集約化農業區不同土地利用方式的土壤呼吸溫度敏感性差異研究

趙金安， 來雪慧

(太原工業學院環境與安全工程系，山西太原 030008)

土壤呼吸是生態系統碳循環的重要組成部分，同時也是向大氣輸出碳的主要途徑[1]。土壤碳庫的變化會引起大氣中CO2的顯著改變[2]。土地利用方式變化引起的土壤呼吸改變，決定著土壤在全球氣候變化的影響程度[3]。因此，研究土壤呼吸的排放以及影響因素對于評價土壤碳平衡具有重要的理論意義。

影響土壤呼吸的因素復雜多樣，土地利用方式影響著土壤濕度、土壤肥力和土壤理化性質等，并間接調控土壤呼吸作用[4]。其中，水熱因子對土壤呼吸的影響已經被許多學者模擬研究，發現土壤溫度對土壤呼吸的影響是顯著的[5-6]。有學者通過野外觀測發現，在其他環境因子條件相似的條件下，草地的土壤呼吸速率比林地高20%左右，并發現導致土壤呼吸差異的主要因素是溫度[7]。同時諸多研究表明，水分對土壤呼吸的作用具有不確定性，兩者之間的關系因生態系統類型的不同而不同[8]，降水則通過對土壤微生物活性的直接影響而間接提高土壤呼吸速率[9]。此外，土壤有機質、生物因子和植被類型等因子對土壤呼吸也具有不同程度的影響[10]。本研究探討東北三江平原土地利用類型變化過程中的土壤呼吸溫度敏感性差異，以及影響土壤呼吸作用的關鍵因子，以期為研究農業活動和土地開墾對生態系統碳循環的影響提供數據基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黑龍江省東北部的三江平原(地理位置為45°01′05″～48°27′56″N，130°13′10″～135°05′26″E)，該區土壤以白漿土、黑土、草甸土和沼澤土為主，土壤肥力較高。

自20世紀50年代以來，三江平原經歷了4次農業開發高潮，均通過耕地開墾對土地進行大規模改造。為配合國家新增千億斤糧食計劃，三江平原逐步成為了我國的重要糧食生產基地和集約化農業區。

1.2 土壤呼吸速率的測定

在2014年4月底至6月初選擇旱地改水田(DL-PL)、濕地改水田(WL-PL)、濕地改旱地(WL-DL)、林地改旱地(FL-DL)4種土地利用類型，每個類型選取3個樣地作為平行樣。測定土壤呼吸速率前將樣地內的植物從根部剪除，并去除表層生物。各樣地內用環刀采取不同深度(0～15、16～30、31～60 cm)的原狀土樣各3個，通過靜態堿液吸收法[11]測定土壤呼吸速率。

1.3 土壤理化因子的測定

利用長桿針式土壤溫度計測定每個點0～15、16～30、31～60 cm 深度的土壤溫度；采用烘干稱量法測定土壤含水量。同時，將每個樣地不同深度的土壤樣品帶回實驗室自然風干，過100目篩后，通過重鉻酸鉀法、凱氏定氮法和碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法分別測定土壤有機碳、全氮和有效磷的含量，并用pH值計測定土壤的pH值。

1.4 研究方法

土壤呼吸溫度敏感性Q10通常用公式(1)、(2)進行擬合分析。

Rs=aebT；

(1)

Q10=e10b。

(2)

式中：Rs表示土壤呼吸速率[μg/(kg·h)]；a表示當土壤溫度為0 ℃時的土壤呼吸速率[μg/(kg·h)]；b為溫度響應系數；T表示不同土地利用方式的的土壤溫度(℃)。

由2014年4月底至6月底測定的土壤呼吸速率估算累積土壤呼吸，公式為：

(3)

Di=Rsi×3 600×12×10-6。

(4)

式中：first和last分別表示試驗期間第1次和最后1次測定的土壤呼吸速率；Ni+1-Ni-1為第1次與第2次測定土壤呼吸速率之間的間隔天數；Rsi表示測定日的土壤呼吸速率[μg/(kg·h)]；Di表示測定日的累積土壤呼吸量(g/kg)。

2 結果與分析

2.1 不同土壤深度土壤呼吸速率的變化

研究期間4種土地利用方式的土壤呼吸速率在3個土壤深度呈現相同的變化規律，均表現為在0～15 cm深度土壤呼吸速率最大，在31～60 cm深度最小(圖1)。對于DL-PL、WL-PL 和FL-DL等3種方式，土壤呼吸速率在3個土壤深度之間差異顯著。WL-DL在0～15、16～30 cm之間的呼吸速率差異不顯著，在0～15 cm的呼吸速率變化范圍為 206.3～565.3μg/(kg·h)，31～60 cm深度的變化范圍為137.5～313.2 μg/(kg·h)。

