云南河口不同林齡人工橡膠林土壤CO2濃度的變化規(guī)律及其影響因素

李濤　李芹　王樹明　李春　趙東興　張勇　高梅

摘 要 以云南河口不同林齡人工橡膠林作為研究對象，對抗逆高產和膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度及相關影響因素進行2 a的動態(tài)觀測。結果表明：（1）從季節(jié)變化來看，土壤CO2濃度具有明顯的季節(jié)性變化特征，每年春季開始上升，夏秋季最高，冬季最低；（2）從垂直土壤深度來看，土壤CO2濃度隨著土壤深度的遞增而升高，在0～100 cm土壤范圍內，表現(xiàn)為100 cm>80 cm>60 cm>40 cm>20 cm；（3）土壤CO2濃度與溫度、水分和土壤有機質之間存在著顯著或非顯著正相關關系，表明溫度、水分、有機質等是影響土壤CO2濃度變化的主要因素。

關鍵詞 橡膠林；土壤CO2濃度；溫度；含水量；有機質

中圖分類號 S718.5 文獻標識碼 A

The Variation and Influence Factors of Soil CO2

Concentration in Planted Hevea brasiliensis

with Different Ages in Hekou，Yunnan

LI Tao，LI Qin*，WANG Shuming，LI Chun

ZHAO Dongxing，ZHNAG Yong，GAO Mei

Honghe Institute of Tropical Agriculture，Hekou，Yunnan 661300，China

Abstract Planted Hevea brasiliensis with different ages with high latex yield and stress tolerance， and also with quality timber in Hekou，Yunnan was used to monitor soil CO2 concentration and related influencing factors for two years. The results showed：（1）The soil CO2 concentration changed obviously with season passed. It rose from spring， reached the highest in summer and autumn， and declined to the lowest in winter；（2）In the vertical soil profile， the soil CO2 concentration of the two studied sites rose with soil depth increased， and showed as 100 cm >80 cm>60 cm>40 cm>20 cm within 0-100 cm limits；（3）There was a positive correlation or a nonsignificant correlation between the soil CO2 concentration with temperature，moisture content and soil organic matter. The major factors which influenced the soil CO2 concentration were the temperature， moisture content， soil organic matter and so on.

Key words Rubber plantation； Soil CO2 concentration； Temperature； Moisture content； Organic matter

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.002

土壤系統(tǒng)中的CO2主要來源于植物根系呼吸及土壤有機質的氧化分解[1-2]，土壤CO2一部分參與到土壤化學反應或者擴散到土壤水中[3]，另一部分經(jīng)由土壤呼吸作用排放到大氣中，已有研究結果表明，土壤呼吸是土壤碳庫和大氣碳庫之間碳流通的主要方式之一[4]，據(jù)估計全球土壤CO2排放量在68～100 pg/a之間[5-6]，是整個生物圈的主要碳源之一。碳循環(huán)在全球生態(tài)系統(tǒng)中至關重要，許多發(fā)達國家及政府部門都加大了對人工林碳吸收、碳儲存途徑的研究力度。中國大面積種植巴西橡膠樹已有50多年的歷史，目前天然橡膠種植面積已達114萬hm2，年產量達86.5多萬t，種植面積和產膠量均居世界43個產膠國家的第四位，已經(jīng)建立起較為完善的天然橡膠產業(yè)體系。橡膠林也是南方熱作墾區(qū)重要的人工生態(tài)林之一[7]，具有森林型生態(tài)系統(tǒng)的特點，進行著大量物質、能量循環(huán)和轉移，是實現(xiàn)熱區(qū)資源可持續(xù)利用的一個重要人工生態(tài)系統(tǒng)[8]。橡膠樹除生產橡膠和提供優(yōu)質木材外，還有長期不為人們注意的生態(tài)服務功能，如橡膠樹可固定大氣中的C和緩解溫室效應，橡膠林一生的生命周期里可固定大氣中的C為318.7 t/hm2[9]，中國橡膠林每年從大氣中固定的CO2量為6.51 t/h，采用C稅法估算其價值達每年19.6萬元/hm2[10]。

