城市綠化景觀土壤呼吸變化規律及影響因素

趙龍飛，李德生①，滕 達，劉福德，張 明（.天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 0084；.威海市濱海新城建設投資股份有限公司，山東 威海 6400；.生態環境部南京環境科學研究所，江蘇 南京004）

土壤呼吸通常是指未擾動土壤產生CO2的所有過程，包括土壤微生物、根系和土壤動物呼吸以及土壤自身生化反應4個過程［1］，是土壤向大氣中排放碳的主要途徑［2］。相關數據顯示，土壤呼吸作用排放CO2量分別是植被和大氣碳儲存量的3倍和2倍左右［3-4］，其微小變化將會引起大氣CO2濃度的強烈波動。城市綠化景觀作為陸地生態系統重要的組成部分，是不容忽視的碳庫。人類活動和人工管護影響下的城市景觀綠地的理化性質和植被特征不同于自然生態系統，其土壤呼吸過程也必然與自然生態系統呼吸過程存在差異。然而長期以來，關于土壤呼吸的研究主要集中在農業、森林和草地等生態系統［5-7］。隨著生態學者對城市生態系統呼吸過程的日益關注，有關城市生態系統土壤呼吸的研究主要集中于不同綠地類型環境因子對土壤呼吸的影響，如吳亞華等［8］對廣州海珠湖公園疏林、灌叢和草坪土壤呼吸速率特征及其與土壤溫度和濕度的關系進行研究；陶曉等［9］對合肥市公園、校園、工廠和居住區綠地土壤呼吸變化及其影響因素進行研究。然而，土壤呼吸不僅受到綠地類型、土壤溫濕度的影響，還受到城市綠化景觀中不同樹種及其搭配種類的影響。不同樹種及依存根系分泌物生活的微生物呼吸作用均會向環境中排放CO2，對城市大氣環境和碳循環具有重要影響。

該研究在測定天津市2種綠化景觀土壤環境因子的基礎上，利用定位觀測方法研究生態系統凈土壤呼吸的特征和規律，分析不同景觀非生物因子與土壤呼吸的相關關系，揭示引起土壤呼吸變化的主要影響因子，旨在為城市生態系統土壤碳儲量的變化提供參考，為更好地探索土壤CO2排放及其影響因素之間的相互關系提供科學依據和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于天津市西青區（39.56～39.64°N，117.132～117.136°E），屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，干濕季節分明，冬、夏季長，春、秋季短，寒暑交替明顯，全年平均氣溫為11.6℃，7月平均氣溫為26℃，全年平均無霜期為184 d，日均氣溫＞0℃時間為271 d，大于0℃積溫為4 567.7℃，日均氣溫大于10℃時間為199 d，年均降水量為584.6 mm，年內50%的雨日和75%以上的降水量集中于夏季。研究區土壤水分管理（約每月澆水1次）基本一致，是開展該項研究的理想之地。選取國槐梨樹（GL）和銀杏紫葉李（YZ）2種優勢樹種綠化景觀土壤為研究對象，各監測點具體特征見表1。

1.2 試驗設計

1.2.1 土壤呼吸速率的測定

在2種綠化景觀GL和YZ中，各選取3塊地勢平整、植被均勻且無人為干擾地段（計作3次重復），利用土壤碳通量分析儀ACE（EN110NT，ADC BioScientific Ltd.，UK）測定土壤呼吸。2017年3—11月，選擇無雨天氣，平均每半個月測定1次土壤呼吸速率（Rs）。測定時間為8：00至次日8：00，每個小時測定1組數據，將每個樣地每日多個時間點的Rs觀測平均值用于數據分析。每次在測定土壤呼吸速率的同時，利用便攜式土壤碳通量ACE儀配套攜帶的溫度和濕度探頭測定土壤10 cm處溫度（T10）和5 cm處濕度（M5）。

1.2.2 土壤理化性質的測定

3月中旬測畢土壤呼吸后，在每個測試樣點去除地表枯枝落葉后取土壤表層0～20 cm土樣，風干過篩后測定土壤理化性質，每個采樣點設3次重復。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定［10］30-34；土壤pH值采用電位法〔V（水）：m（土）為2.5：1）〕測定［10］164-165；全碳和全氮含量采用元素分析儀測定［11］；土壤容重、孔隙度和毛管孔隙度采用環刀法測定［12］。土壤理化特性見表2。

