城市疏林地與草地表層土壤呼吸及影響因素探究
——以寶雞市為例

馬 莉

(寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

城市疏林地與草地表層土壤呼吸及影響因素探究
——以寶雞市為例

馬 莉

(寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

采用野外定點觀測和統計分析的方法，對寶雞市疏林地和草地土壤CO2通量進行了觀測研究。結果表明，疏林地、草地的土壤表層呼吸日動態變化為單峰曲線，草地土壤呼吸速率大于疏林地，分別為2.37、1.83 μmol/(m2s)。土壤表層溫度與土壤呼吸速率之間呈指數函數關系，而土壤含水率與土壤呼吸的日動態相關關系不顯著，水分并非是限制城市綠地土壤呼吸的關鍵因子；土壤呼吸與土壤全N、土壤容重、總孔隙度、土壤質地極顯著正相關(P<0.01)，而與土壤速效P、全P、有機質和pH值之間無顯著相關性。因此，在城市綠地環境建設中，應通過適當的種植措施來改善土壤理化性質，熟化土壤的同時，采用人工灌溉和發展復合型疏林結構植被來減少城市土壤CO2的排放量。

城市綠地；土壤呼吸；影響因素；相關分析

全球氣候變暖是人類目前面臨的重大環境問題之一，而大氣中CO2的濃度升高被普遍認為是導致這一問題的重要原因[1]。而土壤是全球陸地生態型中最大的碳庫，是植被儲存碳庫的2～3倍、大氣儲碳量的2倍、是大氣CO2的重要碳源[2]。因此，眾多學者針對森林[3]、草地[4]和農田[5]等非城市生態系統的土壤呼吸進行了研究，但關于城市綠地土壤的呼吸研究成果較少[6-8]。城市綠地生態系統是全球陸地碳庫的重要組成部分，受人類活動的影響最大，是CO2排放量急劇增加的區域。在城市綠地系統中，群落結構多以喬灌草等復合結構為主，是影響城市小氣候環境的重要因子，具有加快蒸騰、吸收CO2、釋放氧氣、調節氣溫等生態效應[9-10]，但由于城市綠地土壤理化性質、自然生態系統和人類活動影響的差異性，導致了土壤呼吸速率也可能存在較大的不同。因此，本研究選取秦嶺北麓寶雞市的疏林地和草地2種典型綠地土壤為研究對象，分析了不同植被類型下的土壤呼吸速率、土壤溫度及濕度的日變化特征，以及土壤溫度和濕度與土壤呼吸速率之間的響應機理，以期對調控城市區域碳循環和建設生態城市提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

寶雞市位于秦嶺北麓，關中平原的西部，是陜西省第二大城市。因常年受東亞季風的影響，雨熱同期，四季分明，年均降水量約670 mm，年均氣溫11.5～14.0 ℃，屬于溫帶半濕潤氣候。春季多年平均降水量50～60 mm，月平均溫度9～25 ℃。寶雞城市綠地生態系統構成多為疏林與草地。其中，草地土壤多是人為堆積土，以人工草坪為主，群落結構簡單，其中假儉草(Eremochloaophiuroides)為優勢種群，含有少數的馬尼拉(Zoysiamatrella)，且因種植多年，長有一定的狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaelata)等雜草。林地(疏林)是以喬灌草群落相結合，郁閉度多在0.25以下，優勢種群為雪松(Cedrusdeodara)、櫸樹(Zelkovaserrata)，四周長有部分的榆葉梅(Amygdalustriloba)、桂花(Osmanthus)等，地表多為腐殖質和多種雜草混合的群落結構類型。樣地疏林地和草地的土壤容重分別約為1.38、1.33 g/cm3；pH值約為8.1，呈堿性；有機質含量約為0.7%，土壤類型為粉砂壤土。

1.2 數據采集及處理方法

選取市區內常見的、成一定小范圍規模的植物群落結構中兩種典型植物群落疏林、草地，作為測定植被土壤呼吸的試驗區域。在每種樣地上隨機選取5個樣點，采用Li-820土壤碳通量測量系統的動態氣室法[11]來進行植被土壤呼吸的測量；利用地溫計測定5、10、15、20 cm 4個深度的土壤溫度；利用TFW-V11型水分綜合測定儀測定樣地內的土壤濕度。選擇晴朗的天氣，從8：00到20：00，每2小時進行一次土壤呼吸的測定。另外，同步測定土壤溫度和濕度的日變化。試驗從2016年4月～5月中旬進行測定，每隔約兩周時間進行一次土壤呼吸的測量，共測得3組試驗數據。

