新疆達坂城鹽湖不同植物群落土壤呼吸研究①

李典鵬，姚美思，韓東亮，王麗萍，胡保安，王寧寧，蔣大勇，張 凱，朱新萍，賈宏濤

?

新疆達坂城鹽湖不同植物群落土壤呼吸研究①

李典鵬，姚美思，韓東亮，王麗萍，胡保安，王寧寧，蔣大勇，張 凱，朱新萍，賈宏濤*

(新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052)

新疆鹽湖分布地域廣泛而不均勻。鹽湖生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組分，其動態(tài)變化對干旱區(qū)碳平衡有著重要的影響，然而目前對干旱區(qū)鹽湖土壤呼吸的研究相對薄弱。為探討鹽湖沿岸不同植物群落土壤呼吸及其影響因子，以新疆達坂城鹽湖為典型研究區(qū)，選取沿岸小獐毛()、鳶尾()、芨芨草()、黑果枸杞()植物群落土壤為主要研究對象，以周邊農(nóng)田撂荒地為對照，利用LI-COR 8100對達坂城鹽湖沿岸4種植物群落和撂荒地土壤呼吸進行了監(jiān)測，結果表明：鹽湖沿岸土壤呼吸具有明顯的日變化。監(jiān)測時段內(nèi)土壤呼吸作用均為單峰曲線，排放通量在13:00左右最高，07:00左右出現(xiàn)最低值。不同群落土壤呼吸速率變化范圍在0.89 ~ 4.34 μmol/(m2·s)之間，撂荒地為1.77 ~ 3.48 μmol/(m2·s)，表現(xiàn)為黑果枸杞＞小獐毛＞芨芨草＞撂荒地＞鳶尾。不同植物群落地下生物量影響土壤CO2排放，研究區(qū)土壤呼吸日平均累計CO2排放通量為209.28 mg/(m2·d)。土壤呼吸速率與土壤5 cm溫度呈現(xiàn)顯著正相關(＜0.01)，可以解釋土壤呼吸日變化的69% ~ 78%，是決定達坂城鹽湖土壤呼吸變化的主要因子。利用土壤5 cm處溫度得到小獐毛、鳶尾、芨芨草、黑果枸杞、撂荒地的10值分別為2.30、1.24、1.20、1.57、1.28，小獐毛樣地土壤呼吸對溫度更敏感。除撂荒地外各群落土壤呼吸與土壤濕度呈顯著負相關(2= 0.38 ~ 0.51)。該研究對進一步明確干旱區(qū)鹽湖生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸變化規(guī)律和影響因素，以及對估算區(qū)域碳平衡及“碳匯”功能具有重要意義。

干旱區(qū)；鹽湖；碳循環(huán)；土壤呼吸；影響因子

呼吸作用是生物能學的一個重要組成部分，由于土壤生物過程十分復雜，故現(xiàn)階段的土壤呼吸主要集中在研究土壤CO2釋放量[1]。土壤呼吸作為全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是全球氣候變化的關鍵生態(tài)過程。不同時間尺度上探討影響土壤呼吸特征及其敏感環(huán)境因素，對準確評估生態(tài)系統(tǒng)碳收支有著重要的意義。作為溫室氣體的主要組成部分，CO2在限制地表紅外輻射向外傳送起到重要的作用，更多的熱量被存儲在了大氣中，從而導致氣候變暖。特定條件下土壤作為“碳匯”，對緩解區(qū)域氣候變化起到了一定的作用；據(jù)估計，在全球尺度上，土壤每年向大氣中排放77 Pg C[2]，土壤呼吸作為“碳源”釋放碳的速率比人類活動釋放碳的速率要大一個數(shù)量級。因此，在氣候變暖與全球碳循環(huán)之間的正反饋中，土壤呼吸是一個關鍵的過程。為了正確評價氣候變化中的不確定性，需要了解不同類型土壤及特定條件下的呼吸特征及其影響因素。

鹽湖是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有鹽分和水分雙重脅迫的特點，干旱區(qū)鹽湖濕地土壤呼吸的研究相對薄弱。在極端干旱的鹽生荒漠系統(tǒng)，鹽堿土對大氣中的CO2有很好的吸收能力，吸收CO2量可達62 ~ 622 g/(m2·a)[3-4]，其吸收量相當于植物的2 ~ 15倍，且濕潤年份日累積最大CO2吸收量是干旱年份的4倍[5]。在一定程度上說明水分能夠影響到鹽堿土的“碳匯”功能，鹽湖作為干旱區(qū)特殊的濕地，無論是從潮濕土壤有機固碳還是鹽漬化土壤無機固碳的角度來看，均應該是典型“碳匯”。但其中的核心問題取決于鹽湖周邊土壤的呼吸，即土壤CO2排放特征。