1.3 數據處理

剔除因儀器造成的誤差值和異常值后用Excel 2016軟件整理觀測的原始數據，用Origin 9.64軟件繪圖。采用SPSS 21軟件對土壤呼吸速率與土壤理化性質進行Person相關性和線性回歸分析，對土壤呼吸速率與土壤溫度、濕度的關系進行擬合，顯著性差異水平設定為α=0.05。

土壤溫度敏感系數（Q10）［13］可以反映土壤呼吸對溫度變化的敏感性，為溫度每改變10℃時土壤呼吸所改變的熵。Q10通過土壤呼吸和溫度之間的指數關系確定，即土壤呼吸與溫度之間存在指數關系時，Q10表達式為

Q10=e10β。 （1）

式（1）中，β為指數關系中的擬合參數。

2 結果與分析

2.1 2種綠化景觀土壤呼吸、土壤溫度和土壤濕度的季節變化

2種綠化景觀土壤呼吸、土壤溫度和土壤濕度的季節變化見圖1。

圖1 2種綠化景觀土壤呼吸（Rs）、土壤溫度（T10）和土壤濕度（M5）的季節關系Fig.1 Seasonal changes of Rs，T10and M5in two kinds of greening landscape

整個觀測期內，2種綠化景觀Rs的季節變化規律基本一致且均值為 1.14 μmol·m-2·s-1，均呈現較明顯的單峰變化趨勢，峰值均出現在8月中旬（圖1），GL景觀的Rs在5月中旬最低，而YZ景觀的Rs在4月中旬最低。然而，Rs在不同月份的變化規律存在一定差異。在3、4和11月（干季），GL和YZ 2種景觀Rs均較小，且月變化幅度較小，范圍分別為（0.20±0.03）～（1.09±0.16）和（ -0.06±0.01）～（0.26±0.05）μmol·m-2·s-1。5—10月（濕季），GL和YZ的Rs較大且變化幅度較大，范圍分別為（-0.05±0.01）～（3.62±0.26）和（0.38±0.07）～（3.17±0.27）μmol·m-2·s-1，GL和YZ的Rs濕季變化幅度比干季分別大0.85和 1.53 μmol·m-2·s-1。GL的Rs均值（1.20 μmol·m-2·s-1）大于 YZ（1.08 μmol·m-2·s-1）。這表明GL的Rs大，釋放到環境中的CO2較多，但兩者差異性未達顯著水平（P＞0.05）。

GL和YZ景觀T10變化一致，呈單峰曲線（圖1）。2種綠化景觀干季T10較低（＜19.9℃），11月末最低；濕季T10較高，GL的T10在6月中旬最高，而YZ的T10最高值出現在7月中旬，2種綠化景觀T10具有明顯干濕季節變化的特點，此與所處區域氣候特點一致。與T10變化不同，2種綠化景觀M5在整個監測期內變化差異達極顯著水平（P＜0.01），GL的M5比YZ小，M5干濕季變化幅度不明顯，但7—9月2種綠化景觀M5變化趨勢一致。

2.2 2種綠化景觀土壤呼吸與土壤溫度和土壤濕度的關系

土壤溫度和土壤含水率作為重要環境因子，是影響植物生長發育和調節陸地生態系統許多生物化學過程的關鍵因素，土壤呼吸速率主要受土壤溫度和濕度的共同影響。圖1顯示，Rs隨T10的升高而增大，相關性分析顯示2種綠化景觀的Rs與T10之間呈極顯著正相關（P＜0.01），且可用多種函數描述兩者之間的關系［14-15］。指數模型〔Rs=α exp（βT10）〕不僅最適合于表征 Rs和 T10之間的關系，還可用于擬合Rs與Q10之間的關系。模擬結果（圖2）表明，T10對GL和YZ的Rs變化規律的影響程度達64.8%和45.4%。2種綠化景觀的Rs和M5之間的關系比較復雜，經過不同模型擬合后發現，三次曲線模擬效果最好，其對Rs的影響程度分別為52.2%和21.1%。由圖2可知，在溫度較低的干季M5是Rs的主要影響因子，Rs隨著M5的變化而變化；在溫度較高的濕季，Rs在8月中旬達到峰值時，GL的Rs比YZ高，但YZ的M5比GL大，這表明T10與M5相互影響，共同作用于城市綠化景觀的土壤呼吸過程。

