重構(gòu)土體土壤呼吸及其水熱影響因子日變化特征

張 劍，雷 娜

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710064;2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西西安710075;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌712100)

在氣候變暖日益加劇的大背景下，土壤呼吸通過參與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響氣候變化，因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了針對不同類型生態(tài)系統(tǒng)、不同土地利用類型［1-3］、不同地域、退化土壤等土壤呼吸特征的研究［4-5］。學(xué)者們的研究一般都是從最小時間研究尺度——土壤呼吸日變化開始的。土壤呼吸日變化規(guī)律的研究可為進(jìn)一步掌握土壤呼吸季節(jié)變化及其影響因子、準(zhǔn)確核算區(qū)域碳排放情況提供數(shù)據(jù)支撐。眾多學(xué)者研究結(jié)果均顯示溫度和水分是土壤呼吸日變化的重要環(huán)境因子［6-7］，有許多研究表明土壤呼吸速率與大氣溫度或土壤不同深度溫度之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系，一般可用線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等形式來描述［8-9］。

我國耕地資源緊缺，目前主要通過土地整治工程進(jìn)行補(bǔ)充，隨著耕地后備資源的減少，土地整治已從簡單的土地平整、配套設(shè)施修建發(fā)展到土體重構(gòu)。在陜西省寶雞市、華陰市等地存在大量的荒石灘地，已有工程通過添加不同成土材料和改良材料在荒石灘地進(jìn)行土體重構(gòu)，重構(gòu)土體將成為今后土地整治的主要方向以及補(bǔ)充耕地資源的重要手段，與此同時土體重構(gòu)改變了區(qū)域下墊面條件，導(dǎo)致新形成的土體土壤呼吸產(chǎn)生變化，進(jìn)而對區(qū)域氣候產(chǎn)生影響，但現(xiàn)階段研究重構(gòu)土體土壤呼吸還不多見。本研究以添加蛭石、頁巖、沙和砒砂巖的4種重構(gòu)土體為研究對象，每月份選取1個典型日，使用土壤碳通量測定系統(tǒng)對土壤呼吸進(jìn)行觀測，同時對土壤水分、溫度等水熱影響因子進(jìn)行測定，以期探明4種重構(gòu)土體土壤呼吸和水熱影響因子日變化特征及其之間的關(guān)系，為重構(gòu)土體土壤呼吸的研究提供科學(xué)參考，同時為準(zhǔn)確評估區(qū)域CO2排放及制定合理的CO2減排措施提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地概況

試驗(yàn)樣地位于陜西省寶雞市眉縣湯峪鎮(zhèn)上王村(107°53＇50″E，34°8＇33＇N)。該試驗(yàn)樣地是荒石灘地整治工程的示范區(qū)域，總面積8.00 hm2，實(shí)現(xiàn)新增耕地6.80 hm2，新增產(chǎn)值11.20萬元。選取砒砂巖、沙、泥質(zhì)頁巖、蛭石4種材料，將選取的4種材料粉碎過10 mm篩，消毒滅菌處理后，分別與構(gòu)建土源混合(構(gòu)建土體所使用的土源為當(dāng)?shù)爻Ｒ娡寥李愋蛪v土)，形成蛭石、頁巖、沙和砒砂巖與土壤混合層(50 cm)，進(jìn)而形成礫石+蛭石+塿土型、礫石+頁巖+塿土型、礫石+沙+塿土型和礫石+砒砂巖+塿土型4種重構(gòu)土體(以下簡稱蛭石、頁巖、沙、砒砂巖重構(gòu)土體)，容重分別為 1.55，1.36，1.52 g·cm-3和1.38 g·cm-3，進(jìn)行長期定位試驗(yàn)。其中蛭石、頁巖、砒砂巖、沙用量均為1×10-3m3·m-2，添加比例均為2%(體積比)。4個試驗(yàn)樣地規(guī)格均為20 m×30 m。4個試驗(yàn)樣地內(nèi)均埋設(shè)3個內(nèi)徑為10 cm×20 cm的土壤呼吸環(huán)，保證呼吸環(huán)高出地面2 cm。

