黄土高原农田土壤呼吸特征及其影响因素

李旭东，沈晓坤，张春平，傅华

（草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州730020）

自工业革命以来，人类活动所导致的CO2等温室气体在大气中的体积分数持续上升，使得全球表面温度不断升高［1］。CO2是最重要的温室气体，对全球温室效应的贡献率约占60%［2］。陆地生态系统约2/3以上的碳储存在土壤中，而土壤呼吸作用是陆地生态系统向大气输出碳的主要途径，是陆地生态系统碳循环的重要组成部分［3］。每年因土壤呼吸排放到大气中的碳约占全球碳总排放量的5%～25%［4］，是化石燃料燃烧排放量的10倍以上［5］。因此，土壤呼吸速率的微小变化会引起大气CO2浓度的重大改变，从而加剧或减缓全球气候变暖［6－8］。

不同类型的生态系统之间土壤呼吸作用存在很大差异［9］，而目前有关土壤呼吸的研究主要集中在森林生态系统，对农田生态系统土壤呼吸［10］，特别是黄土高原农田生态系统土壤呼吸的研究还较少［11］，这在一定程度上影响了从国家尺度对碳蓄积和碳排放的准确估算以及碳增汇减源措施的实施。

黄土高原面积约628000km2，人口过亿，在我国农业生产以及碳循环对全球气候变化的响应和反馈过程中起着重要作用［11］。因此，深入了解黄土高原农田生态系统土壤呼吸作用的变化规律及其控制机制，不仅是准确评估该区碳收支的关键，而且可为当地土地利用与管理提供科学依据。本文研究了陇中黄土高原地区豌豆（Pisumsativum）田不同季节的土壤呼吸，分析了土壤呼吸日变化和季节变化的动态特征，探讨了影响土壤呼吸时间变异性的关键因子，以期为研究农田生态系统碳循环过程与机理提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在兰州大学半干旱气候与环境观测站，该站位于甘肃省榆中县北部夏官营镇，地理坐标为北纬35°57′，东经104°09′，海拔1965.8m。地貌为黄土高原残塬梁峁沟壑，属大陆性半干旱气候，年平均气温6.7℃，年降水量382mm，年蒸发量1343mm，无霜期90～140d。年日照时数约2600h。土壤主要为灰钙土和浅灰钙土。

1.2 样地设置

选取气候站周围的农田为研究样地，研究当年（2007）该样地种植作物为豌豆。该样地面积为0.45 hm2，设置50m×50m的重复样地3个。豌豆于2007年4月8日播种，7月29日收获，收获方式为连根拔起。该样地施肥量为：有机肥3000kg/hm2（干重），尿素30kg/hm2，过磷酸钙（60kg/hm2）。肥料均在播种前人工撒施，通过耕作使之混入土壤。土壤的理化性质见表1。

表1 样地不同土层土壤理化性质Table 1 Physical－chemical properties of soil in different soil layers in the study site

1.3 土壤呼吸的测定

土壤呼吸用LICOR－6400便携式光合仪配以9号土壤呼吸室测定（LICOR，Inc.，Lincoln NE，USA）。测定开始12h前埋设PVC呼吸测定圈（直径10.4 cm，高5cm），呼吸圈嵌入土壤深度为1.5cm，每个重复样地随机埋设4个。作物生长季的土壤呼吸测定中，呼吸圈内的植物在测定前齐地面剪除，同时手工清除呼吸圈内的枯落物。所有测定于2007年1月至12月期间进行，每月下旬测定1次，每次测定均选择晴朗天气。另外，于6月26－27日和12月14－15日进行了土壤呼吸日动态的测定：测定频度为9：00－21：00每隔2h测1次；21：00－次日6：00每隔3h测1次，3次重复。

由于在土壤呼吸的测定中观测到土壤吸收CO2的现象，为了精确地确定CO2的负通量，我们假定在土壤呼吸室内CO2浓度与外界环境中CO2浓度接近时，CO2的负通量有一个相对稳定的量值，然后，记录测量室内CO2浓度在90s内的变化，并用以下公式计算：

其中，R为土壤呼吸速率（μmol CO2/m2·s）；P为呼吸室内的气压（Pa）；V为测定时呼吸室的体积（L）；k为气体常数（8314Pa·L/mol·K）；T为呼吸室内气体的温度（K）；C90和C0分别为测定开始（0s）以及结束（90s）时测量室内CO2的浓度（μmol/mol）；A为呼吸圈的面积（m2）；90为测定所持续的时间（s）。

1.4 土壤温度与水分的测定

在每次测定土壤呼吸的同时，用LI－6400光合仪配置的温度探头测定2和5cm的土壤温度。在土壤呼吸测定结束后，用土壤水分探测仪（Trime TDR probe，IMKO，Ettlingen，Germany）原位测定呼吸圈内表层10cm土壤的体积含水量。冬季由于土壤冻结而使土壤水分无法测定，该期间土壤水分值通过其他季节测定结果与同期气象资料的相关方程计算得出。

