沙質(zhì)草地生長季土壤CO2排放特征及水熱因子分析

龔相文 ，李玉強(qiáng)，王旭洋 ，牛亞毅 ，連杰，羅永清

1．中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

土壤向大氣排放CO2的過程，是土壤將植物固定的碳釋放回大氣的主要途徑（Schlesinger et al.，2000；Ma et al.，2017）。土壤每年產(chǎn)生的碳（C）排放約 50～75 Pg（Wang et al.，2009），超過全球陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力和化石燃料等燃燒排放CO2的量，其變化可能對(duì)全球碳平衡和氣候變化方面等產(chǎn)生重要的影響（周萍等，2009）。因此，土壤CO2排放過程已被用于表征陸地生態(tài)系統(tǒng)過程和研究全球氣候變化的關(guān)鍵生態(tài)過程（王新源等，2012）。草地生態(tài)系統(tǒng)是地球上廣泛分布的全球陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，在全球碳循環(huán)中至關(guān)重要（李學(xué)斌等，2014；Wang et al.，2016）。目前，國際上有關(guān)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放的研究主要集中在北美溫帶草原（Frank，2002；Huxman et al.，2004；Peri et al.，2015）和澳大利亞熱帶草原等（Hunt et al.，2002；Fan et al.，2015）。雖然中國學(xué)者在研究草地碳庫及其動(dòng)態(tài)變化方面已有大量的工作，但仍然缺乏對(duì)草地碳庫動(dòng)態(tài)特征的全面認(rèn)識(shí)（方精云等，2010）。中國草地土壤CO2排放研究主要集中在青藏高原的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)（吳琴等，2005；白煒等，2011；黃曉宇等，2016；柴曦等，2017）、祁連山高山草甸生態(tài)系統(tǒng)（常宗強(qiáng)等，2007；魏巍等，2015；解歡歡等，2016）、貝加爾針茅草甸草原（張盼弟等，2014）、內(nèi)蒙古典型草原（齊玉春等，2005）和內(nèi)蒙古錫林河流域草地（李明峰等，2003；王風(fēng)玉等，2003；齊玉春等，2010）等生態(tài)系統(tǒng)，而針對(duì)沙質(zhì)草地土壤CO2排放的研究相對(duì)較少（于占源等，2006；韓春雪等，2017）。精確量化生態(tài)系統(tǒng)碳通量的日變化和月變化對(duì)準(zhǔn)確理解全球氣候變化和環(huán)境之間的反饋至關(guān)重要（Chen et al.，2017），但由于各種測量方法存在不確定性，土壤CO2排放的空間和時(shí)間變異性以及由于許多生物和非生物因素影響導(dǎo)致的土壤呼吸CO2排放很難被精確估算；同時(shí)受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和天氣狀況的限制，目前的研究結(jié)果多是基于晴天進(jìn)行的短時(shí)間低頻觀測，長時(shí)間連續(xù)高頻野外觀測相對(duì)較少。自然狀態(tài)下土壤CO2排放對(duì)降水及土壤含水量、溫度的響應(yīng)機(jī)制仍不明確，這將限制學(xué)者們對(duì)區(qū)域土壤CO2排放估算和管理的研究。

科爾沁沙地是中國典型的北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，近200年以來由于受到半干旱氣候條件和沙質(zhì)土壤的共同作用，以及人類過量開墾土地和超載放牧，其原生植被遭到嚴(yán)重破壞，其生境不斷惡化（趙哈林等，2000；Li et al.，2017），屬于對(duì)全球變化反應(yīng)敏感的區(qū)域。草地植被是該區(qū)域典型的地帶性穩(wěn)定植被類型（張繼義等，2003），研究該地區(qū)草地土壤CO2排放對(duì)研究區(qū)域碳循環(huán)過程有重要的意義。目前研究發(fā)現(xiàn)，干旱區(qū)降水可能會(huì)產(chǎn)生更大的土壤 CO2排放和土壤呼吸組分的變化，降水對(duì)干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)影響更加極端（Liu et al.，2017）。大多數(shù)研究表明，土壤溫度和含水量是影響土壤CO2排放的重要因素（Davidson et al.，2010；Hoover et al.，2016；Xue et al.，2017；Yang et al.，2017）。因此，本文以科爾沁沙質(zhì)草地為研究對(duì)象，按照降水條件（晴天和雨天）分析土壤CO2日排放和月排放特征及其與降水、土壤溫度和含水量的關(guān)系，探究水熱因子對(duì)該地區(qū)土壤碳排放的影響機(jī)制，為該地區(qū)碳平衡管理提供理論依據(jù)。