1.2 研究方法

2017年11月至2018年10月，每月選取1個典型日對4個試驗(yàn)樣地全部土壤呼吸環(huán)進(jìn)行測量，每個典型日的測量時間為 6∶00、8∶00、10∶00、12 ∶00、14 ∶00、16 ∶00、18 ∶00、20 ∶00。土壤呼吸測定使用土壤碳通量測量系統(tǒng)(LI-8100)，測定土壤碳通量、土壤5 m處溫度和10 cm處含水量，每個土壤呼吸環(huán)重復(fù)測定3次，測量時長為4 min，降水量等主要通過試驗(yàn)小區(qū)3 m外安裝的HOBO氣象站自動獲取。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

土壤呼吸與土壤溫度之間的關(guān)系用指數(shù)模型擬合，土壤呼吸與含水量之間的關(guān)系采用二次曲線模型擬合，土壤呼吸與土壤溫度和土壤體積含水量之間的關(guān)系采用冪-指數(shù)模型擬合。

式中，RS為土壤呼吸速率(μmol·m-2·s-1)，T為土壤溫度(℃)，W為土壤體積含水量(%);a、b、c分別為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 重構(gòu)土體土壤呼吸日變化

4種重構(gòu)土體土壤呼吸在觀測月份的日變化均呈現(xiàn)出單峰曲線，觀測月份的最低值出現(xiàn)在6∶00或20 ∶00，最高值出現(xiàn)在10 ∶00、12 ∶00或14 ∶00。這主要是由4種重構(gòu)材料蛭石、頁巖、沙、砒砂巖的物質(zhì)特性決定的。在觀測的12個月中，添加蛭石、頁巖、沙、砒砂巖的4種重構(gòu)土體日變化幅度的范圍分別為 0.37～3.42、0.52～4.34、0.71～4.62、0.55～4.03μmol·m-2·s-1。觀測12個月內(nèi)4種重構(gòu)土體日變化幅度的排序?yàn)樘砑由常卷搸r＞砒砂巖＞蛭石，可見添加沙的重構(gòu)土體土壤呼吸日變化幅度最大，頁巖次之，砒砂巖較小，蛭石日變化幅度最小(圖1)。

1月份，氣溫達(dá)到一年中的最低值，作物和微生物生理活動基本停止，4種重構(gòu)土體土壤呼吸值在觀測時段內(nèi)達(dá)到最低，日變化幅度也最小。添加蛭石、頁巖、沙、砒砂巖的重構(gòu)土體土壤呼吸最小值分別為 0.04、0.06、0.04 μmol·m-2·s-1和 0 μmol·m-2·s-1，最大值均出現(xiàn)在12∶00，其日變化幅度分別為 0.37、0.59、0.71 μmol·m-2·s-1和 0.55 μmol·m-2·s-1(圖 1c)。

8月份，屬于作物的生長旺季，氣溫高且雨量充沛，4種重構(gòu)土體土壤呼吸值達(dá)到試驗(yàn)觀測期間最大值，觀測時段最大值均出現(xiàn)在12∶00，最小值出現(xiàn)在6∶00和20∶00。添加蛭石、頁巖、沙、砒砂巖的重構(gòu)土體土壤呼吸值最高分別為9.88、10.47、14.94 μmol·m-2·s-1和 12.19 μmol·m-2·s-1，日變化幅度分別為 3.42、4.34、4.62 μmol·m-2·s-1和4.03 μmol·m-2·s-1(圖 1j)。

2.2 重構(gòu)土體土壤呼吸與水熱影響因子日變化的關(guān)系

2.2.1 土壤呼吸與土壤溫度日變化關(guān)系 指數(shù)模型能夠表征添加蛭石、頁巖、沙、砒砂巖4種重構(gòu)土體土壤呼吸與土壤5 cm處溫度之間的日變化關(guān)系。4種重構(gòu)土體土壤呼吸速率與土壤溫度存在顯著的正指數(shù)相關(guān)關(guān)系。觀測時段內(nèi)添加蛭石的重構(gòu)土體土壤溫度能夠解釋土壤呼吸日變化的41.0%～96.0%，添加頁巖的重構(gòu)土體土壤溫度能夠解釋土壤呼吸日變化的53.0%～98.0%，添加沙的重構(gòu)土體土壤溫度能夠解釋土壤呼吸日變化的76.0%～98.0%，添加砒砂巖的重構(gòu)土體土壤溫度能夠解釋土壤呼吸日變化的66.0%～96.0%(表1)。其中添加沙重構(gòu)土體土壤溫度對土壤呼吸日變化的解釋能力最高，添加蛭石的重構(gòu)土體土壤溫度對土壤呼吸日變化的解釋能力最低。

