海拉爾地區苜蓿栽培草地土壤呼吸特性研究

徐麗君,辛曉平,郭明英,楊桂霞

（1.農業部資源遙感與數字農業重點開放實驗室呼倫貝爾國家野外站中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京 100081；2.內蒙古農業大學,內蒙古呼和浩特 010019）

土壤呼吸是土壤中包括微生物、無脊椎動物和植物根系呼吸以及土壤碳物質化學氧化過程在內的所有代謝過程。土壤通過呼吸作用向大氣釋放的CO2,是陸地碳收支中最大的通量[1-2],約占全球CO2交換量的25%。土壤呼吸作為全球碳循環中的一個重要轉化環節[3],其釋放CO2的過程是在土壤物理、化學和生物等多種因素綜合作用下完成的[4-5]。因此,土壤呼吸易受諸如土壤溫度、土壤濕度、土壤有機質、土壤理化性質、植被類型、凈生態系統生產力、地上和地下生物量的分配、種群和群落的相互作用和人類干擾等[6-8]等多種因素的共同影響。近些年來,國內外對不同區域森林、農田、草地和濕地土壤呼吸的強度、時間和空間變化格局、影響因素等方面[9]進行了大量的研究,并取得了一定的成果。但有關我國北方草地土壤呼吸,尤其是栽培草地土壤呼吸狀況的研究報道較少。同時,由于觀測方法的不統一[10],觀測時間較短,特別是有關土壤呼吸日、季動態變化及其影響因子的長期觀測資料較少,而且不同草地利用年限對土壤呼吸的影響不同,這些都限制了對栽培草地土壤呼吸的了解。

呼倫貝爾草原是我國目前保存最為完整的草原之一,具有獨特的地理位置特征、典型的生態系統特征和先進的草原畜牧業生產經營方式,是我國北方草原區重要的農、牧業生產基地[11-12]。但是自20世紀80年代以來,在經濟發展和人口增加的雙重壓力下,呼倫貝爾草原的農田、城鎮面積迅速增加,草原退化趨勢嚴峻,植被生產力下降明顯,這對大力發展畜牧業的海拉爾市的經濟發展提出了嚴峻的考驗,為保證畜牧業健康良好的發展,確保飼草料供應充足,栽培草地扮演著重要角色。土壤呼吸作用的強弱是反映草地健康發育與否的一項重要指標,是衡量、預測草地生產力的重要因子。本試驗通過對不同苜蓿品種栽培草地土壤呼吸作用進行日動態野外全程觀測,研究分析土壤呼吸日變化及其與植株根系、土壤溫度、大氣溫度和土壤含水量等因素的響應,為預測栽培草地生產力動態變化、建立栽培草地土壤呼吸模型、栽培草地合理利用和健康管理模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況試驗地選在呼倫貝爾國家野外站（內蒙古海拉爾市謝爾塔拉鎮）,研究區域內水熱條件較好,屬于溫帶大陸性氣候,海拉爾河與伊敏河交匯于此,水資源豐富,無霜期一般為110 d左右,年平均氣溫-2℃,土壤以黑鈣土為主,區域內耕地開墾面積較大,主要土地類型有城鎮、農田、草原、沙地、水域5類。

1.2 研究對象選擇生長2年的黃花苜蓿（Medicago falcata）、雜花苜蓿（M.varia）、肇東苜蓿（M.sativacv.Zhaodong）、龍牧 801（M.sativacv.Longmu801）的栽培草地為研究對象。種植采用條播,行距為40 cm,播量均為7.5 kg/hm2。

1.3 研究方法

1.3.1樣地設置 在每個苜蓿草地內按“梅花型”設置5個50 cm×50 cm的樣方作為土壤呼吸速率測定點。

1.3.2土壤呼吸測定 土壤呼吸速率測定采用動態密閉氣室紅外CO2分析法（IRGA）,測定儀器為自動便攜式 Li-6400。每次測定時,提前24 h將測定基座嵌入土壤中,每塊樣方安放5個基座（直徑）為10 cm、高10 cm的不銹鋼圓形筒,嵌入地表平均深度約10 cm。將基座內的綠色植物齊地剪掉,但應盡可能不擾動地表的凋落物。經過24 h平衡后,土壤呼吸速率會恢復到基座放置前的水平,從而避免因安置氣室對土壤擾動造成的短期內呼吸速率波動。測量時土壤呼吸室需要盡量接近土壤表面,以使土壤呼吸室內的氣流能夠充分與表面氣體混和。試驗選擇在2009年7月末進行,天氣晴朗,試驗連續進行5 d,每個測定日6:00-18:00,每隔2 h測定一次,連續測定12 h,求其算術平均值。

