作物類型土壤深度/cm指數方程相關系數顯著性水平0—15y=51.037e0.0589x0.8442p<0.01水稻15—30y=79.961e0.0374x0.7434p<0.0130—60y=36.576e0.0629x0.8097p<0.010—15y=75.014e0.0562x0.8468p<0.01玉米15—30y=172.53e0.0248x0.7277p<0.0130—60y=74.561e0.0471x0.7422p<0.01

土壤呼吸速率與土壤溫度之間的顯著關系已經在眾多研究中得到證實。但由于研究區域以及土壤特性的不同，土壤溫度對呼吸速率的作用在不同土壤深度呈現出一定的差異性。本研究認為，水稻在生長期(4—7月)15—30 cm深度土壤溫度對土壤呼吸速率的解釋能力高于0—15 cm和30—60 cm，這與在內蒙古地區土壤溫度對呼吸速率的影響研究中的結果一致[11]。同時，本研究中玉米在0—15 cm深度土壤溫度對呼吸作用的解釋能力較高，也與諸多研究得到類似的結論[26-27]。經過分析，發現主要有兩方面的原因造成這種情況：首先，不同研究區域的自然條件、植被類型不同，它們對土壤溫度與呼吸速率之間的關系產生不同的作用[28]。土壤呼吸速率不僅受溫度的控制，還可能受到濕度[29]、季節[30]、土壤養分、生物條件[31]和外界干擾[32]等因素的影響。另外，土壤呼吸速率與土壤溫度之間的關系還受到降水量的影響。降水較多的年份，土壤呼吸速率與土壤溫度的關系減弱，但是與空氣溫度的關系卻增強，降水較少的年份則結果完全相反[33]。

4.1.2土壤含水量對土壤呼吸速率的影響通過研究發現，土壤溫度對呼吸速率的影響總是可以找到一個指數函數來進行表征[34]。然而，描述土壤含水量與呼吸速率之間關系的函數很多[35]，且這些函數方程具有很大的差異。本文中水稻和玉米樣地的土壤溫度和土壤含水量呈現極顯著相關性(p<0.01)，說明土壤溫度與含水量存在著緊密的聯系。為了消除溫度的干擾，采用偏相關分析研究土壤呼吸速率與含水量之間的關系。

本研究中，水稻和玉米在不同土壤深度，其土壤呼吸速率與土壤含水量之間均存在著極顯著關系(p<0.01)，土壤含水量對土壤呼吸的解釋能力較強。研究區在4月28日—7月2日總降水量為126.24 mm，降水量較多，其土壤含水量為20%～70%。有研究表明，過高的水分會減少土壤中O2的供應[36]，從而抑制好氧微生物的活性；而水分過低的時候，不僅微生物活性受到抑制，而且有機碳含量也會減少。同時，水分含量的過高或者過低都會限制土壤呼吸的溫度敏感性[37]，且隨著溫度的升高，水分對敏感性的限制作用就會增強[38]。

4.2結 論

(1) 在作物生長期，水稻樣地的土壤呼吸速率高于玉米樣地。水稻和玉米樣地在0—15 cm深度的土壤呼吸速率明顯高于15—30 cm和30—60 cm。隨著土壤深度的增加，土壤呼吸速率逐漸減小。水稻土壤的呼吸速率最大值為580.6 μg/(kg·h)，最小值為160.4 μg/(kg·h)；而玉米的土壤呼吸速率最大值為565.3 μg/(kg·h)，最小值為137.5 μg/(kg·h)。

(2) 通過土壤溫度與土壤呼吸速率的關系研究，發現在不同土壤深度水稻和玉米的土壤呼吸速率與土壤溫度均呈現極顯著相關關系(p<0.01)。同時水稻樣地在15—30 cm深度的相關系數高于其他深度，而玉米樣地的兩者相關性在土壤表層(0—15 cm)處最好。水稻和玉米的土壤呼吸溫度敏感性差異較小，水稻在不同深度的Q10值在1.40左右，玉米的Q10最大值出現在0—15 cm深度，為1.47，最小值為1.15，出現在15—30 cm深度。

(3) 通過土壤呼吸速率對含水量的響應研究，發現水稻和玉米樣地在不同深度的土壤呼吸速率與土壤含水量均呈現極顯著相關關系(p<0.01)。水稻土壤的含水量在30.65%～51.94%范圍內變動，玉米土壤的含水量在20.96%～32.56%變動。生長季農作物土壤含水量對土壤呼吸速率的解釋能力較好，其中，水稻和玉米樣地0—15 cm土壤含水量對土壤呼吸作用的解釋能力分別達到84.42%和84.68%。

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Effects of Soil Temperature and Water Content on Soil Respiration Rate During the Crop Growing Season in a Farm of Northern China

LAI Xuehui, LI Dan, YU Bofeng, ZHU Jiang, YAO Zhiyuan, ZHANG Shuting

(DepartmentofEnvironmentandSafetyEngineering,TaiyuanInstituteofTechnology,Taiyuan030008,China)

Soil respiration rates of rice and maize fields during the growing season (from April to July) were measured by static alkali absorption method, and the effects of soil temperature and water content on soil respiration rates of a typical farm in Northern China were also examined. The results showed that the soil respiration rates of paddy field were higher than maize filed during the crop growing season, and soil respiration rates in 0—15 cm depth were significantly higher than that in 15—30 cm and 30—60 cm depths. Soil respiration rate decreased with the increase of soil depth. The maximum and minimum soil respiration rates of paddy field were 580.6 μg/(kg·h) and 160.4 μg/(kg·h), respectively, and the maximum and minimum values of maize field were 565.3 μg/(kg·h) and 137.5 μg/(kg·h), respectively. Soil respiration rates of rice and maize fields were found to be positively related to soil temperature (p<0.01). Soil temperature had been rising from April to June and the soil respiration rate also presented the same escalating trend; while soil temperature varied smoothly from late June to early July and the synchronous change trend between soil respiration and temperature was not obvious. Meanwhile, there was obvious correlation between soil respiration rate and water content in rice and maize fields (p<0.01), which indicated that soil water content can explain soil respiration rate change in rice and maize growing season.

soil respiration rate; soil temperature;Q10; soil water content

2015-08-07

2015-09-07

山西省高等學校科技創新項目“農業活動影響下的寒地土壤氮和有機碳運移機制及規律研究”(2014151);山西省重點學科建設經費

來雪慧(1984—),女,山西大同人,博士,講師,主要從事農業面源、環境規劃研究。E-mail:laixuehui@mail.bnu.edu.cn

S152

A

1005-3409(2016)01-0117-06