表1 研究樣地土壤背景值Table1 Soil background value of research plot

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部科爾沁沙地的奈曼旗境內(nèi)，依托中國科學(xué)院奈曼沙漠化研究站（42°55′N，120°42′E，海拔 345 m）開展試驗(yàn)。該區(qū)年均溫6.0～6.5 ℃，7 月溫度最高（均值為 23.5 ℃），≥10 ℃的有效積溫為3000～3400 ℃，無霜期約150 d。年均降雨量360 mm左右（70%集中在6—8月），年均蒸發(fā)量1500～2500 mm（70%集中在4—7月），干燥系數(shù)1.0～1.8。研究樣地為科爾沁典型的沙質(zhì)草地，地勢(shì)平坦，植被較為均一，表層（0～20 cm）土壤理化性質(zhì)如表1所示。植被類型主要包括五星蒿（Bassia hyssopiflia）、豬毛菜（Salsola collina Pall）、狗尾草（Setarria viridis）等。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集通過 LI-8150（LI-COR，Inc，Lincoln，NE，USA）土壤碳通量自動(dòng)測量系統(tǒng)。在樣地中按照等邊三角形的方式設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的固定樣方，每個(gè)樣方內(nèi)布設(shè)1個(gè)土壤CO2通量觀測點(diǎn)（即安裝3個(gè)長期自動(dòng)觀測室），每兩個(gè)觀測點(diǎn)之間的距離大約為10 m，每個(gè)PVC環(huán)（內(nèi)徑20 cm，高10 cm）嵌入土壤后露出表面3 cm。安裝過程中剪掉環(huán)內(nèi)的地上植被。土壤CO2通量測量在安裝PVC環(huán)1周后進(jìn)行，盡量避免人為干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差。2016年6月1日—2016年9月30日進(jìn)行連續(xù)觀測，測定頻率為每隔30 min測定1次。降水量、5 cm土壤溫度和土壤含水量數(shù)據(jù)分別通過樣地內(nèi)開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)中雨量筒、溫度傳感器和水分傳感器采集。

2.2 數(shù)據(jù)分析

以2016年6—9月日降水總量（Rain）劃分晴天（Rain=0 mm）和雨天（Rain＞0 mm）進(jìn)行分析。將CO2月均日通量時(shí)刻值與對(duì)應(yīng)土壤溫度、含水量進(jìn)行偏相關(guān)性分析，研究土壤CO2排放日動(dòng)態(tài)特征及其影響因素。對(duì)土壤CO2通量與土壤溫度、含水量各月日均值進(jìn)行方差分析，土壤CO2通量與土壤溫度、含水量實(shí)測值進(jìn)行回歸分析，研究生長季土壤CO2排放動(dòng)態(tài)特征及其影響因素。

土壤CO2排放與土壤溫度、含水量間的關(guān)系采用二次多項(xiàng)式方程（1）、（2）和二元線性方程（3）擬合：

式（1）、式（2）、式（3）中，Rs為土壤CO2通量（μmol·m-2·s-1）；T、M 分別表示 5 cm 土壤深度的土壤溫度（℃）、含水量（%）；a1、a2、b1、b2、和c1、c2代表二次多項(xiàng)式的待定系數(shù)和常數(shù)；a3、b3和c3代表二元線性方程的待定系數(shù)和常數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 24.0進(jìn)行單因素方差分析、偏相關(guān)分析、二次多項(xiàng)式和二元線性回歸分析。使用SigmaPlot 12.5軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙質(zhì)草地生長季的水熱因子變化

