隴東典型草原不同坡向土壤呼吸對模擬降雨的短期響應(yīng)

張秀敏，陳先江，侯扶江

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州730020)

在全球變化研究中，對影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳交換過程非生物因子(水分和溫度等)作用途徑和機(jī)理的研究一直備受關(guān)注［1-6］。土壤呼吸(CO2排放)是草地生態(tài)系統(tǒng)土壤和大氣間碳交換的主要途徑，并影響著土壤碳庫的周轉(zhuǎn)速度［7］。因此，研究草地土壤呼吸規(guī)律及環(huán)境因子對其作用機(jī)制對于深入理解草地土壤碳循環(huán)過程具有重要意義［8］。降水是天然草地土壤水分的最主要來源。土壤水分在短期內(nèi)因降水而迅速增加，影響草地土壤物理和生化過程，導(dǎo)致土壤呼吸的“噴發(fā)”效應(yīng)，即使少量的降雨也會如此［4，8-10］，在干旱和半干旱地區(qū)尤為明顯［11］。降雨激發(fā)的土壤呼吸增量可以占到年土壤呼吸總量的16% ～21%［12］。隴東黃土高原獨(dú)特的丘陵溝壑地貌使得該地區(qū)草地坡向各異，勢必造成草地降水和熱量分配不均，可能會影響草地土壤呼吸速率，而且土壤呼吸測定通常在晴天進(jìn)行，對降雨后該地區(qū)草地土壤呼吸作用變化的研究則鮮見于報道。本研究旨在分析典型草原土壤呼吸對短期降雨的響應(yīng)，以期對估測或修正地區(qū)草地CO2排放量提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省環(huán)縣甜水鎮(zhèn)大良洼村蘭州大學(xué)環(huán)縣草地農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(37.14°N、106.84°E)，海拔1 650 m，年均氣溫7.1℃，年平均降水量359.3 mm，60%以上降水集中在7－9月，且年際和季節(jié)變幅均較大。草地類型屬微溫微干典型草原類［13］。

1.2 樣地選擇和試驗(yàn)設(shè)計

選擇2001年封育草地，有東北(陰坡)和西南(陽坡)兩個坡向，坡度均為30°。

在陰坡和陽坡樣地各設(shè)置9個0.5 m×0.5 m樣方，作為模擬降雨區(qū)域。共設(shè)3個降雨梯度，0(CK)、15和30 mm，各梯度設(shè)3次重復(fù)。試驗(yàn)前期收集足夠雨水，用于模擬降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前24 h，每個樣方中心固定一個PVC基座(高5 cm，直徑10 cm)，用于測定土壤呼吸速率(Soil Respiration，Rs)。北京時間2012年10月11日08:30開始測定各樣方中的Rs，于09:00前測定完畢。09:00開始統(tǒng)一在各樣方按降雨梯度均勻、緩慢噴灑雨水，0、15和30 mm梯度對應(yīng)樣方分別噴灑0、3.75和7.00 L雨水。噴灑雨水后 0.5、2、5、9、12、24 和 30 h 時測定Rs，每時間點(diǎn)Rs連續(xù)測定3次。同步測定各樣點(diǎn)5 cm土壤含水量和土壤溫度。

1.3 測定方法

用Li-6400便攜式分析系統(tǒng)(Li-cor，Lincoln，NE，USA)的土壤呼吸室測定土壤呼吸速率。TDR(TRIME-T3，Germany)測定土壤含水量。熱電偶(Li-6400 TC，Lincoln，NE，USA)測定土壤溫度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

不同降雨處理下土壤呼吸速率、土壤溫度和土壤水分的差異性采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)。土壤呼吸速率與土壤含水量用指數(shù)方程回歸。同一降水處理下陰坡與陽坡土壤呼吸量差異用t檢驗(yàn)完成。所有數(shù)據(jù)分析基于 SPSS18.0(SPSS，Chicago，IL，USA)。

2 結(jié)果

2.1 土壤溫度

陽坡溫度較陰坡平均高約2.9℃(圖1)。在陽坡，兩降雨處理間土壤溫度無顯著差異(P＞0.05)，噴灑雨水5 h后模擬降雨處理和對照土壤溫度無差異。模擬降雨對陰坡土壤溫度影響不明顯。

