5種不同植被下的土壤呼吸特征及其影響因素

曹詩瑜　郭全恩　南麗麗　劉海建　康發云

摘要：土壤呼吸速率是反映陸地生態系統功能的重要指標之一。采用土壤碳通量測量系統LI-8100A 對甘肅省玉門鎮飲馬農場5種不同植被類型土壤（裸地、葵花、小麥、孜然、茴香）呼吸速率、空氣濕度、土壤溫度、水分等影響因素的日動態變化規律進行了監測，分析了不同植被類型土壤呼吸速率的日變化特征及與環境因素的相關關系。結果表明，不同植被類型土壤呼吸速率明顯不同，5種植被類型土壤呼吸速率的日平均值大小順序為：茴香[7.710±1.705 μmol/（m2·s） ]> 小麥[5.266±0.953 μmol/（m2·s）] > 葵花[5.237±0.568 μmol/（m2·s） ]> 孜然[3.504±0.431 μmol/（m2·s）] > 荒地[2.567±0.666 μmol/（m2·s）] 。對于有植被覆蓋的地塊，土壤呼吸速率的日變化呈現先減小，后逐漸增大，在13：00 — 15：00時達到峰值，隨后逐漸減小的趨勢，大致呈“S”型曲線；而對于裸地，土壤呼吸速率的日變化呈現先增大后逐漸減小的趨勢，大致呈“M”型或倒“V”型。

關鍵詞：植被；土壤呼吸；影響因素

中圖分類號：S154.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2018）11-0032-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2018.11.010

Soil Respiration Characteristics of 5 Different Vegetation Types and Its Influence Factors

CAO Shiyu 1， GUO Quanen 1， NAN Lili 2， LIU Haijian 3， KANG Fayun 4

（1.Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China； 2. College of Pratacultural， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China； 3.Yumen Agricultural Technology Extension Center， Yumen Gansu 735211， China； 4.Yongjing Agricultural Technology Extension Center， Yongjing Gansu 731600， China）

Abstract：The soil respiration rate is one of the important indices for terrestrial ecosystem. This paper studied the dynamic variation of soil respiration rate， air relative humidity， soil temperature and soil moisture under different vegetation condition （wasteland， sunflower， wheat， cumin， aniseed） by soil carbon flux measurement system （LI-8100A） in Yinma farm of Yumen County of Gansu province in July 2012， and the correlation between the change of the soil respiration rate and the environment factors. The result indicated that there were significant differences in soil respiration among the various vegetation types， and the soil respiration rate of different vegetation were in the sequence of aniseed（7.710±1.705 μmol/m2·s） > wheat（5.266±0.953 μmol/m2·s > sunflower（5.237±0.568 μmol/m2·s） > cumin（3.504±0.431 μmol/m2·s）>wasteland（2.567±0.666 μmol/m2·s）. The diurnal variation of soil respiration rate under vegetation cover presented a decrease with time， and then increased， and the maximum value of soil respiration rate appeared at 13：00 — 15：00 pm， and then decreased. The daily variation of soil respiration rate can be described approximately as curve of “S”； The diurnal variation of soil respiration rate under uncovered land presented a increase with time， and then decreased， the daily variation of soil respiration rate can be described approximately as curve of “M” or an inverted“V”.

Key words：Vegetation；Soil respiration；Influence factors

土壤呼吸是指土壤產生CO2的過程，它包括植物根系呼吸、土壤動物呼吸、土壤微生物呼吸和含碳物質的化學氧化作用等生物學和非生物學部分[1 ]，它是陸地生態系統碳循環的一個重要環節。土壤通過呼吸作用排放到大氣中的CO2高達68～100 Pg C/a[2 ]，約占大氣中CO2總量的1/10，而因燃燒化石燃料排放到大氣的CO2約為5 Pg C/a，不到前者的10%[3 ] 。因此，土壤呼吸對全球氣候變化和碳循環產生著重大影響。