由圖1可知，生長季不同月份降水量、日平均土壤溫度和土壤含水量存在顯著差異（P＜0.05）。6—9月降水總量為204.0 mm，不同月份的大小順序?yàn)?7.5 mm（8月）＞60.3 mm（6月）＞46.1 mm（9月）＞30.1 mm（7月），其中6—9月降水的比例分別占29.5%、14.7%、33.1%、22.6%，7月含水量低于其他月份。生長季內(nèi)土壤溫度和土壤含水量波動(dòng)與降水事件有密切的關(guān)系（圖 1）。晴天和雨天的月際日平均土壤溫度（圖 1c）、土壤含水量（圖1d）存在顯著差異（P＜0.05）。6—9月晴天和雨天的日平均土壤溫度分別為 25.75 ℃和 24.52 ℃、29.19 ℃和 26.55 ℃、25.63 ℃和 28.23 ℃、20.10 ℃和20.67 ℃，6、7月晴天日平均土壤溫度比雨天高 1.73、2.64 ℃，8、9月晴天土壤溫度比雨天低2.60、0.57 ℃，其中7月晴天和雨天溫差最大。6—9月的晴天和雨天日平均土壤含水量分別為3.63%和4.33%、3.08%和4.33%、4.27%和4.02%、4.37%和5.53%，9月的晴天和雨天土壤含水量差異最大。

圖1 沙質(zhì)草地生長季的日平均土壤溫度變化（a）、日降水量和日平均土壤溫度變化（b）、月際日平均土壤溫度變化（c）、月際日平均土壤含水量變化（d）Fig.1 The changes of daily average soil temperature of sandy grassland in the growing season (a), the changes of daily precipitation and daily average soil temperature (b), the monthly changes of daily average soil temperature (c), the monthly changes of daily average soil water content (d)

3.2 沙質(zhì)草地生長季CO2排放的月均日動(dòng)態(tài)

如圖2所示，沙質(zhì)草地土壤CO2通量月均日變化趨勢(shì)在晴天和雨天（6月雨天除外）均表現(xiàn)出不對(duì)稱“單峰型”曲線，雨天日排放通量高于晴天。6月月均日變化規(guī)律異于7—9月，6月晴天和雨天CO2月均日通量最大值分別出現(xiàn)在 11:00（1.16 μmol·m-2·s-1）、20:00（1.92 μmol·m-2·s-1），最小值出現(xiàn)在 22:30（0.80 μmol·m-2·s-1）和 04:30（1.20 μmol·m-2·s-1）。7—9 月晴天和雨天 CO2月均日通量最小值出現(xiàn)在 04:00—06:00，隨后開始迅速上升，13:00—16:00達(dá)到最大值，17:00—19:00開始逐漸下降，夜間維持在較低水平，至凌晨重新達(dá)到最小值，與土壤溫度變化基本一致。

3.3 沙質(zhì)草地生長季CO2排放的生長季動(dòng)態(tài)

土壤CO2生長季排放動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)多峰的波動(dòng)曲線和明顯的生長季變化特征（圖 3）。整個(gè)生長季土壤 CO2排放的日均通量變化范圍為 0.35～2.68 μmol·m-2·s-1，最小值出現(xiàn)在晴天（6 月 8 日），最大值發(fā)生在雨天（7月23日），整個(gè)生長季日均排放通量為 1.26 μmol·m-2·s-1。晴天的 CO2日均通量大小依次為 1.51（7 月）＞1.22（8 月）＞1.00（6 月）＞0.67 μmol·m-2·s-1（9 月），雨天的 CO2日均通量大小依次 1.79（7月）＞1.57（6月）＞1.39（8月）＞0.94 μmol·m-2·s-1（9 月），生長季 CO2排放呈現(xiàn)先增后減的季節(jié)變化，7月顯著高于其他月份（P＜0.05），表明 7月是生長季土壤 CO2排放的高峰期。6—9月雨天的土壤CO2排放分別是晴天的1.57、1.19、1.14、1.40倍，雨天排放均高于晴天，一般而言，發(fā)生降水后土壤CO2排放量驟然升高后又逐漸下降，如6月6日發(fā)生0.5 mm降水后CO2通量由0.39 μmol·m-2·s-1驟升到 3.84 μmol·m-2·s-1，7 月 12 日發(fā)生2.8 mm 降水后 CO2通量由 0.99 μmol·m ·s 驟升到2.67 μmol·m-2·s-1，降水后分別為降水前的 984.6%和269.7%。

