厚竹林覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)性

邱盛媛，陳 豪，黎祖堯，b，施建敏，b，楊飛強，申 展，b

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院；b.江西省竹子種質(zhì)資源與利用重點實驗室，江西 南昌 330045）

在全球碳循環(huán)中，土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的重要組成部分，也是碳排放的重要來源[1]，土壤呼吸是未經(jīng)擾動的土壤經(jīng)過一系列的代謝活動向大氣釋放CO2的過程[2]。通過土壤呼吸向大氣輸入的碳通量占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的10%，是化石燃料燃燒釋放的11 倍多[3]，土壤呼吸的輕微變化都有可能打破土壤碳循環(huán)的平衡和引起大氣CO2濃度變化。土壤呼吸受一系列生物因素和非生物因素綜合影響，其中溫度是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因子[4,5,6]。胡文沛[7]等研究顯示，紅外增溫使土壤呼吸速率提高16.8%；孫亞榮[8]等研究表明，10 cm 土層中的土壤溫度對土壤呼吸速率變化的相對貢獻率高，而50 cm 以下土層的土壤呼吸速率變化主要受土壤濕度影響；張成芳[9]等的研究結(jié)果也顯示土壤呼吸速率具有明顯的春秋低夏季高的季節(jié)變化規(guī)律。

厚竹Phyllostachys edulis‘Pachyloen’是毛竹Phyllostachys edulis的變種，是我國首個獲得植物新品種保護權(quán)的竹類植物，也是我國重要的筍用林竹種[10]，2017 年被審定為國家級優(yōu)良品種。自然狀態(tài)下，厚竹筍期為3 月下旬至4 月上旬，筍期短且不能滿足春季期間市場對鮮筍的大量需求。所以，冬季在筍用林林地表面增施枯餅等發(fā)熱物質(zhì)并覆蓋谷殼等保溫材料提高土壤溫度，促使春筍冬出，已經(jīng)成為筍用林經(jīng)營中提高產(chǎn)量和效益的重要措施。程慧娟[11]等研究發(fā)現(xiàn)，通過覆蓋能增加土壤溫度，促使厚竹提早出筍?？筛采w過程中伴隨著有機物的發(fā)酵分解及土壤溫度升高，影響了土壤CO2排放，對土壤碳的動態(tài)平衡造成重要影響[12]。解夢怡[13]等發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋促進了土壤呼吸，同時降低了土壤呼吸的溫度敏感度；張奎月[14]等發(fā)現(xiàn)，植被下的土壤呼吸速率在1 d 內(nèi)始終大于裸地，土壤呼吸速率和土壤溫度呈顯著正相關(guān)；顏廷武[15]等研究表明，土壤呼吸速率年際變化呈單峰型，最大值出現(xiàn)在7—8 月份并與10 cm土層溫度相關(guān)性顯著。前人有關(guān)土壤覆蓋及土壤溫度對土壤CO2排放的影響多集中于單一覆蓋物覆蓋方式及影響結(jié)果，關(guān)于發(fā)熱物質(zhì)加保溫材料的雙層或多層覆蓋方式，覆蓋前進行林地大量補水，提高土壤溫度超過15℃的筍用林地覆蓋中土壤CO2排放對土壤溫度的響應(yīng)情況少有報道。本文以厚竹筍用林為對象，探索覆蓋期內(nèi)土壤CO2排放速率與土壤溫度的關(guān)系，旨在為研究綠色低碳的覆蓋模式提供參考，降低筍用林覆蓋對環(huán)境的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省貴溪市鴻塘鎮(zhèn)，28°17′44.91″N，117°14′24.26″E，海拔50 m，年均氣溫18.2℃，年均降水量1 850 mm，氣溫偏高，光照充足，雨量豐沛，無霜期長，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，適宜厚竹生長。試驗地地形平坦，土壤類型為紅壤，土層深厚，土壤質(zhì)地為壤土，微酸性。試驗林分為2013 年營造的厚竹純林，立竹度9 000 株/hm2，立竹平均胸徑4 cm，生長狀況良好，立地條件、竹林結(jié)構(gòu)和撫育管理措施一致。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 樣地設(shè)置

在試驗林分中設(shè)置27 塊面積為25 m2（5 m×5 m）的試驗樣地，樣地之間保留2m 隔離帶，選取枯餅（發(fā)熱物質(zhì)）用量（3.0、4.5、6.0 t/hm2）、谷殼（保溫材料）覆蓋厚度（15、25、35 cm）和覆蓋前林地補水量（澆水至濕潤土層10、15、20 cm）3 個覆蓋因子，每個因子分3 個水平，采用考慮交互作用的正交試驗設(shè)計安排各個樣地的覆蓋因子及水平，并在未覆蓋林分內(nèi)設(shè)置3 塊對照樣地。