2.2.2 土壤呼吸與土壤體積含水量日變化關(guān)系

二次曲線模型能夠解釋4種重構(gòu)土體土壤呼吸與土壤體積含水量之間日變化的關(guān)系，二者之間呈顯著負(fù)相關(guān)，但是解釋能力顯著低于溫度的解釋能力。觀測時段內(nèi)添加蛭石的重構(gòu)土體土壤體積含水量單因子能夠解釋土壤呼吸日變化的23.0%～46.0%，添加頁巖的重構(gòu)土體土壤體積含水量單因子能夠解釋土壤呼吸日變化的28.0%～53.0%，添加沙的重構(gòu)土體土壤體積含水量單因子能夠解釋土壤呼吸日變化的26.0%～44.0%，添加砒砂巖的重構(gòu)土體土壤體積含水量單因子能夠解釋土壤呼吸日變化的24.0%～50.0%(表2)。添加頁巖重構(gòu)土體土壤體積含水量單因子對土壤呼吸日變化的解釋能力最高，添加蛭石重構(gòu)土體土壤體積含水量單因子對土壤呼吸日變化的解釋能力最低。

2.2.3 土壤呼吸與土壤溫度、體積含水量日變化關(guān)系 冪-指數(shù)模型能夠表征4種重構(gòu)土體土壤呼吸與土壤溫度、體積含水量之間的日變化關(guān)系，土壤呼吸與水熱因子之間呈顯著正相關(guān)。

觀測時段內(nèi)添加蛭石的重構(gòu)土體土壤溫度和體積含水量雙因子能夠解釋土壤呼吸日變化的56.0%～94.0%，添加頁巖的重構(gòu)土體土壤溫度和體積含水量雙因子能夠解釋土壤呼吸日變化的67.0%～53.0%，添加沙的重構(gòu)土體土壤溫度和體積含水量雙因子能夠解釋土壤呼吸日變化的83.0%～98.0%，添加砒砂巖的重構(gòu)土體土壤溫度和土壤體積含水量雙因子能夠解釋土壤呼吸日變化的56.0%～99.0%(表3)。其中添加沙的重構(gòu)土體土壤溫度和土壤體積含水量雙因子對土壤呼吸日變化的解釋能力最高，添加蛭石的重構(gòu)土體土壤溫度和土壤體積含水量雙因子對土壤呼吸日變化的解釋能力最低。

圖1 測定期內(nèi)各月份不同重構(gòu)土體土壤呼吸日變化Fig.1 Diurnal variation of soil respiration in different reconstructed soils in each month

表1 重構(gòu)土體土壤呼吸速率(RS)與土壤溫度(Ts)日變化之間的關(guān)系(RS=a e bT)Table 1 Relationship betweendaily soil respiration rate and temperature for reconstituted soil mass

表2 重構(gòu)土體呼吸速率(RS)與土壤體積含水量(WS)日變化之間的關(guān)系(RS=aw2+bw+c)Table 2 Relationship between daily soil respiration rate and volumetric water content for reconstituted soil mass

表3 重構(gòu)土體呼吸速率(RS)與土壤溫度(Ts)、體積含水量(WS)日變化的關(guān)系(RS=a e bTwc)Table 3 Relationship between daily soil respiration rate and temperature and volumetric water content for reconstituted soil mass

3 討論

3.1 不同重構(gòu)材料對土壤呼吸的影響

國內(nèi)外已研究了高達(dá)60種礦物材料應(yīng)用于土壤質(zhì)量提升，并形成系列改良產(chǎn)品如礦物肥料、生長劑、營養(yǎng)物質(zhì)載體等［10］。現(xiàn)階段眾多學(xué)者研究認(rèn)為砒砂巖能夠改良土壤性狀，增加土壤的持水性和保水性，吸附土壤重金屬污染，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量［11］。學(xué)者們研究表明，土壤中適當(dāng)摻沙可增加土壤的通透性、滲水性、保濕性，使土壤中空氣含量增加［12］。康倍銘等［13］研究了添加一定比例的頁巖對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)、有效含水量和水分蒸發(fā)等理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明改良后的土壤孔隙度、有效含水量和水分蒸發(fā)變化不明顯，但土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體顯著提高。蛭石作為土壤改良劑被學(xué)者們廣泛認(rèn)可，研究表明蛭石能夠改善土壤的理化性質(zhì)及生物營養(yǎng)成分，并在物理性質(zhì)方面促使土壤形成良好的結(jié)構(gòu)，提高蓄水保墑能力。