通過對鹽湖周邊土壤呼吸的研究，明確驅動鹽湖土壤呼吸的關鍵因素，可為濕地生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中作用的準確評估提供參考數(shù)據(jù)。本研究擬以新疆達坂城鹽湖為典型研究區(qū)域，以其周邊生長不同主要植物群落立地土壤為研究對象，對土壤呼吸速率及其影響因子進行原位監(jiān)測，明確達坂城鹽湖沿岸不同植物群落土壤呼吸速率日變化特征，為進一步明確內(nèi)陸鹽湖濕地在干旱區(qū)陸地碳循環(huán)中的地位提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

達坂城鹽湖又名鹽湖、破城子湖、烏魯木齊湖等[6]，位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市區(qū)東南45 km達坂城區(qū)西部(88°03′53″ ~ 88°12′15″E，43°21′00″ ~43°25′25″N)(圖1)。湖盆為封閉內(nèi)流盆地，周圍無常年性地表河流，靠大氣降水和地下水補給，面積35 km2，湖面海拔1 066 m。湖盆在柴窩堡山間盆地東南部，南北高山夾持，氣候干旱，年平均氣溫 6.1℃(月平均氣溫–22.1℃，7月平均氣溫 35.8℃，年較差 31.1℃)，日較差12.1℃；年降水量71.8 mm，年蒸發(fā)量2 648 mm，相對濕度38%；冰凍期5個月，年平均降(積)雪150 d，最大積雪深度30 ~ 40 cm；年日照數(shù)2 500 ~ 2 600 h，全年多刮西北風，最大風力10 級，最大風速30 m/s，屬于干旱大陸性氣候。鹽湖沿岸主要植被類型為小獐毛()、鳶尾()、芨芨草()、黑果枸杞()、苔草()等。

1.2 研究方案

試驗于2015年7—9月進行，以鹽湖為核心，根據(jù)試驗區(qū)植物群落特點，由湖心向外依次選取小獐毛()、鳶尾()、芨芨草()、黑果枸杞()群落和撂荒地(Abandoned land)土壤作為監(jiān)測對象，研究樣地基本性質見表1。在每個群落內(nèi)隨機選取3塊樣地，每塊樣地10 m × 10 m，沿樣方對角線設置2個長期固定的底座，每月中下旬選擇2 ~ 3個相對晴朗的天氣進行土壤呼吸的監(jiān)測，從上午07:00至晚上19:00，每2小時監(jiān)測1次，監(jiān)測土壤呼吸的同時監(jiān)測環(huán)境因素指標，包括近地面氣溫，土壤5、10、15、20和25 cm處土溫，表土層含水量(0 ~ 10 cm)、氣壓、風速、光照強度等。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤呼吸測定 利用土壤碳通量測量系統(tǒng)LI-COR 8100(Li-COR，Lincoln，NE，USA)測定土壤呼吸速率。每塊樣地內(nèi)設兩個內(nèi)徑為20 cm、高10 cm 的PVC管基座，將基座嵌入土中，使上端高出地表約5 cm，剪除基座環(huán)內(nèi)的植物。為減少由于嵌入基座對土壤擾動而造成短期內(nèi)土壤呼吸速率的波動，經(jīng)過24 h 的平衡后，土壤呼吸速率恢復到正常水平才進行相關指標的測定。監(jiān)測時每個基座測定1 次，即每個處理6個監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 達坂城鹽湖研究樣地概況

1.3.2 土壤溫度、濕度測定 與土壤呼吸監(jiān)測同步，監(jiān)測土壤濕度和土壤溫度；土壤濕度采用野外采樣-室內(nèi)烘干法進行，以基座為圓心在半徑為1 m的圓形范圍內(nèi)均為土壤濕度的采樣范圍；5 cm土壤溫度采用LI-COR 8100 自帶的溫度探頭，監(jiān)測前一天在PVC管基座附近安置地溫計，同步對10、15、20、25 cm處土壤地溫進行監(jiān)測。

1.3.3 植被調(diào)查方法 植被調(diào)查采用常規(guī)方法，由于不同植物群落的差異，所以調(diào)查方法也略有不同。小獐毛群落和撂荒地植被調(diào)查方法如下：在所選樣地附近，按一定方向設置50 m 樣線，每隔10 m 布設一個1 m×1 m 的樣方。鳶尾、芨芨草、黑果枸杞群落生物量測定，按一定方向設置50 m 樣線，則為每隔10 m 布設一個5 m×5 m 的樣方，對樣方內(nèi)地表活體植物和凋落物進行采集和分析，估計樣方內(nèi)植被密度、蓋度，用稱重法測定生物量。根系樣品采集采用根鉆法，選擇剪完草的5個樣方，采取0 ~ 5、5 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 50、50 ~ 70、70 ~ 100 cm 分層根系樣品。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 采用單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同群落土壤呼吸速率的顯著性。對所得數(shù)據(jù)采用 Excel 2016、SPSS 20.0 進行數(shù)據(jù)處理分析和制圖，繪圖工具為MapInfo 8.5和Adobe Photoshop CS5。采用 Van’t Hoff 模型分析土壤溫度與土壤呼吸速率的關系：

