不同土地利用方式下土壤呼吸的日變化特征

來亞男，嚴俊霞，李洪建

（山西大學黃土高原研究所，山西 太原 030006）

土壤呼吸（Rs）是將植物固定的CO2釋放到大氣的主要途徑。據估計，在全球范圍內，Rs每年釋放的CO2量是工業釋放CO2的10倍[1-2]。由于土壤巨大的呼吸量，因此，對不同生態系統的Rs研究越來越受到關注[3-5]。在土壤溫度作用的驅使下，Rs具有明顯的日變化特點，不同地區Rs的日變化幅度不同，主要取決于土壤溫度的變化范圍和幅度，這給精確估算日均Rs帶來很大的困難。受儀器和勞動力的限制，目前絕大多數土壤呼吸測定很難做到24 h的連續測定，而是以不同時間的測定結果代表日土壤呼吸值。有研究表明，用白天測定的Rs代表日均Rs可能高估Rs[6]。他們認為白天12 h的Rs平均值比24 h的Rs平均值大10%。也有研究報道，可用12 h的平均值代替24 h的平均值[7]；夜間Rs的平均值比白天的小8%[8]。因為大多數Rs測定都在白天進行且不連續。因此，白天不同時段所測得的Rs的代表程度如何，是許多研究所關注的問題。

本試驗對太原盆地3種土地利用方式的土壤呼吸、土壤溫度進行了3次24 h的定位測定，旨在研究和比較不同土地利用方式下不同時間段的Rs日動態及其差異；分析土壤溫度對Rs日變化的影響，明確估算日均Rs的最佳時間窗口。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西省農業科學院農業環境與資源研究所北營試驗基地進行。試驗所在區域海拔785m。氣候為暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫9.5℃；最冷月1月平均氣溫-6.6℃，最熱月7月平均氣溫23.5℃。多年平均降水量478 mm，降水年內分布極為不均，夏季降水量占全年降水量的60%、秋季23%、春季14%和冬季3%。試驗田土壤均為沖積黃土，土層深厚，具有廣泛的代表性。3種土地利用類型分別種植檸條、中藥材和玉米。樣地土壤理化性狀：土壤容重1.38～1.381g/cm3；田間持水量21.7%～22.7%；有機質3.91%～3.99%；全氮0.11%；速效磷6.80～12.292 mg/kg；速效鉀 23.0～277.7 mg/kg。

1.2 土壤呼吸及環境因子測定

用LI-COR 6400便攜式光合作用儀連接LI-COR-09土壤氣室測定Rs。3種土地利用方式Rs測定均為3個樣點。首先在每個樣地選取一個區域，面積約15 m2，每次測定都選定區域進行。測定樣點呈三角形分布，每個樣點測定1次，每次3個循環，9個數據，取其平均值作為該次測定值進行分析。測定于6月22日、8月4日和10月10日進行，6月22日共測定9次，其余2 d為11次。10 cm深度的土壤溫度（T10）由系統土壤溫度探針（6400-12）測定。在測定Rs的同時，將溫度探針垂直插入所測土體附近10 cm深，系統將自動同步記錄T10和Rs數據，用來分析Rs與T10的關系。采用傳統烘干法測定0～10 cm深度的土壤水分。

1.3 數據分析

簡單方差分析用于分析3個樣地之間的Rs，T10和土壤水分（Ws，%）均值差異程度。日尺度土壤呼吸和溫度的變異系數CV（%）用于分析同一樣地內各指標的日變異程度。用指數模型（Rs=αeβT；式中，Rs為土壤呼吸，T為實測土壤溫度；α，β為擬合參數）分析土壤呼吸（Rs）和土壤溫度（T10）的因子關系。用偏差（deviation）來衡量各時間段Rs的平均值（Rr）與日平均Rs（Rm）的差異大小，其計算公式為deviation＝（Rr-Rm）/Rm×100%。

數據處理用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0軟件，用Sigmaplot 12.5繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 土壤呼吸的日變化趨勢

3次Rs日變化測定時的T10有比較明顯的日變化特點。早晨，土壤溫度較低，隨氣溫升高，土壤溫度亦逐漸升高，土壤溫度的最高值出現在15：00—16：00，最低值出現在 6：00—8：00。Rs同樣具有明顯的日變化，3種土地利用方式Rs的日變化在3次測定時均呈單峰趨勢，且不對稱（圖1）。在6月份，檸條地、藥材地和玉米地的Rs日變化趨勢比較一致，最大值均出現在12：00左右，最低值均出現在6：00左右。藥材地Rs的CV最高，為25.38%，檸條地和玉米地的CV差異不大，在14%左右。在8月份，3種土地利用方式下的Rs最小值出現在晚上或者早晨溫度相對較低的時候，檸條地和藥材地的Rs最大值出現在 12：00—14：00，而玉米地的 Rs在21：00左右達到最大，主要由于玉米地8月3日降水之前的灌溉，測定時的土壤水分相對其他樣地較高，水分過多抑制Rs，隨后經過一天的水分蒸發，水分降低到抑制Rs的臨界值之下，最終因為晚上溫度逐漸下降，Rs也隨之逐漸下降。檸條地和藥材地Rs的CV比玉米地的分別高12.68%和12.10%。在10月份，3種土地利用方式下的土壤呼吸最大值均出現在 14：00—16：00，最小值均出現在 6：00，土壤呼吸速率日變化趨勢比較一致。檸條地Rs的CV最低，為16.35%，藥材地和玉米地Rs的CV差異不大，在23%左右。