土壤呼吸不僅受生物因素影響，而且還受環境因素（土壤水分、溫度、氣候等）的影響。近年來在土壤呼吸方面國內外已有大量報道。劉四義等[4 ]研究了玉米和大豆秸稈還田對黑土呼吸速率的影響。李琳等[5 ]研究了華北平原不同耕作措施下冬小麥生育期農田CO2排放速率，表現為翻耕 > 旋耕 > 免耕。陳全勝等[6 ]報道指出，在濕潤生態系統，降水對土壤呼吸會產生比較明顯的抑制現象，而在干旱的生態系統，降水會強烈地激發土壤呼吸。謝靜霞等[7 ]研究認為，農田土壤CO2通量遠高于鹽生荒漠。林麗莎等[8 ]報道，土壤CO2排放通量與5 cm土層溫度和0～20 cm土層的平均含水量（體積比）呈顯著正相關。王豐川等[9 ]研究認為，蘆葦、檉柳、堿蓬3種植物群落土壤呼吸速率日變化曲線都呈單峰形式。黃斌等[10 ] 研究認為，農田CO2釋放主要受有機物投入量、土壤水分和氣溫等因素的影響。然而，有關不同植被對土壤呼吸特征的影響還鮮見報道。我們開展不同植被土壤呼吸特征及其影響因素的研究，旨在為全球環境變化和碳循環研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省河西走廊西端疏勒河流域的玉門市飲馬農場，多年平均年降水量47～63 mm，年蒸發量2 897～3 042 mm，年平均氣溫6.9～8.8 ℃，屬典型的內陸干旱性氣候。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理，分別為Ⅰ未種植荒地，（CK）、Ⅱ（葵花）、Ⅲ（小麥）、Ⅳ（孜然）、Ⅴ（茴香）。試驗隨機區組排列，3次重復，共15個小區，小區面積20 m2。在作物旺盛生長期用土壤碳通量儀測定各處理下的土壤呼吸速率的日變化（每隔1～2 h測定1次，每個監測點共測定7次），每個樣地選取3個監測點作為3次重復，每個監測點每次測定4個觀察值。

1.3 土壤呼吸速率及環境因子的測定

于2012年7月7日，采用土壤碳通量測量系統LI-8100A紅外氣體分析儀（IR-GA）在田間原位測定5個處理下的土壤呼吸速率日變化[11 ]。從 9：00時開始至18：00時結束，每間隔1～2 h測定1次土壤呼吸速率。同時用LI-8100A儀器攜帶探頭自動監測大氣濕度、土壤溫度和土水分。

1.4 數據分析

應用SPSS 20.0統計軟件對土壤呼吸速率描述性統計，用Microsoft Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被下土壤呼吸速率的描述性統計

由表1可知，茴香地土壤呼吸速率日平均值最大，為（7.710±1.705） μmol/（m2·s）；其次是小麥、葵花和孜然，土壤呼吸速率日平均值從大到小依次為（5.266±0.953） μmol/（m2·s）、（5.237±0.568） μmol/（m2·s）和（3.504±0.431） μmol/（m2·s）；荒地土壤呼吸速率最小，為（2.567±0.666） μmol/（m2·s）。 在5個處理中，土壤呼吸速率的日平均值從大到小依次為：茴香、 小麥、葵花、孜然、荒地，這說明土壤呼吸速率與地上植被類型有關。

2.2 不同植被土壤呼吸速率的日變化

從圖1可以看出，不同植被土壤呼吸速率日變化曲線各不相同，且峰值出現的時間也不一致。總體上各處理土壤呼吸速率從大到小依次為：茴香、小麥、葵花、孜然、荒地。對于有植被覆蓋的地塊，土壤呼吸速率的日變化呈現先減小（9：00 —10：00時）后逐漸增大（10：00 — 15：00時），13：00 — 15：00時達到峰值，然后再減小的趨勢，在18：00時呼吸速率最小，基本呈現“S”型曲線。而對于荒地和小麥地，土壤呼吸速率的日變化呈現先增大后逐漸減小的趨勢，基本呈現“M”型或倒“V”型。這是由于觀測期大氣溫度日變化幅度大，14：00時溫度達到最高、植物的光合作用最強、根系的呼吸代謝旺盛，故土壤呼吸速率在此時段也達到峰值。18：00時空氣濕度較大、地表溫度較低、根系活動和呼吸作用較弱，因此土壤呼吸速率較低。

2.3 不同植被群落環境因子的日動態變化規律 2.3.1 大氣濕度 由圖2A可知，各處理下的大氣濕度從大到小依次為：孜然、茴香、葵花、小麥、荒地。從日變化的趨勢來看，孜然和茴香地的近地面大氣濕度的日變化趨勢基本呈現波浪型，而荒地、葵花和小麥地的近地面大氣濕度的日變化趨勢基本呈現“V”型，在13：00時最小，且小麥地和荒地的近地面大氣濕度的日變化幅度要大于葵花田。