在0～15 cm土層中，研究期間DL-PL方式土壤呼吸速率最大，其變化范圍為290.3～603.5 μg/(kg·h)，FL-DL方式的土壤呼吸速率較小，變化范圍為213.9～504.2 μg/(kg·h)。在0～15 cm土層中，4種土地利用方式中除 WL-DL和FL-DL間土壤呼吸速率間沒有顯著差異外，其他土地利用方式間均存在顯著差異，尤其是DL-PL與 FL-DL的差異極顯著(P<0.01)。在16～30 cm土層中，4種土地利用方式的土壤呼吸速率由高到低依次表現為DL-PL>WL-PL>WL-DL>FL-DL。DL-PL方式的土壤呼吸速率變化范圍為236.8～496.5 μg/(kg·h)，顯著高于其他3種類型；WL-PL的土壤呼吸速率變化范圍為221.5～473.6 μg/(kg·h)，與FL-DL有顯著差異，FL-DL的變化范圍為175.7～381.9 μg/(kg·h)。在31～60 cm土層中，4種土地利用方式的土壤呼吸速率變化規律與其他2層相似，不同土地利用方式間的土壤呼吸速率均存在顯著差異。DL-PL方式的土壤呼吸速率變化范圍為198.6～382.0 μg/(kg·h)，FL-DL在129.9～305.6 μg/(kg·h) 范圍內變化。

2.2 不同土地利用方式土壤呼吸溫度敏感性的變化

通過公式(1)、(2)擬合土壤呼吸速率與土壤溫度的關系，得到土壤呼吸的溫度敏感性Q10值。圖2為4種土地利用方式在不同土壤深度的Q10值，即溫度每升高10 ℃土壤呼吸速率的變化程度。由圖2可以看出，DL-PL、WL-PL、FL-DL類型的Q10值在3個土壤深度間差異不顯著，在研究期內的變化范圍為1.19～1.55。而WL-DL的Q10值在土壤表層(0～15 cm)顯著高于16～30、31～60 cm，這說明濕改旱地類型土壤表層的土壤呼吸作用對溫度變化更為敏感。

為了更好地描述土壤呼吸速率對溫度的敏感程度，通過指數函數關系尋找不同土地利用方式的差異。由表1可以看出，在不同土壤深度土壤呼吸速率(y)與土壤溫度(x)之間均存在極顯著相關關系，說明土壤溫度對土壤呼吸的解釋能力較強。在4種土地利用類型中，解釋能力由大到小依次為 DL-PL>WL-PL>FL-DL>WL-DL。在3個土壤深度中，DL-PL類型隨著土壤深度的增加相關系數逐漸減小，具有明顯的梯度變化。對于其他3個類型，在土壤深度中沒有出現明顯的梯度變化，這可能與土壤含水量和其他因子有關。

表1 不同土地利用方式的土壤呼吸速率與土壤溫度的關系

2.3 不同土地利用方式的累積土壤呼吸估算

研究期內的累積土壤呼吸按照公式(3)、(4)進行估算。由表2可以看出，4種土地利用方式在土壤深度為0～60 cm的累積土壤呼吸量由大到小依次為DL-PL>WL-PL>FL-DL>WL-DL。旱地改水田和濕地改水田的土壤呼吸量高于林地改旱地和濕地改旱地，總體上水田的土壤呼吸量比旱地的高。同時，在16～30、31～60 cm等2個土層中也呈現了相同的規律，水田的累積土壤呼吸量高于旱地。在0～15 cm 土層中，FL-DL的土壤呼吸量為 8.580 g/kg，高于其他土地利用方式。

表2 不同土地利用方式的累積土壤呼吸量

2.4 土壤呼吸作用的影響因子

2.4.1 土壤水分 在4種土地利用方式中，隨著土壤深度的增加，土壤含水量增加。WL-PL和DL-PL的土壤含水量明顯高于WL-DL和FL-DL，且2種水田類型和旱地類型之間也具有極顯著差異(P<0.01)。在3個土壤深度中，WL-PL和WL-DL之間的含水量差異極顯著(P<0.01)，在31～60 cm 土壤深度時，WL-PL和WL-DL的含水量分別為 32.23%、23.50%。FL-DL在16～30 cm土層的含水量明顯高于其他2個深度(P<0.05)，但在0～15、31～60 cm之間沒有明顯的差異，含水量分別為25.31%、25.17%。同時 DL-PL 的土壤含水量在3個土壤深度均沒有明顯差異。

由圖3可以看出，在不同土壤深度4種土地利用類型的土壤含水量與土壤呼吸速率之間均呈現極顯著相關(P<0.01)關系，且在土壤深度為0～15 cm時的土壤含水量與土壤呼吸速率之間的相關性高于16～30 cm；31～60 cm的相關性高于15～30 cm。DL-PL、FL-DL的土壤含水量與土壤呼吸速率之間的相關系數在土壤深度為31～60 cm時達到最高。其中，FL-DL在土壤深度為31～60 cm時兩者之間的相關系數為0.979 4，是研究區土壤含水量對呼吸作用解釋能力最強的；FL-DL在0～15、16～30 cm深度的相關系數分別為 0.670 7、0.645 1。DL-PL、WL-PL和WL-DL等3種土地利用方式在不同深度土壤含水量對土壤呼吸速率的解釋作用均達到69%以上。