= aebT(1)

式中：表示土壤呼吸(μmol/(m2·s)，下同)，表示土壤溫度(℃，下同)，a、b均為參數(shù)(下同)。

采用線性回歸分析的方法分析土壤濕度與土壤呼吸速率的關系：

= a+ c (2)

式中：表示土壤濕度(%)，c為參數(shù)(下同)。

采用多性回歸分析法分析土壤水分和溫度與土壤呼吸速率的關系：

= a+ b+ c (3)

采用公式(4)計算土壤呼吸對溫度變化敏感程度：

10= e10b(4)

式中：10為土壤呼吸的溫度敏感性，即土壤溫度升高10℃時土壤呼吸速率增加或減少的倍數(shù)；b為Van’t Hoff 指數(shù)模型 (= aebT) 中的溫度反應常數(shù)。

2 結果與分析

2.1 不同植被群落土壤呼吸日動態(tài)

圖2為達坂城鹽湖不同植被群落土壤呼吸速率的日動態(tài)，可以看出，各土壤呼吸速率的日變化均為先增后降的單峰曲線。不同植被類型土壤呼吸的日變化特征存在差異，大小為黑果枸杞＞小獐毛＞芨芨草＞鳶尾，其中鳶尾群落土壤呼吸速率明顯低于其他群落。曲線的最高峰值均出現(xiàn)在13:00左右，小獐毛、鳶尾、芨芨草、黑果枸杞和撂荒地曲線峰值分別為4.02、2.26、3.37、4.94、3.48 μmol/(m2·s)。除撂荒地外，各個群落土壤呼吸速率最低值出現(xiàn)在19:00；撂荒地土壤呼吸速率在17:00時降低到2.05 μmol/(m2·s)，隨后其呼吸速率又呈現(xiàn)增加趨勢。

2.2 植被生物量對土壤CO2排放通量的影響

從圖3可以看出，小獐毛、鳶尾、芨芨草、黑果枸杞群落和撂荒地地上活體生物量分別為144.56、32.70、55.21、51.47、21.9 g/m2，小獐毛群落土壤地上活體生物量與其他4個處理差異達到極顯著水平(<0.01)。小獐毛、鳶尾、芨芨草、黑果枸杞和撂荒地地表凋落物生物量分別為84.81、14.84、33.36、32.13、9.43 g/m2，小獐毛群落土壤地表凋落物與其他群落的凋落物差異達顯著水平(<0.05)；鳶尾與芨芨草、芨芨草與黑果枸杞地表凋落物差異性未達到顯著水平(>0.05)。小獐毛、鳶尾、芨芨草、黑果枸杞和撂荒地土壤CO2排放總量分別為5.35、3.55、5.16、6.23、4.84 g/(m2·d)；各群落和撂荒地之間土壤CO2日平均通量的差異性達到極顯著水平(<0.01)?？傮w來看，活體生物量大、凋落物高的小獐毛群落土壤，其CO2排放通量大于生物量小、凋落物低的鳶尾、芨芨草群落和撂荒地，低于黑果枸杞群落。

本文利用土壤碳通量測量系統(tǒng)LI-COR 8100測定土壤呼吸，而土壤呼吸包括了微生物呼吸和根呼吸以及無機過程，微生物呼吸與土壤中微生物數(shù)量密切相關；根呼吸與植物地下根系生物量有關；在鹽生荒漠系統(tǒng)中土壤溫度的變化改變了CO2在土壤溶液中的溶解度，催生出一個日出夜進的“無機呼吸”過程，此過程與環(huán)境溫度的變化關系密切。通過分析不同植物群落土壤0 ~ 100 cm 根系與土壤CO2日平均通量的關系，結果表明不同植物群落土壤根系生物量差異性達到極顯著水平，且各群落土壤CO2排放通量也存在顯著性差異，通過對根系生物量與CO2通量擬合的結果表明，土壤呼吸與根系生物量呈線性相關：= 0.111 7+ 3.385 8(2 = 0.64，＜0.05)，說明土壤呼吸也受地下根系生物量的影響。