20世紀80年代以后對膠園生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在養(yǎng)分及養(yǎng)分循環(huán)、膠園小氣候等方面，而對大氣調節(jié)作用方面的研究報道較少。有學者對西雙版納橡膠林土壤呼吸季節(jié)變化及其影響因子進行了研究，顯示該地區(qū)土壤呼吸速率季節(jié)變化與橡膠樹生長節(jié)律基本一致，且與溫度因子、濕度因子有相關關系[11]，土壤溫濕度是影響橡膠林土壤呼吸作用形成季節(jié)變化的主要原因之一[12]。但中國作為世界上少有的幾個大面積人工種植橡膠的國家[13]，在這方面的研究遠遠不夠，尤其對橡膠林土壤呼吸作用的研究報道極少。因此，筆者研究橡膠林土壤CO2濃度的季節(jié)變化規(guī)律及其分布特征，對不同橡膠林、不同深度土壤CO2濃度進行長期動態(tài)觀測，以此更好地了解天然人工橡膠林碳循環(huán)途徑及其變化規(guī)律，為研究人工橡膠林對全球碳循環(huán)的影響提供基礎數(shù)據(jù)，也為中國橡膠產業(yè)的固碳減排工作提供一定的科學理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗選擇云南河口紅河綜合試驗站抗逆高產和膠木兼優(yōu)2個不同林齡人工橡膠林作為研究對象（圖1）。其中，膠木兼優(yōu)橡膠林于2003年4月定植，主要品種為178、509、516、524、8-79、628等12個，種植面積約4.73 hm2；抗逆高產橡膠林于2010年6月定植，主要品種為云研77-4、熱研7-33-97、熱研8-79、熱墾525、熱墾628和湛試327-13共6個，種植面積約12.07 hm2。試驗區(qū)屬熱帶雨林季風性氣候，最高溫40.9 ℃，最低溫1.9 ℃，年均溫22 ℃，年均降水1 587.3 mm，年均濕度84%，日照1 605 h；土壤以灰褐色粘土為主，土壤分布均勻，土層較厚，土壤基本理化性狀平均值為：pH4.24、有機質30.75 g/kg、有效磷8.24 mg/kg、速效鉀49.80 mg/kg、堿解氮94.65 mg/kg、交換鈣100.1 mg/kg和交換鎂13.3 mg/kg。

1.2 方法

每個研究點設置不同土壤深度即20、40、60、80、100 cm，共計5個不同深度土層，監(jiān)測每個點每個不同土層的CO2濃度。具體在2個橡膠林下分別挖掘1m深的土坑，垂直土壤剖面上按不同深度要求鑿洞，把PVC管制作的“L”型土壤CO2收集管埋放于內，水平管為土壤氣體收集管，其上鉆有通氣孔與土壤氣體交換；豎管為導氣管，導氣管延伸至地面，導管開口上插有塞子防止土壤氣體與大氣交換（圖2）。使用加拿大BW公司生產的GasAlertMicro 5 IR CO2檢測儀直接測定，每個土層深度的CO2濃度重復測定3次，取平均值作分析統(tǒng)計，觀測周期為每月2次，持續(xù)2 a。

1.3 測定項目

橡膠林內空氣的溫度、濕度用德國Testo 435-2多功能測量儀直接測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[14]；橡膠林下土壤溫度使用水銀溫度計插入土中測定；土壤含水量采用烘干法，即105 ℃烘干8 h后稱重測定，計算公式為：土壤含水量=[（濕土重量-烘干后重量）/濕土重量]×100%。