2.3.2 土壤溫度 由圖2B可以明顯看出，在相同時段，荒地土壤溫度最高，其次是葵花和小麥地，茴香和孜然地土壤溫度最低。從日變化峰值來看，各植被下均在9：00 時左右土壤溫度最低，在15：00時土壤溫度最高，之后基本呈現下降趨勢。總體而言，土溫變化為：荒地 > 葵花 > 小麥 > 茴香 > 孜然。

2.3.3 土壤水分含量 從圖2C可以看出，5個處理的土壤濕度日變化趨勢不太一致：荒地與孜然地的土壤水分變化不是很明顯；小麥地的土壤水分含量大致呈現出先減小后增大的變化趨勢，在13：00時左右達到最小；而葵花地和茴香地土壤水分的變化幅度相對較大，且沒有明顯的變化規律。總的來說，土壤水分含量荒地 > 孜然 > 茴香 > 小麥 > 葵花。

2.4 土壤呼吸速率與環境因子關系分析

土壤呼吸速率與環境因子（空氣相對濕度、土壤溫度、土壤含水量）的相關關系見圖3。從圖3可以看出，土壤呼吸速率與大氣濕度的相關系數從大到小依次為葵花（0.127）、 孜然（0.036）、 小麥（0.027）、 茴香（0.011）、 荒地（0.010）。且荒地與孜然處理的土壤呼吸速率與大氣濕度呈正相關，而葵花、小麥、茴香3個處理的土壤呼吸速率與大氣濕度呈負相關。不同處理下土壤呼吸速率與土壤含水量的相關性是：葵花的相關系數最大（0.652），孜然群落的次之（0.373），茴香的最小（0.011）。且荒地、葵花、小麥3個處理下土壤呼吸速率均與土壤水分含量呈現正相關，而孜然與茴香地土壤呼吸速率與土壤水分含量呈現負相關。葵花的土壤呼吸速率與土壤溫度相關系數最大（0.652），茴香的最小（0.011）。

3 結論與討論

5種植被下的土壤日平均呼吸速率從大到小依次為：茴香（7.710±1.705） μmol/（m2·s）、小麥（5.266±0.953） μmol/（m2·s）、葵花（5.237±0.568） μmol/（m2·s）、孜然（3.504±0.431） μmol/（m2·s）、荒地（2.5672.567±0.666） μmol/（m2·s）。5種植被下土壤呼吸速率日變化曲線各不相同，且峰值出現的時間也不一致。對于有植被覆蓋的地塊，土壤呼吸速率的日變化呈現先減小（在9：00 — 10：00時），后逐漸增大（在10：00 —15：00時），在13：00時—15：00時達到峰值，再減小的趨勢，在18：00時呼吸速率最小，基本呈現“S”型曲線；而對于荒地和小麥地，土壤呼吸速率的日變化呈現先增大后逐漸減小的趨勢，基本呈現“M”型或倒“V”型。

不同植被條件下，環境因子對土壤呼吸的影響不同。荒地的土壤呼吸速率與土壤溫度、水分含量、空氣濕度呈現正相關；葵花和小麥地的土壤呼吸速率與空氣濕度呈負相關，與土壤溫度、水分含量呈現正相關；孜然地的土壤呼吸速率與空氣濕度呈正相關，與土壤溫度、水分含量呈現負相關；茴香地的土壤呼吸速率與空氣濕度、土壤溫度、水分含量均呈現負相關。影響土壤呼吸的因素很多，例如土壤溫度、濕度、質地、有機質含量、土地利用、施肥、作物品種、土壤生物等 [12 ]。因此，影響土壤呼吸的各項因素之間并不是孤立的，而是相互也有影響[12 ]。

5種植被中茴香地的土壤呼吸速率的日變化明顯高于其他植被，這主要是由于在7月下旬茴香正處于旺盛生長的花期，根系呼吸作用較強所致。其次，小麥和葵花地塊土壤呼吸速率較高，且二者相比，盡管葵花處于現蕾期，而小麥處于成熟期，但小麥地塊土壤呼吸速率略高于葵花地塊，這主要是由于小麥屬于單子葉植物須根系，根系活力較強，而葵花屬于雙子葉植物直根系，根系活力不及小麥。孜然地的土壤呼吸速率較低，其原因是孜然本身根系較淺，且孜然處于成熟期根系生長趨于停止，根系對土壤呼吸的貢獻減弱所致。而裸地土壤呼吸速率最低，這主要是由于荒地土壤植物根系和微生物數量較少所致。