1.2.2 樣地覆蓋

覆蓋時間為2018 年12 月2 日，覆蓋前先對每個試驗樣地澆水至設(shè)計補水量水平，選擇正中央、東南角和西北角作為土壤溫度和CO2排放速率調(diào)查樣方，在所選調(diào)查樣方中的相同位置0 cm 土層埋置玻璃棒水銀地溫計（地溫計精度為0.1℃），然后均勻撒施發(fā)熱物質(zhì)，撒施發(fā)熱物質(zhì)后安放1 個直徑20 cm 的PVC 管（Li-8100A 土壤碳通量自動測量系統(tǒng)的CO2排放通量測量筒），PVC 管長度為高出本樣地設(shè)計谷殼層厚度6 cm，垂直放置于地面上，最后覆蓋谷殼至設(shè)計覆蓋厚度，PVC 管內(nèi)覆蓋同樣厚度的谷殼。按照覆蓋樣地的相同位置在每個未覆蓋樣地中埋置玻璃棒水銀地溫計和安放3 個6 cm 高的PVC 管作為對照。

1.3 樣地調(diào)查

1.3.1 土壤溫度觀測

從2018 年12 月1 日（厚竹林覆蓋前）起，直至2019 年3 月16 日，整個覆蓋期內(nèi)每周六中午觀測并記錄所有調(diào)查樣方0 cm 土層的溫度。

1.3.2 土壤CO2 排放速率測定

由于有谷殼層的保溫作用，土壤溫度日變化相對較小，并且土壤呼吸日動態(tài)變化一般呈正態(tài)趨勢[16]，9:00—11:00 的土壤呼吸值可代表1 天的平均值。因此，在覆蓋期內(nèi)每周六9:00—11:00 使用土壤碳通量測定儀（Li-8100A）測定各調(diào)查樣方的土壤CO2排放速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2021 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理和圖表繪制，利用SPSS 25.0 軟件對數(shù)據(jù)進行曲線估計和皮爾遜相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋厚竹林土壤溫度和CO2 排放速率動態(tài)變化規(guī)律

從圖1 看出，覆蓋期內(nèi)CO2排放速率和土壤溫度的變化規(guī)律相似，均表現(xiàn)為單峰型曲線動態(tài)變化。土壤溫度和CO2排放速率在覆蓋后的前2周都急劇上升，第3 周達到峰值并保持較高值，4～5 周快速下降，之后緩慢下降，土壤溫度在翌年2 月底開始略有上升。土壤溫度和CO2排放速率的平均值和峰值均顯著高于對照樣地的相應(yīng)值（P＜0.05）。

圖1 厚竹林覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil temperature and carbon dioxide emissions during the cover period of Phyllostachys edulis ‘Pachyloen’ forest

2.2 覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)性

從圖2 看出，土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性在覆蓋后的前4 周不斷增強，第4 周相關(guān)系數(shù)達到最大值（0.927），之后緩慢下降，5～10 周相關(guān)系數(shù)較大；第11 周相關(guān)系數(shù)大幅下降，之后又緩慢下降直至覆蓋結(jié)束。整個覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。說明厚竹林覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率之間存在顯著相關(guān)性。

圖2 全部樣地覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放速率相關(guān)性Fig.2 Correlation between soil temperature and carbon dioxide emission rate during the cover period

2.3 CO2 排放速率對土壤溫度的響應(yīng)模型研究

分別采用指數(shù)和線性回歸模型建立土壤溫度及相關(guān)系數(shù)峰、谷值日的CO2排放速率對土壤溫度的響應(yīng)關(guān)系，并用指數(shù)和線性曲線對二者關(guān)系進行擬合，結(jié)果如圖3。

圖3 CO2 排放速率對土壤溫度響應(yīng)的指數(shù)和線性模型Fig.3 Exponential and linear models of carbon dioxide emission rate responding to soil temperature

指數(shù)回歸方程：RS=aebT；Q10=e10b

線性回歸方程：RS=aT+b

式中：RS為土壤CO2排放速率；T為土壤溫度；Q10為土壤CO2排放速率的溫度敏感性，即溫度每升高10℃，土壤CO2排放速率增加的倍數(shù)[17]；a、b為擬合參數(shù)。

由圖3 可知，在土壤溫度及土壤溫度與CO2排放速率相關(guān)系數(shù)峰、谷值日，CO2排放速率與土壤溫度間的指數(shù)和線性回歸關(guān)系均極顯著（P＜0.01）；土壤溫度最高和最低日及相關(guān)系數(shù)最小日均是指數(shù)回歸關(guān)系優(yōu)于線性回歸關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最大日是線性回歸關(guān)系優(yōu)于指數(shù)回歸關(guān)系；土壤溫度最低日的Q10值明顯高于土壤溫度最高日。說明CO2排放速率對土壤溫度存在顯著的指數(shù)和線性回歸響應(yīng)關(guān)系，土壤溫度對CO2排放速率的貢獻值隨著土壤溫度的升高而降低。

