水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)土壤呼吸影響因素及其對土地利用方式變化的響應(yīng)

高 宇， 樊 軍， 米美霞， 王 力， 彭小平

(1 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100)

水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)土壤呼吸影響因素及其對土地利用方式變化的響應(yīng)

高 宇1,2， 樊 軍1*， 米美霞2,3， 王 力1， 彭小平3

(1 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100)

土壤呼吸； 水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)； 土地利用方式； 土壤溫度； 土壤水分含量

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的研究報(bào)告表明，土壤碳儲量的微量變化將對大氣碳庫產(chǎn)生較大的影響[1-4]。人類活動(dòng)引起的土地利用和管理方式的改變是土壤碳儲量產(chǎn)生波動(dòng)的重要原因[5-7]。土壤呼吸主要源自三個(gè)生物學(xué)過程和一個(gè)非生物學(xué)過程，這些過程分別是植物根呼吸、凋落物分解、根際微生物呼吸以及土壤有機(jī)質(zhì)的氧化。土壤水熱因子影響到該過程的各個(gè)方面，當(dāng)水熱因子較適宜時(shí)，土壤呼吸速率主要受到生物化學(xué)反應(yīng)的限制，與土壤水、熱單因子之間呈線性、指數(shù)、冪函數(shù)關(guān)系，但響應(yīng)模式不盡相同[8]；而且土地利用方式變化造成的土壤養(yǎng)分質(zhì)與量的變動(dòng)，也會造成土壤呼吸對水熱因子響應(yīng)機(jī)制的改變[9-12]。由此可見，由于受到多種生物和非生物因素的影響，土壤呼吸在不同時(shí)間、空間尺度上變異較大[13]。因此，在較長時(shí)間尺度上、同一區(qū)域不同土地利用方式下土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化研究顯得極為重要，尤其對黃土高原典型區(qū)域不同土地利用方式下土壤呼吸速率的長期觀測研究尚不充分。

水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域[14]，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，土壤貧瘠，溫度日較差和年較差大，空氣濕度與土壤含水量較低；植被類型多以耐旱的灌木和草本為主。近年來，在該區(qū)域?qū)嵤┝送烁€林還草的生態(tài)修復(fù)工程，以遏制當(dāng)?shù)貒?yán)重的水土流失。退耕還林(草)顯著改變了該區(qū)的土地利用方式，土壤水熱、養(yǎng)分因子也隨之改變[15]。本文以位于水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)的六道溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過分析4年觀測數(shù)據(jù)，旨在明確多年降水差異條件下，該區(qū)域土壤呼吸主要影響因素及其對土地利用方式變化的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共涉及11塊樣地(土地利用類型)，其中，平坦樣地8塊，包括裸地、農(nóng)地、苜蓿地、檸條地、撂荒地、梯田撂荒地、長芒草地以及荒草地小區(qū)各一塊，試驗(yàn)小區(qū)面積均不小于200 m2，由于無重復(fù)樣地面積較大，具有一定的代表性；另修建9個(gè)面積為60 m2的坡地徑流小區(qū)，設(shè)置3個(gè)處理為坡地苜蓿地、坡地撂荒地和坡地農(nóng)地，每個(gè)處理3次重復(fù)。各小區(qū)土壤均為侵蝕砂壤質(zhì)新成土，樣地立地條件、土壤物理性質(zhì)接近，具有可比性。樣地基本信息如表1。本試驗(yàn)于2009年4月初開始，至2012年10月中旬結(jié)束。

表1 試驗(yàn)樣地的基本信息Table 1 Basic information of the plots investigated

注(Note): 土地利用年限計(jì)算截止到2012年試驗(yàn)結(jié)束The land usage term is enumerated until the end of the experiment in 2012.

1.3 觀測項(xiàng)目和測定方法

1) 前期處理 在每塊樣地內(nèi)選擇可代表該樣地平均生長情況的5個(gè)1.0×1.0 m2樣方，首次測定前，在樣方內(nèi)將直徑25 cm的PVC底座嵌入土壤5 cm，以減少CO2的泄漏。PVC底座盡可能安放在植被間的空地；如PVC底座內(nèi)生長植物，則將底座內(nèi)植物齊地剪掉，保證每次測量前PVC底座內(nèi)無植物生長，并盡可能少擾動(dòng)凋落物以及地表結(jié)皮。

圖1 長芒草地土壤溫度以及土壤呼吸速率季節(jié)變化Fig.1 The seasonal distributions of soil temperature and soil respiration in S. bungeana lands

