北京山區農田土壤有機質對土壤呼吸的影響研究

董士偉+李紅+張微微+等

摘要：以北京山區為例，首先采用LI-8100開路式土壤碳通量測量系統測定土壤呼吸速率，同時采集土壤樣品測定土壤有機質含量；其次對土壤呼吸與土壤有機質的關系進行分析研究，并從不同有機質等級和不同種植類型兩個層面對農田土壤呼吸速率進行特征分析，以揭示農田土壤有機質與土壤呼吸的關系。結果表明，北京山區農田土壤有機質含量對土壤呼吸速率有顯著影響，二者呈現對數關系，土壤呼吸速率與有機質等級正相關；不同種植類型下農田土壤呼吸速率不同，玉米最高，大豆次之，花卉最低。

關鍵詞：土壤呼吸；有機質；農田；特征分析；北京山區

中圖分類號：S154 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-4982-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.015

Impact of Farmland Soil Organic Matter on Soil Respiration in Beijing Mountainous Area

DONG Shi-wei， LI Hong， ZHANG Wei-wei， LIU Xiao-na

（Institute of Agricultural Integrated Development， Beijing Academy of Agriculture and Forest Science， Beijing 100097， China）

Abstract： Beijing mountainous area was chosen to research. Firstly， LI-8100 Automated Soil CO2 Flux System was adopted to measure soil respiration， and soil samples were collected to measure soil organic matter content. Secondly， relationship of soil organic matter and soil respiration was specifically analyzed. Farmland soil respiration rate was implemented characteristic analysis from two levels including different grades of organic matter and different planting types，to reveal the relationship of farmland soil respiration and soil organic matter. The results showed that farmland soil organic matter content had a significant effect on soil respiration rate in Beijing mountainous area and both exhibited logarithmic relationship. Soil respiration rate and organic matter grade were positive correlation. Farmland soil respiration rates were not the same under different cropping types， and their descending order was corn， soybeans， and flowers.

Key words： soil respiration； organic matter； farmland； characteristic analysis；Beijing mountainous area

土壤呼吸過程是陸地生態系統碳循環中土壤碳的主要輸出途徑，是大氣CO2重要排放源，其排放量是陸地生態系統向大氣排放碳的最大通量之一[1]。農業是重要的溫室氣體來源，土壤中的有機物質經微生物分解，以CO2的形式釋放入大氣。許多研究表明，土壤溫度、水分和有機質的變化是造成土壤呼吸有明顯日變化和季節變化規律的重要原因[2-5]。雖然很多研究者在這些方面做了大量工作，但各個因素作用于土壤呼吸的影響機理和作用大小尚不明確，不同環境影響因子所起的作用也不同。土壤有機質能促使土壤形成結構，改善土壤物理、化學及生物學過程，對CO2影響最顯著，為此從土壤有機質角度出發，系統研究了農田土壤有機質含量對土壤呼吸速率的影響。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

北京山區位于北京市西部、北部和東北部，地處東經115°24′～117°30′，北緯39°38′～41°05′。面積約10 400 km2，占整個北京市國土總面積的62%，海拔80～2 303 m，該區域屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度11.8 ℃。山區地帶性土壤為褐土，兼有少量的山地草甸土、山地棕壤和沼澤土等。山前平原是農田集中地，主要種植玉米、小麥、花卉和豆類等。丘陵和低山溝谷主要種植桃、梨、柿、杏、板栗等林果。考慮北京山區地質地貌、農業生產和山區溝域經濟發展狀況[6，7]，選擇房山區、延慶縣和懷柔區開展此項研究。

1.2 試驗方法

野外試驗于2014年9月10日至17日在房山區、延慶縣和懷柔區進行，分別測定不同地區和不同種植類型下的農田土壤呼吸速率和土壤有機質含量。

土壤呼吸速率采用LI-8100開路式土壤碳通量測量系統測定[8]。每次測量前，去除測定基座中的凋落物以及新鮮的植物苗體，減少木質殘體分解和植物地上部分釋放出的CO2對土壤呼吸測定的影響。測量采用一次測量3次重復，取平均值作為該樣點的土壤呼吸速率。土壤呼吸測定后，以測定點為中心點，在30 m×30 m范圍內按照S型曲線進行土壤樣品的采集，一般采集7～12處，取表層0～20 cm土壤現場均勻混合后用四分法從中選取1 kg土樣作為代表該樣點的混合樣品。采樣點利用GPS進行坐標定位，并記錄種植類型和周圍環境特征信息。室內經過預處理后對采集的土壤樣品進行分析測試，農田有機質含量依據LY/T1237-1999標準，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進行測定。