2.2 土壤呼吸的日變化差異

3種土地利用類型的Rs日變化趨勢相一致，但Rs值有所不同，3個測定日3種土地利用方式的土壤呼吸差異性檢驗結果如表1所示。6月份藥材地的T10顯著低于檸條地和玉米地的T10，而藥材地的Rs卻顯著高于檸條地和玉米地的Rs。其原因可能是因為藥材地的Ws顯著高于檸條地和玉米地的Ws，檸條地和玉米地的Rs受到土壤水分干旱脅迫所致。8月份3種土地利用方式下的Rs總體差異不顯著（P＞0.05），玉米地的Rs略高于檸條地和藥材地的Rs。3種土地利用方式下的T10和Ws總體差異顯著（P＜0.05），藥材地的T10顯著高于玉米地的T10，而與檸條地的T10無顯著差異，玉米地的Ws顯著高于藥材地和檸條地的Ws。10月份Rs的日均值為玉米地＞檸條地＞藥材地，其中，檸條地和玉米地的Rs顯著高于藥材地的Rs（P＜0.05）。3種土地利用方式下的T10相互之間無顯著差異。

從3次測定的結果來看，3種不同土地利用方式下的土壤呼吸呈現先增加后減低的趨勢。3個樣地的Rs日均值最高值出現在8月，而檸條地和玉米地的T10的最高值出現在6月，藥材地則出現在8月，檸條地、藥材地和玉米地的Ws的最高值分別出現在10，6，8月，土壤呼吸的最高值并未出現在土壤溫度或土壤水分最高的月份，而是出現在土壤溫度和土壤水分適中的月份，表明土壤呼吸受土壤溫度和土壤水分的共同影響。

表1 土壤呼吸、土壤溫度及土壤水分的日變化方差分析

2.3 土壤呼吸日變化與土壤溫度（T10）日變化的 關系

表2 3種土地利用方式的土壤呼吸日變化與土壤溫度日變化的關系

分別用各次測定的T10為自變量、Rs為因變量擬合關系模型，結果列于表2。由表2可知，3個測定日除了8月測定的玉米地的T10與Rs相關關系顯著外（P＜0.05），其余測定日3種土地利用類型的T10與Rs相關關系都不顯著（P＞0.05）。分析其原因可能與土壤溫度的變化滯后于土壤呼吸的日變化有關，如土壤呼吸的最大值多出現在12：00左右，而土壤溫度的最大值則出現在14：00—15：00時。當考慮了溫度的滯后效應后重新進行分析時，發現T10與Rs的關系方程的決定系數都有很大的提高，進一步表明了土壤溫度的日變化比土壤呼吸的日變化有滯后性。

2.4 不同時間段土壤呼吸值與土壤呼吸日均值的比較

由表3可知，3個測定日檸條地和藥材地的Rs日均值與 8：00—10：00（8 月除外）和 16：00—18：00這2個時間段的平均值最為接近，偏差在±10%左右；3個測定日玉米地全天各時間段的Rs平均值與日均值的偏差變異不大，6月 8：00—10：00和14：00—18：00，8 月和 10 月的 8：00—16：00 各時間段的均值都能用于估算Rs日均值，偏差在±15%以內。

表3 白天不同時段土壤呼吸的平均值與24 h土壤呼吸平均值的比值分析 %

3 結論與討論

在溫帶森林或其他土地利用條件下，受氣溫日變化的影響，土壤呼吸常常表現出明顯的日變化特點[9-10]，即使在熱帶地區也是如此[11]。YU等[12]研究表明，松嫩平原西部草甸草原的6個樣地的土壤呼吸均具有明顯的日變化特點，最低值出現在21：00—23：00 或黎明前，最高值出現在 11：00—13：00。本研究中，3種土地利用方式的土壤呼吸均有明顯的日變化趨勢，最低值出現在23：00或黎明前后，最高值出現在12：00—16：00。不同土地利用方式不同季節最高值和最低值出現的時間不盡相同，可能的原因是研究區不同時間土壤微生物活性和根系呼吸對溫度和水分的敏感性不同所致。

一般情況下，一天之內土壤水分及土壤理化性質都不會有明顯變化。因此，土壤呼吸的日變化主要受土壤溫度日變化的影響[13]。本研究中，Rs隨土壤溫度的升高增加，但相關關系均不顯著；但是去除土壤溫度的滯后效應后，相關系數得到了極大的提高，表明土壤溫度對Rs的影響具有滯后性，其滯后程度與土壤水分有關[14]。Rs的最高值并未出現在土壤溫度或土壤水分最高的月份，而是出現在土壤溫度和土壤水分適中的月份，表明土壤呼吸受土壤溫度和土壤水分的共同影響[15]。

日尺度土壤呼吸值是精確估算區域累計CO2釋放量的一個重要指標[16]。許多研究把在單一時間點觀測的土壤呼吸當作測定當天甚至測定當周或2周的平均土壤呼吸，這種方法會高估或低估土壤呼吸[17-18]。有學者認為，9：00—11：00 的土壤呼吸值可以代表日平均值，其誤差在0.9%～1.5%[19]。YU等[12]研究結果表明，松嫩平原西部草甸草原的6個樣地的 7：00—9：00 和 17：00—19：00 間測定的土壤呼吸平均值能夠代表24 h土壤呼吸的日平均值；DAVIDSON等[16]利用溫帶闊葉混交林連續2 d觀測的數據研究表明，9：00—12：00測定的值能夠代表日平均值[20]。本研究中，3個測定日期3種土地利用類型的 Rs日均值與 8：00—10：00 和 16：00—18：00這2個時間段的平均值最為接近，偏差在±10%左右，用該時段的值可作為日均值計算呼吸通量值。

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