2.4 土壤溫度與CO2 排放速率相關(guān)性對土壤溫度的響應(yīng)

將覆蓋期內(nèi)全部樣地各觀測日的土壤溫度從低到高分成4 個梯度，分別計算各溫度段的土壤溫度與CO2排放速率間的相關(guān)系數(shù)，并進行顯著性檢驗，結(jié)果見圖4。

從圖4 看出，不同溫度段的相關(guān)系數(shù)均大于0，說明土壤溫度與CO2排放速率之間呈正相關(guān)關(guān)系，土壤溫度越高，CO2排放速率越高。但相關(guān)性隨著土壤溫度的升高而下降，當(dāng)土壤溫度低于20℃時，相關(guān)性極顯著，當(dāng)土壤溫度高于20℃時，相關(guān)性變得不顯著。

圖4 不同溫度段土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficients between soil temperature and carbon dioxide emission rate in different temperature zones

2.5 覆蓋前林地補水對土壤溫度與CO2 排放速率相關(guān)性的影響

由于谷殼保溫層的阻隔作用，筍用林覆蓋前林地補水可影響整個覆蓋期內(nèi)土壤的水分和通氣狀況，從而影響土壤的微生物活動和呼吸作用[18-19]。從圖5 看出，覆蓋前林地補水量不同，土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性及變化規(guī)律有所不同。補水量較少（濕潤土層10 cm 時）或較多（補水至濕潤土層20 cm）時，覆蓋期內(nèi)土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)系數(shù)變化幅度大，其中補水量較少時，覆蓋中期相關(guān)性顯著(P＜0.05)，覆蓋前期和后期的相關(guān)性不顯著(P＞0.05)，補水量較多時，覆蓋前期和中期相關(guān)性顯著(P＜0.05)，覆蓋后期相關(guān)性不顯著(P＞0.05)；補水至濕潤土層15 cm時，整個覆蓋期內(nèi)土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性均達到顯著程度(P＜0.05)，且變化幅度較小。說明覆蓋前林地補水對覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性影響顯著，較少或過多的水分都會降低土壤溫度和CO2排放速率的相關(guān)性。

圖5 不同林地補水量條件下土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)系數(shù)Fig.5 Correlation coefficients between soil temperature and carbon dioxide emission rate under different water replenishment conditions

3 討 論

3.1 林地覆蓋可顯著提高覆蓋期內(nèi)的土壤溫度和CO2 排放速率

林地覆蓋的時間、材料和方式均會影響土壤溫度，從而影響植物生長[20-21]。筍用林冬季覆蓋通過發(fā)熱物質(zhì)（枯餅等）分解產(chǎn)生熱能，并被保溫材料（谷殼）阻止熱量散失，從而提高土壤溫度，促進竹筍萌發(fā)[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋厚竹林的土壤溫度在覆蓋前期和中期顯著高于未覆蓋林地，但翌年2 月底開始，未覆蓋林地的土壤溫度高于覆蓋林地。原因是覆蓋前期和中期林地中有大量枯餅分解釋放熱量，谷殼層阻止了熱量的散失，土壤溫度高；翌年2 月底氣溫開始回升，未覆蓋林地表層土壤溫度迅速升高，但覆蓋林地中的谷殼層阻止了部分大氣中的熱量滲入，而此時枯餅又已分解完畢，不再釋放熱量，所以覆蓋林地的表層土壤溫度低于未覆蓋林地。

土壤CO2排放速率受環(huán)境條件、土壤理化性質(zhì)、土壤水熱狀況、人類活動等多種因素的影響[23,24]；覆蓋林地的CO2排放主要來源于微生物對有機物質(zhì)的分解，實施覆蓋的集約經(jīng)營雷竹林全年的土壤呼吸明顯大于粗放經(jīng)營雷竹林的土壤呼吸[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，厚竹林覆蓋期內(nèi)CO2排放平均速率為20.86 μmol·m-2·s-1，顯著高于未覆蓋林地，CO2排放動態(tài)變化規(guī)律呈先升高后下降的單峰型曲線變化，與趙成政[26]、崔慧瑾[27]等研究結(jié)果一致。原因是覆蓋前期未分解枯餅量多，隨著土壤溫度的升高及微生物種群數(shù)量和活性的增加，枯餅分解速度加快，CO2排放量迅速增加；覆蓋中后期隨著未分解枯餅數(shù)量逐漸減少，微生物活動也因底物不足而下降，致使CO2排放速率降低。另外，由于土壤微生物種群數(shù)量及活性隨土壤溫度升高而增加，但種群數(shù)量達到峰值需要有一定的累積時間，所以CO2排放速率峰值滯后于土壤溫度峰值1 周。