圖2 沙質(zhì)草地生長季（6—9月）晴天和雨天土壤CO2通量月平均日動(dòng)態(tài)Fig.2 Monthly average diurnal soil CO2 flux in sunny and rainy days during growing season (June to September) in sandy grassland

圖3 沙質(zhì)草地生長季土壤CO2日均排放變化（a）和土壤CO2月際日均排放變化（b）Fig.3 The changes of daily average soil CO2 emission (a) and the monthly changes of daily average soil CO2 emission (b)in sandy grassland during the growing season

3.4 沙質(zhì)草地生長季 CO2月均日動(dòng)態(tài)與水熱因子的關(guān)系

將晴天和雨天土壤CO2月均日通量、土壤溫度、土壤含水量的對(duì)應(yīng)時(shí)刻值采用偏相關(guān)分析進(jìn)行日動(dòng)態(tài)特征及其影響因素研究（表 2）。CO2月均日通量與溫度（6月晴天除外）、含水量（9月雨天除外）之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。土壤含水量與CO2日排放通量的相關(guān)系數(shù)在晴天和雨天隨著生長季的推進(jìn)先增加后減小，并且CO2日排放通量與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)（8、9月雨天除外）高于土壤溫度，表明隨著生長季的推進(jìn)，晴天土壤含水量對(duì)CO2日排放量的影響逐漸減弱，但是大于土壤溫度對(duì)CO2排放的影響程度，雨天土壤含水量開始對(duì)CO2日排放量的影響出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)，土壤溫度逐漸成為影響CO2日排放量的主導(dǎo)因素。晴天和雨天的土壤溫度與CO2排放的相關(guān)系數(shù)隨著生長季的推進(jìn)而先增大后減小，即土壤溫度在生長季前期對(duì)CO2排放的影響大于生長季后期。7月晴天和雨天的土壤溫度和土壤含水量與CO2排放的相關(guān)系數(shù)明顯高于其他月份，表明7月土壤溫度和土壤含水量對(duì)CO2排放的影響高于其他月份。將晴天和雨天土壤CO2月均日通量、土壤溫度、土壤含水量的對(duì)應(yīng)時(shí)刻值進(jìn)行二元線性回歸分析發(fā)現(xiàn)（表 3），土壤溫度和土壤含水量共同作用可解釋晴天土壤CO2月均日排放的大小依次為95.0%（7月）＞83.6%（6月）＞69.9%（9月）＞64.3%（8月）；可解釋雨天土壤 CO2月均日排放的大小依次為 85.5%（7月）＞77.8%（8月）＞59.8%（9月）＞45.0%（6月），表明晴天土壤溫度和土壤含水量共同作用對(duì)土壤CO2月均日排放的解釋程度明顯高于雨天，且7月土壤溫度和含水量對(duì)土壤CO2月均日排放的作用高于其他月份。

表2 水熱因子與CO2月均日動(dòng)態(tài)的偏相關(guān)分析Table2 The analysis of partial correlation between hydrothermal factor and monthly changes of diurnal dynamic of CO2 monthly changes

表3 沙質(zhì)草地生長季CO2月均日動(dòng)態(tài)通量與土壤含水量、溫度的雙因子線性關(guān)系Table3 The linear relationship between the average daily dynamic flux of CO2 monthly and soil water content and temperature in the growing season of sandy grassland

