濕地墾殖對土壤呼吸影響的研究進(jìn)展

毛 敏 ，許信旺 ，2，付 偉 ，3，石小磊

（1.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.池州學(xué)院 資源與境與旅游系，安徽 池州247000；3.蕪湖市氣象局，安徽 蕪湖 241000）

濕地墾殖對土壤呼吸影響的研究進(jìn)展

毛 敏1，許信旺1，2，付 偉1，3，石小磊1

（1.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.池州學(xué)院 資源與境與旅游系，安徽 池州247000；3.蕪湖市氣象局，安徽 蕪湖 241000）

人類活動(dòng)干擾了濕地生態(tài)系統(tǒng)正常的碳循環(huán)過程，尤其是濕地的墾殖對土壤呼吸的影響顯著，對此的研究也已成為近年來研究土壤碳循環(huán)與全球變化的熱點(diǎn)問題。文章綜述了濕地墾殖對土壤溫度、水分、有機(jī)碳含量的影響及其墾殖后的不同利用方式對土壤碳呼吸影響的研究進(jìn)展，并對其研究方法進(jìn)行了簡要的總結(jié)，展望了濕地墾殖后土壤碳呼吸的未來研究方向，以期為以后研究墾殖對濕地土壤碳呼吸的影響提供參考。

濕地；墾殖 ；土壤呼吸；CO2排放

引言

濕地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中僅次于森林生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫[1-4]，儲(chǔ)存在濕地土壤中的碳占到土壤總儲(chǔ)積量的11%[1]，在碳的存儲(chǔ)中起著非常重要的作用。土壤碳庫主要是通過土壤呼吸向大氣排放CO2，據(jù)估計(jì)每年因土壤呼吸而排放的C約為50-75Pg[5]，它十倍于人類的化石燃料燃燒向大氣的排放。土壤呼吸還是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳收支平衡的重要環(huán)節(jié)[8]，因此，土壤中的碳儲(chǔ)量或者土壤呼吸的任何微小的變化都將會(huì)影響大氣中CO2的濃度和全球的碳收支平衡[6,7]。目前人類為了生存的需要，越來越多的濕地被開墾為農(nóng)田，這就干擾了濕地生態(tài)系統(tǒng)自然狀態(tài)下的碳循環(huán)和水分循環(huán)過程，濕地開墾為農(nóng)田后，改變了土壤的溫度、水分、有機(jī)碳含量等，影響了土壤呼吸的變化，進(jìn)而影響到大氣中CO2的濃度的變化。因此了解濕地墾殖后土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化，對于進(jìn)一步探討濕地固碳的穩(wěn)定性和溫室氣體的釋放的關(guān)系具有重要的科學(xué)意義，另外也有利于了解環(huán)境變化下濕地土壤碳循環(huán)特點(diǎn)。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者開展了不同區(qū)域、不同濕地圍墾類型下土壤呼吸研究，但比較全面的分析評(píng)述性文章還不多見，研究方法和一些關(guān)鍵的過程及機(jī)制還有待闡明。本文對迄今為止國內(nèi)外關(guān)于濕地土壤呼吸影響因素的一些研究進(jìn)行綜述，為科學(xué)合理地開展?jié)竦乇Ｗo(hù)提供一定理論依據(jù)。

1 濕地墾殖對土壤呼吸產(chǎn)生的影響

土壤呼吸是指未受干擾的土壤由于新陳代謝作用而釋放CO2的過程[2]，這個(gè)過程包括土壤微生物呼吸、根呼吸、土壤動(dòng)物呼吸和土壤有機(jī)物氧化呼吸[3]。

1.1 濕地墾殖對土壤溫度和水分的影響

濕地在墾殖為農(nóng)田的過程中土壤的溫度和水分條件均會(huì)發(fā)生變化，而相應(yīng)的必然會(huì)引起土壤呼吸的改變，大量的研究表明土壤溫度和土壤濕度（或積水深度）是影響土壤呼吸速率的最重要的因素[13,25-27,21-23]。宋長春等[24,31,32]在對三江平原沼澤濕地開墾前后土壤溫度變化的研究中發(fā)現(xiàn)：濕地開墾前的土壤10cm溫度明顯低于開墾后的農(nóng)田，濕地開墾后，由于土壤溫度的增高和氧化還原條件的改變，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和土壤呼吸通量的增長，致使墾后農(nóng)田8-9月份土壤平均呼吸通量是天然沼澤濕地的6倍；江長勝等[25]的研究也發(fā)現(xiàn)沼澤濕地Q10值高于開墾的農(nóng)田，表明開墾后農(nóng)田的土壤呼吸對溫度變化響應(yīng)的敏感性指數(shù)高；劉興士等[33]研究也發(fā)現(xiàn)濕地開墾后會(huì)導(dǎo)致濕地冷熱效應(yīng)消失，土壤水熱狀況發(fā)生改變，土壤溫度升高。但目前描述濕地墾殖與土壤溫度的模型還不完善，我國目前關(guān)于這方面的研究還很少，以后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。