土壤溫度和水分是土壤呼吸最重要的影響因素 [13 - 16 ]。本研究發現，水熱環境因子與土壤呼吸速率之間存在著弱的線性相關關系。從相關系數來看，葵花地的土壤溫度與土壤呼吸速率的相關性最好，土壤水分對土壤呼吸速率也有較大影響；茴香地的土壤呼吸速率與土壤水分的相關性最差，土壤溫度對該處理土壤呼吸速率貢獻較大。孜然地土壤水分充足，水分對土壤呼吸的影響往往被溫度的影響所遮蓋[17 ]。綜上所述，茴香地土壤呼吸速率受大氣濕度的影響較大，其他處理土壤呼吸速率受空氣濕度、土壤溫度、土壤水分的共同影響；溫度與濕度是影響土壤呼吸最主要的因素，它們共同對土壤呼吸起作用，土壤呼吸的大部分變化可由溫度和濕度的共同作用來解釋[18 ]。這也說明不同植被生長顯著地改變了土壤呼吸速率與水熱環境因子的關系。

參考文獻：

[1] SINGH J S，GUPTA S R. Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J]. The Botanical Review.，1977，43：449-528.

[2] RAICH J W，SCHLESINGER W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J]. Tellus，1992，44（B）：81-99.

[3] RAICH J W. POTTER C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J]. Global Biochemical Cycles，1995，9（1）：23-26.

[4] 劉四義，賈淑霞，張曉平，等. 玉米和大豆秸稈還田對黑土微生物量及呼吸的影響[J]. 土壤與作物，2014，

3（3）：105-111.

[5] 李 琳，張海林，陳 阜，等. 不同耕作措施下冬小麥生長季農田二氧化碳排放通量及其與土壤溫度的關系[J]. 應用生態學報， 2007，18（12）：2765-2770.

[6] 陳全勝，李凌浩，韓興國，等. 水分對土壤呼吸的影響及機理[J]. 生態學報，2003，23（5）：972-978.

[7] 謝靜霞，翟翠霞，李 彥. 鹽生荒漠與綠洲農田土壤CO2通量的對比研究[J]. 自然科學進展，2008，18（3）：

262-268.

[8] 林麗莎，韓士杰，王淼，等. 溫度與土壤含水量對闊葉紅松林土壤呼吸影響[J]. 遼寧工程技術大學學報，2006，25（2）：297-300.

[9] 王豐川，劉加珍，陳永金. 黃河三角洲濕地土壤呼吸及其環境因子分析[J]. 人民黃河，2013，35（1）：81-84.

[10] 黃 斌，王敬國，龔元石，等. 冬小麥夏玉米農田土壤呼吸與碳平衡的研究[J]. 農業環境科學學報， 2006，25（1）：156-160.

[11] 郭全恩，李保國，南麗麗，等. 疏勒河流域綠洲荒漠過渡帶土壤呼吸特征及其影響因素[J]. 生態環境學報，2016，25（6）：934-938.

[12] 張 賽，羅海秀，王龍昌，等. 保護性耕作下大豆農田土壤呼吸及影響因素分析[J]. 中國生態農業學報，2013，21（8）：913-920.

[13] 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.

[14] 戴萬宏，王益權，黃 耀，等. 農田生態系統土壤 CO2釋放研究[J]. 西北農林科技大學學報：自然科學版，2004，32（12）：1-7.

[15] 鄭聚鋒，張旭輝，潘根興，等. 水稻土基底呼吸與 CO2排放強度的日動態及長期不同施肥下的變化[J]. 植物營養與肥料學報，2006，12（4）：485-494.

[16] 朱詠莉，吳金水，童成立，等. 稻田 CO2通量對光強和溫度變化的響應特征[J]. 環境科學，2008，29（4）： 1040-1044.

[17] 王世言，楊永興，楊 波. 三江平原典型濕地土壤溫度變化及其影響因子分析[J]. 地理研究，2003，

22（3）：389-396.

[18] 李兆富，呂憲國，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.

（本文責編：楊 杰）