2.3 土壤呼吸與土壤溫度、濕度的關系

在監(jiān)測時段內(nèi)，各群落和撂荒地土壤5 cm溫度呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(圖4)，但不同群落土壤表層溫度峰值出現(xiàn)的時間存在差異，小獐毛、鳶尾、芨芨草群落土壤峰值出現(xiàn)在17:00，分別為32.3℃、39.2℃、42.3℃，撂荒地的峰值出現(xiàn)在15:00，為41.4℃，黑果枸杞群落土壤最高溫度出現(xiàn)在13:00，為40.8℃。除小獐毛群落10 cm土壤溫度日變化為單增曲線之外，其他監(jiān)測點10 cm土壤溫度變化均為單峰曲線；小獐毛群落10 cm土壤溫度最高值較表層峰值滯后1 h，為27.6℃。鳶尾、芨芨草群落和撂荒地10 cm土壤溫度峰值與土壤表層峰值出現(xiàn)時刻一致，黑果枸杞群落10 cm土壤溫度最高值較土壤表層溫度峰值滯后4 h出現(xiàn)。且各群落土壤10 cm以下土層溫度變幅不大。

通過 Van’t Hoff 指數(shù)方程分別擬合土壤呼吸速率與土壤5、10、15、20、25 cm 溫度的回歸關系，并用決定系數(shù)(2) 來解釋土壤呼吸速率的變異量，結果表明土壤呼吸速率與5 cm地溫的擬合關系最為理想，即Van’t Hoff指數(shù)方程能很好地描述土壤呼吸對土壤5 cm 溫度的響應(表2)。不同群落及撂荒地土壤5 cm溫度與土壤呼吸速率具有指數(shù)關系(圖4)，在> 99% 的置信區(qū)間內(nèi)，土壤5 cm溫度的變化能夠解釋土壤呼吸變化的69% ~ 78%，而10 cm 土層土壤溫度的變化可以解釋土壤呼吸變化的24% ~ 44%。然而，在對15、20、25 cm土層溫度與土壤呼吸速率進行擬合時，三者決定系數(shù)與5、10 cm決定系數(shù)相比有明顯減弱，因此15 cm 以及15 cm 以下土層溫度對土壤呼吸的貢獻率可以不用考慮。5 cm 土層土壤溫度對土壤呼吸速率的決定系數(shù)高于10 cm土層，說明在鹽湖沿岸生態(tài)系統(tǒng)中，5 cm 土層土壤溫度可以作為影響土壤呼吸急劇變化的變量。

表2 土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)及土壤呼吸日變化與土壤溫度指數(shù)回歸關系

土壤呼吸溫度敏感系數(shù)(10)大小順序依次為小獐毛群落＞黑枸杞群落＞撂荒地＞鳶尾群落＞芨芨草群落(表2)，小獐毛群落土壤的10值為2.30，明顯高于其他4個處理，說明小獐毛群落土壤呼吸對溫度變化的響應程度大于其他群落土壤。但是土壤呼吸和土壤溫度、土壤濕度等生物環(huán)境因素有著多重關系，所以如果僅用10解釋鹽湖不同群落和撂荒地土壤呼吸的變化規(guī)律具有一定的不確定性。

各群落土壤濕度與土壤呼吸的關系如圖6所示。不同群落土壤呼吸與土壤濕度進行擬合分析可知(表3)，各群落土壤濕度與土壤呼吸速率呈顯著負相關，土壤呼吸曲線決定系數(shù)在0.38 ~ 0.51之間；撂荒地土壤濕度與土壤呼吸速率呈顯著正相關(2= 0.38)。各群落和撂荒地土壤濕度和土壤呼吸之間線性關系達到顯著水平，說明土壤濕度也是影響土壤呼吸的因子。4種植物群落土壤濕度與土壤呼吸相關性決定系數(shù)大小順序為鳶尾＞小獐毛＞芨芨草＞黑果枸杞，決定系數(shù)的大小在一定程度上反映不同群落土壤呼吸速率對水分的依賴程度，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能與植物群落與湖邊的距離有關，距離不同，水分的脅迫程度不同。

表3 土壤呼吸與土壤濕度的線性回歸關系

2.4 土壤呼吸與土壤溫度及土壤濕度的線性回歸分析

不同群落土壤呼吸與土壤表層溫度、濕度的線性回歸分析見表4。各群落和撂荒地土壤呼吸與溫度的相關系數(shù)分別為0.85、0.84、0.73、0.77、0.76，相關性顯著。在各群落和撂荒地土壤回歸方程中，土壤濕度和表層溫度對土壤呼吸的影響均存在較小的交互作用，其中芨芨草群落土壤濕度與表層溫度對土壤呼吸的交互作用大于小獐毛和鳶尾群落，在回歸方程中，土壤濕度和表層溫度均進入回歸方程(95% 置信區(qū)間)，以溫度-水分-土壤呼吸雙因子模型可以解釋土壤呼吸的變化。從各群落土壤呼吸與濕度、溫度的相關系數(shù)可以看出，沿湖心向外土壤呼吸對溫度的響應呈先降低再增加的變化趨勢；不同群落土壤呼吸與土壤濕度呈顯著的負相關，由芨芨草群落到小獐毛群落土壤呼吸和含水量的負相關依次增強，即鳶尾＞小獐毛＞芨芨草＞黑果枸杞。撂荒地土壤呼吸與土壤溫度、濕度呈正相關。