2.4.2 土壤碳含量 4種土地利用方式的土壤碳含量在 12.81～21.93 g/kg范圍變化，并且隨著土壤深度的增加，土壤碳含量逐漸減少。WL-DL和FL-DL類型在0～15、16～30 cm的土壤碳含量顯著高于31～60 cm(P<0.05)，DL-PL和WL-PL類型在不同土壤深度間的碳含量差異不顯著(P>0.05)。在0～15 cm土層中，土壤碳含量由高到低依次為WL-DL>FL-DL>DL-PL>WL-PL。在16～30 cm土層，WL-DL 的土壤碳含量最高，為19.54 g/kg，WL-PL的最低，為14.17 g/kg。在31～60 cm土壤深度時，不同土地利用方式的土壤碳含量表現為WL-DL>DL-PL>WL-PL>FL-DL，FL-DL的含量僅為12.81 g/kg。土壤碳含量與土壤呼吸速率之間的關系如圖4所示。DL-PL和WL-DL在16～30 cm深度土壤碳含量與土壤呼吸速率呈現顯著(P<0.05)的正相關關系，其他土地利用方式在不同土壤深度之間均無顯著(P>0.05)的正相關關系。這說明土壤碳含量對土壤呼吸作用的解釋能力較低。

3 結論與討論

3.1 不同土地利用方式間的土壤呼吸速率差異

4種土地利用方式的土壤呼吸速率取3個不同土壤深度的平均值，結果發現，DL-PL的土壤呼吸速率最大，FL-DL最小。其中，DL-PL的土壤呼吸速率為400.3 μg/(kg·h)，WL-PL 為374.8 μg/(kg·h)，高于旱地土壤(WL-DL、FL-DL)。水田以種植水稻為主，在水稻生長期長期處于淹水狀態，其土壤含水量高。旱地以種植玉米和大豆為主，土壤含水量較低。研究表明，土壤溫度、含水量和微生物活性是引起土壤呼吸速率差異的主要因素[11-12]。諸多研究發現，處在淹水狀態的水田，土壤呼吸作用較弱，但本研究卻表現出相反的結果[13]。這可能與土壤有機質穩定性、土壤pH值等理化性質有關[14]。同時，旱地和水田的耕作管理措施也不同，如施肥、排灌和翻耕等也會使土壤中電導率、鹽分含量和pH值等不同，進而影響土壤呼吸速率。

3.2 土壤呼吸溫度敏感性

本研究中4種土地利用方式的土壤呼吸速率最大值均出現在土壤溫度最高的6月，這與我國東北草地生態系統土壤呼吸速率在6月初達到最大值的結論[15]相似。同時，不同深度的土壤溫度對土壤呼吸作用也會產生不同的影響。國內外諸多研究表明，表層土壤溫度對土壤呼吸速率具有較大的影響[16]。其原因主要有2個方面：一是采用針式土壤溫度計測定溫度，可能會造成讀數不穩定；另一方面是隨著氣溫的升高，土壤微生物活性對土壤水分的依賴性增強，不再單純地依靠溫度。

在研究期內DL-PL、WL-PL、FL-DL等3種類型的土壤呼吸溫度敏感性Q10在1.19～1.55范圍內變化，在不同土地利用方式和土壤深度間均沒有顯著差異。這是因為本研究中不同類型的土地方式處于類似的土壤條件和氣候環境，異氧呼吸相差不大，Q10值的差別主要是自養呼吸造成的。

3.3 其他因子

土壤碳含量對土壤呼吸速率的影響主要是通過土壤有機質表現的。4種土地利用類型的土壤碳含量與土壤呼吸速率間也存在正相關關系，但除DL-PL和WL-DL在16～30 cm深度土壤碳含量與土壤呼吸速率呈現顯著(P<0.05)的正相關關系外，其他土地利用方式在不同土壤深度之間均無顯著(P>0.05)的正相關關系。在土壤質地對土壤呼吸速率的影響研究中，黏土由于持水能力強，土壤有機質含量高，因此其土壤呼吸速率較高[12]。本研究區三江平原的土壤有機質含量較高，其土壤呼吸速率也較高。除此之外，植物的光合作用對土壤呼吸具有促進作用，同時溫度和含水量的協同作用對土壤呼吸也具有明顯的影響。在以后的研究中，有必要進一步驗證溫度和含水量的協同作用對土壤呼吸速率的影響程度。

4 結論

研究期估算的累積土壤呼吸量由高到低依次為 DL-PL>WL-PL>FL-DL>WL-DL。總體上水田的土壤呼吸量比旱地的高。在不同土壤深度，土壤呼吸速率與土壤溫度之間均存在顯著相關(P<0.01)關系，土壤溫度對土壤呼吸的解釋能力較強。在不同土壤深度中，4種土地利用類型的土壤呼吸速率與土壤含水量均呈現極顯著相關(P<0.01)關系，土壤碳含量對土壤呼吸作用的解釋能力較低。

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