黄土高原紫花苜蓿草地土壤呼吸对刈割的响应

康 颖,侯扶江

(兰州大学草地农业科技学院 农业部草地农业生态系统学重点开放实验室，甘肃 兰州 730020)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是我国北方主要的栽培牧草，仅甘肃陇东黄土高原的种植面积就超过19.7万hm2[1]，且持续增加。刈割是紫花苜蓿栽培草地管理与利用的主要途径，科学的刈割方式是保证草地合理利用及获得高产、优质青干草的重要措施[2]。目前，关于刈割对紫花苜蓿栽培草地的影响研究主要集中于刈割时期和方式的遴选[3-5]，而对紫花苜蓿土壤呼吸的研究相对较少，这制约了紫花苜蓿栽培草地碳平衡的评估。因此，本研究主要从土壤呼吸入手，分析不同刈割处理对苜蓿草地土壤呼吸速率的影响，从而为紫花苜蓿草地碳平衡估算提供基础数据。

1 材料与方法

1.1研究区概况 研究区位于甘肃省环县甜水镇，兰州大学草地农业科技学院野外试验点(37.12° N，106.82° E)，地处内蒙古高原畜牧区与黄土高原农耕区之间的过渡地带，属丘陵沟壑地形。研究区平均海拔约1 650 m，年均温7 ℃，≥0 ℃的年积温3 097 ℃·d，年均降水量359.3 mm，60%以上的降水集中于7-9月，年际降水量变幅45%～100%[6]；年均蒸发量1 993.3 mm，属典型大陆性季风气候。在草原综合顺序分类法中属微温、微干温带典型草原类[7]。

1.2样地设置 以2003年种植的紫花苜蓿草地为研究对象，选择生长状况较一致、地势较平坦地块为试验样地，每个样地面积约100 m2,设置3个2 m×2 m样方，分别为2010年5月27日刈割(6月4日测定土壤呼吸日动态)、2010年5月27日和6月16日刈割(9月12日测定土壤呼吸日动态)、2010年6月16日和7月6日刈割(9月12日测定土壤呼吸日动态)，完全随机区组设计，5次重复。

1.3测定方法

1.3.1土壤呼吸日动态 使用动态密闭气室红外CO2分析法(IRGA)测定。使用LI-6400红外气体分析仪(Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，USA)与附带的LI-6400-09土壤呼吸室测定。每次测量前24 h在小区内布设测定基座，其直径为10 cm，高5 cm的PVC管，嵌入土中约3 cm，并齐地面剪去管中的绿色植被，尽可能对地表的凋落物等不产生扰动，24 h后开始测定。土壤呼吸分别在北京时间05:00-21:00测定，每间隔2 h测定一次，01:00左右测定一次，每日共计9个测量时间点。用LI-6400 附带土壤温度热电偶同步测5 cm和10 cm土壤温度[8-9]。

1.3.2土壤水分 土壤水分在土壤呼吸测定结束后进行，用烘干称量法测定[9]。土壤呼吸测定结束后，用直径5 cm土钻取0～100 cm深度土样，每10 cm分层。每样地各取4钻,混合后在105 ℃下烘干，计算土壤水分体积含水量。

1.4数据分析 用 Microsoft Excel 2007 作图，SPSS 13.0 统计分析。

2 结果与分析

2.1不同刈割时间对土壤体积含水量变化的影响 2010年6月和9月两次测定土壤体积含水量变化规律均表现为随土壤深度增加而先增加后减小(图 1)，但土壤最大体积含水量出现的土层存在分异，6月出现在20～30 cm，而9月出现在10～20 cm，相应的最大值分别为12.49、9.10 mm。两次测定时土壤体积最小值均出现在90～100 cm，6月和9月的值分别为6.30、4.29 mm。