1.5 数据处理

用SPSS 13.0for Windows统计分析软件进行土壤呼吸与土壤温度及土壤水分的相关分析和回归分析，动态曲线采用Excel 2007绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸日动态特征

图1显示了2007年豌豆田夏季（6月26－27日）和冬季（12月14－15日）土壤呼吸（SR）、2cm土壤温度（T2）和5cm土壤温度（T5）的日变化。SR日变化趋势均呈现“单峰型”曲线，总体均表现为白天高﹑夜晚低，且均与T2﹑T5变化趋势相近，即在一定温度范围内，SR随土壤温度升高而升高；夏季SR最高值（1.19μmol CO2/m2·s）出现在11：00－13：00；最低值（0.16μmol CO2/m2·s）出现在夜间0：00－3：00；SR的日平均值（0.53μmol CO2/m2·s）接近于9：00和19：00的观测值。冬季 SR 最高值（0.41μmol CO2/m2·s）出现在13：00－15：00，最低值（－0.07μmol CO2/m2·s）出现在夜间21：00－0：00。SR的日平均值（0.08μmol CO2/m2·s）接近于9：00和17：00的观测值，在17：00－次日9：00期间观测到土壤有吸收CO2（即土壤呼吸负通量）现象。

2.2 土壤呼吸的季节变化特征及其影响因素

2.2.1 土壤呼吸季节变化特征 土壤呼吸速率的季节动态同样呈现“单峰型”曲线的变化趋势（图2），最低值（0.01μmol CO2/m2·s）出现在12月，最高值（0.92μmol CO2/m2·s）出现在7月，其年平均值（0.42μmol CO2/m2·s）与3月份的观测值相近。土壤呼吸季节变化趋势与2和5cm土壤温度的变化相一致，但与土壤水分的季节变化并不相同。土壤水分（0～10cm土层土壤体积含水量）最低值（1.3%）出现在1月，最高值（16.6%）出现在9月。

图1 农田土壤呼吸（SR）以及土壤温度（T2：2cm；T5：5cm）的日变化（n＝3）Fig.1 Diurnal variations in SR（soil respiration），T2（soil temperature at 2cm）and T5（soil temperature at 5cm）in the cropland

图2 农田土壤呼吸（SR）、土壤温度（T2：2cm，T5：5cm）以及土壤水分（0～10cm土壤体积含水量）的季节变化（n＝12）Fig.2 Seasonal variations of soil respiration（SR），soil temperature at 2cm （T2）and 5cm （T5）and soil moisture at 0－10cm in 2007（n＝12）

2.2.2 土壤呼吸与土壤温度及土壤水分的关系 将全年的土壤呼吸测定值与对应的2和5cm土壤温度作相关分析，结果表明两者之间呈极显著线性相关（图3）。与5cm土壤温度（T5）相比，2cm土壤温度（T2）能更好地解释土壤呼吸的季节变化（R2＝0.7399，P＜0.01）。

其中，SR为土壤呼吸速率（μmol CO2/m2·s），Ts为2cm 土壤温度（℃）。

图3 土壤呼吸与土壤温度的关系（n＝121）Fig.3 The correlations between soil respiration（SR）and soil temperature（n＝121）

为了分析土壤水分作为独立因子对土壤呼吸作用的影响，根据以上分析得到的温度与土壤呼吸的线性关系将土壤呼吸标准化到同一温度（20℃）以消除温度的影响［12］，得出公式（3）估算各观察值在20℃土壤温度条件下的土壤呼吸（SR20），再分析土壤呼吸与土壤水分的关系。

结果表明，土壤呼吸与土壤水分的相关性并不显著（图4）。说明该区豌豆田土壤水分不是影响土壤呼吸的主要因素。

图4 土壤呼吸与土壤水分的关系（n＝87）Fig.4 The relationship between soil respiration（SR）and soil moisture at 10cm （n＝87）

3 讨论

3.1 土壤呼吸日变化

土壤温度和土壤水分是影响土壤呼吸的重要因素［13］。一般情况下，土壤温度是影响土壤呼吸作用的最主要因素［14］。土壤呼吸与土壤温度主要有线性关系、指数关系、二次方程关系和Arrhenius方程等［15］，因此，温度的变化能够解释土壤呼吸日、季节变化的大部分变异［16］。本研究结果表明，研究区豌豆田冬、夏两季土壤呼吸日动态与土壤温度之间呈显著的相关性。该研究结果和其他生态系统的研究结果相似［10，17－21］。这主要由于在一个昼夜之内土壤温度变化大而土壤水分相对稳定，因此土壤呼吸日动态主要受土壤温度影响［22］。

