菜地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸狀況及其影響因素

張 晶

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太谷 030801)

1 概述

1.1 研究的背景與意義

1.1.1 研究的背景

隨著最近幾年經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，溫室氣體的排放（主要指CO2）所帶來的全球氣候回暖已然變成我們當(dāng)代人最需要著手解決的全球性環(huán)境問題之一。大氣中溫室氣體濃度的不斷增加是全球氣候變暖的主要原因[1]。由于我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田在我國占有很大的面積，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中排放的CO2在全球氣候變暖影響頗大，占據(jù)了很大的比例。菜地亦屬于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),近年來菜地面積的不斷增加,因此研究菜地在不同季節(jié)與條件下土壤CO2和N20的排放特征及其產(chǎn)生機(jī)理是十分必要的。

1.1.2 研究的意義

土壤呼吸實(shí)際上是研究土壤生物活性的一個重要指標(biāo)，它不僅可以反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)而且還能反映土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力[2]。與此同時(shí)，CO2濃度還影響著區(qū)域內(nèi)甚至全球性的氣候變暖的趨勢。綜上，我們可以得出：研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸的特征及其影響因素將對全球氣候變暖有重要的意義。土壤呼吸的變化對大氣中CO2產(chǎn)生顯著的影響，包括減緩或加劇作用，并且進(jìn)一步的對全球氣溫的變化產(chǎn)生影響。我們以菜地為例進(jìn)行土壤呼吸的研究。

1.2 土壤呼吸研究

1.2.1 土壤呼吸的概念

土壤呼吸（Soil Respiration），就像是人類的呼吸一樣，這個過程實(shí)質(zhì)上就是從土壤中釋放CO2的過程[3]。土壤微生物、作物根系、土壤動物的呼吸均可以釋放出大量的二氧化碳。土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量與土壤肥力的重要指標(biāo)之一，并且它也能響應(yīng)環(huán)境變化所產(chǎn)生的影響。當(dāng)然了眾所周知，土壤呼吸的產(chǎn)物二氧化碳，也能夠?yàn)橹参锾峁┕夂献饔肹4]。

1.2.2 土壤呼吸的研究進(jìn)展

國外對土壤呼吸的研究最早是從19世紀(jì)初開始，到20世紀(jì)70年代對土壤的研究開始集中在溫帶草原、亞熱帶森林、溫帶森林，同時(shí)一些影響土壤呼吸的因素被逐步的發(fā)現(xiàn)：生物因素、非生物因素、N沉降等[5]。相比而言，我國開展土壤呼吸的研究的時(shí)間較晚，近些年我國學(xué)者主要是針對北方森林、熱帶季雨林、亞熱帶森林進(jìn)行研討，但是研究成果并不突出，因此對土壤呼吸的研究顯得尤為重要。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)的概況

我們所研究的地區(qū)位于黑河流域中部的張掖灌區(qū)，它地處于我國西北部——甘肅省，河西走廊中部，黑河貫穿整個地區(qū)，山前沖積平原中部的沖積扇底部物產(chǎn)豐富，飽含有灌溉栽培綠洲農(nóng)作物以及樹木。區(qū)域內(nèi)以人造植被為主，擁有著獨(dú)一無二的沙漠綠洲的景觀。天氣的影響因素為中高緯度西風(fēng)環(huán)流以及極地冷空氣團(tuán)。該區(qū)域是典型的大陸草原沙漠氣候。試驗(yàn)區(qū)干燥，細(xì)雨，冬季寒冷漫長，夏季溫暖而短暫，多風(fēng)，多風(fēng)的天氣多。年平均氣溫約6°C，最熱月份為7月份，每年的降水量平均達(dá)到了114.9mm，降水量為70%，集中在生長季節(jié)，全年無霜期約為169d。

