不同灌溉方式對側(cè)柏人工林土壤呼吸的影響

李澤霞，陳愛華，田晉華

（甘肅省水土保持科學(xué)研究所，蘭州 730020）

0 引 言

土壤呼吸是指土壤釋放二氧化碳的過程，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中僅次于光合作用的第二大碳循環(huán)途徑[1]，對全球碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，中國人工林面積穩(wěn)居世界第一，人工林增加森林土壤碳匯能力的潛力較大，研究人工林碳匯是提升我國固碳減排能力的重要措施。除受自然因素影響外，半干旱區(qū)的人工林生態(tài)系統(tǒng)還受到人類活動的強烈干擾，因水資源短缺，灌溉措施在半干旱地區(qū)人工林建設(shè)中起到了重要的作用。側(cè)柏具有耐干旱耐土壤瘠薄、適應(yīng)性強的特點，已成為半干旱區(qū)人工造林的重要綠化樹種，也是蘭州市南北兩山綠化工程種植面積最大、生長良好的樹木，但是干旱一直是限制側(cè)柏人工林生長的重要原因之一。隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的迅速發(fā)展，噴灌、滴灌等技術(shù)逐步成為半干旱地區(qū)人工林栽培的主要灌溉措施，灌溉會對人工林的土壤環(huán)境造成影響，合理的灌溉方式能夠促進(jìn)土壤固碳，減輕溫室氣體排放[2]，進(jìn)一步影響人工林的碳匯功能。在全球控制固碳減排的大背景下，研究不同灌溉方式下土壤含水量變化對側(cè)柏人工林土壤呼吸特征的影響，對評估土壤碳排放具有重要意義。

目前關(guān)于灌溉對土壤呼吸影響的研究已有一定進(jìn)展，農(nóng)田土壤CO2的排放量受到灌溉量的影響顯著，虧缺灌溉一定程度上抑制了夏玉米地土壤CO2的排放[3]及花生全生育期CO2累積排放量[4]，但也有研究表明，過量灌溉則會降低土壤呼吸[5]。孫瀟等[6]研究無水層控制灌溉模式稻田的土壤呼吸速率日均值較淹灌模式有一定幅度的增大，表明控灌模式促進(jìn)了稻田土壤呼吸速率。韓昌東[7]研究不同灌水下限對設(shè)施土壤CO2排放的影響，其中灌水下限為20 kPa 時促進(jìn)了設(shè)施土壤CO2的排放。楊洋等[8]研究不同灌溉方式對設(shè)施番茄土壤呼吸的影響，指出3 種灌溉處理的土壤呼吸速率表現(xiàn)為溝灌＞滴灌＞滲灌。劉芳婷等[9]通過土柱試驗發(fā)現(xiàn)隨著滴灌水量的增加，土壤含水率與表層土壤CO2通量的關(guān)系呈逐漸減弱的趨勢。不同灌溉方式對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究主要集中在農(nóng)田以及設(shè)施蔬菜，有關(guān)人工林灌溉方面的研究較少，區(qū)分不同灌溉方式作用效應(yīng)差異的試驗結(jié)果更鮮有報道。因此，本文以半干旱區(qū)側(cè)柏人工林為研究對象，通過野外試驗觀測三種灌溉方式下側(cè)柏人工林的土壤呼吸速率，分析不同灌溉方式對側(cè)柏人工林土壤呼吸變化特征的影響，從而提出有利于半干旱區(qū)側(cè)柏人工林地固碳減排的灌溉方式，為評估人工林地生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳匯能力和指導(dǎo)人工林地的合理灌溉措施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省蘭州市小青山水土保持科技示范園區(qū)，該區(qū)屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，地貌特征以梁狀黃土丘陵為主，地勢西南高，東北低，屬北溫帶半干旱大陸性氣候，蒸發(fā)量為1 333 mm，年降水量為330 mm，土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育起來的灰鈣土為主。示范區(qū)為甘肅省水土保持科學(xué)研究所的試驗、示范、監(jiān)測基地，該區(qū)先后開展了水土流失規(guī)律、綜合治理模式、集雨造林及節(jié)水灌溉等方面的科學(xué)研究，園區(qū)內(nèi)自然植被種類豐富，現(xiàn)有100 余種喬灌樹種及30 多種草種，林草覆蓋率達(dá)85%。試驗選擇側(cè)柏人工林為研究對象，株行距為3 m×5 m，平均株高、冠幅、地徑分別為3.7 m、2.4 m和32.0 cm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計噴灌、穴灌和漫灌3 個處理，3 次重復(fù)，共9 塊樣地，每塊樣地種植20 株側(cè)柏人工林。灌溉制度參考示范區(qū)及周邊坡地近年側(cè)柏灌溉水平實際定額制定，其中噴灌和穴灌灌水次數(shù)為6 次，總灌水量分別為2 517 m3/hm2、1 698 m3/hm2，漫灌灌水次數(shù)為4次，總灌水量為3 330 m3/hm2。各樣地分別采用固定式噴灌、移動軟管式穴灌以及渠道輸水式漫灌進(jìn)行灌水，灌溉水量用園區(qū)內(nèi)蓄水池出口處水表控制，采取相同的施肥管理措施。