该样地冬季土壤呼吸日变化测定中观测到“负通量”现象，在同一研究区的其他研究中也观测到这一现象［23］。张金霞等［24］通过对高寒矮嵩草（Kobresiahumilis）草甸的研究，认为在植物非生长季，草毡寒冻雏形土壤CO2呈现出负排放可能是因为此时气温和土温均很低，土壤微生物和根系呼吸基本停止；而CO2在水中的溶解度随温度下降而升高，故冬季土壤孔隙中的CO2易被土壤水分吸收而积聚在冻土层中，使大气中的CO2浓度因高于土壤孔隙中的CO2浓度而向土壤扩散，从而出现土壤呼吸负通量现象。通过对比前人没有出现土壤呼吸负通量的研究［17，25－32］时发现这些样地的土壤pH多数偏向酸性或接近中性，而本研究样地土壤pH呈碱性且1m土层平均pH值高达8.53。刘再华等［33］的研究认为CO2易溶于水，其水溶液是由碳酸、重碳酸根和碳酸根离子组成的平衡混合物，各组成之间的反应为：CO2＋H2OH2CO3H＋＋HCO3－2H＋＋CO32－，碱性溶液会使平衡向右移动，pH约为7～9时，溶液碳以HCO3－的形式存在；pH再高时，则主要是CO32－；硅酸盐风化形成的全部HCO3－和方解石溶解产生的HCO3－有一半是来自于大气或土壤CO2。因此，本研究认为：该区钙质土壤偏高的碱性促进了土壤次生碳酸盐的形成是造成土壤呼吸负通量的主要原因，而冬季低温加剧了这一过程；夏季同样可能出现土壤吸收CO2现象，但由于夏季全天较高的土壤温度导致土壤呼吸速率高于土壤吸收CO2速率，从而使得土壤吸收CO2现象被掩盖。碱性的钙质土壤对CO2的吸收可为寻找遗失的碳汇提供一个新的方向，同时，由于土壤吸收CO2现象的存在也使得土壤呼吸观测值低于实际值，要正确量化土壤对CO2的吸收，则需深入研究其机制。

3.2 土壤呼吸的影响因素及其季节变化特征

春季，土壤呼吸速率随着土壤温度的升高而逐渐增强。4月豌豆播种后，人为对土壤的扰动［34］有利于土壤微生物活动，且随着作物的生长［35］，地下生物量逐渐增加［36］，同时温度和土壤水分的升高，使得土壤呼吸速率逐渐增大。到了7月份，土壤温度和水分虽略有降低，但此时豌豆生长处于最为旺盛的开花结荚期，地下生物量大，从而使土壤呼吸速率达到整个生长期以及全年的最大值（观测时间为7月21日），7月29日豌豆收获，由于收获时连根拔起，使地下生物量迅速减少，且土壤温度和水分也有所下降，使得8月份开始土壤呼吸速率出现下降趋势。但是由于收获时人为对土壤的扰动促进了土壤微生物的活动，故8月份的呼吸值仍维持较高水平。9月份以后，土壤温度持续下降，微生物活动逐渐减弱，使得土壤呼吸速率持续下降。豌豆作物最大生长时期与最大土壤呼吸相对应，出现在7月份（豌豆的开花结荚期），这与Rochette等［37］的研究结果相近。

土壤温度和土壤水分均有可能成为影响土壤呼吸季节变化的主导因子，这主要取决于具体地域的限制性环境因子［38－39］。有研究表明，土壤水分是影响土壤呼吸的重要因素之一［40］，土壤呼吸与土壤水分间具有线性相关性［41］。在土壤水分充足、水分不成为限制因子的条件下土壤呼吸与土壤温度呈正相关，而当土壤水分成为限制因子时水分含量和温度共同起作用［42］。但本研究的全年结果表明土壤水分与土壤呼吸间无显著相关性（P＞0.05），所以土壤温度是影响本研究区域土壤呼吸的主要因素，这与其他研究结果一致［30，43－45］。早期认为，冬季土壤呼吸速率很小，因此在分析地——气CO2交换过程中可以忽略不计［46］。但也有研究发现，冬季土壤呼吸占全年土壤呼吸的比例很大，即使在高纬度和高寒地区也不能忽略［25］。本次观测结果得出的冬季土壤呼吸占全年的比重约8.9%，所以要准确评价全年土壤碳收支，冬季土壤呼吸不能被忽视。

4 结论

黄土高原旱作农田土壤呼吸日、季节变化均呈“单峰型”曲线变化趋势，土壤温度是土壤呼吸日、季节变化的主要驱动因素，可以解释豌豆生长季土壤呼吸的时间变异，而土壤水分对其影响相对较弱。该区农田土壤呼吸存在“负通量”现象，碱性的钙质土壤（pH＞8.2）中土壤次生碳酸盐的形成可能是造成土壤吸收CO2的主要原因；土壤吸收CO2现象的存在会导致土壤呼吸速率的实际值被低估。冬季土壤呼吸占全年的比重约8.9%，因此，仅利用生长季的观测资料估算全年的总呼吸量将导致结果偏低。

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