在試驗(yàn)區(qū)選擇一塊辣椒地，采用LI－8100土壤碳通量測量系統(tǒng)(LI-COR，Lincoln，NE，USA)測定土壤R(土壤呼吸速率)，測量前在每塊樣地內(nèi)布設(shè)4個用來測定土壤碳通量的PVC環(huán)，在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的前提下，將PVC環(huán)插入土中，保持PVC環(huán)截面垂直，并露出地面高約2cm，靜置2d后進(jìn)行測量，測量在2017年7-9月進(jìn)行(由于條件所限，未對其他月進(jìn)行測量)，在每月上、中、下旬各選取4d進(jìn)行土壤呼吸測量，每0.5h測定一次，每個土壤環(huán)重復(fù)測定2次[6]。在此我們選取每月中個一天來進(jìn)行分析。土壤溫度采用LI－8100附帶的溫度探針測定,測定每個樣方5cm深度層次的土壤溫度，試驗(yàn)期間每半小時(shí)測量1次，與測定土壤呼吸速率的時(shí)間同步。

2.2 研究的技術(shù)路線

用LI－8100進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的測量并記錄在Excel表格中，采用Excel2003軟件進(jìn)行繪圖，利用散點(diǎn)圖構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，采用SPSS17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 菜地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的變化規(guī)律

圖1 各月份溫度變化圖

由圖1可以得出，七月份的溫度區(qū)間為19.61℃～24.79℃，最大值出現(xiàn)在13：00，八月份的溫度變化區(qū)間為 16.86℃～23.43℃，最大值出現(xiàn)在 15：00，九月份的溫度變化區(qū)間為12.5℃～19.75℃，最大值出現(xiàn)在14：30。從總體看每日的溫度變化規(guī)律都相同，都為單峰曲線，且峰值都在13點(diǎn)左右，并且在夜間土壤溫度都呈下降趨勢，可以看出七月份平均溫度較高，九月份平均溫度較低且九月份土壤溫度變化差值大。

圖2 土壤呼吸速率圖

土壤呼吸速率用單位時(shí)間、單位面積土壤排放出來的二氧化碳量表示。如圖2所示，在三個月份的土壤呼吸日變化規(guī)律圖中可以看出，土壤呼吸速率分布在 1.1～4.2μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，且除了七月份較特殊外都為單峰曲線。在其他因素不影響的前提下，土壤呼吸最強(qiáng)總是出現(xiàn)在13：00-15：00之間，土壤呼吸速率最弱總是集中在23：00-6：00。在測試的三個月份中其中七月份測試的土壤呼吸速率日變化最小，八月份最大，說明土壤呼吸受天氣影響較大[7]。土壤呼吸速率隨著溫度的升高而增強(qiáng)，從7：00～12:00土壤呼吸速率逐漸增強(qiáng)，在13:00～15:00由于溫度達(dá)到最高，此時(shí)土壤呼吸速率也達(dá)到一天中的最高峰。17:00點(diǎn)之后土壤呼吸速率減弱。

七月、八月、九月是辣椒的不同生長季，隨著氣候的變化，土壤呼吸速率也呈現(xiàn)出不同的季節(jié)變化規(guī)律，在八月份中土壤呼吸速率的峰值相對七月份延后一小時(shí)左右。九月份較八月份又延后一小時(shí)左右。并且由于八月份溫度最高，所以土壤呼吸速率最高值出現(xiàn)在八月份，相對于日變化來說，各生長季土壤呼吸速率變化相對較小。

4 溫度、濕度對土壤呼吸速率的影響以及最佳測量時(shí)間

4.1 土壤溫度對土壤呼吸的影響

在分析數(shù)據(jù)時(shí)構(gòu)建了多個數(shù)學(xué)模型，通過比較相關(guān)系數(shù)(R2)的大小可以得出能較好擬合本次試驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)，通過比較我們選擇了如下模型[8]。土壤呼吸速率(R)與土壤溫度(T)和土壤濕度(W)關(guān)系的單變量模型如下:

溫度模型：R=aebT

濕度模型：R=aW+b

式中，R表示土壤呼吸速率μmol·m-2·s-1；a、b均為擬合系數(shù)；T為測量的5cm深的土壤溫度，W為土壤濕度。

圖3 溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系

表1所示，七、八、九所得到的溫度與土壤呼吸速率間的關(guān)系各不相同。本次土壤溫度和土壤呼吸速率的指數(shù)模型七月份為：y=1.4244e0.011x，R2=0.124，其結(jié)果不成相關(guān)性，原因是由于辣椒地所種植的辣椒是移植到這塊土地，其生長還未表達(dá)出相應(yīng)的穩(wěn)定性[9]。八月份的指數(shù)模型為y=0.3476e0.0976x，R2=0.749，說明土壤溫度能夠解釋土壤呼吸速率在全年中75%的變化。土壤呼吸隨著土壤溫度的升高呈指數(shù)增加。九月份的指數(shù)模型為y=0.3476e0.0976x，R2=0.723，其可得出與八月份類似的結(jié)論。Q10值是土壤呼吸對溫度變化的敏感程度，即溫度每升高10℃，土壤呼吸增加的倍數(shù)[10]。公式計(jì)算公示：Q10=RT+10/RT，式中RT表示溫度為T℃時(shí)的土壤呼吸速率，RT+10表示溫度為T+10℃時(shí)的土壤呼吸速率，通過計(jì)算七月份Q10為1.25，八月份Q10為1、84，九月份Q10為1.83。試驗(yàn)點(diǎn)Q10平均值為1.63。即土壤溫度每升高10℃土壤呼吸速率增大1.63倍。低于全球Q10平均值2.4，表明菜地生態(tài)系統(tǒng)敏感性交差。但是在不同的土壤溫度和土壤含水量的條件下，Q10值是不同的。

表1 溫度與土壤呼吸速率模型表

運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性可以得出七月份溫度與土壤呼吸速率不具有相關(guān)性，其原因還是由于辣椒是移植到這片地，不能適應(yīng)生長。八月份與九月份都變現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。分析溫度對是植物的生長發(fā)育以及相關(guān)功能的形成有重要的意義，也是重要的環(huán)境因子。如圖3所示當(dāng)溫度低于正常溫度時(shí)，其呼吸速率相應(yīng)的也會受到一定程度的限制（其主要是受生物化學(xué)反應(yīng)限制），影響土壤呼吸的溫度是有臨界值的，溫度升高會使得呼吸升高，但是一旦其超過最適溫度后，便會抑制呼吸酶的活性，使得呼吸的速率開始下降。另一方面，溫度對土壤呼吸的影響還表現(xiàn)在通過影響氧氣以及土壤底物的供應(yīng)而間接影響土壤呼吸[11]。在土壤濕度一定的情況下，氣體擴(kuò)散率隨著溫度的增加而提高；溫度的上升會使水分加快蒸發(fā)，土壤中氧氣擴(kuò)散加快，促進(jìn)土壤呼吸[12]。

4.2 土壤濕度對土壤呼吸的影響

土壤呼吸速率和土壤含水量在不同研究地點(diǎn)有不同的相互關(guān)系，有線性關(guān)系，指數(shù)關(guān)系，對數(shù)關(guān)系以及沒有關(guān)系。土壤濕度與土壤呼吸速率的關(guān)系很難用一個模型來描述。在這里經(jīng)過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)在運(yùn)用線性模型R=aW+b時(shí)（如圖4所示），R2數(shù)值最接近于1，表明在生長季中土壤呼吸和土壤濕度的關(guān)系相對來說就比較清晰。用線性方程擬合得到七月份的線性方程為y=11.164x-10.344，R2=0.259（見表2），幾乎不能表現(xiàn)出其相關(guān)性，其原因是因?yàn)槔苯肥菑钠咴路莶砰_始移植到這塊辣椒地，還不能表現(xiàn)出相應(yīng)的穩(wěn)定性。八月份的線性關(guān)系為y=86.162x-86.44，R2=0.607，九月份的線性關(guān)系為y=-17.972x+22.048，R2=0.454，其可以變現(xiàn)出相關(guān)性，但相關(guān)性并不顯著，原因是由于在人工種植的辣椒地中有灌溉因素影響濕度的變化。