表4 土壤呼吸與土壤溫度和土壤濕度的函數(shù)模擬

注：R表示土壤呼吸速率，表示溫度，表示土壤濕度；** 表示達到<0.01顯著水平，* 表示達到<0.05顯著水平。

3 討論

3.1 不同植物群落土壤呼吸日變化特征

鹽湖生態(tài)系統(tǒng)不同群落條件下土壤呼吸日變化呈現(xiàn)明顯單峰曲線，此結果與國內(nèi)外大部分學者研究相同[7-9]，峰值均出現(xiàn)在13:00，這可能與土壤溫度和濕度有關，凌晨土壤溫度較低，且土壤濕度較高，二者同時限制土壤呼吸，導致土壤呼吸較弱。隨著氣溫的上升，土壤溫度與土壤濕度也隨之變化，同時也促使土壤呼吸速率的增加，當土壤溫度和土壤濕度在13:00達到適宜條件時，土壤酶活性較高，促進了植物根系和微生物的代謝速率[10-11]，故土壤呼吸在此時出現(xiàn)監(jiān)測時段內(nèi)的峰值。13:00后土壤溫度持續(xù)上升，由于溫度升高和蒸發(fā)速率加強導致土壤濕度下降，濕度與溫度交互作用從而使土壤呼吸減弱，故13:00后土壤呼吸速率呈下降趨勢。在干旱區(qū)鹽生荒漠，馬杰等[12]對原始鹽生荒漠多枝檉柳群落土壤CO2通量觀測表明，鹽生荒漠土壤CO2排放通量呈現(xiàn)出單峰的日變化過程。相關研究結果表明，土壤呼吸日變化相對于土壤溫度的變化存在不定的提前效應[10]或滯后[13]現(xiàn)象。在本研究中，土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在13:00，相對于土壤表層溫度最高值出現(xiàn)提前2 h，這與Jassal等[14]的研究結果一致，其原因可能是土壤溫度和含水量的變化所導致，除此之外底物供應也可能是調(diào)節(jié)土壤呼吸日變化的一個重要因子[15]。

3.2 植物類型對土壤呼吸的影響

植物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，通過植物的相關指標可以間接地反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和環(huán)境狀況。植物類型和生物量的大小是影響土壤和大氣之間進行CO2交換的因素，不同群落有不同植物類型和覆蓋度，凋落物、生物量的數(shù)量方面也有較大差異，這些都有可能對土壤的呼吸速率造成一定的影響。通過對鹽湖生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，建群種分別為小獐毛、鳶尾、芨芨草、黑果枸杞，單位面積的生物量沿湖心向外有逐步遞減的趨勢，小獐毛樣地地上生物量與鳶尾、芨芨草地上生物量存在顯著性差異，且CO2通量也存在顯著性差異。黑果枸杞地上生物量和凋落物均小于小獐毛，但其呼吸速率大于其他3個群落和撂荒地。地表凋落物分解速率也是影響土壤與大氣之間CO2交換速率的因素之一，本研究表明，除撂荒地外，其他群落都呈現(xiàn)土壤呼吸速率隨凋落物增加而增加的趨勢。董自紅等[16]、王憶慧等[17]通過對高山草甸草原植物群落的研究結果表明土壤呼吸與凋落物存在線性正相關，本研究結果與此相同。與同處于干旱區(qū)的艾比湖相比，達坂城鹽湖沿岸不同群落土壤呼吸速率要高于艾比湖流域[18]，究其原因，是因為艾比湖流域植被類型主要以胡楊、梭梭等木本植物為主，植物覆蓋度低、植物殘體較少，導致土壤微生物活動較弱、有機質的礦化速率緩慢，從而降低了土壤CO2的排放。不同土地利用方式對土壤呼吸也有不同影響，達坂城鹽湖沿岸土壤呼吸速率與橡膠林土壤相近[19]，低于種植玉米農(nóng)田土壤[20]。在不考慮環(huán)境條件的情況下，此類結果均有可能是由于不同植被類型所導致。