1.3.3土壤含水量與土壤溫度的測定 在進行土壤呼吸測定的同時,使用土壤水分快速測定儀測定0～5 cm土層的含水量,在樣地中埋入曲管地溫計（5 cm）,測定土壤溫度變化。

1.3.4植物根系形態指標測定 將進行土壤呼吸試驗的植株在測定土壤呼吸后挖出,去除土壤,洗凈。對根系的各項指標根頸直徑、根系長度、根系寬度、根系的集中分布部位進行測定。

1.3.5統計分析 數據采用EXECL、SAS8.0軟件,進行LSD檢驗和方差分析,設P＜0.05時差異顯著,P＜0.01時差異極顯著,采用相關分析研究土壤呼吸速率與土壤溫度、大氣溫度及土壤含水量之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同苜蓿品種土壤溫度日動態變化不同苜蓿品種栽培草地土壤溫度日動態變化規律存在一定的差異性,即部分呈“雙峰”型,部分呈“單峰”型（圖1）。肇東苜蓿草地土壤溫度日動態規律較明顯,呈明顯的雙峰型,高峰值分別出現在8:00和14:00；黃花苜蓿、雜花苜蓿和龍牧801土溫日動態變化均呈“單峰”型,最大值分別出現在14:00、10:00和12:00。肇東苜蓿栽培草地0～5 cm平均土溫最高。

圖1 不同苜蓿品種栽培草地土壤溫度日動態變化

2.2 苜蓿草地土壤原位呼吸變化測定苜蓿草地土壤呼吸的日動態變化,結果表明不同苜蓿品種草地的土壤呼吸在12 h內的波動幅度較大,基本呈“雙峰”型,黃花苜蓿與龍牧801規律一致,土壤呼吸速率出現多峰型,最大值分別出現在6:00、10:00和16:00,其余2種均呈“雙峰”型,雜花苜蓿和肇東苜蓿第1峰值分別出現在8:00和6:00,第2峰值均出現在16:00。綜合比較4種苜蓿栽培草地土壤呼吸速率數值的大小,結果顯示,肇東苜蓿＞黃花苜蓿、雜花苜蓿＞龍牧801（圖2）。

2.3 不同苜蓿品種根系形態特征由表1可以看出,不同苜蓿品種,根系形態指標存在顯著差異（P＜0.05）。雜花苜蓿的根頸直徑最大,達0.57 cm,龍牧801最小,為0.43 cm,各品種間根頸直徑差異不顯著（P＞0.05）；龍牧801的根系長度最大,黃花苜蓿相對較小,品種間存在顯著差異（P＜0.05）；龍牧801的根系寬度低于20 cm,其余3個品種均在21 cm以上,品種間存在顯著差異（P＜0.05）；4種苜蓿根系在土壤中集中分布部位介于0～60 cm。

圖2 不同苜蓿品種栽培草地土壤呼吸速率日動態變化

表1 不同苜蓿品種根系形態特征 cm

2.4 土壤原位呼吸速率與根系形態指標間相關分析苜蓿草地土壤呼吸速率與根系形態指標間存在顯著線性正相關,其中土壤呼吸速率與苜蓿根系長度極顯著正相關（r=0.944,P＜0.01）,與根頸直徑（r=0.661,P＜0.05）和根系寬度（r=0.573,P＜0.05）存在顯著正相關關系（圖3）。

2.5 土壤原位呼吸速率與土壤溫度、土壤含水量的關系

2.5.1土壤溫度 經分析,不同苜蓿品種栽培草地土壤原位呼吸速率（y1）與5 cm處土溫（x1）均表現出y1=ax1+b的線性關系（a和b均為常數）,且土壤原位呼吸速率與5 cm處土溫呈正相關,即土壤溫度越高土壤原位呼吸速率越大。其中龍牧801草地土壤原位呼吸速率與土溫相關系數較小,其余4種相關系數均在0.7以上（表2）。

2.5.2土壤含水量 土壤水分對土壤呼吸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。分析表明（表3）,地表0～5 cm土壤含水量（x2）和土壤呼吸速率（y2）符合y2=ax2+b的關系式。由表2可以看出,除龍牧801草地外,其他3種栽培草地土壤呼吸速率與0～5 cm土壤含水量呈顯著（P＜0.05）負相關。