2 結果與分析

2.1 土壤CO2濃度

2.1.1 土壤CO2濃度的季節(jié)變化規(guī)律 從圖3、4可知，2個試驗點的土壤CO2濃度均具有明顯的季節(jié)性變化特征，從3月份開始隨著春季的到來，氣溫回升，光照增強，降雨量增多，土壤呼吸作用隨之增強，土壤CO2濃度開始緩慢上升，并在夏季（6～8月份）達到最大值，秋季開始下降，冬季最低。其中夏季最大值達到48 500 mg/kg，冬季最小值為4 500 mg/kg，夏季土壤CO2的濃度是其它季節(jié)的2～3倍，說明橡膠林土壤CO2的濃度具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。由圖5可知，從每年的4月份開始，一方面隨著雨季的到來，氣溫回升，降雨量增多，橡膠樹及地表植被光合作用增強，土壤呼吸作用也隨之增強，新陳代謝活動旺盛，根系呼吸作用釋放出的CO2增多；另一方面夏季時在高溫高濕的氣候條件下，土壤微生物活動能力最強，土壤中有機物的氧化分解速度變快，釋放出的CO2更多，使得橡膠林土壤CO2濃度在夏季顯著上升。

2.1.2 土壤CO2濃度的垂向變化特征 從垂直土壤深度看，隨著土壤深度遞增，2個試驗點的土壤CO2濃度均出現(xiàn)升高現(xiàn)象（圖3、4），表現(xiàn)為深層土土壤CO2濃度大于表層土土壤CO2濃度，在0～100 cm土壤范圍內，土層越深，其CO2濃度越高。在夏秋季節(jié)變化更明顯，且各個不同深度土層的CO2濃度變化梯度增大，20、40和60 cm這3個相鄰土層的變化幅度最大，變化范圍相差5 000～10 000 mg/kg，但近底部80和100 cm這2個相鄰土層的變化幅度一年四季中均變化較小，平均變化范圍相差1 000～3 000 mg/kg，總體上趨于穩(wěn)定；而冬春季時，各個相鄰土層的CO2濃度變化梯度不明顯，相差僅2 000～3 000 mg/kg。

2.2 土壤CO2濃度與氣溫、土溫、土壤含水量和土壤有機質的關系

2.2.1 土壤CO2濃度與氣溫的關系 土壤微生物呼吸和植物根系呼吸是構成土壤呼吸的2個主要組分[15-16]，土壤系統(tǒng)中68%的CO2由土壤微生物呼吸釋放，氣溫的變化是影響土壤微生物活動性的主要因素之一[17]。微生物活動能力隨溫度的升高而加強，并加速了土壤中有機物質的氧化分解，產生更多CO2。

利用Excel、SPSS軟件對橡膠林土壤CO2濃度的平均值與氣溫作相關性分析及顯著性檢驗（圖6），得知抗逆高產橡膠林土壤CO2濃度與氣溫的相關系數(shù)R=0.357*，P=0.013；膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與氣溫的相關系數(shù)R=0.241，P=0.120。說明溫度在0～35 ℃范圍內，抗逆高產橡膠林土壤CO2濃度與氣溫之間存在顯著正相關關系（p<0.05），膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與氣溫之間存在非顯著正相關關系（p>0.05）。

2.2.2 土壤CO2濃度與土溫的關系 橡膠林土壤CO2濃度的平均值與土溫作相關性分析及顯著性檢驗可知（圖7），抗逆高產橡膠林土壤CO2濃度與土溫的相關系數(shù)R=0.386**，P=0.007；膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與土溫的相關系數(shù)R=0.394**，P=0.009。說明抗逆高產和膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與土溫之間均存在極顯著正相關關系（p<0.01）。土溫變化緩慢，外界環(huán)境對土壤溫度的變化影響不大，土溫比氣溫穩(wěn)定一些，更能反映溫度對CO2濃度的影響，已有研究結果表明，土壤溫度能較準確地反映溫度對土壤微生物的影響，是影響土壤呼吸的重要因素之一[18]。

