黃土高原紫花苜蓿草地土壤呼吸對刈割的響應

康 穎,侯扶江

(蘭州大學草地農業科技學院 農業部草地農業生態系統學重點開放實驗室，甘肅 蘭州 730020)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是我國北方主要的栽培牧草，僅甘肅隴東黃土高原的種植面積就超過19.7萬hm2[1]，且持續增加。刈割是紫花苜蓿栽培草地管理與利用的主要途徑，科學的刈割方式是保證草地合理利用及獲得高產、優質青干草的重要措施[2]。目前，關于刈割對紫花苜蓿栽培草地的影響研究主要集中于刈割時期和方式的遴選[3-5]，而對紫花苜蓿土壤呼吸的研究相對較少，這制約了紫花苜蓿栽培草地碳平衡的評估。因此，本研究主要從土壤呼吸入手，分析不同刈割處理對苜蓿草地土壤呼吸速率的影響，從而為紫花苜蓿草地碳平衡估算提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1研究區概況 研究區位于甘肅省環縣甜水鎮，蘭州大學草地農業科技學院野外試驗點(37.12° N，106.82° E)，地處內蒙古高原畜牧區與黃土高原農耕區之間的過渡地帶，屬丘陵溝壑地形。研究區平均海拔約1 650 m，年均溫7 ℃，≥0 ℃的年積溫3 097 ℃·d，年均降水量359.3 mm，60%以上的降水集中于7-9月，年際降水量變幅45%～100%[6]；年均蒸發量1 993.3 mm，屬典型大陸性季風氣候。在草原綜合順序分類法中屬微溫、微干溫帶典型草原類[7]。

1.2樣地設置 以2003年種植的紫花苜蓿草地為研究對象，選擇生長狀況較一致、地勢較平坦地塊為試驗樣地，每個樣地面積約100 m2,設置3個2 m×2 m樣方，分別為2010年5月27日刈割(6月4日測定土壤呼吸日動態)、2010年5月27日和6月16日刈割(9月12日測定土壤呼吸日動態)、2010年6月16日和7月6日刈割(9月12日測定土壤呼吸日動態)，完全隨機區組設計，5次重復。

1.3測定方法

1.3.1土壤呼吸日動態 使用動態密閉氣室紅外CO2分析法(IRGA)測定。使用LI-6400紅外氣體分析儀(Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA)與附帶的LI-6400-09土壤呼吸室測定。每次測量前24 h在小區內布設測定基座，其直徑為10 cm，高5 cm的PVC管，嵌入土中約3 cm，并齊地面剪去管中的綠色植被，盡可能對地表的凋落物等不產生擾動，24 h后開始測定。土壤呼吸分別在北京時間05:00-21:00測定，每間隔2 h測定一次，01:00左右測定一次，每日共計9個測量時間點。用LI-6400 附帶土壤溫度熱電偶同步測5 cm和10 cm土壤溫度[8-9]。

1.3.2土壤水分 土壤水分在土壤呼吸測定結束后進行，用烘干稱量法測定[9]。土壤呼吸測定結束后，用直徑5 cm土鉆取0～100 cm深度土樣，每10 cm分層。每樣地各取4鉆,混合后在105 ℃下烘干，計算土壤水分體積含水量。

1.4數據分析 用 Microsoft Excel 2007 作圖，SPSS 13.0 統計分析。

2 結果與分析

2.1不同刈割時間對土壤體積含水量變化的影響 2010年6月和9月兩次測定土壤體積含水量變化規律均表現為隨土壤深度增加而先增加后減小(圖 1)，但土壤最大體積含水量出現的土層存在分異，6月出現在20～30 cm，而9月出現在10～20 cm，相應的最大值分別為12.49、9.10 mm。兩次測定時土壤體積最小值均出現在90～100 cm，6月和9月的值分別為6.30、4.29 mm。