3.3 環(huán)境因素對土壤呼吸的影響

從本質上來說，土壤呼吸是一個生物化學過程，土壤溫度、濕度幾乎影響土壤呼吸的各個方面。在生物化學水平，溫度通過影響酶活性從而影響根和根際微生物的呼吸速率；在物理水平，溫度和水分相互作用影響土壤孔隙結構與外界的氣體交換。就大部分情況而言，土壤表層及亞表層溫度在時間尺度上變化較為明顯，通過分析可知土壤溫度函數(shù)都可以用于解釋土壤呼吸的動態(tài)變化。微生物呼吸作為土壤CO2排放的來源之一，其釋放速率受溫度的影響較大，并且與土壤溫度有著密切的聯(lián)系；溫度通過影響土壤中各類酶活性、微生物代謝速率、土壤動物呼吸速率和植物根系生長從而影響土壤CO2的排放[21-22]。土壤呼吸與土壤溫度的擬合方式有冪函數(shù)、線性、拋物線和指數(shù)函數(shù)等，不同研究結果擬合模型也有所不同，但指數(shù)函數(shù)擬合的方法較多[23]，原因可能與溫度敏感系數(shù)的計算有關。本研究中土壤呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)相關(2分別為0.74、0.71、0.69、0.78、0.69；＜0.01)，且土壤呼吸與土壤5 cm溫度的指數(shù)擬合相關性大于10 cm，這與陳寶玉等[24]研究結果不一致，這可能是由于鹽湖沿岸土壤5 cm溫度在時間尺度上的變化更為明顯以及土壤有機質水平較高造成的。相關研究表明全球各生態(tài)系統(tǒng)的10的變化范圍在1.3 ~ 3.3之間波動，中值為2.40[2]。本研究中小獐毛、鳶尾、芨芨草、黑果枸杞和撂荒地樣地的10分別為2.30、1.24、1.20、1.57、1.28，中值為1.28。與前人研究成果[25]相比，鹽湖沿岸群落土壤呼吸對溫度的敏感程度更低，這可能是由環(huán)境因素導致的，鹽湖夏季的日較差較低，溫度小范圍的變化降低了土壤呼吸的溫度敏感程度，從而降低了10值。

土壤濕度是影響土壤呼吸的另一個重要因子。土壤濕度對土壤呼吸的直接影響是通過影響根和微生物的生理過程，對土壤呼吸的間接影響是通過影響底物和氧氣的擴散。相關研究結果表明，土壤呼吸速率和土壤濕度之間存在正相關、負相關或是沒有相關性[26]。本研究中，達坂城鹽湖沿岸不同群落土壤呼吸與土壤濕度呈顯著負相關，這與高艷紅等[27]在騰格里沙漠得到的結論相同，這可能是因為土壤含水量超過了田間持水量的50%，限制了微生物活性，從而降低了微生物的異養(yǎng)呼吸。撂荒地土壤呼吸速率與土壤濕度呈正相關，能夠解釋土壤呼吸速率變化的38%，這與方晰等[28]對杉木人工林地土壤呼吸研究的結果和黃湘等[29]在塔里木河的研究結果一致。當土壤濕度在一個很小的范圍內(nèi)變化，土壤呼吸與土壤濕度之間將不會存在相關性，這是因為痕量般的水分變化可能會被其他因子所掩蓋[30]。本研究中，撂荒地地表植被稀疏、地上地下生物量較低、礫石含量高、土壤水分狀況較差，這都是限制土壤微生物活性和根呼吸的重要因子。當土壤含水量未超土壤水分閾值時，土壤微生物活性、根系呼吸也會出現(xiàn)正反饋。

土壤CO2通量與濕度的關系比較復雜，包括了生物、物理、化學機制，并且隨著區(qū)域和時間尺度的不同而改變。土壤濕度的改變通常伴隨著土壤微生物活性、根以及溫度的變化，在干旱區(qū)還會影響到可溶性鹽分的分布。在極端條件下的鹽生荒漠系統(tǒng)中土壤經(jīng)常會出現(xiàn)“碳匯”和無機CO2交換的現(xiàn)象[31-32]，目前對土壤無機CO2通量形成的機制仍沒有統(tǒng)一的定論，主要觀點有碳酸鹽系統(tǒng)的溶解/沉淀和CO2的溶解化學等。本研究區(qū)域位于達坂城鹽湖沿岸，土壤類型屬于鹽漬土，在監(jiān)測時段內(nèi)，土壤未出現(xiàn)吸收CO2現(xiàn)象。

4 結論

在監(jiān)測時段內(nèi)，不同植物群落和撂荒地土壤呼吸日變化均呈單峰曲線，土壤呼吸峰值出現(xiàn)在13:00左右。各群落間及撂荒地土壤CO2日排放總量存在顯著性差異，黑果枸杞群落土壤CO2日排放總量大于其他群落及撂荒地土壤；地上、地下生物量是影響土壤CO2排放總量的重要因子。土壤呼吸速率與土壤表層溫度存在顯著指數(shù)相關(2= 0.69 ~ 0.78)，表明土壤溫度是影響土壤呼吸的環(huán)境因子；小獐毛群落土壤對溫度敏感強度大于其他土壤。不同樣地土壤呼吸與土壤濕度相關性顯著(2= 0.38 ~ 0.51)，土壤濕度是決定達坂城鹽湖土壤呼吸速率的重要因子之一。