2.2不同刈割方式下土壤呼吸特征 未刈割土壤呼吸略显“双峰”趋势，而5月27日刈割处理呈现“单峰”趋势，均具有明显的昼夜波动性(图 2)。土壤呼吸速率最小值均出现在日出前06:00，分别为2.09和1.60 μmol/(m2·s)，全天最大值均出现在16:00左右，分别为2.90和2.58 μmol/(m2·s)。两种处理土壤呼吸速率变化与5和10 cm处土壤温度的变化趋势一致，温度升高，呼吸速率加快，温度降低，呼吸速率减慢。在任意时间点上，未刈割紫花苜蓿草地的土壤呼吸速率均高于5月27日刈割处理的紫花苜蓿草地。未刈割、5月27日刈割处理的日平均呼吸速率分别为2.51、2.09 μmol/(m2·s)，差异极显著(P<0.01)。可见，适时进行刈割有利于降低紫花苜蓿草地呼吸速率。

图1 不同刈割处理土壤体积含水量的变化

图2 不同刈割处理土壤呼吸速率的变化

不同刈割时间土壤呼吸速率日动态变化趋势较相似，均为“单峰”曲线；最低值均出现在日出前06:00，分别为0.70、0.78 μmol/(m2·s)；最大值出现时间不同，5月27日与6月16日刈割处理出现在16:00，为1.36 μmol/(m2·s)，且与5、10 cm最高土壤温度同步出现；6月16日与7月6日刈割处理最大值出现在12:00，为1.49 μmol/(m2·s)，较5、10 cm土壤最高温度提前4 h出现。5月27日与6月16日刈割处理、6月16日与7月6日刈割处理日平均呼吸速率分别为1.01、1.09 μmol/(m2·s)，差异性不显著。

图3 不同刈割处理下苜蓿生长季土壤CO2日排放量

不同刈割处理下苜蓿生长季土壤CO2每天排放量表现为：未刈割草地CO2每天排放量最大，为9.55 g/(m2·d)，与5月27日刈割处理及其他两组刈割处理在0.01水平差异显著(图 3)。5月27日与6月16日刈割处理、6月16日与7月6日刈割处理的CO2排放量分别为3.83、4.14 g/(m2·d)，差异不显著。说明栽培草地在生长季适时刈割利于减少土壤CO2排放量。

2.3土壤呼吸影响因子分析

2.3.1与土壤温度的关系 土壤温度是影响土壤呼吸的重要因素之一，在一定范围内土壤温度升高，会促进土壤微生物活动与植物根系呼吸，使土壤呼吸增强[10]。非线性回归分析表明，土壤呼吸与5 cm土壤温度呈指数关系(表1)，方程为RS=aebT(式中，T为土壤温度，RS为土壤呼吸，b为温度反应系数或温度敏感系数，a为基础呼吸值(土壤温度在0 ℃时的呼吸)[11-12]。未刈割、5月27日刈割处理的栽培紫花苜蓿草地的a值分别为1.75、1.26 μmol/(m2·s)，说明未刈割草地具有较大的基础呼吸值；5月27日与6月16日刈割处理的草地较6月16日与7月6日刈割处理的草地具有较大的基础呼吸值。温度敏感系数b表现为未刈割小于刈割，表明5月27日刈割处理土壤呼吸对土壤温度的敏感程度强于未刈割草地；5月27日与6月16日刈割处理大于6月16日与7月6日刈割处理，说明5月27与6月16日刈割处理对土壤温度的变化响应更为敏感。Q10值(Q10=e10b)一般用于表示土壤呼吸速率对温度响应的敏感程度[10,12-13]。研究结果显示，4种处理Q10值分别为1.17、1.25、1.35和1.34，与温度敏感系数b变化规律一致(表 1)，土壤呼吸对土壤温度敏感程度较高的分别为5月27日刈割处理的草地和5月27日与6月16日刈割处理的苜蓿草地。

2.3.2与大气温度的关系 不同处理下，苜蓿草地土壤呼吸速率与大气温度均表现为一元二次函数关系(图 4)，方程式为y=ax2+bx+c(式中，a、b、c为常数，x为大气温度)，其中a值介于-0.002～-0.001，b值介于0.103～0.133，c值介于-0.783～0.544。说明在一定范围内，呼吸速率随大气温度升高而增强。

表1 土壤呼吸速率与土壤温度的关系及Q10值

图4 土壤呼吸速率与大气温度关系

2.3.3与大气湿度的关系 土壤呼吸速率与大气相对湿度关系利用线性关系进行拟合。结果显示，各处理土壤呼吸速率与大气相对湿度为负线性相关(表 2)，方程式为RS=-ax+b，a和b的值分别介于0.007～0.009和1.63～3.11,说明随大气相对湿度增加，土壤呼吸速率呈现降低趋势。