3.5 沙質(zhì)草地生長季 CO2生長季動(dòng)態(tài)與水熱因子的關(guān)系

整個(gè)生長季內(nèi)，晴天和雨天的土壤CO2排放與土壤溫度、土壤含水量的關(guān)系均符合二次多項(xiàng)式，土壤溫度、土壤含水量對(duì)土壤CO2通量的解釋率出現(xiàn)明顯的時(shí)間尺度和天氣差異（表 4）。生長季晴天和雨天的土壤含水量與土壤CO2通量之間的擬合優(yōu)度顯著高于土壤溫度，土壤含水量、土壤溫度與土壤CO2排放之間r2最高分別為0.636、0.480，其他月份的r2均值分別為0.411、0.089，表明土壤含水量是影響生長季土壤CO2排放的主導(dǎo)因子。土壤CO2排放與土壤溫度和土壤含水量出現(xiàn)明顯的生長季變化，晴天土壤含水量和土壤溫度隨著生長季的變化解釋率先減弱后逐漸增強(qiáng)，雨天土壤含水量隨生長季的變化解釋率先增加后逐漸減小，土壤溫度逐漸增強(qiáng)。二次多項(xiàng)式關(guān)系表明土壤溫度、含水量對(duì)土壤CO2排放出現(xiàn)閾值效應(yīng)，土壤含水量和土壤溫度的閾值分別為4.87%、25.94 ℃，低于閾值時(shí)，增加土壤含水量和土壤溫度，將促進(jìn)土壤CO2排放，高于閾值時(shí)，增加土壤含水量和土壤溫度，將抑制CO2排放。

晴天和雨天土壤CO2通量與土壤溫度、土壤含水量在極顯著水平下（P＜0.01）均符合二元線性關(guān)系，晴天r2為0.533～0.611，土壤溫度和土壤含水量可共同解釋CO2排放的61.1%，擬合效果最好，雨天土壤溫度和土壤含水量對(duì)CO2排放的解釋率隨著季節(jié)的推進(jìn)逐漸增加，最高可達(dá)43.7%，表明土壤溫度和土壤含水量對(duì)土壤CO2通量影響在晴天（r2均值為0.572）比雨天大（r2均值為0.316）（表5）。

表4 沙質(zhì)草地生長季CO2通量與土壤含水量和溫度的關(guān)系Table4 The relationship between CO2 emission flux and soil water content and temperature in sandy grassland during growing season

表5 沙質(zhì)草地生長季CO2通量與土壤含水量、溫度的雙因子線性關(guān)系Table5 Two-factor linear relationship between CO2 flux and soil water content and temperature during the growing season of sandy grassland