1.3 測定指標(biāo)

（1）土壤呼吸速率：利用LI-8100土壤碳通量系統(tǒng)對不同灌溉方式下側(cè)柏人工林地的土壤呼吸進(jìn)行測定，該儀器的測量原理、測量過程及主要特點見文獻(xiàn)[10]。側(cè)柏人工林于2020年3-9月進(jìn)行灌溉，結(jié)合灌溉制度每隔兩月選取適宜的天氣開展土壤呼吸觀測試驗。在側(cè)柏人工林噴灌、穴灌、漫灌樣地內(nèi)分別隨機設(shè)置3個樣方，在樣方內(nèi)垂直固定好PVC環(huán)（直徑為20 cm；高為10 cm），露出地面5 cm，選擇晴朗的觀測日，在08:00-18:00 進(jìn)行土壤呼吸參數(shù)的測定，每次測定重復(fù)3 次，取平均值計為測量時間點的土壤呼吸值。在每次測量前24 h放置測量環(huán)并清除環(huán)內(nèi)植物，盡量減少外部條件對土壤呼吸速率的影響。

（2）土壤溫度與濕度：測定土壤呼吸的同時用儀器自身配置的溫度探針和土壤水分探頭測定5 cm 處土壤溫度和10 cm處土壤體積含水率，利用氣溫計同步觀測記錄大氣溫度和地表溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系通常采用以下指數(shù)方程擬合：

式中：Rs為土壤呼吸速率；T為土壤溫度；a為T等于0 ℃時的土壤呼吸速率；b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

土壤呼吸與土壤水分(W，%)采用線性方程Rs=a+bW擬合。根據(jù)公式Q10= e10b計算土壤呼吸溫度敏感性值(Q10)。土壤呼吸速率和土壤溫濕度值均為測量時間點所有數(shù)據(jù)的平均值，月變化值由一天觀測值平均所得。采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖分析和SPSS 21.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析和最小顯著差異方法分析不同樣地及月份的差異性，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式側(cè)柏人工林土壤呼吸變化特征