圖3 土壤呼吸速率與根系形態指標相關分析

表2 不同苜蓿品種栽培草地土壤呼吸速率與土壤溫度相關分析

表3 不同苜蓿品種栽培草地土壤呼吸速率與土壤含水量相關分析

2.6 土壤原位呼吸速率與大氣溫度關系分析大氣溫度對草地土壤呼吸速率的影響,結果顯示（表4）,不同苜蓿品種栽培草地土壤原位呼吸速率（y3）與大氣溫度（x3）均表現出顯著的一元二次函數關系y3=ax32+bx3+c（a、b和c均為常數）,且土壤原位呼吸速率與大氣溫度呈指數正相關,即大氣溫度越高土壤原位呼吸速率越大。

表4 不同苜蓿品種栽培草地土壤呼吸速率與氣溫相關分析

3 討論

3.1 土壤呼吸速率日動態對不同土壤類型、不同植被土壤的日動態,國內外許多學者已經作了大量研究,通過對全天動態變化的觀測,土壤總呼吸速率的日變化均呈單峰型,峰值一般出現在12:00～14:00[12-13]。但是不同類型和植被覆蓋的土壤,其呼吸速率又有著一定的差異。崔驍勇等[14]對內蒙古錫林河流域羊草（Leymus chinensis）-冷蒿（Artemisia f rigida）群落土壤呼吸日動態的研究發現,土壤呼吸速率最大值與最小值之間相差5倍,高峰值一般出現在13:00～17:00,最低值出現在2:00～4:00。楊晶等[15]認為植物群落土壤呼吸最大值出現在13:00～15:00,最小值一般出現在3:00～5:00,與溫度的晝夜變化基本一致。

本研究中不同苜蓿草地土壤呼吸最大值分別出現在 6:00～8:00和16:00左右,與徐麗君等[16]研究結果不一致。土壤生態環境十分復雜,土壤呼吸包括了土壤微生物、土壤動物和植物根系呼吸3個部分[15],影響這些因素的主導環境因子有時并不相同,任何一種呼吸過程的改變都會使土壤呼吸速率發生變化。本試驗測量時間在7月末,試驗地點選在呼倫貝爾國家野外站（海拉爾市謝爾塔拉鎮）,測定的時間、地點及當地的氣候條件均與徐麗君等[16]研究條件不一樣,苜蓿品種也不同,這都有可能影響到測定結果。同時,土壤理化性質、土壤養分狀況及微生物活性都與其試驗地的條件存在差異,可能是導致研究結果不同的原因。

3.2土壤呼吸速率和根系、土壤溫度及土壤含水量之間關系土壤呼吸反映土壤的微生物活性和土壤物質代謝的強度[20-21]。在影響土壤呼吸的眾多因素中,溫度和土壤水分是主要的限制因素[3]。在土壤水分充足的地區,土壤含水量不是土壤呼吸的主要限制因素；只有在干旱或半干旱地區和土壤含水量過飽和的情況下,溫度和土壤水分才對土壤呼吸共同起作用[15],不僅影響根系呼吸和微生物呼吸,也會影響CO2在土壤中的傳輸[22-24],同時還會間接影響植物生長[25]。許多研究表明,在多種不同類型的生態系統中,土壤呼吸速率往往都是隨土壤溫度增加而增大[20,26],其響應方程有多種類型,包括指數方程、線性方程、二次方程和Logistic方程等[21]。本試驗結果表明,總體上,種植的苜蓿品種土壤呼吸速率與植株根系、土壤溫度、氣溫呈顯著正相關,與土壤含水量呈顯著負相關,這一結論與套格圖等[27]分析的不同牧草對農牧交錯帶土壤呼吸與地溫呈指數負相關的結論不一致,但與徐麗君等[16]研究敖漢苜蓿草地土壤呼吸特性的研究結果一致。

4 結論

1）不同苜蓿草地土壤呼吸速率變化規律不完全一致,黃花苜蓿、龍牧801和肇東苜蓿草地土壤呼吸速率基本一致,全天最大值均出現在早上6:00,最大值分別為 3.393、3.100和 3.517 μ mol/mol,雜花苜蓿草地土壤呼吸速率最大值均出現在 8:00,最大值為 3.080 μ mol/mol。

2）土壤呼吸速率與根系形態指標、5 cm土壤溫度關系密切,呈線性顯著正相關,與氣溫關系較為復雜,呈一元二次函數正相關。

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