4 討論

4.1 沙質(zhì)草地生長季CO2日排放特征及因素分析

了解沙質(zhì)草地土壤CO2在不同時(shí)間尺度上的排放特征，草地碳排放的定量化對(duì)準(zhǔn)確理解全球氣候變化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響至關(guān)重要（Chen et al.，2017），而采用高頻觀測是探討沙質(zhì)草地土壤 CO2排放在不同時(shí)間尺度變化的有效手段之一（鄭永等，2017）。結(jié)果表明，科爾沁沙質(zhì)草地生長季內(nèi)在不同天氣條件下土壤CO2日排放最大值出現(xiàn)在 11:00—16:00，最小值出現(xiàn)在 03:30—06:00，表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱“單峰型”日變化規(guī)律。研究結(jié)果與常宗強(qiáng)等（2007）在祁連山高山草甸、崔海等（2016）在寧夏荒漠草原、張盼弟等（2014）在呼倫貝爾地區(qū)貝加爾針茅草甸草原得出的土壤CO2排放日變化規(guī)律基本一致，表明CO2排放通量日變化規(guī)律與研究區(qū)位置無關(guān)。由于干旱半干旱地區(qū)在長期缺水的狀態(tài)下土壤CO2在短時(shí)間內(nèi)在很大程度上受到降水的影響（陳全勝等，2003a），降水會(huì)導(dǎo)致土壤CO2排放驟增，但降水后逐漸緩慢降低（圖1a），降低的過程中降水對(duì)CO2排放日動(dòng)態(tài)的影響大于其他因素（土壤溫度、含水量等），導(dǎo)致6月晴天和雨天 CO2日排放規(guī)律異于 7—9月。CO2日通量表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱“單峰型”規(guī)律，晝間高于夜間，夜間CO2通量維持在較低水平，其月均日變化規(guī)律與當(dāng)?shù)販囟茸兓疽恢拢@是由于土壤含水量是當(dāng)?shù)叵拗莆⑸锘顒?dòng)、根呼吸活動(dòng)的最主要的環(huán)境因子，晴天一天之內(nèi)土壤含水量及理化性質(zhì)基本不發(fā)生顯著變化，沙質(zhì)土壤物理性質(zhì)導(dǎo)致其土壤溫度容易受大氣溫度的影響，夜間土壤溫度明顯低于晝間，國內(nèi)外研究也得出了相似結(jié)論（Zhou et al.，2014），表明CO2排放規(guī)律在晝夜尺度上主要受當(dāng)?shù)販囟闰?qū)動(dòng)，然而，任何一天的潛在土壤CO2排放都是受土壤含水量的驅(qū)動(dòng)（Wang et al.，2016）。對(duì)CO2月均日通量與土壤溫度和土壤含水量進(jìn)行偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)（表 2），CO2月均日通量與土壤溫度的相關(guān)程度小于土壤含水量，表明月尺度上CO2日排放通量受土壤含水量影響大于土壤溫度，僅在7月晴天和8、9月雨天大于土壤含水量，可能CO2日排放規(guī)律受時(shí)間尺度和天氣的改變導(dǎo)致土壤溫度和含水量改變的影響。目前研究表明，土壤溫度和土壤含水量對(duì)土壤碳排放的影響是相同的，然而就相對(duì)重要性還沒有達(dá)成共識(shí)。Zhang et al.（2017）在內(nèi)蒙古多倫縣草地研究發(fā)現(xiàn)土壤溫度和土壤濕度能夠分別解釋土壤 CO2通量日變化的 73%和74%。土壤溫度和含水量對(duì)土壤呼吸的影響地區(qū)差異很大（Peri et al.，2015；Sharkhuu et al.，2016）。本研究表明，科爾沁沙質(zhì)草地生長季土壤溫度和土壤含水量對(duì)土壤 CO2排放共同作用的解釋率可達(dá)95.0%（表3），表明土壤溫度和土壤含水量的協(xié)同效應(yīng)能夠更好地解釋土壤CO2排放的日動(dòng)態(tài)特征，這與Yang et al.（2017）的結(jié)果基本一致。

4.2 沙質(zhì)草地生長季 CO2生長季排放特征及因素分析

土壤CO2排放過程主要包括土壤微生物呼吸、土壤動(dòng)物呼吸和植物根系呼吸的生物過程以及礦化作用的非生物過程而產(chǎn)生 CO2，研究表明，土壤呼吸受到多種因素的影響，主要包括生物因子（植被類型、生物量、土壤凋落物、土壤微生物、土壤動(dòng)物）和非生物因子（降水、土壤溫度、土壤水分、土壤養(yǎng)分和土壤有機(jī)質(zhì)等）的影響（王新源等，2012；Zhang et al.，2017）。研究表明，在整個(gè)生長季尺度上，CO2日平均排放通量呈現(xiàn)不規(guī)律的波動(dòng)曲線（圖3a），不連續(xù)降水是導(dǎo)致生長季CO2日平均排放通量不規(guī)律波動(dòng)的關(guān)鍵因子，降水是干旱半干旱地區(qū)生長季重要的外界擾動(dòng)因子，生長季CO2排放的變化與降水事件的擾動(dòng)密切相關(guān)（Raich et al.，2010），生長季CO2排放差異與降水時(shí)間（Jia et al.，2012）、降水頻率和降水強(qiáng)度（王旭等，2013）密切相關(guān)。雨天CO2日平均通量比晴天高，一方面由于在干旱半干旱地區(qū)陣發(fā)式降雨能夠強(qiáng)烈激發(fā)土壤中CO2的釋放（圖1a、圖1b），晴天土壤含水量處于較低水平，土壤空隙中存在大量的空氣和 CO2，降水時(shí)水分取代了土壤中空氣和CO2占據(jù)的位置，導(dǎo)致出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)土壤CO2排放通量陡增的現(xiàn)象，引起“激發(fā)效應(yīng)”（王旭等，2013；Liu et al.，2017；Miao et al.，2017）；另一方面，對(duì)干旱和半干旱土壤來講，降水事件改變了土壤含水量和溫度，使干旱地區(qū)土壤中微生物數(shù)量增加和活性增強(qiáng)，促進(jìn)了微生物和植物根系呼吸活動(dòng)，從而導(dǎo)致CO2排放增加（陳全勝等，2003a）。

