泥炭地土壤呼吸溫度敏感性的影響因素研究

朱麗輝 杜忠

摘 要：土壤有機(jī)碳庫(kù)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，研究泥炭地土壤呼吸溫度敏感性的變化特征和影響因素，對(duì)準(zhǔn)確理解土壤碳循環(huán)具有重要意義。土壤呼吸溫度敏感性主要受到土壤溫度、土壤含水量、土壤深度、土壤底物、人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響。該文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的土壤呼吸溫度敏感性的研究進(jìn)行綜述，以期為今后泥炭地土壤呼吸及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：泥炭地；土壤有機(jī)碳；土壤溫度敏感性；影響因素

中圖分類(lèi)號(hào) S152 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）11-0043-03

Abstract：Soil organic carbon pools are an important part of the global carbon cycle.It can be seen that studying the characteristics and influencing factors of soil temperature sensitivity of soil respiration in peat land is of great significance for accurately understanding the soil carbon cycle.Soil respiration temperature sensitivity is mainly affected by factors such as soil temperature，soil moisture content，soil depth，soil substrate，and land use patterns.Therefore，this paper summarizes the existing soil temperature sensitivity data for soil respiration in order to provide references for future research on soil respiration and its response to climate change in peat land.

Key words：Peatland；Soil organic carbon；Soil temperature sensitivity；Influencing factors

1 引言

泥炭地是指泥炭厚度≥30cm或有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)50%的濕地，全球泥炭面積大約為3.443×108～5.0×108hm2，約占地球陸地面積的3%[1]，而泥炭地的碳儲(chǔ)量為270～612Pg[2]，約占地球陸地0～100cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（1462～1576Pg）的17%～41.9%[3]和大氣碳庫(kù)（828Pg）的32.6%～73.9%?？梢钥闯?，泥炭地是巨大的土壤碳庫(kù)，其在全球碳循環(huán)中起著很重要的作用。

近年來(lái)，全球氣候變化成為了科學(xué)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，研究表明，氣候變化與全球碳循環(huán)過(guò)程關(guān)系密切[3]，地下的碳貯存和釋放會(huì)隨著氣候變化而變化[4]。由于土壤微生物對(duì)溫度變化的響應(yīng)十分敏感，溫度的微小波動(dòng)就可能影響區(qū)域或全球大氣中溫室氣體的濃度，進(jìn)而引起全球氣候變化。溫度敏感性指數(shù)（Q10）是指溫度每增加10℃，土壤呼吸所增加的倍數(shù)。目前，已開(kāi)展了大量關(guān)于土壤呼吸的時(shí)空動(dòng)態(tài)及其控制機(jī)理的研究，且取得了較好的研究進(jìn)展，而有關(guān)土壤呼吸的溫度敏感性和激發(fā)效應(yīng)的研究仍較少，導(dǎo)致未能從廣度和深度上來(lái)更好的闡釋土壤呼吸機(jī)制。

2 土壤呼吸溫度敏感性的意義

土壤呼吸是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過(guò)程，包括自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸。氣溫升高、降水增多以及人類(lèi)活動(dòng)等都對(duì)土壤呼吸存在不同程度的響應(yīng)，其中溫度是土壤呼吸的關(guān)鍵因子，對(duì)土壤微生物的數(shù)量、組成以及活性的響應(yīng)非常敏感，溫度的變化對(duì)土壤碳庫(kù)有著重要影響。而溫度敏感性指數(shù)是理解土壤呼吸與溫度之間關(guān)系的基礎(chǔ)之一，即溫度敏感性。許多研究表明，Q10值不是一成不變的，而是受到許多因素的影響[5]，如溫度、土壤含水量、土壤深度、土壤底物、人類(lèi)活動(dòng)等。

3 土壤呼吸溫度敏感性的影響因素

3.1 溫度 溫度是影響沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的一個(gè)重要因子，土壤微生物活性以及根呼吸酶的活性隨著溫度的變化而變化。在一定溫度范圍內(nèi)，土壤微生物活性以及植物根呼吸的酶活性隨溫度的升高而增強(qiáng)，因此土壤呼吸隨溫度的升高而增強(qiáng)。溫度對(duì)高寒濕地土壤呼吸的影響顯著，土壤呼吸的速率隨著溫度的升高幾乎呈一級(jí)指數(shù)形式增長(zhǎng)[6]。此外，溫度不僅直接影響土壤生物和酶的活性，而且可以通過(guò)間接的途徑即底物供應(yīng)對(duì)土壤呼吸溫度敏感性產(chǎn)生影響。許多實(shí)驗(yàn)表明，土壤呼吸的溫度敏感性隨溫度的增加而下降，如Tian等[7]通過(guò)對(duì)寒溫帶、溫帶、亞熱帶和熱帶4個(gè)溫度帶的38個(gè)地點(diǎn)的土壤呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，Q10值均隨著土壤溫度的升高而降低，且寒溫帶土壤的Q10值隨溫度升高下降的速度比溫帶和亞熱帶、熱帶的快。這說(shuō)明低溫條件下的土壤呼吸溫度敏感性比高溫條件下更高。

3.2 土壤含水量 土壤含水量不僅影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)中各種生態(tài)學(xué)過(guò)程，還影響著各個(gè)生態(tài)學(xué)過(guò)程對(duì)其他環(huán)境因子變化的響應(yīng)程度，如土壤的水、熱、氣條件，三者互為矛盾又相互制約。一般而言，一定范圍內(nèi)隨著土壤含水量的增加，土壤呼吸的溫度敏感性增加[8]，當(dāng)超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)（田間持水量>95%），土壤微生物活性受到抑制，從而導(dǎo)致土壤呼吸的溫度敏感性降低。在對(duì)濕地沼澤的研究中發(fā)現(xiàn)，在較高水位狀態(tài)下，土壤溫度由5°C增加到35°C時(shí)，土壤碳礦化速率增加了4倍。