2.1.1 土壤呼吸日內(nèi)變化特征

側(cè)柏人工林3-9月份灌水期內(nèi)土壤呼吸速率的日內(nèi)變化如圖1 所示。3 種灌溉方式下側(cè)柏人工林的土壤呼吸速率日內(nèi)變化均呈現(xiàn)先升高后降低的單峰變化，高峰值基本出現(xiàn)在12:00-16:00 之間。從圖1 可以看出，3 種灌溉方式下側(cè)柏人工林在不同月份的土壤呼吸速率日內(nèi)均值存在較大差異，從大到小依次表現(xiàn)為7 月：漫灌[3.40 μmol/(m2·s)]＞穴灌[2.17 μmol/(m2·s)]＞噴灌[1.72 μmol/(m2·s)]；9 月：漫灌[2.26 μmol/(m2·s)]＞穴灌[1.88 μmol/(m2·s)]＞噴灌[1.67 μmol/(m2·s)]；5 月：穴灌[1.91 μmol/(m2·s)]＞漫灌[1.89 μmol/(m2·s)]＞噴灌[1.67 μmol/(m2·s)]；最小的是3 月：漫灌[0.72 μmol/(m2·s)]＞穴灌[0.63 μmol/(m2·s)]＞噴灌[0.38 μmol/(m2·s)]，除5 月份外，其余月份漫灌側(cè)柏林地的土壤呼吸速率日內(nèi)均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于噴灌和穴灌的側(cè)柏林地。經(jīng)方差分析，3種灌溉方式下側(cè)柏人工林在不同時刻的土壤呼吸速率變化值差異顯著(p＜0.05)。

圖1 不同灌溉方式的土壤呼吸速率日內(nèi)變化特征Fig.1 Diurnal variation characteristics of soil respiration rate of different irrigation modes

從表1 可知，不同灌溉方式側(cè)柏人工林地在3-9 月份日較差表現(xiàn)不規(guī)律，漫灌林地日較差最高[0.72 μmol/(m2·s)]，其次是穴灌林地[0.31 μmol/(m2·s)]，最低的是噴灌林地[0.24 μmol/(m2·s)]，說明漫灌林地一天之中土壤呼吸速率最高值與最低值相差較大，噴灌林地差異較小。漫灌側(cè)柏人工林的變化幅度最大，從3-9 月的變化范圍是0.72～3.40 μmol/(m2·s)，噴灌與穴灌林地的變化幅度較漫灌地小，其最大值與最小值出現(xiàn)的時間和漫灌林地是一致的。

表1 土壤呼吸特征分析Tab.1 Variation characteristics of soil respiration

2.1.2 土壤呼吸月變化特征

側(cè)柏人工林的土壤呼吸速率月變化特征如圖2 所示，3 種灌溉方式林地的土壤呼吸速率均是3 月最低，7 月最高，土壤呼吸在不同月份的變化梯度比較明顯。3-9月的土壤呼吸速率月均值表現(xiàn)為：漫灌[2.07 μmol/(m2·s)]＞穴灌[1.65 μmol/(m2·s)]＞噴灌[1.36 μmol/(m2·s)]，漫灌地月均值高于穴灌地25.45%，高于噴灌地52.2%。5-7 月份正處于夏季，土壤溫度較高，側(cè)柏人工林根系生長快，土壤微生物活動力強，促使土壤排放CO2速度較快，使得土壤呼吸作用增強。3月份處于春季，側(cè)柏人工林處于生長初期，日輻射能量較低，制約了土壤生物的活動，從而使土壤呼吸速率在3月最小。經(jīng)方差分析，同一月份中不同灌溉方式側(cè)柏人工林的土壤呼吸速率月均值均存在顯著差異，噴灌林地的土壤呼吸速率均顯著低于漫灌和穴灌林地，漫灌與其他2種灌溉方式土壤呼吸速率差異達(dá)到極顯著水平(p＜0.01)，說明漫灌顯著促進(jìn)了土壤呼吸作用。

圖2 不同灌溉方式3-9月土壤呼吸速率月變化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of soil respiration of 3-9 months with different irrigation modes