準(zhǔn)確了解CO2通量在整個(gè)生長季的排放特征，將有利于估算整個(gè)生長季 CO2排放的情況。在生長季尺度上，沙質(zhì)草地土壤 CO2日平均排放通量在晴天和雨天呈現(xiàn)顯著（P＜0.05）的月際差異，CO2日平均排放通量7月顯著高于其他月份，9月顯著低于其他月份（圖 3b）。7月是該地區(qū)植被生長的旺盛時(shí)期，植被對(duì)水分和溫度的利用最強(qiáng)烈，植被根系呼吸活動(dòng)增加導(dǎo)致CO2排放增加，晴天和雨天含水量適宜的情況下，適宜高溫導(dǎo)致土壤微生物分解地上凋落物活性增加，促進(jìn)CO2排放。9月CO2通量顯著低于其他月份，其原因可能是含水量過高，從而抑制了CO2的排放，也可能CO2排放受溫度影響較顯著（陳全勝等，2003b），本研究結(jié)果表明土壤溫度與 CO2通量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（表 2），溫度降低導(dǎo)致土壤微生物對(duì)凋落物的分解作用下降，根呼吸作用亦減弱，CO2排放減少（陳全勝等，2004）。

土壤溫度和含水量是影響 CO2排放的兩個(gè)重要環(huán)境因子（陳全勝等，2003b；王風(fēng)玉等，2003；谷蕊等，2015；Wang et al.，2017），也是植物生長、發(fā)育和生物量形成過程的主要驅(qū)動(dòng)因子（白煒等，2011），土壤溫度影響植物呼吸和微生物活性，土壤含水量則是植物和微生物活動(dòng)的重要保障。將晴天和雨天土壤溫度和土壤含水量分別與土壤CO2進(jìn)行一元線性、指數(shù)、冪函數(shù)、二次多項(xiàng)式回歸分析，結(jié)果表明，土壤溫度和土壤含水量均與土壤CO2通量之間符合二次多項(xiàng)式，擬合優(yōu)度（r2）在極顯著（P＜0.01）條件下高于其他回歸方程，這與崔海等（2016）對(duì)寧夏荒漠草原的研究結(jié)果基本一致。研究時(shí)段內(nèi)土壤含水量對(duì)CO2排放的解釋率均高于土壤溫度（表3），一方面由于該地區(qū)沙質(zhì)土壤保水性較差，蒸發(fā)量大，導(dǎo)致土壤水分容易散失，該地區(qū)土壤含水量處于較低水平，這與陳全勝等（2003b）在錫林河流域研究結(jié)果一致；另一方面，Wang et al.（2016）在內(nèi)蒙古錫林河流域2011年干生長季（降雨量 226.7 mm）研究發(fā)現(xiàn)，土壤CO2排放與季節(jié)降水的年際變化表現(xiàn)出相同的變化，作為一種生存策略，高土壤含水量促進(jìn)植物生長，植物的地下部分將分配更多的碳，以最大限度地發(fā)揮其在水資源有限的生態(tài)系統(tǒng)中吸收水和營養(yǎng)的能力，為根系活動(dòng)和呼吸提供更多的碳底物，這與Sharkhuu et al.（2016）在北蒙古、Liu et al.（2009）在中國北方溫帶草原的研究結(jié)果基本一致。因此，在干旱半干旱地區(qū)土壤含水量是取代土壤溫度成為限制CO2排放的關(guān)鍵因子。二次多項(xiàng)式回歸分析表明，土壤含水量和土壤溫度對(duì)CO2排放量的解釋率分別為63.6%和48.0%，土壤含水量和土壤溫度出現(xiàn)閾值效應(yīng)，土壤含水量和土壤溫度閾值分別為4.87%和25.94 ℃，因?yàn)橥寥罍囟扰c植物、微生物及酶活性密切相關(guān)，土壤溫度低于閾值時(shí)，升溫將導(dǎo)致植物呼吸活動(dòng)增加、促進(jìn)微生物活性和酶活性，導(dǎo)致表層有機(jī)質(zhì)分解增加，促進(jìn)CO2排放，反之，抑制CO2排放，土壤含水量低于閾值時(shí)，缺水狀態(tài)下很難滿足植物根系和微生物活動(dòng)所必須的生存條件，土壤含水量增加將促進(jìn)植物根系和微生物活動(dòng)，導(dǎo)致CO2排放增加，當(dāng)含水量高于閾值時(shí)，土壤中含水量過高，將不利于植物根系和微生物有氧呼吸活動(dòng)，導(dǎo)致CO2排放減小。土壤溫度和土壤含水量對(duì)土壤 CO2排放的協(xié)同作用對(duì)日排放的解釋率可達(dá)95.0%，但對(duì)整個(gè)生長季的解釋僅僅61.1%，一方面土壤CO2日排放對(duì)土壤溫度和含水量響應(yīng)敏感，另一方面土壤 CO2季節(jié)排放受生物量、植被物候等影響。為了更準(zhǔn)確地估算土壤CO2季節(jié)排放量，需要進(jìn)一步考慮生物量、植被物候?qū)O2排放的影響。