2.2.3 土壤CO2濃度與土壤含水量的關系 橡膠林20和40 cm土壤CO2濃度與土壤含水量作相關性分析及顯著性檢驗可知（圖8），抗逆高產橡膠林土壤CO2濃度與含水量的相關系數(shù)分別為20 cm處R=0.455**、P=0.001，40 cm處R=0.153、P=0.301；膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與含水量的相關系數(shù)分別為20 cm處R=0.395**、P=0.010，40 cm處R=0.247、P=0.115。說明橡膠林20 cm深度土壤CO2濃度與土壤含水量之間存在極顯著正相關關系，而40 cm深度的為非顯著正相關關系，由此表明橡膠林土壤CO2濃度與土壤含水量之間的相關性隨著土壤深度增加而減弱，僅在0～20 cm深度范圍內存在極顯著正相關關系，更深土層為非顯著正相關關系。

2.2.4 土壤CO2濃度與土壤有機質的關系 從圖9可知，橡膠林土壤有機質含量呈季節(jié)性變化規(guī)律，抗逆高產橡膠林土壤有機質含量平均值為31.7 g/kg，膠木兼優(yōu)橡膠林土壤有機質含量平均值為30.8 g/kg，說明該區(qū)域內土壤有機質含量較高，從數(shù)值上比較抗逆高產橡膠林土壤有機質含量略高于膠木兼優(yōu)橡膠林，但兩者相差不大。利用SPSS軟件對各個季節(jié)土壤CO2濃度和有機質含量的平均值作相關性分析及顯著性檢驗，得知抗逆高產橡膠林的相關系數(shù)R=0.554，P=0.154；膠木兼優(yōu)橡膠林的相關系數(shù)R=0.274，P=0.511。說明橡膠林土壤CO2濃度與土壤有機質之間均存在非顯著正相關關系。

3 討論與結論

3.1 不同林齡橡膠林土壤CO2濃度對比

從圖10可知，抗逆高產和膠木兼優(yōu)2個不同林齡橡膠林其土壤CO2濃度存在變化差異，但各個土層間不同深度的土壤CO2濃度平均值相差不大，除40 cm處土壤CO2濃度為膠木兼優(yōu)高于抗逆高產外，其余20、60、80及100 cm處的土壤CO2濃度為抗逆高產橡膠林等于或大于膠木兼優(yōu)橡膠林，其總體平均值比較為抗逆高產19 487.4 mg/kg、膠木兼優(yōu)19 112.4 mg/kg，兩者相差375 mg/kg。由此可見，抗逆高產橡膠林的土壤CO2濃度要高于膠木兼優(yōu)橡膠林，抗逆高產橡膠林于2010年6月定植，樹齡3 a，而膠木兼優(yōu)橡膠林于2003年4月定植，樹齡10 a，由于兩者所處的地理位置、土壤環(huán)境及氣候類型大致相同，在不考慮橡膠品系的前提下，可進一步說明在不同林齡人工橡膠林中，幼林地土壤CO2濃度平均值要比開割林地高。

造成這一差異的原因可能是抗逆高產橡膠林為幼林地，其土壤系統(tǒng)經(jīng)過幾年時間的閑置修整，林帶空間開闊，光照、雨水充足，林下生物多樣性豐富，地上雜草叢生，植被種類多，土壤微生物活動強烈，使得其土壤中的營養(yǎng)元素、礦物質得到了恢復和補充，有利于土壤呼吸作用釋放出更多的CO2；而開割林地陰蔽度較高，林下光照不足，其他植物生長受限，而且因為產膠量的需要，本地區(qū)每年4月份即開始割膠直至11月份結束，在近8個月的時間里每天進行割膠，橡膠林需不斷合成膠乳，吸收了土壤中的大部分營養(yǎng)物質，使得土壤變得貧瘠，生物多樣性下降，林下枯落相對較少，有機物氧化分解釋放出的CO2少。