2.2 土壤呼吸速率與水熱因子的關(guān)系

2.2.1 土壤呼吸速率與溫度的關(guān)系

為進(jìn)一步探明不同灌溉方式下土壤呼吸速率對溫度的響應(yīng)，采用指數(shù)方程對3種不同灌溉方式下土壤呼吸速率與溫度的關(guān)系進(jìn)行模型擬合，并計算溫度敏感系數(shù)Q10值(表2)。從表可以看出，3 種不同灌溉方式土壤呼吸速率與地表溫度、5 cm土壤溫度都表現(xiàn)出極顯著(p＜0.01)正相關(guān)關(guān)系，因此，隨著溫度的增加，土壤呼吸速率也在增加。噴灌林地、穴灌林地、漫灌林地土壤地表溫度分別解釋了土壤呼吸速率71.65%、30.71%、61.47%的變異，5 cm 土壤溫度分別解釋了土壤呼吸速率67.85%、17.89%、50.87%的變異，表明噴灌林地的地表溫度、5 cm 土壤溫度與土壤呼吸速率的相關(guān)性高于穴灌和漫灌林地。通過比較分析，地表溫度對土壤呼吸速率的影響高于5 cm土壤溫度。

表2 土壤呼吸速率(Rs)與溫度(T)間的關(guān)系及Q10值Tab.2 Relationships between soil respiration rate (Rs)and temperature (T)as well as Q10 values

Q10值是溫度敏感性指數(shù)，Q10值越大，表明側(cè)柏人工林地的土壤呼吸速率對溫度的變化就越敏感，采用指數(shù)關(guān)系模型計算3 種灌溉方式下側(cè)柏人工林地的Q10(表2)，研究土壤呼吸速率隨土壤溫度的變化情況。從表可以看出，3種灌溉方式下土壤呼吸速率與其各自對應(yīng)的土壤溫度(T)擬合效果較好，噴灌林地的土壤呼吸和地表溫度、5 cm 土壤溫度相關(guān)性均最高，其次是漫灌林地，穴灌林地最低。3種灌溉方式側(cè)柏人工林的的溫度敏感性系數(shù)在1.54～2.34之間，噴灌林地的土壤呼吸速率對地表溫度、5 cm 土壤溫度的敏感性最高，Q10分別為2.12、2.34。

2.2.2 土壤呼吸速率與土壤含水率的關(guān)系模型

除土壤溫度外，土壤含水率也是影響土壤呼吸速率的一個重要因素。本研究選取5月份土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用線性方程模擬出不同灌溉方式側(cè)柏人工林土壤呼吸速率與10 cm 土壤含水率的相關(guān)關(guān)系圖(圖3)。結(jié)果顯示：噴灌林地的土壤呼吸速率與10 cm 土壤含水率表現(xiàn)出極顯著(p＜0.01)正相關(guān)關(guān)系，而穴灌和漫灌林地并沒有表現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。噴灌林地的土壤呼吸速率與10 cm 土壤含水率的相關(guān)性高于其他2種灌溉方式，隨著土壤含水量的增加，土壤呼吸速率也在增加。

圖3 土壤呼吸速率與10 cm土壤含水率的關(guān)系Fig.3 Relationships between soil respiration rate and 10 cm soil moisture

3 討 論

3.1 不同灌溉方式對土壤呼吸變化的影響

土壤呼吸是指植株的根呼吸、土壤微生物分解有機質(zhì)、動物呼吸，從土壤中釋放出CO2的過程[11]。本研究中甘肅省蘭州小青山示范區(qū)不同灌溉方式側(cè)柏人工林土壤呼吸速率變化范圍是0.38～3.40 μmol/(m2·s)，噴灌林地的土壤呼吸速率低于漫灌林地和穴灌林地，且差異性顯著；3種灌溉方式側(cè)柏人工林地3-9 月的土壤呼吸速率均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，在各月的變化基本一致，其中3 月土壤呼吸速率最低，7 月土壤呼吸速率最高，這是因為受到季節(jié)性氣溫變化的影響，地表溫度和土壤溫度都較高，側(cè)柏人工林地土壤微生物活動活躍。3種灌溉方式中，噴灌林地的土壤呼吸速率均低于漫灌和穴灌林地，且差異達(dá)到極顯著水平(p＜0.01)。