3)土壤水分及溫度的測定 在測定土壤呼吸速率的同時(shí)，采用Hydra Probe Ⅱ(SDI-12/RS485)測量0—6 cm土層土壤平均體積含水量。利用熱電偶探頭測量5 cm和10 cm土層土壤溫度；此外，在2010、2012年試驗(yàn)期間增測15 cm土層土壤溫度，在2012年試驗(yàn)期間增測20 cm土層土壤溫度。

4)土地管理方式 裸地定期除草，以保證其上無植被生長；農(nóng)地于每年5月中下旬開始種植農(nóng)作物，于10月初收獲；苜蓿每年度整個(gè)地塊刈割2次，分別于8月初和10月中下旬進(jìn)行；檸條地、撂荒地、長芒草地、荒草地不進(jìn)行人工管理。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19統(tǒng)計(jì)分析軟件檢驗(yàn)不同土地利用方式下土壤呼吸速率差異的顯著性以及土壤呼吸速率與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性。應(yīng)用SigmaPlot 12.0進(jìn)行土壤呼吸速率與土壤水熱因子擬合分析并作圖。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 土地利用方式對土壤呼吸的影響

黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)土壤呼吸速率的季節(jié)變化趨勢與土壤溫度變化趨勢一致(圖1)。土壤呼吸速率季節(jié)間和由土地利用方式不同產(chǎn)生的土壤呼吸速率均存在顯著差異(P<0.05)。對生長季土壤CO2平均釋放速率排序得出，苜蓿地>檸條地>撂荒地>荒草地≈長芒草地>農(nóng)地>裸地(表2)。人工草(灌木)地和荒草地、長芒草地的結(jié)果排序與齊麗彬等[19]研究結(jié)論相反，與謝慧慧等[20]、王建國等[18, 21]研究結(jié)果部分一致，說明不同土地利用類型下的土壤呼吸受到多個(gè)因素的共同影響，需要較長時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)才能得出更可靠的結(jié)論。

對土壤CO2的釋放速 表2 不同土地利用方式下土壤呼吸速率的季節(jié)性變化[μmol/(m2·s)]Table 2 The seasonal variation of soil respiration rate under different land use patterns

注(Note): 同行不同大寫字母表示同一土地利用方式在不同月份土壤呼吸速率具有顯著性差異；同列不同小寫字母表示同一月份內(nèi)不同土地利用方式土壤呼吸速率具有顯著性差異(P<0.05)The different capital letters in the same row mean the soil respiration monthly difference of the same land-use is significant; while, different lowercases in the same column mean the land-use soil respiration difference of the same month is significant (P<0.05).

2.2土壤溫度與含水量單因素對土壤呼吸的影響

以往研究已證實(shí)，土壤呼吸速率與土壤溫度之間多呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，研究者通常采用方程(1)，即Van’t Hoff模型進(jìn)行擬合；用溫度敏感性指數(shù)Q10描述溫度每升高10℃時(shí)土壤呼吸所增加的倍數(shù)，即公式 (2)。

Rs=a·ebT

(1)

Q10=e10b

(2)

式中：Rs為土壤呼吸速率[μmol/(m2·s)]；T為土壤溫度(℃)；a、b為待定參數(shù)，其中a為0℃時(shí)的土壤呼吸速率[22]，或稱之為基礎(chǔ)呼吸，b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

在土壤溫度未超過20℃時(shí)，土壤呼吸速率的散點(diǎn)分布聚集在擬合曲線附近，隨著溫度升高散點(diǎn)分布開始遠(yuǎn)離擬合曲線，呈發(fā)散狀。說明該區(qū)域土壤呼吸速率在溫度低于20℃時(shí)，根系以及根際微生物活性受土壤溫度限制，可能對土壤水分反應(yīng)不敏感；當(dāng)溫度超過20℃后，呼吸過程對其他影響因子響應(yīng)更為顯著，使得土壤CO2的釋放過程更為復(fù)雜(圖2)。應(yīng)用以上模型分析得出： 土壤溫度顯著影響土壤呼吸速率，10 cm處土壤溫度對土壤呼吸速率的解釋能力最強(qiáng)(表 3)。馬駿等[7]、崔驍勇等[23]的試驗(yàn)結(jié)果與本試驗(yàn)類似；王建國等認(rèn)為模型對單一年度觀測數(shù)據(jù)的擬合與土地利用情況相關(guān)，具有一定的不確定性[18, 21]。

圖2 土壤呼吸速率與10 cm土層土壤溫度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil respiration rate and soil temperature at 10 cm soil layer [注(Note): A—裸地Bare land; B—農(nóng)地Crop land; C—苜蓿地Alfalfa land; D—檸條地C. Korshinkii land; E—撂荒地Abandoned land; F—長芒草地 S. bungeana land.]