圖4 濕度與土壤呼吸速率圖

根據(jù)SPSS相關(guān)性分析的得出八九月份都顯示出顯著的相關(guān)性，而七月份沒有相關(guān)性，其原因還是由于移植原因。土壤濕度是影響土壤生物進(jìn)行呼吸的重要因素，因此土壤濕度對也土壤呼吸的作用也十分重要。通過研究我們發(fā)現(xiàn)水分對土壤呼吸的影響主要表現(xiàn)在：（1）影響土壤微生物活性和土壤的通透性；（2）對土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的含量以及它的擴(kuò)散產(chǎn)生影響；（3）影響了根系與相應(yīng)微生物的能量之間的比配[13]。當(dāng)土壤水分適當(dāng)?shù)臈l件下，土壤酶活性強(qiáng)，土壤中微生物活躍，CO2排放量或土壤呼吸速率高。

表2 濕度與土壤呼吸速率模型表

4.3 土壤呼吸最佳測量時(shí)間窗口

我們用偏差（deviation）來衡量各時(shí)間段土壤呼吸的平均值與日均值的差異大小，計(jì)算公式為偏差=（各時(shí)間段土壤呼吸平均值—日均值）/日均值×100%。每兩個小時(shí)計(jì)算一次偏差，由表3可以看出七月份偏差在1.97%～29.85%，八月份偏差在3.87%～52.28%，九月份偏差在5.18%～30.95%我們認(rèn)為當(dāng)偏差在15%內(nèi)為適當(dāng)?shù)臏y量時(shí)間，所以七月份的最佳測量時(shí)間為 0：00-8：00、10：00-14：00、18：00-20：00、22：00-24：00，八月份最佳測量時(shí)間為 8：00-10：00、18：00-24：00，九月份最佳測量時(shí)間為 0：00-2：00、8：00-10：00、16：00-24：00，但是考慮實(shí)際情況我們不可能在晚上進(jìn)行測量，所以菜地生態(tài)系統(tǒng)七月份最佳測量時(shí)間為10：00-14：00，八月份最佳測量時(shí)間為8：00-10-00，九月份最佳測量時(shí)間為8：00-10：00，綜上所述菜地生態(tài)系統(tǒng)最佳測量時(shí)間窗口在 8：00-10：00。

表3 各月份偏差表

不同樣地的偏差不同，也代表著有不同的測量時(shí)間段，可以根據(jù)偏差最小的數(shù)值來篩選出最佳的測量的時(shí)間段可以節(jié)省人力物力財(cái)力，土壤呼吸會隨著每日的溫度和光合作用的變化而變化[14]。因此對不同的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行短期測量是可行的，但是土壤呼吸日動態(tài)在長時(shí)間還取決于土壤的含水量與溫度等因素所以并不能帶代表長期的規(guī)律，因此不同的生態(tài)系統(tǒng)以及外界條件下測量的最佳時(shí)間是不同的[15]。

5 結(jié)論與展望

土壤呼吸是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，受到溫度、濕度以及其他外界條件的影響，每日的土壤呼吸日變化規(guī)律都為單峰曲線，每個季節(jié)也表現(xiàn)出不同的規(guī)律，溫度是影響土壤呼吸的一個重要因子，土壤呼吸的日變換規(guī)律與溫度有顯著的線性關(guān)系，用SPSS分析也表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性，濕度對不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸變現(xiàn)出不同的關(guān)系，本研究利用線性關(guān)系來說明情況。不同的生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸測量時(shí)間也不同，我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行偏差分析。

鑒于土壤呼吸溫度、濕度最土壤呼吸的速率受到各種因素的影響，在氣候變化研究中有重要意義以及當(dāng)前研究所存在的不足，未來迫切需要開展以下研究。

1)溫度對土壤呼吸的影響受到外界環(huán)境等各種方面的影響，如何排除其他因素確切的研究溫度對土壤呼吸速率的影響需要進(jìn)一步深入研究。

2)濕度對土壤呼吸的影響研究有多個研究模型，我們?nèi)绾未_定以一個相對準(zhǔn)確的模型也是一個有待解決的問題。