2.2 土壤水分

陰坡草地土壤含水量始終高于陽坡草地(圖2)。降水處理后陰坡和陽坡的土壤含水量均顯著高于對照(P＜0.05)。陽坡草地土壤含水量在模擬降雨5 h后差異消失(P＞0.05)，陰坡草地土壤含水量則在0.5 h后差異消失。

2.3 土壤呼吸變化

模擬降雨后陰坡和陽坡草地土壤呼吸速率均倍增(圖4)。

陽坡草地15和30 mm降雨后30 min，土壤呼吸速率分別是對照樣地的9.0倍和10.3倍，30 mm降雨土壤呼吸顯著高于15 mm降雨(P＜0.05)。降雨2 h后，15和30 mm處理草地土壤呼吸速率均為0.2 mg CO2·m－2·s－1，為無降雨樣地的 3.5 倍，此后兩個降雨處理土壤呼吸速率無顯著差異(P＞0.05)。降雨5～8 h，降雨處理與對照土壤呼吸速率無顯著差異。

陰坡草地15和30 mm降雨后30 min和2 h，草地土壤呼吸速率分別是無降雨草地的6.2倍、9.0倍和2.3倍、3.3倍，且降雨30 mm草地的土壤呼吸速率均顯著高于降雨15 mm草地。降雨后5 h，3個處理草地土壤呼吸速率表現(xiàn)為降雨30 mm＞降雨15 mm＞無降雨。

圖1 模擬降雨后土壤溫度變化Fig.1 Variation of soil temperature after simulated precipitation experiment

圖2 模擬降雨后土壤含水量變化Fig.2 Variation of soil moisture after simulated precipitation experiment

圖3 土壤含水量與土壤呼吸速率的關(guān)系Fig.3 Relationships between soil respiration and soil moisture

圖4 模擬降雨后土壤呼吸速率變化Fig.4 Variation of soil respiration a fter simulated precipitation experiment

陽坡和陰坡草地土壤呼吸速率與土壤含水量顯著正相關(guān)(P＜0.05)，指數(shù)方程可較好地表示兩者關(guān)系(圖3)。

2.4 土壤CO2排放量

降雨后，陽坡草地土壤CO2日排放量顯著高于陰坡草地(P＜0.05)，且降雨顯著提高草地土壤CO2日排放量(表1)。降雨處理的陽坡和陰坡草地土壤CO2日排放量是對照的兩倍以上。陰坡草地，降雨量30 mm的土壤CO2日排放量顯著高于15 mm降雨;陽坡草地，兩降雨處理間土壤CO2日排放量無顯著差異(P＞0.05)。

表1 不同坡向草地降雨后土壤CO2日排放量估算Table 1 Estimating the daily amount of CO2 emitted from soil of the two aspects grassland after precipitation kg·hm －2·d －1

3 討論與結(jié)論

土壤含水量和溫度是影響土壤呼吸速率重要的環(huán)境因子。因測定季節(jié)、植被類型等因素的不同，土壤呼吸與土壤溫度表現(xiàn)出線形關(guān)系、二次方程關(guān)系和指數(shù)關(guān)系等［14］。本研究中，土壤水分與土壤呼吸表現(xiàn)出很好的正相關(guān)關(guān)系，說明在半干旱區(qū)草地，降雨后土壤水分在短期內(nèi)會成為影響土壤呼吸的關(guān)鍵因子。

土壤呼吸受降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間和降雨間隔等因素影響［15-16］。Nordon 等［17］在美國灌叢草地研究發(fā)現(xiàn)，降雨可迅速提升土壤呼吸速率，這種提升效果會持續(xù)1周。本研究中，降雨會在短期內(nèi)極大地提升草地的土壤呼吸速率。在短期內(nèi)，陽坡草地降雨后較無降雨草地每天多排放CO2超過43.73 kg·hm－2，而陰坡草地多排放 CO2超過 24.24 kg·hm－2。其可能原因除降雨使得微生物活性和無機(jī)碳分解速度提高外［18］，可能也與黃土質(zhì)地疏松、多孔隙和良好的通透性有關(guān)。因此，在估測土壤CO2排放量時應(yīng)考慮降雨對土壤呼吸的激發(fā)作用，有必要依據(jù)降雨數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行校正。

［1］Davidson E A，Verchot L V，Cattadnio JH，Ackerman I L，Carvalho JE M.Effects of soil water content on soil respiration in forests and cattle pastures of eastern Amazonia［J］.Biochemistry，2000，48:53-69.