5 結(jié)論

（1）科爾沁沙質(zhì)草地生長季（6—9月）土壤CO2月平均日排放規(guī)律呈不對(duì)稱“單峰型”曲線，04:00—06:00出現(xiàn)最低值，07:00—11:00開始升高，11:00—16:00出現(xiàn)最高值，16:00—19：00開始下降。從日尺度上看，晴天和雨天的月平均日排放規(guī)律變化規(guī)律基本一致，主要受日土壤溫度變化驅(qū)動(dòng)，但其排放大小在雨天和雨天表現(xiàn)出明顯的差異，雨天大于晴天。降水是擾動(dòng)沙質(zhì)草地生長季土壤CO2排放的關(guān)鍵因子。

（2）科爾沁沙質(zhì)草地生長季（6—9月）土壤CO2日排放表現(xiàn)出明顯的生長季變化，土壤CO2排放的高峰期和低峰期分別出現(xiàn)在7月和9月，從生長季尺度上看，晴天和雨天的月平均日排放通量表現(xiàn)出明顯的天氣差異，雨天土壤CO2排放通量大于晴天。

（3）科爾沁沙質(zhì)草地生長季（6—9月）土壤含水量和土壤溫度與土壤 CO2排放關(guān)系存在尺度效應(yīng)。在日尺度上，7月晴天和雨天的土壤含水量和土壤溫度與土壤CO2月平均日排放量存在正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），且相關(guān)系數(shù)高于其他月份。晴天和雨天土壤含水量和土壤溫度的協(xié)同作用可解釋土壤CO2日排放的大部分變異。在生長季尺度上，土壤含水量和土壤溫度與土壤CO2排放均符合二次多項(xiàng)式關(guān)系。土壤含水量和土壤溫度出現(xiàn)閾值，土壤含水量和土壤溫度閾值分別為4.87%和25.94 ℃，當(dāng)土壤含水量低于4.87%、土壤溫度低于25.94 ℃時(shí)，土壤CO2排放量隨土壤含水量、土壤溫度的增加而增加。無論晴天還是雨天，日尺度上土壤含水量和土壤溫度的協(xié)同作用對(duì)土壤CO2排放的解釋均高于生長季尺度。

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