不同重構(gòu)材料的性質(zhì)不同，會導(dǎo)致土壤呼吸表現(xiàn)出一定的差異性。砒砂巖、頁巖黏粒含量高，是成土材料，蛭石作為改良材料，3種材料均可增加土壤的保水性和持水性。水分占據(jù)了土壤的空隙，導(dǎo)致土壤中CO2含量相對較少，土壤呼吸不強(qiáng)烈，有利于環(huán)境保護(hù)。同時沙作為土壤改良材料，能夠使土壤中空氣含量增加從而增加土壤呼吸強(qiáng)度，不利于環(huán)境保護(hù)。

3.2 重構(gòu)土體土壤呼吸與水熱影響因子之間的關(guān)系

溫度是影響土壤呼吸速率的重要因子。學(xué)者們認(rèn)為指數(shù)模型能夠解釋土壤呼吸速率的絕大部分變異［14-16］，土壤溫度可通過影響植物根系以及土壤中微生物的活動間接影響土壤呼吸。本研究發(fā)現(xiàn)4種重構(gòu)土體呼吸日變化與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，與大部分學(xué)者得到的結(jié)論一致［17-19］。土壤體積含水量對土壤呼吸的影響比較復(fù)雜，學(xué)者們在不同地域、不同研究時段、不同生態(tài)系統(tǒng)等得出的結(jié)論往往差異較大［20-21］。土壤體積含水量除能夠通過影響根系的生長以及土壤中微生物的活動影響土壤呼吸速率外，還可以通過影響土壤中CO2的含量以及傳輸過程影響土壤呼吸速率。有研究指出土壤體積含水量與土壤之間的關(guān)系可用對數(shù)模型、二次曲線和線性關(guān)系模擬，二者呈顯著負(fù)相關(guān)［22-23］;也有研究指出，當(dāng)土壤發(fā)生水分脅迫時，水分可成為影響土壤呼吸的主導(dǎo)因素［24］。本研究發(fā)現(xiàn)二次曲線的模擬效果好于線性模型，但體積含水量與土壤呼吸的相關(guān)系數(shù)較小，即對土壤呼吸的影響較小。多數(shù)研究均表明土壤呼吸日變化一般受到土壤溫度和土壤水分的共同影響，因而采用二者復(fù)合來表征土壤呼吸的日變化情況［25-26］。有學(xué)者對中國溫帶森林土壤呼吸的6種生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雙因素模型的解釋能力一般高于50.0%，解釋能力通常情況下高于單因素模型［27］。本研究中得到冪-指數(shù)模型即土壤溫度、體積含水量對土壤呼吸日變化的解釋能力大于56.0%，其和指數(shù)模型的解釋能力遠(yuǎn)高于二次曲線模型，但大部分情況下，冪-指數(shù)模型的解釋能力高于指數(shù)模型，這與前人得到的結(jié)論類似。

4 結(jié) 論

1)4種重構(gòu)土體土壤呼吸在觀測月份的日變化均呈現(xiàn)單峰曲線，呼吸日變化模式基本相同，觀測月份的最低值出現(xiàn)在6∶00和20∶00，最高值出現(xiàn)在10∶00、12∶00和14∶00。8月份，4種重構(gòu)土體土壤呼吸值達(dá)到試驗(yàn)觀測期間最大值，12月份4種重構(gòu)土體土壤呼吸值在觀測時段內(nèi)達(dá)到最低，日變化幅度也最小，觀測12個月份內(nèi)4種重構(gòu)土體日變化幅度的排序?yàn)樘砑由常卷搸r＞砒砂巖＞蛭石，添加蛭石的重構(gòu)土體更有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

2)4種重構(gòu)土體土壤溫度(指數(shù)模型)、土壤體積含水量(二次曲線模型)單因素以及土壤溫度和含水量雙因素(冪-指數(shù)模型)均能夠解釋土壤呼吸的日變化，但是解釋能力不同。雙因素模型解釋能力一般高于50.0%，單因素模型中溫度的解釋能力顯著高于水分，水分的解釋能力不強(qiáng)，一般低于50.0%，表征重構(gòu)土體水熱影響因子與呼吸之間的關(guān)系最優(yōu)的是雙因素模型。