2.2不同刈割方式下土壤呼吸特征 未刈割土壤呼吸略顯“雙峰”趨勢，而5月27日刈割處理呈現“單峰”趨勢，均具有明顯的晝夜波動性(圖 2)。土壤呼吸速率最小值均出現在日出前06:00，分別為2.09和1.60 μmol/(m2·s)，全天最大值均出現在16:00左右，分別為2.90和2.58 μmol/(m2·s)。兩種處理土壤呼吸速率變化與5和10 cm處土壤溫度的變化趨勢一致，溫度升高，呼吸速率加快，溫度降低，呼吸速率減慢。在任意時間點上，未刈割紫花苜蓿草地的土壤呼吸速率均高于5月27日刈割處理的紫花苜蓿草地。未刈割、5月27日刈割處理的日平均呼吸速率分別為2.51、2.09 μmol/(m2·s)，差異極顯著(P<0.01)。可見，適時進行刈割有利于降低紫花苜蓿草地呼吸速率。

圖1 不同刈割處理土壤體積含水量的變化

圖2 不同刈割處理土壤呼吸速率的變化

不同刈割時間土壤呼吸速率日動態變化趨勢較相似，均為“單峰”曲線；最低值均出現在日出前06:00，分別為0.70、0.78 μmol/(m2·s)；最大值出現時間不同，5月27日與6月16日刈割處理出現在16:00，為1.36 μmol/(m2·s)，且與5、10 cm最高土壤溫度同步出現；6月16日與7月6日刈割處理最大值出現在12:00，為1.49 μmol/(m2·s)，較5、10 cm土壤最高溫度提前4 h出現。5月27日與6月16日刈割處理、6月16日與7月6日刈割處理日平均呼吸速率分別為1.01、1.09 μmol/(m2·s)，差異性不顯著。

圖3 不同刈割處理下苜蓿生長季土壤CO2日排放量

不同刈割處理下苜蓿生長季土壤CO2每天排放量表現為：未刈割草地CO2每天排放量最大，為9.55 g/(m2·d)，與5月27日刈割處理及其他兩組刈割處理在0.01水平差異顯著(圖 3)。5月27日與6月16日刈割處理、6月16日與7月6日刈割處理的CO2排放量分別為3.83、4.14 g/(m2·d)，差異不顯著。說明栽培草地在生長季適時刈割利于減少土壤CO2排放量。

2.3土壤呼吸影響因子分析

2.3.1與土壤溫度的關系 土壤溫度是影響土壤呼吸的重要因素之一，在一定范圍內土壤溫度升高，會促進土壤微生物活動與植物根系呼吸，使土壤呼吸增強[10]。非線性回歸分析表明，土壤呼吸與5 cm土壤溫度呈指數關系(表1)，方程為RS=aebT(式中，T為土壤溫度，RS為土壤呼吸，b為溫度反應系數或溫度敏感系數，a為基礎呼吸值(土壤溫度在0 ℃時的呼吸)[11-12]。未刈割、5月27日刈割處理的栽培紫花苜蓿草地的a值分別為1.75、1.26 μmol/(m2·s)，說明未刈割草地具有較大的基礎呼吸值；5月27日與6月16日刈割處理的草地較6月16日與7月6日刈割處理的草地具有較大的基礎呼吸值。溫度敏感系數b表現為未刈割小于刈割，表明5月27日刈割處理土壤呼吸對土壤溫度的敏感程度強于未刈割草地；5月27日與6月16日刈割處理大于6月16日與7月6日刈割處理，說明5月27與6月16日刈割處理對土壤溫度的變化響應更為敏感。Q10值(Q10=e10b)一般用于表示土壤呼吸速率對溫度響應的敏感程度[10,12-13]。研究結果顯示，4種處理Q10值分別為1.17、1.25、1.35和1.34，與溫度敏感系數b變化規律一致(表 1)，土壤呼吸對土壤溫度敏感程度較高的分別為5月27日刈割處理的草地和5月27日與6月16日刈割處理的苜蓿草地。

2.3.2與大氣溫度的關系 不同處理下，苜蓿草地土壤呼吸速率與大氣溫度均表現為一元二次函數關系(圖 4)，方程式為y=ax2+bx+c(式中，a、b、c為常數，x為大氣溫度)，其中a值介于-0.002～-0.001，b值介于0.103～0.133，c值介于-0.783～0.544。說明在一定范圍內，呼吸速率隨大氣溫度升高而增強。

表1 土壤呼吸速率與土壤溫度的關系及Q10值

圖4 土壤呼吸速率與大氣溫度關系

2.3.3與大氣濕度的關系 土壤呼吸速率與大氣相對濕度關系利用線性關系進行擬合。結果顯示，各處理土壤呼吸速率與大氣相對濕度為負線性相關(表 2)，方程式為RS=-ax+b，a和b的值分別介于0.007～0.009和1.63～3.11,說明隨大氣相對濕度增加，土壤呼吸速率呈現降低趨勢。