還有研究表明：濕地開墾后，土壤水位的變化會(huì)引起土壤微生物的變化，這也是導(dǎo)致土壤呼吸發(fā)生變化的一個(gè)重要原因。當(dāng)土壤含水量比田間持水量低時(shí)，土壤呼吸速率會(huì)隨著土壤含水量的增加而增加，而且增加的速度很快[21]；當(dāng)土壤含水量在一定的范圍內(nèi)時(shí)，對土壤呼吸速率并沒有多大的影響[22]；當(dāng)土壤含水量比田間持水量高時(shí)，土壤呼吸速率會(huì)隨著土壤含水量的增加而下降[23]。宋長春等[34]研究發(fā)現(xiàn)濕地開墾后，由于沼澤被排水疏干，多年積水和季節(jié)性積水消失，地下潛水位降低，沼澤濕生植物被農(nóng)作物代替，導(dǎo)致土壤飽和持水量和毛管飽和持水量下降；Oberbaueer等[35]研究發(fā)現(xiàn)濕地排水會(huì)使土壤呼吸作用增強(qiáng)，排水后土壤的透氣性改良，土壤呼吸量會(huì)相應(yīng)的增加，當(dāng)濕地開墾為農(nóng)田時(shí)，濕地被排水因此會(huì)使土壤呼吸作用增強(qiáng)；江長勝等[25]的研究發(fā)現(xiàn)濕地開墾為水田的土壤濕度與土壤呼吸速率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，開墾為旱田的土壤濕度較低，而土壤濕度的增加能刺激土壤微生物的活性，表現(xiàn)為隨土壤濕度的增加土壤呼吸速率也隨之升高，但是在土壤水分條件適宜時(shí)，土壤含水量的變化對土壤呼吸速率沒有太大的影響；濕地墾殖后的不同利用方式（如濕地開墾為水田、旱田）會(huì)導(dǎo)致土壤含水量的變化不同，積水狀況也不同，因此對土壤呼吸的影響也不同，所以不能單一的描述土壤濕度與土壤呼吸的定量關(guān)系，兩者之間要定性的研究。

1.2 濕地墾殖對土壤有機(jī)碳含量的影響

濕地土壤碳庫在全球氣候變化和人為活動(dòng)的影響下變化強(qiáng)烈，歷史上濕地圍墾是造成土壤有機(jī)碳損失的一個(gè)重要的原因。據(jù)估計(jì)，我國1949年以來湖泊濕地的圍墾總面積為1.30×106hm2[36]，但不同地區(qū)和不同類型的濕地圍墾后有機(jī)碳的變化不同。大量的研究表明，自然生態(tài)系統(tǒng)在向人工生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)破壞原土壤有機(jī)碳的收支平衡[16-17]。一般而言，墾殖對有機(jī)碳的影響主要是集中在表層土壤，對深層土壤的影響不大[18-19]?；衾蚶虻萚9]在對三江平原小葉章濕地墾殖后表土有機(jī)碳分布的研究中發(fā)現(xiàn)：小葉章濕地墾殖后表土有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量都顯著下降，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也都降低。這與陳志杰等[20]的研究結(jié)果一致。宋長春等[32]研究三江平原濕地開墾后，在初期5-7年土壤有機(jī)碳損失速率較快，15-20年有機(jī)碳損失趨于平衡；劉子剛等人[37]估計(jì)近50年來三江平原因濕地開墾造成的有機(jī)碳的總損失量可達(dá)215Tg；林凡等[38]研究皖江自然濕地開墾為農(nóng)田后，土壤表層和全剖面的土壤有機(jī)碳含量明顯下降，開墾為旱田的土壤有機(jī)碳含量和碳密度均顯著低于開墾的稻田；王樹起等人[39]和陸琦等人[40]對不同土地利用方式下三江平原濕地土壤碳變化的研究也可以看到,濕地開墾為稻田比開墾為旱地有機(jī)碳的損失?。焕畹溆训萚41]報(bào)道長江中下游濕地開墾為農(nóng)田50年后，土壤表層有機(jī)碳損失達(dá)40-60Tg，并隨開墾年限的增加，土壤有機(jī)碳含量減少的幅度也在增加，而且開墾為旱地的土壤有機(jī)碳含量和碳密度均顯著低于開墾的稻田。