3.2 厚竹覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2 排放速率之間存在顯著正相關(guān)性

土壤CO2排放是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程[28]。研究表明，增溫會提高土壤平均呼吸速率[29]；模擬變暖顯著增加土壤呼吸99.6%，而模擬變冷可顯著減少土壤呼吸43.3%[30]；可以用指數(shù)函數(shù)擬合土壤CO2排放速率對土壤溫度的響應(yīng)特征[31-33]，且土壤表層溫度與呼吸擬合最好[34]。本研究表明，厚竹筍用林整個覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，CO2排放速率對土壤溫度的響應(yīng)以指數(shù)函數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系擬合均極顯著，與宋麗[35]和彭亞敏等[36]的研究結(jié)果相似。

Q10值描述土壤呼吸對溫度的敏感性，即溫度每升高10℃，土壤呼吸增加的倍數(shù)。有研究發(fā)現(xiàn)，Q10值在高溫時較低，在低溫時較高[37]，并且在增溫狀態(tài)下Q10值與溫度呈顯著負相關(guān)（P＜0.01）[38]。本研究表明，土壤溫度峰、谷值日的Q10值差異較大，土壤溫度最低日的Q10值（17.29）明顯高于土壤溫度最高日的Q10值（2.51），說明在溫度較低時CO2排放速率對土壤溫度的變化更敏感。原因是隨著溫度的升高，土壤中真菌數(shù)量增加，土壤中的有機碳被大量轉(zhuǎn)化為惰性更大的腐殖質(zhì)[39]，從而減少了呼吸底物的有效性；另外，土壤微生物呼吸還需要酶的參與[40]，溫度過高時酶活性下降，從而導(dǎo)致Q10值降低。

筍用林覆蓋期土壤CO2排放速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)，從圖1 還可以看出，覆蓋期內(nèi)前期和中期土壤CO2排放速率非常高，與土壤溫度的相關(guān)性也更大，原因可能與這一時期發(fā)熱物質(zhì)的大量分解增加了CO2排放量有關(guān)。所以，在覆蓋時選用枯餅等發(fā)熱周期長的發(fā)熱物質(zhì)[12]，并且在不影響竹筍萌發(fā)的前提下，適當(dāng)減少發(fā)熱物質(zhì)施用量和谷殼保溫層厚度，不但可以降低高溫期的土壤溫度，減少土壤CO2的排放[41]，還能避免對筍用林產(chǎn)生高溫脅迫[22]，實現(xiàn)高效低碳的覆蓋目標(biāo)。今后可針對不同竹種竹筍萌發(fā)的適宜溫度研究高效低碳覆蓋模式，如發(fā)熱物質(zhì)種類和施用量、保溫層材料和厚度、覆蓋期等。

3.3 土壤水熱狀況顯著影響土壤溫度與CO2 排放速率的相關(guān)性

溫度變化可影響土壤呼吸的溫度敏感性，變溫模式明顯高于恒溫模式[42]；土壤含水量的變化可改變或者解耦土壤溫度和土壤呼吸之間的相關(guān)關(guān)系[18-19]，提高土壤含水量會降低土壤呼吸速率與土壤溫度的相關(guān)性[43]。本研究發(fā)現(xiàn)，厚竹筍用林覆蓋期內(nèi)土壤水熱狀況可顯著影響土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性。隨著土壤溫度的升高，土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性降低，當(dāng)土壤溫度超過20℃，相關(guān)性變得不顯著；覆蓋前林地澆水至濕潤土層15 cm 時，可顯著提高覆蓋期內(nèi)土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)系數(shù)及其穩(wěn)定性，較少（澆水至濕潤土層10 cm）或過多（澆水至濕潤土層20 cm）的補水量會使覆蓋前期或后期的相關(guān)性不顯著，并且加大了相關(guān)系數(shù)的波動。

4 結(jié) 論

厚竹林筍用林覆蓋顯著提高了土壤溫度和CO2排放量，覆蓋期內(nèi)土壤溫度和CO2排放速率均呈單峰型動態(tài)曲線變化。土壤溫度和CO2排放速率之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，CO2排放速率對土壤溫度的響應(yīng)特征呈指數(shù)或線性函數(shù)關(guān)系。土壤溫度與CO2排放速率的相關(guān)性隨著土壤溫度的升高而降低；覆蓋前較少或過多的林地補水量會使覆蓋前期或后期的土壤溫度與CO2排放速率相關(guān)性不顯著，并加大覆蓋期內(nèi)相關(guān)性的變化幅度。覆蓋時選用發(fā)熱周期長的發(fā)熱物質(zhì)，適當(dāng)減少發(fā)熱物質(zhì)施用量和谷殼保溫層厚度，可降低土壤CO2排放量，實現(xiàn)筍用林覆蓋的高效低碳目標(biāo)。