2 結果與分析

2.1 土壤呼吸日動態變化特征

不同植被類型下，其土壤內部的生物呼吸作用(微生物、植物根系和動物呼吸)和含碳礦物氧化過程不盡相同，因此土壤呼吸作用會有一定的差別。圖1顯示了疏林地和草地的平均土壤呼吸速率的日動態變化特征。疏林地和草地土壤呼吸的日動態均表現為單峰曲線，從早晨8:00開始兩種植被的土壤呼吸速率均較小，在1.0 μmol/(m2s)左右。隨著時間的推移和土壤內部活動的增加，土壤呼吸速率逐漸增大，在12:00～14:00左右達到峰值，平均在2.5～3.0 μmol/(m2s)之間。爾后土壤呼吸速率緩慢降低，在下午16：00之后，出現顯著的下降趨勢。草地土壤呼吸日變化范圍：(0.94±0.413)～(3.10±0.070)μmol/(m2s)，疏林地土壤呼吸日變化范圍：(1.10±0.10)～(2.68±0.112)μmol/(m2s)。草地土壤呼吸速率平均為2.37 μmol/(m2s)，林地土壤呼吸速率平均為1.83 μmol/(m2s)，說明草地土壤呼吸速率在一定程度上大于疏林地呼吸速率。

圖1 城市草地和疏林地土壤呼吸速率日變量

2.2 土壤溫度日動態變化特征

土壤溫度主要取決于太陽日照時數、光照強度、土壤的內部活動等。由于疏林、草地的群落體系不同，導致的上述條件在兩種群落中有很大的差異，從而使土壤溫度的日變化動態也有明顯的差別。從圖2可以看出，城市不同植被類型的土壤溫度變化均呈單峰曲線。因受氣溫的影響，土壤溫度從8：00左右開始比較低，然后不斷增加，在14：00前后土壤溫度達到最高值，然后再逐漸降低。5 cm深度土壤溫度變化最大，而10 cm深度土壤溫度低于15 cm和20 cm深度的土壤，這可能與土壤濕度影響有關。總之，不同土壤深度，草地的土壤溫度均高于疏林地土壤溫度。

2.3 土壤含水率日動態變化特征

城市綠地土壤含水率主要受天然降水、人工灌溉、地表徑流等共同的影響。城市疏林、草地在表層土壤含水率變化規律上具有一定相似性(圖3)，在12:00～14:00之間出現土壤水分的最高峰值。草地土壤表層含水率在25%～45%之間波動，疏林土壤表層含水率在20%～30%左右波動。但草地由于其群落結構單一，草地土壤表層受到的太陽輻射在每日14:00左右最強，因而在此時的土壤表層水分蒸發率及土壤內部動植物活動達到最大值，會使得草地土壤表層含水率在此后出現一定的降低；在太陽輻射及土壤內部活動減少之后，土壤含水率再次出現稍微的上升波動；爾后草地的表層土壤水分再會逐漸緩慢降低。

圖2 城市草地和疏林地不同深度土壤溫度變化值

圖3 城市草地和疏林地表層土壤含水率的日變化

2.4 土壤呼吸及影響因素的相關性分析

2.4.1 土壤溫度與土壤呼吸之間的響應關系 為了更好地揭示城市疏林地、草地土壤含水量、溫度與土壤呼吸之間的關系，進行回歸分析，結果顯示，疏林地和草地土壤呼吸與土壤溫度之間分別呈指數函數關系(圖4)，草地關系式為：y= 0.2266e0.1509x，疏林地關系式為：y= 0.2593e0.1475x，相關系數分別為0.74和0.88，具有較強的相關關系。可見，指數模型能較好地反映城市植被疏林、草地土壤呼吸與不同深度的土壤溫度之間的相關關系。

圖4 城市草地和疏林地土壤表層溫度與呼吸速率相關關系

2.4.2 土壤含水率與土壤呼吸之間的響應關系 回歸分析表明，草地土壤呼吸與土壤含水率之間指數函數關系式為：y= 0.395e4.7599x，疏林地關系式為：y=0.3913e5.7492x，相關系數分別為0.45和0.33，相關性均表現為不顯著(圖5)。其原因可能在于寶雞市屬于溫帶季風氣候，采樣時間為4月到5月，此時，降水較多，且土壤水分日蒸發量較少，土壤含水量較為充足穩定，對土壤呼吸速率影響較小。

2.4.3 土壤理化性質與土壤呼吸之間的響應關系 由表1可知，土壤呼吸與土壤全N、土壤容重、總孔隙度、土壤質地極顯著相關(P<0.01)，與土壤速效P、全P、有機質和pH值之間無相關關系。通常用來表征微生物活性的土壤C/N，與土壤呼吸之間也無相關性。這主要是因為所采樣點的城市土壤主要是回填土，土壤顆粒組分較粗，有機質、P等養分含量低。表層土壤中，草地毛根系含量多于疏林地，土壤中根系通過根系呼吸、根系分泌物和凋落物分解等影響了土壤呼吸，使得毛根重量與土壤呼吸呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤礫石含量越多，土壤孔隙度越大，加速了土壤與空氣之間的氣體交換，土壤呼吸速率加強，導致了土壤質地與土壤呼吸之間呈正相關，這與Guner等[12]的研究結果一致。