圖2 2種綠化景觀土壤呼吸（Rs）與土壤溫度（T10）和土壤濕度（M5）的關系Fig.2 The relationship between Rsand T10，M5in two kinds of greening landscape

根據Rs和T10之間的指數方程估算Q10，按整個觀測期、干季和濕季3個時期進行分析發現，干、濕季土壤呼吸溫度敏感性不同，土壤濕度大的地區（YZ）Q10比濕度低的地區（GL）高，這與REICHSTEIN等［16］的研究結果一致。如表3所示，YZ濕季Q10比干季大，而GL濕季Q10比干季小；全監測期內YZ的Q10比GL高0.891。

2.3 2種綠化景觀土壤呼吸和土壤理化性質關系

現有研究表明土壤呼吸速率與土壤有機質、全氮、全碳、土壤容重和pH值具有相關性［17］。分別對GL和YZ整個監測期內土壤呼吸平均釋放速率與樣點土壤理化性質進行相關性和線性回歸分析，發現2種綠化景觀土壤理化性質與Rs具有一定相關性。如表4所示，GL土壤有機質含量與Rs相關顯著（P＜0.05），YZ土壤有機質含量與Rs相關極顯著（P＜0.01），且GL和YZ土壤有機質含量與Rs之間均呈正相關關系（R2分別達0.999和1.000），而GL和YZ土壤全氮含量、全碳含量、土壤容重和pH值均與Rs的相關性未達顯著水平（P＞0.05）。

表3 2種綠化景觀土壤呼吸Q10的擬合方程Table 3 The fitting equation of Q10of soil respiration in two kinds of greening landscape

表4 2種綠化景觀Rs與土壤理化性質的相關性Table 4 Correlation between Rsand soil physicochemical properties in two kinds of greening landscape

3 討論

3.1 2種綠化景觀土壤呼吸速率的差異

現有研究表明不同氣候區域的不同陸地生態系統Rs均呈現明顯的季節變化趨勢［18］。筆者研究中2種綠化景觀Rs的季節變化規律基本一致，呈現較明顯的單峰變化趨勢，且干、濕季間Rs差異顯著，濕季Rs比干季高，同時濕季Rs變化幅度也比干季大，這與吳亞華等［8］的研究結果一致。研究區外部環境因素的季節變化是導致Rs季節變化的主要原因。在寒冷的干季，低溫少雨導致微生物和地上、地下植物的活性較低，從而抑制城市綠化景觀的土壤呼吸速率，導致Rs較低；在高溫多雨的濕季，土壤溫度和濕度均有所提高，綠化景觀及其土壤微生物活動旺盛，土壤呼吸作用強，Rs普遍增加。同時，土壤呼吸受研究區水熱條件影響顯著［5，19］，不同的水熱條件導致土壤呼吸速率最大值和平均值不同。郭其強等［17］研究表明西藏林區Rs最大值出現在7月，筆者研究中2種綠化景觀Rs峰值均出現在8月中旬；陶曉等［9］研究結果表明合肥市城市綠地Rs均值 為 2.17 μmol·m-2·s-1，比 筆 者 研 究 結 果 1.14 μmol·m-2·s-1高近1倍。

此外，同一氣候區不同陸地生態系統的土壤理化性質差異也導致土壤呼吸存在一定差異［8］，筆者研究發現就同一氣候區的2種綠化景觀相比較而言，土壤有機質含量差異較大，與土壤呼吸的相關性顯著，而其他理化性質差異較小，且對土壤呼吸的影響不顯著。筆者研究中雖然GL土壤有機質含量比YZ低，但GL的Rs高于YZ，其原因是GL郁閉度較低，且林下植物覆被率較低，白天光照較強，使林下土壤表層溫度較高，作為土壤呼吸主要碳源的有機質成分分解速率較快，土壤中的微生物活動和根系呼吸比YZ更旺盛，因此Rs較高。