表2 土壤呼吸速率与近地面相对湿度的回归分析

3 讨论

森林、草原和农田的土壤呼吸日动态变化呈现“单峰”特点[14-16]。杨晶等[15]研究了农牧交错带10种植物群落的土壤呼吸日动态，结果发现，土壤呼吸的最小值与最大值分别出现在03:00-05:00与13:00-15:00。黑河流域山区牧坡草地土壤CO2排放最低值在06:00左右，而最大值一般出现在14:00左右[12]。长白山玉米(Zeamays)农田土壤呼吸日最小值与最大值分别出现在05:00左右与12:00左右[17]。希拉穆仁围封草原土壤呼吸通量日动态呈现“单峰”曲线，最大值出现在12:00-14:00，最小值出现在01:00-03:00[23]。陈先江[9]研究农林复合系统的土壤呼吸表明，杨树(Populussp.)和紫花苜蓿种植区土壤呼吸速率日变化趋势为“单峰”型，峰值都出现在16:00，最小值出现在01:00-06:00。本研究中5月27日刈割处理、5月27日与6月16日刈割处理、6月16日与7月6日刈割处理均为“单峰”趋势，与上述结果基本一致；而未刈割略呈“双峰”变化，但日变化最大值均出现16:00左右；最小值均出现在06:00左右。说明虽然测定时期、测定区域及处理方式不同，土壤呼吸日动态变化趋势以及峰值出现时间仅略有差异，但刈割对土壤CO2排放量有较大影响。可能刈割减少土壤的植被覆盖度和枯落物的积累量，导致植物累积和输送到土壤中的营养成分减少，根系和土壤微生物呼吸强度减弱[18]。

土壤温度是影响呼吸速率的关键因素之一，二者响应关系主要包括线性方程、二次方程、指数方程等[19]。本研究表明，土壤呼吸日动态变化与5 cm处土壤温度呈指数关系。这与内蒙古白锡勒牧场地区天然草地合理割草制度[18]和黄土高原丘陵沟壑区对不同年限栽培紫花苜蓿草地系统[9]土壤呼吸速率与5 cm处土壤温度关系的研究结果一致，并和亚马逊平原东部森林土壤呼吸速率与土温的关系[20]一致。利用此方程可以计算Q10值，指温度每升高10 ℃下土壤呼吸速率增加的倍数，表示土壤呼吸对温度的敏感性。Raich和Schlesinger[21]综合大量文献，发现Q10值一般在1.3～3.3。陈俊博[8]研究绵羊放牧对土壤呼吸的影响发现，昼夜尺度上Q10值变化范围为：暖季、冷季牧场分别为1.23～1.39、1.23～1.64。李志刚和侯扶江[22]的研究表明，黄土高原不同地形封育草地的土壤呼吸日动态的Q10变化区间为1.19～1.72。本研究发现，不同刈割处理下苜蓿草地Q10值在1.17～1.35变化，与陈俊博[8]的结果略有差异，但差异不大；与李志刚和侯扶江[22]研究相比较，Q10值在0°～15°坡度的结果变化范围相一致。

陈先江[9]发现，不同利用年限苜蓿草地土壤呼吸速率与大气温度呈y=aebx的指数关系(P<0.01)。徐丽君等[24]发现海拉尔地区不同苜蓿品种草地的土壤呼吸速率与大气温度呈一元二次函数正相关。本试验以利用7年的紫花苜蓿草地为研究对象，发现不同刈割处理下土壤呼吸速率与大气温度均表现为一元二次函数关系，与上述研究结果相似。陈先江[9]认为利用7年和5年的紫花苜蓿草地土壤呼吸速率与大气湿度存在极显著负相关关系(P<0.01)。本试验得到相近的研究结果。由于土壤呼吸作用受诸多因素综合作用的影响，本研究是一年的野外测定数据，具有一定的局限性，还需要进一步试验验证。

致谢：郭正刚副教授修改拙文，陈先江、万秀丽等同志协助野外试验，谨致谢忱。

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