在近50年來，因濕地開墾所造成的濕地表土土壤有機(jī)碳損失達(dá)1.5Pg[42],濕地開墾后土壤有機(jī)碳的變化必然會(huì)造成土壤呼吸的變化。大量的研究都表明土壤呼吸主要是受土壤可利用碳源贏虧的影響，土壤中可利用碳源過量或者缺乏都會(huì)強(qiáng)烈的影響土壤呼吸[47]。田昆等[10]對納帕海濕地墾殖開發(fā)后土壤碳變化的研究中發(fā)現(xiàn)：人為干擾下納帕海濕地0-20cm表層土壤有機(jī)碳含量與20-40cm下層相差4倍，由于濕地墾殖后土壤透氣性改善，土壤有機(jī)碳分解加快導(dǎo)致土壤呼吸加強(qiáng)。Larionova等[43]在對莫斯科西部地區(qū)的白楊-白樺混交林地和農(nóng)牧交錯(cuò)地帶的研究中發(fā)現(xiàn)：林地土壤呼吸速率顯著高于農(nóng)田,他認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的主要原因是林地土壤碳密度高于農(nóng)田土壤碳密度；Motavalli等[44]研究發(fā)現(xiàn)在森林砍伐變成農(nóng)田的5年中,土壤表層有機(jī)碳流失使農(nóng)田表層土壤呼吸顯著低于林地表層土壤呼吸；吳建國等[45]研究發(fā)現(xiàn)森林開墾為旱田土壤呼吸速率降低，這也是由于土壤有機(jī)碳含量減少造成的；戴萬宏等[46]研究也發(fā)現(xiàn)土壤CO2的排放量與土壤含碳量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；江長勝等[25]研究也表明濕地開墾為農(nóng)田后土壤呼吸作用與土壤有機(jī)質(zhì)含量均下降，這與土壤碳的輸入量減少有關(guān)。

以上研究都表明濕地墾殖后土壤有機(jī)碳含量的下降會(huì)使土壤呼吸作用減弱，溫室氣體排放增加，使?jié)竦氐摹疤紖R”功能減弱或喪失，這一問題在我國溫室氣體減排工作中應(yīng)值得重視，恢復(fù)和保護(hù)濕地固碳功能，減少溫室氣體排放刻不容緩。

1.3 不同圍墾利用對濕地土壤碳呼吸的影響

濕地的不同圍墾利用既改變了土壤的透氣性，又改變了地表的植被類型，使得土壤的根系生物量、微生物量和微生物活性、有機(jī)碳含量等發(fā)生改變，相應(yīng)的土壤呼吸也會(huì)發(fā)生變化[11-12]。目前國內(nèi)外關(guān)于不同圍墾利用對土壤呼吸影響的研究還不足，而且由于土地自身的不確定因素（土壤本底的不均勻性、土地利用歷史的不清晰）也會(huì)給準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土地利用效應(yīng)帶來很多困難。黃靖宇等[14]對三江平原不同土地利用方式表層土壤活性炭的研究中發(fā)現(xiàn)：墾殖為農(nóng)田后，表層土壤活性炭組分顯著降低，農(nóng)田棄耕還濕和人工造林后表層土壤活性炭各組分恢復(fù)到天然沼澤濕地的36.1%-59.9%和67.0%-69.3%；任文玲等[15]在對崇明島新圍墾區(qū)不同土地利用方式下土壤呼吸的研究中發(fā)現(xiàn)：2009年整個(gè)春季，土壤呼吸速率強(qiáng)度順序?yàn)樗递喿?[(0.30±0.08)mol·m-2·d-1]>旱田[(0.18±0.04)mol·m-2·d-1]>林帶[(0.09±0.01)mol·m-2·d-1]，且水旱輪作的土壤呼吸速率變化波動(dòng)較大，說明水旱輪作土壤有利于土壤有機(jī)碳的積累，這對于農(nóng)田固碳有積極意義；吳建國等[45]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)常耕作的農(nóng)田的土壤呼吸速率平均比休閑農(nóng)田高20%，但并不是很顯著；李志鵬等[48]在對太湖地區(qū)一個(gè)水稻田改種玉米3年的土壤有機(jī)碳變化研究中顯示：水田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档?，耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量迅速減少，土壤呼吸作用減弱；王麗麗等人[49]研究表明三江平原土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為旱田＜水田＜人工林地＜退耕還濕地，這說明濕地開墾為旱田土壤有機(jī)碳損失最大，表現(xiàn)為土壤呼吸作用最弱；張容娟等[50]人在對崇明島圍墾區(qū)的幾種土地利用方式研究中表明：土壤呼吸強(qiáng)度表現(xiàn)為魚塘撂荒地＞水旱輪作地＞人工林地，而水-旱輪作農(nóng)田在大麥種植期土壤呼吸速率最強(qiáng)，在水稻種植期土壤呼吸速率較低。這說明水-旱輪作可增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，這對農(nóng)田固碳具有積極的意義。江長勝等[25]研究也表明濕地開墾為旱田和水田的土壤呼吸速率季節(jié)變化也不同，開墾為旱田的土壤呼吸速率在夏季達(dá)到峰值，而且維持時(shí)間較短，開墾為水田的土壤呼吸排放峰值在秋季出現(xiàn)。彭佩欽[51]等的研究發(fā)現(xiàn),在經(jīng)過25年的農(nóng)田耕作后,旱地的土壤有機(jī)碳含量有所減少而稻田的土壤有機(jī)碳含量則顯著增加；這說明稻田的土壤固碳速率較快，霍莉莉等[9]的研究也表明開墾為水稻田的有機(jī)碳儲(chǔ)量稍高于大豆田，濕地圍墾為水稻田比圍墾成旱地更有利于土壤有機(jī)碳的積累。所以在必須圍墾的地區(qū)，盡量墾殖為水田，以減少土壤有機(jī)碳損失，從而更好的協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)土壤固碳和釋放過程的矛盾。