表2 土壤呼吸速率與近地面相對濕度的回歸分析

3 討論

森林、草原和農田的土壤呼吸日動態變化呈現“單峰”特點[14-16]。楊晶等[15]研究了農牧交錯帶10種植物群落的土壤呼吸日動態，結果發現，土壤呼吸的最小值與最大值分別出現在03:00-05:00與13:00-15:00。黑河流域山區牧坡草地土壤CO2排放最低值在06:00左右，而最大值一般出現在14:00左右[12]。長白山玉米(Zeamays)農田土壤呼吸日最小值與最大值分別出現在05:00左右與12:00左右[17]。希拉穆仁圍封草原土壤呼吸通量日動態呈現“單峰”曲線，最大值出現在12:00-14:00，最小值出現在01:00-03:00[23]。陳先江[9]研究農林復合系統的土壤呼吸表明，楊樹(Populussp.)和紫花苜蓿種植區土壤呼吸速率日變化趨勢為“單峰”型，峰值都出現在16:00，最小值出現在01:00-06:00。本研究中5月27日刈割處理、5月27日與6月16日刈割處理、6月16日與7月6日刈割處理均為“單峰”趨勢，與上述結果基本一致；而未刈割略呈“雙峰”變化，但日變化最大值均出現16:00左右；最小值均出現在06:00左右。說明雖然測定時期、測定區域及處理方式不同，土壤呼吸日動態變化趨勢以及峰值出現時間僅略有差異，但刈割對土壤CO2排放量有較大影響。可能刈割減少土壤的植被覆蓋度和枯落物的積累量，導致植物累積和輸送到土壤中的營養成分減少，根系和土壤微生物呼吸強度減弱[18]。

土壤溫度是影響呼吸速率的關鍵因素之一，二者響應關系主要包括線性方程、二次方程、指數方程等[19]。本研究表明，土壤呼吸日動態變化與5 cm處土壤溫度呈指數關系。這與內蒙古白錫勒牧場地區天然草地合理割草制度[18]和黃土高原丘陵溝壑區對不同年限栽培紫花苜蓿草地系統[9]土壤呼吸速率與5 cm處土壤溫度關系的研究結果一致，并和亞馬遜平原東部森林土壤呼吸速率與土溫的關系[20]一致。利用此方程可以計算Q10值，指溫度每升高10 ℃下土壤呼吸速率增加的倍數，表示土壤呼吸對溫度的敏感性。Raich和Schlesinger[21]綜合大量文獻，發現Q10值一般在1.3～3.3。陳俊博[8]研究綿羊放牧對土壤呼吸的影響發現，晝夜尺度上Q10值變化范圍為：暖季、冷季牧場分別為1.23～1.39、1.23～1.64。李志剛和侯扶江[22]的研究表明，黃土高原不同地形封育草地的土壤呼吸日動態的Q10變化區間為1.19～1.72。本研究發現，不同刈割處理下苜蓿草地Q10值在1.17～1.35變化，與陳俊博[8]的結果略有差異，但差異不大；與李志剛和侯扶江[22]研究相比較，Q10值在0°～15°坡度的結果變化范圍相一致。

陳先江[9]發現，不同利用年限苜蓿草地土壤呼吸速率與大氣溫度呈y=aebx的指數關系(P<0.01)。徐麗君等[24]發現海拉爾地區不同苜蓿品種草地的土壤呼吸速率與大氣溫度呈一元二次函數正相關。本試驗以利用7年的紫花苜蓿草地為研究對象，發現不同刈割處理下土壤呼吸速率與大氣溫度均表現為一元二次函數關系，與上述研究結果相似。陳先江[9]認為利用7年和5年的紫花苜蓿草地土壤呼吸速率與大氣濕度存在極顯著負相關關系(P<0.01)。本試驗得到相近的研究結果。由于土壤呼吸作用受諸多因素綜合作用的影響，本研究是一年的野外測定數據，具有一定的局限性，還需要進一步試驗驗證。

致謝：郭正剛副教授修改拙文，陳先江、萬秀麗等同志協助野外試驗，謹致謝忱。

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