涂純等認(rèn)為，Q10值越高表明土壤呼吸對溫度的依賴性越大[26]。本文中裸地條件下由于無植物生長，土壤水分條件相對較好；農(nóng)地受到長期的耕作熟化影響，水分和養(yǎng)分條件亦優(yōu)于其他有植被生長的樣地，因此土壤溫度成為該地區(qū)裸地、農(nóng)地土壤呼吸速率的主要限制因子。農(nóng)地退耕之后，隨著田間生物量的增加，一般土壤呼吸速率會有顯著升高[19-22]。但本研究結(jié)果顯示，雖然農(nóng)地撂荒或者種植人工草(灌)后，土壤呼吸速率會有所提升，但由于該類樣地土壤水分含量的降低，導(dǎo)致土壤呼吸的溫度敏感性會隨之降低。

土壤呼吸速率與土壤含水量的關(guān)系較為復(fù)雜，本文采用方程(3)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

Rs=a·θ+b/θ+c

(3)

式中：Rs為土壤呼吸速率[μmol/(m2·s)]；θ為土壤體積含水量(cm3/cm3)；a、b、c為待定參數(shù)。

結(jié)果表明，除坡地撂荒地之外，其余土地利用類型土壤含水量與土壤呼吸速率之間非線性回歸決定系數(shù)均達(dá)到顯著或極顯著水平，但擬合優(yōu)度不及土壤溫度(表4)。在黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)，土壤含水量經(jīng)常成為限制土壤呼吸強(qiáng)度的重要因子，雖然降水能解除限制土壤CO2排放速率的水分因子的制約，但每次降水前，土壤前期含水量的不同，導(dǎo)致植物與土壤微生物生長發(fā)育情況不同，使得降水對半干旱區(qū)域土壤呼吸強(qiáng)度的激發(fā)程度不盡相同，掩蓋了土壤呼吸與土壤含水量之間的直接關(guān)系，導(dǎo)致土壤呼吸與土壤含水量的模型擬合優(yōu)度不及土壤溫度。以裸地、農(nóng)地、苜蓿地為例，降水發(fā)生之后3 d左右，土壤呼吸速率的觀測值較高，隨著時(shí)間的延續(xù)，呼吸值會有一定的降低(圖3)。這與Curiel Yuste等[27]的研究結(jié)論類似。馬駿等認(rèn)為，干旱、半干旱地區(qū)土壤含水量變化較小，也可能是兩者間無極顯著相關(guān)的原因[7]。

表4 不同土地利用方式下土壤呼吸速率與土壤含水量的關(guān)系回歸方程參數(shù)Table 4 Parametersin relation equations between soil respiration rate and soil moisture under different land-use patterns

注(Note): *—P<0.05; **—P<0.01.

圖3 降水以及不同土地利用方式下土壤呼吸速率季節(jié)變化Fig.3 The seasonal distributions of precipitation and soil respiration under different land-use patterns

2.3土壤溫度、土壤含水量雙因子對土壤呼吸的影響

已有的研究結(jié)果表明，土壤溫度和土壤含水量的雙因子模型對土壤呼吸的解釋能力要強(qiáng)于單因子的解釋能力[28]，土壤呼吸與土壤溫度或土壤含水量的單因子關(guān)系模型往往只能解釋某一觀測年度特定的土壤呼吸速率變化規(guī)律，在揭示存在降水差異的多年數(shù)據(jù)上并不理想。因此，本研究采用方程(4)、(5)、(6)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以探索最優(yōu)擬合模型。

Rs=a·T+b·θ+c

(4)

Rs=a·(T·θ)+b

(5)

Rs=a·ebT·θc

(6)

式中：Rs為土壤呼吸速率[ μmol/(m2·s)]；T為土壤溫度(℃)；θ為土壤體積含水量(cm3/cm3)；a、b、c為待定參數(shù)。

但與土壤溫度結(jié)合起來能解 表5 土壤呼吸速率與10 cm土壤溫度、0—6 cm土壤含水量的不同模型擬合優(yōu)度(n=68)Table 5 R2 between soil respiration rate and soil temperature at 10 cm and soil moisture at 0-6 cm (n=68)

注(Note): **—P<0.01.