3 討論與結論

城市綠地生態系統由于受到人為干預和影響程度不同，導致不同植被類型的土壤呼吸出現差異。寶雞市城市疏林地、草地的土壤表層呼吸日動態變化均表現為單峰曲線。草地土壤呼吸均值2.37 μmol/(m2s)，疏林地土壤呼吸均值1.83 μmol/(m2s)，草地土壤呼吸大于疏林地；土壤呼吸速率隨著土壤溫度及土壤含水量的增加而呈現先增大后減小的趨勢，可見，在一定的土壤溫度和濕度閾值范圍內，土壤呼吸速率達到最高值后，土壤溫度的變化，都將會導致土壤表層生物活動的降低，抑制土壤腐殖質分解作用、植物根系呼吸及土壤微生物的活性，從而降低土壤呼吸作用的強度，減小土壤呼吸作用。

圖5 草地和疏林地土壤表層含水量與呼吸速率相關關系

土壤呼吸全N全P速效P有機質pH值容重總孔隙度土壤質地(礫石含量)生物量(毛根重量)土壤呼吸10．855??0．432-0．227-0．0440．133-0．904??0．904??0．845??0．890??全N10．1660．0020．0880．053-0．788??0．788??-0．785??0．793??全P1-0．325-0．4610．223-0．3770．377-0．4660．389速效P10．241-0．1130．101-0．1010．0730．147有機質1-0．911??0．197-0．197-0．019-0．178pH值1-0．2180．2180．0940．339容重1-10．914??-0．835??總孔隙度1-0．913??0．834??土壤質地(礫石含量)1-0．708?

注:*表示0.05水平上相關，**表示0.01水平上相關。

土壤表層的內部活動是土壤碳排放量的全部來源，土壤表層的內部活動離不開土壤水分含量，而土壤溫度的高低直接影響著土面蒸發量。因此，土壤溫度和含水率是影響土壤呼吸的兩個重要因素。試驗測定土壤表層溫度受氣溫的影響呈單峰曲線，且與土壤呼吸速率之間具有很強的指數相關關系，而土壤表層含水率日變化波動較大，具有兩個峰值，且與土壤呼吸的日動態相關關系不顯著。這與吳亞華[13]、徐嬌[14]等對于城市綠地生態系統土壤含水率對土壤呼吸影響的研究結果一致。其原因可能是在干旱、半干旱或具有一定缺水因子的地區，土壤含水率與土壤呼吸速率具有良好的回歸關系[15]，而在城市綠地生態系統中，由于現代人工綠地的澆灌使得城市綠地土壤含水量較高，加之試驗時間為4月到5月，此時為春末夏初，土壤水分日蒸發量較少，此時水分并非是限制土壤呼吸的關鍵因子，土壤含水率對土壤呼吸的影響往往被溫度的影響所遮蓋，呈現在一定范圍內，土壤含水率的變化對土壤呼吸的影響不顯著。Kucera 和 Kirkham研究認為，土壤體積含水量只有達到土壤微生物永久性萎蔫點或者超過田間持水量的情況下，土壤體積含水量才對土壤呼吸的影響起主導作用，而在一般情況下，土壤體積含水量并不是土壤呼吸的主要決定因素[16]。但土壤溫度對土壤呼吸的影響也因地而異，溫度只在一定土壤水分條件下起作用[17]。總之，土壤呼吸速率大小受到土壤養分、質地、容重、孔隙度、植被根系生物量以及土壤溫度和含水量等因素共同的影響。因此，在城市綠地環境建設的過程中，應該通過合理的技術措施來改善土壤理化性質，熟化土壤。同時，采用人工灌溉來調節土壤溫度和濕度，并發展復合型疏林結構植被類型來減少城市疏林地土壤CO2的排放量。

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(責任編輯：許晶晶)

Research on Surface Soil Respiration in Urban Open Forest Land and Grassland and Its Influencing Factors: Taking Baoji City as An Example

MA Li

(Key Lab of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China)

The soil CO2fluxes of urban open forest land and grassland in Baoji city were studied by adopting the methods of field fixed-point observation and statistical analysis. The daily dynamic change in surface soil respiration of open forest land and grassland showed an unimodal curve, and the surface soil respiration rate of grassland and open forest land was 2.37 and 1.83 μmol/(m2·s), respectively. The relationship between surface soil temperature and soil respiration rate was of exponential function. The soil moisture content had no a significant correlation with the daily dynamics of soil respiration, so the key factor restricting the soil respiration in urban green land was not the soil moisture content. Soil respiration rate was positively correlated with soil total nitrogen content, soil bulk density, soil total porosity, and soil texture (P<0.01), while it had no a correlation with soil available phosphorus, total phosphorus, organic matter content, and soil pH-value. Therefore, in the construction of urban green land, some proper planting measures should be taken to improve soil physical and chemical properties, and the urban soil CO2emission should be reduced by adopting artificial irrigation and developing forest-grass composite vegetation system.

Urban green land; Soil respiration; Influencing factor; Correlation analysis

2017-06-04

國家自然科學基金重點項目(51239009)；陜西省教育廳重點項目(16JS004)；寶雞文理學院重點項目(ZK15054)。

馬莉(1982─)，女，陜西延安人，講師，博士，主要從事土壤物理方面的研究。

S15

A

1001-8581(2017)08-0047-05