3.2 不同灌溉方式下土壤溫度和土壤含水率對土壤呼吸速率的影響

土壤呼吸的變化主要是由土壤溫度、濕度、氣象因素、光合產(chǎn)物及其共同作用引起的，有研究表明土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著的指數(shù)回歸關(guān)系[12]，與本研究結(jié)果一致，三種灌溉方式下側(cè)柏人工林地的地表溫度、5 cm 土壤溫度均與土壤呼吸速率呈正相關(guān)指數(shù)關(guān)系。Q10是指溫度每增加10 ℃，呼吸速率增加的倍數(shù)，本研究結(jié)果表明，隨著地表溫度和土壤溫度的增加，土壤呼吸速率也在增加。由土壤呼吸速率與溫度之間的指數(shù)模型，可知噴灌林地、穴灌林地、漫灌林地地表溫度分別解釋了土壤呼吸速率71.65%、30.71%、61.47%的變異，5 cm 土壤溫度分別解釋了土壤呼吸速率67.85%、17.89%、50.87%的變異，Q10表現(xiàn)為噴灌林地＞漫灌林地＞穴灌林地。

有研究表明，土壤呼吸速率主要受土壤溫度和濕度的共同影響[13]，但是土壤呼吸速率與土壤濕度之間的關(guān)系較復(fù)雜，二者有正相關(guān)、負(fù)相關(guān)、不相關(guān)3 種關(guān)系[14]。付佳祥等[15]研究夏玉米的土壤呼吸速率與土壤溫度呈正相關(guān)，與不同處理土壤體積含水存在顯著正相關(guān)關(guān)系，師夢嬌[16]等發(fā)現(xiàn)土壤CO2的排放隨著灌溉量的增加而增加，但灌溉頻率過高降低了土壤CO2的排放量。灌溉措施是半干旱區(qū)側(cè)柏人工林的重要影響因子，適宜的土壤水分可增加土壤微生物種群數(shù)量，通過對土壤特性、溫度等的改變從而影響土壤呼吸，本研究結(jié)果表明，噴灌林地的土壤呼吸速率與10 cm 土壤含水率表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，而穴灌和漫灌林地沒有表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系，可能是因為噴灌灌水均勻度高，土壤濕潤持續(xù)時間長，為土壤微生物和作物根系提供了適宜的環(huán)境條件，從而引起土壤呼吸速率的變化。

4 結(jié) 論

半干旱區(qū)側(cè)柏人工林地在3種灌溉方式下的土壤呼吸速率變化均表現(xiàn)出明顯的單峰曲線特征，但不同灌溉方式之間存在差異，噴灌林地的灌水量最少，土壤呼吸速率最小，能夠有效降低土壤碳排放，是一種更適宜半干旱區(qū)側(cè)柏人工林的節(jié)水灌溉技術(shù)。

（1）3 種灌溉方式側(cè)柏人工林3-9 月份土壤呼吸速率日內(nèi)變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，高峰基本出現(xiàn)在12:00-16:00 之間，除5 月份外，其余月份漫灌側(cè)柏林地的土壤呼吸速率日內(nèi)均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于噴灌和穴灌的側(cè)柏林地。

（2）3 種灌溉方式側(cè)柏人工林的土壤呼吸速率均是3 月最低，7 月最高，3-9 月的土壤呼吸速率月均值表現(xiàn)為漫灌[2.07 μmol/(m2·s)]＞穴灌[1.65 μmol/(m2·s)]＞噴灌[1.36 μmol/(m2·s)]。

（3）噴灌林地土壤呼吸速率與地表溫度、5 cm 土壤溫度及10 cm 土壤含水率都表現(xiàn)出極顯著(p＜0.01)正相關(guān)關(guān)系。溫度敏感性系數(shù)Q10在1.54～2.34之間，噴灌林地的土壤呼吸速率對溫度的敏感性高于其他2種灌溉方式。