3.2 土壤溫度、土壤濕度以及土壤理化性質對土壤呼吸的影響

土壤溫度作為調控許多生態過程的關鍵因子，對土壤呼吸具有決定性作用。土壤溫度通過對土壤酶活性的調控，直接或間接地影響土壤微生物代謝活動、植物根系分泌和土壤養分轉化過程，從而對土壤呼吸產生影響，土壤溫度對土壤呼吸的影響幾乎涉及其全部過程［20］。與諸多研究結果［21］一致，在一定溫度范圍內土壤呼吸強度與土壤溫度呈顯著正相關，筆者研究中6月土壤溫度達最大值時Rs未出現峰值，而在溫度相對較低的8月Rs達最大值（圖1）。筆者還發現，Rs和T10之間存在明顯的指數關系，T10對GL和YZ的Rs變化規律的影響程度分別達64.8%和45.4%，但指數方程只能在一定溫度區間較好地表征土壤呼吸速率變化規律，且能很好地解釋碳排放的季節變異性，若溫度偏高或過低，指數方程便不再適合模擬兩者之間的關系［8］。此外，筆者研究中，YZ的Q10值大于GL，干濕季土壤呼吸溫度敏感性不同，土壤濕度大的地區Q10比濕度低的地區高。這可能是因為土壤水分條件對土壤呼吸的溫度敏感性有影響，REICHSTEIN等［16］發現，土壤含水率高的地區Q10值比土壤排水良好的地區高。

土壤濕度是影響土壤呼吸速率的另一個關鍵因子，可以直接影響土壤中微生物代謝過程和植物根系生長過程，還可以通過影響土壤孔隙度間接對土壤呼吸底物擴散產生影響。土壤濕度和土壤呼吸的關系具有不確定性和復雜性，不同生態系統土壤濕度和土壤呼吸間呈正相關、負相關甚至不相關3種關系［22］。筆者研究發現2種綠化景觀M5對Rs的影響程度分別為52.2%和21.1%。但值得關注的是，在溫度較低的干季M5是Rs的主要影響因子，Rs隨著M5的變化而變化；在溫度較高的濕季，Rs在8月中旬達到峰值，GL的Rs比YZ大，但YZ的M5比GL大，這表明當土壤水分超過一定閾值時Rs不隨土壤濕度的增大而升高。

土壤理化性質差異也導致土壤呼吸不同，已有研究表明土壤有機質、容重、全氮、全碳和pH等都是影響土壤呼吸的重要因子［23］。筆者研究發現2種綠化景觀土壤理化性質與Rs具有一定的相關性。其中，土壤有機質含量與Rs呈顯著或極顯著正相關關系，這表明土壤有機質含量高對土壤呼吸有促進作用，YZ土壤有機質含量高于GL，但其Rs仍低于后者，說明土壤有機質含量在增加2種綠化景觀Rs方面貢獻較小。筆者研究中除土壤有機質含量與Rs具有顯著或極顯著相關性外，其他土壤理化性質與Rs均無顯著相關性。這可能與研究區土壤為中性偏堿有關，微生物數量和群落相對豐富，土壤pH及其他土壤養分對土壤微生物活性影響較小［24］。值得注意的是，GL和YZ的Rs與土壤有機質含量呈顯著或極顯著相關性，但與土壤全碳含量不相關，這主要是由于土壤呼吸的主要碳源為土壤有機碳［13］，而當土壤中難以用于土壤呼吸的無機碳占比大時則會導致土壤全碳含量對土壤呼吸影響較小。

4 結論

（1）2種綠化景觀Rs季節變化規律基本一致，均呈現較明顯的單峰變化趨勢且峰值同時出現，但最低值出現在不同月份。同時，不同月份Rs變化規律存在一定差異。在干季，2種綠化景觀Rs均較低，且月變幅較小，范圍分別為（0.20±0.03）～（1.09±0.16）和（-0.06±0.01）～（0.26±0.05）μmol·m-2·s-1；在濕季，2種綠化景觀Rs較高且變幅較大，范圍分別為（ -0.05±0.01）～（3.62±0.26）和（0.38±0.07）～（3.17±0.27）μmol·m-2·s-1。GL的Rs大于YZ。

（2）T10和M5對土壤呼吸過程均有重要影響。T10對GL和YZ的Rs變化規律影響程度達64.8%和45.4%。2種綠化景觀Rs和M5之間的關系用三次曲線模擬效果最好，其對Rs的影響程度分別為52.2%和21.1%。干、濕季土壤呼吸溫度敏感性不同，土壤濕度大的地區Q10比濕度小的地區高，全監測期內YZ的Q10比GL高0.891。

（3）2種綠化景觀土壤理化性質與Rs具有一定的相關性，但顯著性各有不同。GL和YZ 2種綠化景觀土壤有機質含量分別與Rs呈顯著相關（P＜0.05）和極顯著相關（P＜0.01）。