鹽湖沿岸土壤與鹽生荒漠的土壤均為鹽漬化土壤，而二者的生態(tài)功能卻截然不同。我們的研究表明，在監(jiān)測時段內(nèi)土壤CO2未出現(xiàn)負通量，所以鹽湖周邊不同群落立地土壤表現(xiàn)為CO2的源，這可能與土壤鹽分類型以及土壤水分條件有關。要進一步準確評估達坂城鹽湖的生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況，仍需對各植物群落的固碳潛力進行研究，從而為鹽湖生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的系統(tǒng)研究提供科學數(shù)據(jù)。

[1] 楊濤, 姜文波, 孫希春, 等. 不同植被類型高山草甸土呼吸作用的研究[J]. 土壤學報, 1989, 26(2): 186–192

[2] Raich J W, Schlesinger W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J]. Ellus, 1992, 44(B): 81–99

[3] 李彥, 王勤學, 馬健, 等. 鹽生荒漠地表水、熱CO2輸送的實驗研究[J]. 地理學報, 2004, 59(1): 33–39

[4] 劉冉, 王勤學, 唐立松, 等. 鹽生荒漠地表水熱與二氧化碳通量的季節(jié)變化及驅動因素[J]. 生態(tài)學報, 2009, 29(1): 67–75

[5] 劉冉, 李彥, 劉燕. 鹽生荒漠CO2通量對兩個極端降水年份響應[J]. 生態(tài)學雜志, 2013, 32(10): 2545–2551

[6] 鄭喜玉, 張明剛, 徐昶, 等. 中國鹽湖志[M]. 北京: 科學出版社, 2002

[7] 楊磊, 賈宏濤, 胡毅, 等. 水分條件對巴音布魯克高寒濕地CO2排放的影響[J]．草業(yè)科學, 2015, 32(2): 168–173

[8] 劉躍輝, 艾力·買買提依明, 楊帆, 等. 塔克拉瑪干沙漠腹地冬季土壤呼吸及其驅動因子[J]. 生態(tài)學報, 2015, 35(20): 6711–6719

[9] 張增信, 施政, 何容, 等. 北亞熱帶次生櫟林和人工松林土壤呼吸日變化[J]. 南京林業(yè)大學學報(自然科學版), 2010, 34(1): 19–23

[10] Bontti E E, Decant J P, Munson S M, et al. Litter decomposition in grasslands of Central North America[J]. Global Change Biology, 2009, 15(5): 1356–1363

[11] Raich J W, Tufekcioglu A. Vegetation and soil respiration：Correlations and controls[J]. Biogechemistry, 2000, 48(1): 71–90

[12] 馬杰, 于丹丹, 鄭新軍. 鹽生荒漠土壤CO2通量及其環(huán)境影響因素[J]. 生態(tài)學雜志, 2013, 32(10): 2532–2538

[13] Xu M, Qi Y. Soil-surfer CO2efflux and its spatial temporal variations in a young ponderosa pine plantation in northern California[J]. Global Change Biology, 2001, 7: 667-677

[14] Jassal R, Black A, Novak M, et al. Relationship between soil CO2concentrations and forest-floor CO2effluxes[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 130(3): 176–192

[15] Tang J, Baldocchi D D. Spatial-temporal variation in soil respiration in an oak-grass savanna ecosystem in California and its partitioning into autotrophic and heterotrophic components[J]. Biogeochemistry, 2005, 73(1):183–207

[16] 董自紅, 蔣平安, 賈宏濤, 等. 新疆高山草甸草原植物群落夏季CO2排放日變化分析[J]．新疆農(nóng)業(yè)科學, 2007, 44(1): 1–5

[17] 王憶慧, 龔吉蕊, 劉敏, 等. 草地利用方式對土壤呼吸和凋落物分解的影響[J]. 植物生態(tài)學報, 2015, 39(3): 239–248

[18] 楊建軍, 呂光輝, 張燕, 等. 艾比湖流域土壤呼吸日變化及水熱因子影響[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學, 2009, 46(2): 223–231

[19] 王春燕, 陳秋波, 袁坤, 等. 橡膠林土壤呼吸速率及其與土壤溫濕度的關系[J]. 土壤學報, 2013, 50(5)：119–128

[20] 張賽, 王龍昌, 張曉雨, 等. 紫色土丘陵區(qū)保護性耕作下旱地土壤呼吸及影響因素[J]. 土壤學報, 2014, 51(3)：520–530

[21] 王忠媛, 謝江波, 王玉剛, 等. 溫度對鹽土和堿土土壤無機CO2通量的影響[J]. 生態(tài)學雜志, 2013, 32(10): 2525–2531