不同地區(qū)不同類型的濕地開墾后，土地利用方式的改變都會(huì)強(qiáng)烈的影響土壤有機(jī)碳的含量，表現(xiàn)為土壤呼吸的變化，即便是同一生態(tài)系統(tǒng)，由于植被類型、管理措施、年限、土壤有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性、生產(chǎn)力、生物多樣性、人類活動(dòng)和環(huán)境因素影響等的不同，土壤呼吸CO2年排放量也將產(chǎn)生顯著的變化。因此合理的土地利用方式對土壤固碳具有積極的意義，比如我國南方的水稻田就具有很好的固碳潛力，可以在稻茬結(jié)束后盡量的少耕種植旱茬作物，在旱茬結(jié)束后盡量的把秸稈還田，以提高農(nóng)田在固碳減排中的作用。

2 濕地墾殖對土壤碳呼吸影響的研究方法

目前我國關(guān)于濕地墾殖對土壤呼吸的影響的研究還比較缺乏，其研究方法的不同主要集中在對土壤呼吸的測定及計(jì)算方面，目前常用的土壤呼吸的測定方法有：靜態(tài)堿液吸收法、靜態(tài)密閉氣室法、動(dòng)態(tài)密閉氣室法，通氣法和渦度相關(guān)法。

靜態(tài)堿液吸收法就是用置于氣室內(nèi)的堿液吸收CO2形成碳酸鹽，再用重量法或者中和滴定法計(jì)算剩余的堿量，就可以根據(jù)公式計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)土壤CO2的排放量[52]。它的優(yōu)點(diǎn)就是不需要復(fù)雜的設(shè)備，所以操作很簡單，同時(shí)還可以進(jìn)行多點(diǎn)大尺度的測定，但是堿液吸收法的測定精度不很理想[59]。目前廣泛應(yīng)用于草原[22，54]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[55]、森林[56-57]和沙地[58]土壤。

靜態(tài)密閉氣室法是用專用集氣裝置收集氣體，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用氣相色譜儀或紅外氣體分析儀測定CO2量，再利用濃度差計(jì)算土壤呼吸。江長勝等[25]利用此方法研究墾殖對土壤呼吸速率的影響；宋長春等[24]利用此方法研究沼澤墾殖前后土壤呼吸與CH4通量的變化；王旭等[60]也利用靜態(tài)密閉氣室法研究長白山針闊混交林與開墾農(nóng)田土壤呼吸作用的比較；王小國等[59]也是利用這種方法研究不同土地利用方式下土壤呼吸及其溫度的影響。靜態(tài)密閉氣室法只采樣氣，操作簡便，精確度高，運(yùn)用普遍，但是用此方法測量的面積相對較小，且對被測地面自然生態(tài)系統(tǒng)干擾也大，費(fèi)用也高。因此此種方法只適合測定小尺度的土壤呼吸。