［2］Sims PL，Bradford JA.Carbon dioxide fluxes in a southern plainsprairie［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2001，109:117-213.

［3］李玉寧，王關(guān)玉，李偉.土壤呼吸作用和全球碳循環(huán)［J］.地學(xué)前沿，2002，9(2):351-357.

［4］陳全勝，李凌浩，韓興國，董云社，王智平，熊小剛，閻志丹.土壤呼吸對溫度升高的適應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)報，2004，24(11):2649-2655.

［5］周莉，李保國，周廣勝.土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20(1):99-105.

［6］許潔，張?jiān)礉?，潘占兵，董立國，蔡進(jìn)軍，季波，王月玲，李生寶.黃土丘陵區(qū)苜蓿地的土壤呼吸［J］.草業(yè)科學(xué)，2013，30(4):535-540.

［7］楊紅飛，穆少杰，李建龍.氣候變化對草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳儲量的影響［J］.草業(yè)科學(xué)，2012，29(3):392-399.

［8］王義東，王輝民，馬澤清，李慶康，施蕾蕾，徐飛.土壤呼吸對降雨響應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.植物生態(tài)學(xué)報，2010，34(5):601-610.

［9］Austin A T，Yahdjian L，Stark J M，Belnap J，Porporato A，NortonU，Ravetta D A，Schaeffer SM.Water pulses and biogeochemical cycles in arid and semiarid ecosystems［J］.Oecologia，2004，141:221-235.

［10］Chen S，Lin G，Huang J，Jenerette GD.Dependence of carbon sequestration on the differential responses of ecosystem photosynthesis and respiration to rain pulses in a semiarid steppe［J］.Global Change Biology，2009，15:2450-2461.

［11］Sponseller R A.Precipitation pulses and soil CO2flux in a Sonoran Desert ecosystem［J］.Global Change Biology，2007，13:426-436.

［12］Lee M S，Nakane K，Nakatsubo T，Mo W，Koizumi H.Effects of rainfall events on soil CO2flux in a cool temperate deciduous broad-leaved forest［J］.Ecological Research，2002，17:401-409.

［13］Ren J Z，Hu Z Z，Zhao J，Zhang D G，Hou F J，Lin H L.A grassland classification system and its application in China［J］.The Rangeland Journal，2008，30:199-209.

［14］Fang C，Moncrieff JB.The dependence of soil CO2efflux on temperature［J］.Soil Biology and Biochemistry，2001，33:155-165.

［15］Harper CW，Blair J M，F(xiàn)ay PA，Knapp A K，Carlisle JD.Increased rainfall variability and reduced rainfall amount decreases soil CO2flux in a grassland ecosystem［J］.Global Change Biology，2005，11:322-334.

［16］Rochette P，Desjardins R L，Pattey E.Spatial and temporal variability of soil respiration in agricultural fields［J］.Canadian Journal of Soil Science，1991，71:189-196.

［17］Norton U，Mosier A R，Morgan J A，Derner JD，Ingram L J，Stah PD.Moisture pulses，trace gas emissions and soil Cand N in cheatgrass and native grass-dominated sagebrush-steppe in Wyoming，USA［J］.Soil Biology and Biochemistry，2008，40:1421-1431.

［18］Inglima I，Alberti G，Bertolini T，Vaccari F P，Gioli B，MigliettaF，Cotrufo M F，Peressotti A.Precipitation pulsesenhance respiration of Mediterranean ecosystems:The balance between organic and inorganic components of increasedsoil CO2efflux［J］.Global Change Biology，2009，15:1289-1301.