3.2 橡膠林不同深度土壤CO2濃度變化差異

在0～100 cm垂直土壤范圍內，2個試驗點的土壤CO2濃度均隨著土壤深度的遞增而升高，土層越深其CO2濃度越高，深層土壤CO2濃度大于表層土，表現(xiàn)為100 cm>80 cm>60 cm>40 cm>20 cm，而且不同深度變化幅度不同，各個土層的CO2濃度在冬春季變化幅度較小，梯度不明顯；在夏秋季變化幅度較大，梯度最明顯。原因可能是20、40和60 cm深度的土壤屬于表層土，土壤疏松多孔，通透性良好，密度較低，土壤中的CO2容易向低濃度CO2的空氣中擴散，而且受外界環(huán)境變化的影響較大，而80 cm和100 cm深度的土壤其深藏于地表之下，土壤通透性較差，密度大，土壤溫度、含水量相對穩(wěn)定，受外界環(huán)境干擾較小。土壤中的CO2是植物根系呼吸、微生物活動及大氣擴散輸入的混合[16]，CO2的濃度受土壤的通氣性、土壤生物化學過程的強度、氣象條件及植被的共同影響[17]。此外，土壤CO2濃度還會受到土壤微生物活性的影響，而植物凋落物、光合產物向地下部分的分配及根系分泌物也會影響到土壤微生物的活性，從而影響土壤呼吸強度[19-21]。

3.3 橡膠林土壤CO2濃度影響因素

土壤呼吸作為一個復雜的生物學過程，其產生的CO2濃度受環(huán)境、氣象及生物活性等多重因素的影響，通過對橡膠林土壤CO2濃度與氣溫、土溫、土壤含水量以及土壤有機質之間作相關性分析及顯著性檢驗，得知人工橡膠林土壤CO2濃度與氣溫、土溫、土壤含水量以及土壤有機質之間均存在著正相關關系，有的表現(xiàn)為顯著正相關，有的表現(xiàn)為非顯著正相關。其中，與土溫、20 cm深度土壤含水量之間存在極顯著或顯著正相關，與氣溫、40 cm深度土壤含水量之間存在非顯著正相關。造成這種差異的原因可能是土壤CO2濃度同時受到氣溫、降雨、土壤含水量、土壤有機質、地表植被和生物活性等多個影響因子的共同控制，而不僅是某一個因子決定。就土壤含水量來說，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示20 cm深度土壤含水量波動幅度較大，變化呈季節(jié)性規(guī)律較為明顯，所以與土壤CO2濃度顯著相關；而40 cm深度土壤含水量比20 cm深度的土壤含水量要穩(wěn)定一些，季節(jié)變化規(guī)律不明顯并趨于平緩，所以與土壤CO2濃度非顯著相關。通過分析表明溫度、水分是影響土壤CO2濃度變化的主要因素，已有的研究報道也揭示了溫度和水分是影響土壤呼吸最為顯著的因素[22-25]。

綜上表明，不同林齡人工橡膠林土壤CO2濃度的季節(jié)變化與溫度（土溫、氣溫）、土壤含水量和土壤有機質之間存在著顯著或非顯著正相關關系，說明橡膠林土壤CO2濃度的季節(jié)性變化規(guī)律與樹齡、溫度（土溫、氣溫）、降雨量及生物活動密切相關。符合現(xiàn)有研究結論即橡膠林土壤呼吸與溫度和土壤含水量都有明顯的季節(jié)變化，而且變化趨勢基本一致[26]。由此可見，溫度、降水、凋落物和生物活性對CO2濃度變化都起著重要影響作用，氣候條件、環(huán)境因子、水分條件等使地表植被生長狀況及土壤微生物活動量隨季節(jié)的變化而變化，進而影響土壤CO2濃度的變化，使土壤CO2濃度呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律。

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