動(dòng)態(tài)密閉氣室法就是使一定流量的空氣在紅外線CO2分析儀和氣室連成的閉合回路內(nèi)循環(huán)，同時(shí)檢測回路內(nèi)CO2濃度隨時(shí)間的變化[52]。以美國的LI-COR的相關(guān)儀器最著名。馮朝陽等[61]利用LI-8100開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)測量華北山地不同植被類型土壤呼吸，杜紫賢等[62]也是采用LI-8100土壤碳通量測定儀對閩江沿岸蘆葦濕地土壤呼吸的晝夜變化和季節(jié)變化進(jìn)行測量；張榮娟等[50]也是利用LI-8100測量土地利用對崇明島圍墾區(qū)土壤呼吸的影響。動(dòng)態(tài)密閉氣室法比靜態(tài)氣室法更能準(zhǔn)確的測量土壤呼吸，它可以同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)測量，實(shí)現(xiàn)了同一樣點(diǎn)的重復(fù)測量，因此更適合測定瞬間和整段時(shí)間的土壤CO2速率，但是此設(shè)備昂貴且必須保證持續(xù)的電力供應(yīng)，因此不適合長時(shí)間的野外作業(yè)。

渦度相關(guān)法是根據(jù)微氣象學(xué)原理直接測定植被上方CO2的渦流速度，以此來計(jì)算整個(gè)植物群落的CO2排放狀況，它不僅測定土壤層的CO2排放狀況，還測定植被上層的CO2排放狀況，所以嚴(yán)格的講此種方法還不能準(zhǔn)確的測定土壤呼吸。但在植物冠層允許的高度范圍內(nèi)，其測定不受生態(tài)系統(tǒng)類型限制，特別適合于中長期大尺度范圍的CO2排放的測定。另外此種方法對土壤系統(tǒng)幾乎不會(huì)造成任何干擾。其缺點(diǎn)就是在測定CO2排放時(shí)很容易受土壤表面、大氣、儀器設(shè)備的影響[63]，因此此方法要求土壤表面和地形要相對簡單。

通氣法的測定原理是往氣室的一方通入一定流量的空氣，再從氣室的另一方吸出相同流量的空氣。根據(jù)所注入和吸收的CO2濃度差來計(jì)算土壤呼吸速率[64],此方法可以連續(xù)多點(diǎn)測定，但是氣室內(nèi)外氣壓差對測量結(jié)果有一定的影響，目前在農(nóng)田[65]、果園[66]、林地[67]等多種生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸測定中有應(yīng)用。

在以后的土壤呼吸研究中，更應(yīng)該關(guān)注的是能否進(jìn)行多點(diǎn)長期大尺度的觀測、測定的方法和測量的精確性、穩(wěn)定性是否滿足實(shí)際需要、應(yīng)圍繞上述問題對儀器不斷地改造以求更精確的表述土壤呼吸，而從觀測的時(shí)長來看，土壤呼吸應(yīng)至少一年的觀測周期才可近似的等于土壤真呼吸。在土壤呼吸從“點(diǎn)”到“面”的理論探索過程中，還應(yīng)準(zhǔn)確的區(qū)分土壤根系呼吸和土壤基底呼吸、并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和全面的野外數(shù)據(jù)觀測，同時(shí)盡可能的增加濕地土壤呼吸觀測數(shù)據(jù)，以便為以后的研究和模擬土壤呼吸提供更可靠的資料。

3 結(jié)語

現(xiàn)如今濕地越來越多的被開墾為農(nóng)田，在開墾過程中造成大量的土壤有機(jī)碳流失，使得濕地土壤由原來的碳匯逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚矗寥乐锌衫锰荚吹臏p少直接影響土壤呼吸，而在此過程中又因土壤呼吸向大氣中排放大量的CO2，導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)的增加，危害了人類的生存健康，因此應(yīng)當(dāng)合理的開發(fā)利用土地，加強(qiáng)墾殖農(nóng)田在固碳減排中的作用。目前國內(nèi)外關(guān)于濕地墾殖對土壤呼吸影響的研究還不足，而且主要是集中在草原生態(tài)系統(tǒng)，對淡水濕地的研究還很少。關(guān)于不同景觀、不同利用方式、不同利用年限下濕地土壤呼吸CO2排放的主要途徑及其變化的主要影響因素應(yīng)是今后研究工作的重點(diǎn)，同時(shí)還應(yīng)深入研究人類活動(dòng)對濕地土壤呼吸的影響幅度和控制機(jī)理等，為促進(jìn)溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)。

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S152

A

1674-1103(2012)03-0062-05

2012-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41071337）。

毛敏（1984-），女，安徽蚌埠人，安徽師范大學(xué)國土資源與旅游學(xué)院碩士研究生，主要從事土壤碳循環(huán)方面的研究。

[責(zé)任編輯：陳曉華]