[22] 全權, 張震, 何念鵬, 等. 短期氮添加對東靈山三種森林土壤呼吸的影響[J]. 生態(tài)學雜志, 2015, 34(3): 797–804

[23] Luo Y Q, Wan S Q, Hui D F, et al. Acclimatization of soil respiration to warming in a tall grass prairie[J]. Nature, 2001, 413: 622–625

[24] 陳寶玉, 劉世榮, 葛建平, 等. 川西高山針葉林土壤呼吸速率與不同土層溫度的關系[J]. 應用生態(tài)學報, 2007,18(6):1219–1224

[25] 張盼弟, 王旭, 陳寶瑞, 等. 呼倫貝爾地區(qū)貝加爾針茅草甸草原土壤CO2排放特征[J]. 應用生態(tài)學報, 2014, 25(2): 387–393

[26] 孔雨光, 張金池, 王因花, 等. 蘇北淤泥質海岸典型防護林地土壤呼吸及其溫度敏感性[J]. 生態(tài)學報, 2009, 29(8): 4084–4093

[27] 高艷紅, 張志山, 劉立超, 等. 騰格里沙漠植被重建對土壤呼吸的影響. 土壤學報, 2009, 46(4)：627–633

[28] 方晰, 田大倫, 項文化. 杉木人工林林地土壤CO2釋放量及其影響因子的研究. 林業(yè)科學, 2005, 41(2): 1–7

[29] 黃湘, 李衛(wèi)紅, 陳亞寧, 等. 塔里木河下游荒漠河岸林群落土壤呼吸及其影響因子[J]. 生態(tài)學報, 2007, 27(5): 1952–1959

[30] 李虎, 邱建軍, 王立剛. 農(nóng)田土壤呼吸特征及根呼吸貢獻的模擬分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2008, 24(4): 14–20

[31] Liu J B, Feng W, Zhang Y Q. Abiotic CO2exchange between soil and atmosphere and its response to temperature[J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 73: 2463–2471

[32] Emma L, Angela M, Detweiler L T. Assessing the role of alkaline soils on the carbon cycle at a playa site[J]. Environmental Earth Sciences, 2013, 70(3): 1047–1056

Soil Respirations Under Different Plant Communities in Dabancheng Salt Lake of Xinjiang

LI Dianpeng, YAO Meisi, HAN Dongliang, WANG Liping, HU Bao’an, WANG Ningning, JIANG Dayong, ZHANG Kai, ZHU Xinping, JIA Hongtao*

(College of Grassland and Environment Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

The distribution of salt lakes in Xinjiang is broad but uneven. The carbon cycle of the salt lake ecosystem is an important component and has an important impact on carbon equilibrium in the ecosystem of the arid region. However, the research on soil respiration in salt lakes in the arid region is relative weak. A study was conducted in order to explore soil respiration and its influential factors of different plant communities along the Salt Lake in Dabancheng of Xinjiang.,,,were taken as the main plant objects with the abandoned farmland around as the control, soil respiration were measured by LI-COR 8100 (Li-COR, Lincoln, NE, USA). The results showed soil respiration of Salt Lake coastal had obvious diurnal variation and appeared in the pattern of single peak, the highest point occurred at 13:00 while the lowest occurred at around 07:00. The rates of soil respiration ranged from 1.77 to 3.48 μmol/(m2·s) in CK and from 0.89 to 4.34 μmol/(m2·s) under different communities, with an order of. Underground biomass influenced soil CO2emissions, the daily average CO2emission flux of soil respiration in the study region was 209.28 mg/(m2·d). Soil temperature at 5 cm depth had significant correlation with soil respiration rate, which is the dominant factor in determining the diurnal variation of soil respiration and could explain 69%-78% of it. The10values calculated based on soil temperature at 5 cm depth were 2.30, 1.24, 1.20, 1.57, and 1.28, soil respiration was most sensitive to soil temperature under. Except for abandoned land, there were significantly negative correlation (2= 0.38-0.51) between soil respiration and soil moisture. The above results disclosed further soil respiration variation and influential factors of Slat Lake ecosystem in the arid region, which is helpful in estimating carbon equilibrium and sequestration.

Arid region; Salt take; Carbon cycle; Soil respiration; Influential factors

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.028

S154.1

A

國家自然科學基金項目(31560171)和國家大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(201510758004)資助。

(hongtaojia@126.com)

李典鵬(1992—)，男，湖南新華人，在讀本科生，主要研究領域為土壤生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)。E-mail: LLdp05120@126.com