3.3 土壤深度 一般而言，是通過(guò)測(cè)定的土壤碳礦化量和某一深度的土壤溫度來(lái)對(duì)土壤呼吸溫度敏感性進(jìn)行擬合，土壤溫度與土壤深度呈正相關(guān)關(guān)系。大量研究表明[9-10]，土壤呼吸溫度敏感性隨著土壤深度的增加而增加。由于野外實(shí)測(cè)的土壤深度不盡相同，導(dǎo)致土壤呼吸溫度敏感性在不同樣點(diǎn)之間的比較和大尺度的模擬造成了一定的偏差。因此，Gaumont-Guay等[11]建議土壤呼吸對(duì)溫度的響應(yīng)曲線(xiàn)有著最少的滯后時(shí)的土壤溫度測(cè)定的深度為最佳深度。

3.4 土壤底物 近年來(lái)，底物供應(yīng)對(duì)控制土壤呼吸及其溫度敏感性方面的影響受到了廣泛關(guān)注。目前，關(guān)于底物質(zhì)量對(duì)溫度敏感性的響應(yīng)還未形成定論[12]。Verburg等[13]在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中控制溫度和水分條件，使其恒定不變，發(fā)現(xiàn)土壤呼吸存在季節(jié)變異，且原因是底物供應(yīng)的季節(jié)變異規(guī)律，這說(shuō)明了底物的供應(yīng)對(duì)溫度敏感性有著重要影響，當(dāng)土壤中底物供應(yīng)減少時(shí)，土壤微生物會(huì)因缺少呼吸底物而降低活性甚至死亡，Q10值會(huì)隨著底物的減少而降低，也反映了土壤呼吸與底物供應(yīng)季節(jié)性的真正溫度敏感性。Gu等[14]通過(guò)土壤多庫(kù)模型闡釋了這一問(wèn)題，土壤呼吸溫度敏感性在溫度與活性碳庫(kù)的時(shí)間變異相一致時(shí)將被高估，相反，則被低估。其原因是大部分生態(tài)系統(tǒng)的落葉期在秋季，從而底物供給會(huì)在較冷的季節(jié)增加，以致底物在較暖的季節(jié)損耗更快而產(chǎn)生Q10值的估計(jì)偏差。

3.5 人類(lèi)活動(dòng) 目前，在人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾下，泥炭地土壤退化問(wèn)題十分嚴(yán)重，排水、過(guò)度放牧等活動(dòng)是沼澤土和泥炭土退化、質(zhì)量下降的主要原因，主要表現(xiàn)為：沼澤土、泥炭土向草甸土、風(fēng)沙土退化演替。人們通常通過(guò)排水來(lái)對(duì)泥炭地進(jìn)行改造，而這直接導(dǎo)致泥炭地碳排放通量增加，即當(dāng)排水使土壤水位降低超過(guò)20cm時(shí)，泥炭地CO2排放量增加大約100%[17]。因此，排水后引起泥炭地CO2排放通量增加使其生態(tài)系統(tǒng)成為了CO2的凈排放源。同時(shí)，放牧也是改造泥炭地的一種重要的人類(lèi)活動(dòng)，往往會(huì)影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳排放速率[15]。放牧對(duì)泥炭地地上植物生物量、濕地生態(tài)系統(tǒng)碳排放通量有著重要影響。一些研究指出，放牧促進(jìn)了土壤呼吸速率，增加了CO2排放通量，其可能原因是放牧對(duì)泥炭地的擾動(dòng)，促進(jìn)了土壤微生物的活性，從而增加碳排放通量的溫度敏感性，也有研究指出，高原草甸濕地放牧并未影響CO2排放通量[16]。但從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，有關(guān)放牧對(duì)濕地CO2排放通量的影響方面仍比較欠缺。

4 展望

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，泥炭地是巨大的土壤碳庫(kù)，其土壤呼吸的微小變化都會(huì)對(duì)全球碳變化產(chǎn)生重要影響。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究：（1）由于條件可控的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，脫離了生態(tài)系統(tǒng)的真實(shí)情況，所以要加強(qiáng)測(cè)定與實(shí)驗(yàn)可行性方面的研究；（2）國(guó)內(nèi)外已對(duì)土壤呼吸的時(shí)空動(dòng)態(tài)和機(jī)制開(kāi)展了大量研究，但在溫度敏感性和激發(fā)效應(yīng)這2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題還缺乏深入的研究，且要注重結(jié)合底物添加和激發(fā)效應(yīng)的研究；（3）目前人類(lèi)活動(dòng)成為了全球碳循環(huán)動(dòng)力的主要因子，所以要加強(qiáng)泥炭地在人類(lèi)活動(dòng)影響下的碳動(dòng)態(tài)研究；（4）在全球變暖形式下，Q10值的大小很大程度上取決于活性炭與緩效碳對(duì)溫度的敏感性，所以需要更深入的研究土壤有機(jī)碳各組分溫度敏感性機(jī)理。

我國(guó)的泥炭地已經(jīng)遭受了大面積的破壞，泥炭地的土壤理化性質(zhì)、地上植被、土壤含水量等受到了嚴(yán)重影響，泥炭地面積的減少和演替方向的變化，從而使得其碳動(dòng)態(tài)的變化，對(duì)全球氣候變化有著重要影響。因此，加強(qiáng)泥炭地碳動(dòng)態(tài)的影響機(jī)制研究，有助于深入理解泥炭地碳循環(huán)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣候變化。

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（責(zé)編：張宏民）