1.3 研究方法

北京山區農田土壤呼吸與土壤有機質的關系分析研究方法流程如圖1所示，首先分別測定土壤呼吸速率和土壤有機質含量；其次從整體特征對農田土壤呼吸和土壤有機質的關系進行分析；最后從不同土壤有機質等級和不同種植類型層面分別對農田土壤呼吸特征進行重點分析。

2 結果與分析

2.1 土壤呼吸與土壤有機質的關系分析

農田土壤呼吸與土壤有機質野外采集樣點數據見表1。采樣時間為2014年9月，按照各區縣2013年農田播種面積比例，此次野外試驗共采集17個樣點，其中房山區5個，延慶縣8個，懷柔區4個，土壤呼吸速率采用3次測量的平均值。北京山區農田土壤呼吸與土壤有機質的關系分析見圖2，可以看到農田土壤有機質含量對土壤呼吸速率影響顯著，二者呈現對數關系，表達式為：

y=2.769 2ln（x）-4.115 5，R2=0.64（1）

式中，y表示土壤呼吸速率，x表示土壤有機質含量。

2.2 不同有機質等級下土壤呼吸特征分析

參考北京市土肥工作站2006年制定的《北京市土壤養分分等定級標準》[9]，對土壤有機質進行分等定級，分為極低、低、中、高和極高5個等級，具體指標數值參見表2。結合表1和表2對樣點數據的有機質進行分等定級，并對不同等級下農田土壤呼吸速率進行特征分析。結果表明，北京山區農田土壤有機質無極低等級；低、中、高和極高等級分別有4、6、2和5個樣點，對應的土壤呼吸速率均值依次為2.81、3.78、5.19和5.87 μmol/（m2·s）。土壤呼吸速率隨著有機質等級的提升而逐漸增強，土壤呼吸速率與有機質等級呈正相關。

2.3 不同種植類型下土壤呼吸特征分析

北京山區農田以種植玉米、小麥和豆類為主，近幾年溝域經濟的興起和發展，山區重點溝域著力打造區域特色，如延慶四季花海溝域大面積推廣種植花卉，包括萬壽菊、向日葵、薰衣草、百合等。此次山區試驗抽樣樣點的種植類型主要有玉米、大豆和花卉3種。結合表1對樣點數據不同種植類型下的土壤呼吸特征進行分析。結果表明，玉米的土壤呼吸速率最高、大豆次之、花卉最低，依次為4.73、4.37和3.31 μmol/（m2·s），不同種植類型下的農田土壤呼吸速率不同。

3 小結

通過野外測定土壤呼吸速率，室內測定土壤樣品的有機質含量，經過系統對比分析后發現，北京山區農田土壤有機質對土壤呼吸有明顯影響，呈對數關系。土壤呼吸速率與有機質等級呈正相關，隨著土壤有機質等級的提升，土壤呼吸速率隨之增強。農田不同種植類型下土壤呼吸速率不同，玉米、大豆、花卉的土壤呼吸速率依次減弱。

該研究不僅對于評估農田生態系統碳收支非常關鍵，而且對更好地研究土壤碳獲取及尋找減緩土壤有機碳分解的對策和措施具有重要的指導意義。未來將進一步分析農田土壤呼吸與溫度、土壤含水量等因素的關系，綜合分析不同因素對農田土壤呼吸的影響機理。

參考文獻：

[1] SCHLESINGER W H，ANDREWS J A.Soil respiration and the global carbon cycle[J].Biogeochemistry，2000，48（1）：7-20.

[2] 陳素英，胡春勝.太行山前平原農田生態系統土壤呼吸速率的研究[J].生態農業研究，1997，5（2）：42-46.

[3] 李 虎，邱建軍，王立剛.農田土壤呼吸特征及根呼吸貢獻的模擬分析[J].農業工程學報，2008，24（4）：14-20.

[4] 李凌浩，王其兵，白永飛，等.錫林河流域羊草草原群落土壤呼吸及其影響因子的研究[J].植物生態學報，2000，24（6）： 680-686.

[5] REY A，PEGORARO E，TEDESCHI V，et al.Annual variation in soil respiration and its components in a coppice oak forest in central Italy[J].Global Change Biology，2002，8（9）：851-866.

[6] 何忠偉，李 昀，王有年.北京溝域經濟發展的內涵與模式分析[J].農業經濟問題，2010（9）：105-109.

[7] 張義豐，賈大猛，譚 杰，等.北京山區溝域經濟發展的空間組織模式[J].地理學報，2009，64（10）：1231-1242.

[8] 趙廣東，王兵，楊 晶，等.LI-8100開路式土壤碳通量測量系統及其應用[J].氣象科技，2005，33（4）：363-366.

[9] 北京市土肥工作站.北京市土壤養分分等定級標準[EB/OL].http：//www.bjtf.org//trgl/trfl/yfpj/pjbz/401.htm，2011-04-09.