2.4 土壤養(yǎng)分對土壤呼吸的影響

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量與土壤呼吸速率之間正相關(guān)性達(dá)到顯著或極顯著水平，7、8月份銨態(tài)氮含量與土壤呼吸速率之間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)；其它土壤養(yǎng)分含量與土壤呼吸速率之間有一定的相關(guān)性，但未達(dá)到顯著水平(表 6)，這與以往研究結(jié)果類似[21, 29]。土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量在水熱條件適宜的7、8月份，與土壤呼吸速率之間關(guān)系更為密切。前文述及當(dāng)土壤溫度高于20℃時(shí)，土壤呼吸速率與溫度之間的相關(guān)性降低(圖 2)，結(jié)合養(yǎng)分相關(guān)性結(jié)果，證實(shí)土壤呼吸的主要限制因子已經(jīng)由簡單的土壤水熱因子，轉(zhuǎn)變?yōu)榘B(yǎng)分等多因子的綜合因素。而隨著土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量的增加，土壤呼吸速率上升也說明土壤呼吸強(qiáng)度與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與氮素含量都能刺激植物的初級生產(chǎn)[8]，進(jìn)而間接影響土壤呼吸。

表6 土壤因子與土壤呼吸的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis between soil properties and soil respiration

注(Note): n—測定樣本數(shù)Sample numbers determined; *—P<0.05; **—P<0.01.

3 結(jié)論

1) 水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)農(nóng)地土壤呼吸速率與天然草地相差不大，退耕還林(草)后，人工種植的高產(chǎn)、深根性植物，如苜蓿、檸條會顯著提高土壤呼吸速率，而農(nóng)地撂荒后，土壤呼吸速率變化具有不確定性。退耕還林(草)會減弱升溫對土壤CO2釋放的影響程度，且土壤呼吸的溫度敏感性系數(shù)(Q10)隨土壤含水量降低而降低。

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Influencingfactorsofsoilrespirationandtheirresponsetodifferentlandusetypesinthewater-winderosioncrisscrossregion

GAO Yu1,2, FAN Jun1*, MI Mei-xia2,3, WANG Li1, PENG Xiao-ping3

(1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources/StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China;2UniversityofChinaAcademyofSciences,Beijing100049,China;3CollegeofResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to assess the impact of different land-use types with different soil moisture and temperature on seasonal soil respiration, we chose 6 kinds of typical land-use plots in the water-wind erosion crisscross region of the Loess Plateau at Liudaogou Watershed during growth seasons of the year 2009-2012. Soil respiration was measured by the Closed-Dynamic-Chamber Infrared gas analyzer (IRGA), and the relationships between soil respiration and soil temperature, soil moisture, soil nutrient were analyzed. The results showed that the management of land conversion from farm-lands to grass-lands or shrub-lands would cause significant changes to soil respiration in the water-wind erosion crisscross region. The soil respiration of farmlands is 1.06-1.39 μmol/(m2·s), and soil respiration is decreased to 42%-63% in the management of land conversion from farm-lands to bare lands, especially in July, August and September. The annual soil respiration rate is increased by 109%-200% following the conversion of abandoned plough-lands to artificial grass (shrubs) lands, and is about 79%-179% of farm land to abandoned lands. The annual soil respiration rate of farm-lands is a little higher than those of grass lands orS.bungeanalands. The soil respiration is dominantly controlled by the soil temperature, and 10 cm soil temperature has the best correaltion with soil respiration, while there is a poor correlation between soil respiration and soil moisture. The index model of the double-factors (soil respiration fitting with soil temperature and soil moisture,Rs=a·ebT·θc) is better than those of the single factor ones. TheQ10values in 10 cm soil layers are in the order of: plot with no plants (bare land, 2.09) > farm lands (crop lands and crop lands on slope, 2.07-1.69) > abandoned lands (abandoned lands on slope, abandoned lands and abandoned lands on terrace, 1.71-1.53) > grass (shrubs) lands (C.Korshinkiiland, alfalfa land,S.bungeanaland, alfalfa land on slope and wild grass land, 1.51-1.42). In case of the temperature increasing, the management of land conversion from farm-lands back to grass-lands or shrub-lands could reduce the sensitivity of soil respiration to temperature under the background of increasing soil respiration in the ecological system, and theQ10would decrease with the decrease of soil moisture. Soil respiration could be significantly related with soil organic matter and total nitrogen. Therefore, soil respiration in water-wind erosion crisscross regions is significantly affected by soil temperature, soil moisture, soil nutrients and land use patterns.

soil respiration; water-wind erosion crisscross; land-use pattern; soil temperature; soil moisture

2013-01-08接受日期2013-04-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51239009，41271239)；中國科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3-13)資助。

高宇(1986—)，男， 河北唐山人，碩士研究生，主要從事退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究。E-mail：supergaoyu@yeah.net * 通信作者 Tel： 029—87012210， E-mail：fanjun@ms.iswc.ac.cn

S154

A

1008-505X(2013)05-1207-11