北京山区农田土壤有机质对土壤呼吸的影响研究

董士伟+李红+张微微+等

摘要：以北京山区为例，首先采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统测定土壤呼吸速率，同时采集土壤样品测定土壤有机质含量；其次对土壤呼吸与土壤有机质的关系进行分析研究，并从不同有机质等级和不同种植类型两个层面对农田土壤呼吸速率进行特征分析，以揭示农田土壤有机质与土壤呼吸的关系。结果表明，北京山区农田土壤有机质含量对土壤呼吸速率有显著影响，二者呈现对数关系，土壤呼吸速率与有机质等级正相关；不同种植类型下农田土壤呼吸速率不同，玉米最高，大豆次之，花卉最低。

关键词：土壤呼吸；有机质；农田；特征分析；北京山区

中图分类号：S154 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-4982-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.015

Impact of Farmland Soil Organic Matter on Soil Respiration in Beijing Mountainous Area

DONG Shi-wei， LI Hong， ZHANG Wei-wei， LIU Xiao-na

（Institute of Agricultural Integrated Development， Beijing Academy of Agriculture and Forest Science， Beijing 100097， China）

Abstract： Beijing mountainous area was chosen to research. Firstly， LI-8100 Automated Soil CO2 Flux System was adopted to measure soil respiration， and soil samples were collected to measure soil organic matter content. Secondly， relationship of soil organic matter and soil respiration was specifically analyzed. Farmland soil respiration rate was implemented characteristic analysis from two levels including different grades of organic matter and different planting types，to reveal the relationship of farmland soil respiration and soil organic matter. The results showed that farmland soil organic matter content had a significant effect on soil respiration rate in Beijing mountainous area and both exhibited logarithmic relationship. Soil respiration rate and organic matter grade were positive correlation. Farmland soil respiration rates were not the same under different cropping types， and their descending order was corn， soybeans， and flowers.

Key words： soil respiration； organic matter； farmland； characteristic analysis；Beijing mountainous area

土壤呼吸过程是陆地生态系统碳循环中土壤碳的主要输出途径，是大气CO2重要排放源，其排放量是陆地生态系统向大气排放碳的最大通量之一[1]。农业是重要的温室气体来源，土壤中的有机物质经微生物分解，以CO2的形式释放入大气。许多研究表明，土壤温度、水分和有机质的变化是造成土壤呼吸有明显日变化和季节变化规律的重要原因[2-5]。虽然很多研究者在这些方面做了大量工作，但各个因素作用于土壤呼吸的影响机理和作用大小尚不明确，不同环境影响因子所起的作用也不同。土壤有机质能促使土壤形成结构，改善土壤物理、化学及生物学过程，对CO2影响最显著，为此从土壤有机质角度出发，系统研究了农田土壤有机质含量对土壤呼吸速率的影响。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京山区位于北京市西部、北部和东北部，地处东经115°24′～117°30′，北纬39°38′～41°05′。面积约10 400 km2，占整个北京市国土总面积的62%，海拔80～2 303 m，该区域属于温带大陆性季风气候，年平均温度11.8 ℃。山区地带性土壤为褐土，兼有少量的山地草甸土、山地棕壤和沼泽土等。山前平原是农田集中地，主要种植玉米、小麦、花卉和豆类等。丘陵和低山沟谷主要种植桃、梨、柿、杏、板栗等林果。考虑北京山区地质地貌、农业生产和山区沟域经济发展状况[6，7]，选择房山区、延庆县和怀柔区开展此项研究。

1.2 试验方法

野外试验于2014年9月10日至17日在房山区、延庆县和怀柔区进行，分别测定不同地区和不同种植类型下的农田土壤呼吸速率和土壤有机质含量。

土壤呼吸速率采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统测定[8]。每次测量前，去除测定基座中的凋落物以及新鲜的植物苗体，减少木质残体分解和植物地上部分释放出的CO2对土壤呼吸测定的影响。测量采用一次测量3次重复，取平均值作为该样点的土壤呼吸速率。土壤呼吸测定后，以测定点为中心点，在30 m×30 m范围内按照S型曲线进行土壤样品的采集，一般采集7～12处，取表层0～20 cm土壤现场均匀混合后用四分法从中选取1 kg土样作为代表该样点的混合样品。采样点利用GPS进行坐标定位，并记录种植类型和周围环境特征信息。室内经过预处理后对采集的土壤样品进行分析测试，农田有机质含量依据LY/T1237-1999标准，采用重铬酸钾氧化-外加热法进行测定。

1.3 研究方法

北京山区农田土壤呼吸与土壤有机质的关系分析研究方法流程如图1所示，首先分别测定土壤呼吸速率和土壤有机质含量；其次从整体特征对农田土壤呼吸和土壤有机质的关系进行分析；最后从不同土壤有机质等级和不同种植类型层面分别对农田土壤呼吸特征进行重点分析。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸与土壤有机质的关系分析

农田土壤呼吸与土壤有机质野外采集样点数据见表1。采样时间为2014年9月，按照各区县2013年农田播种面积比例，此次野外试验共采集17个样点，其中房山区5个，延庆县8个，怀柔区4个，土壤呼吸速率采用3次测量的平均值。北京山区农田土壤呼吸与土壤有机质的关系分析见图2，可以看到农田土壤有机质含量对土壤呼吸速率影响显著，二者呈现对数关系，表达式为：

y=2.769 2ln（x）-4.115 5，R2=0.64（1）

式中，y表示土壤呼吸速率，x表示土壤有机质含量。

2.2 不同有机质等级下土壤呼吸特征分析

参考北京市土肥工作站2006年制定的《北京市土壤养分分等定级标准》[9]，对土壤有机质进行分等定级，分为极低、低、中、高和极高5个等级，具体指标数值参见表2。结合表1和表2对样点数据的有机质进行分等定级，并对不同等级下农田土壤呼吸速率进行特征分析。结果表明，北京山区农田土壤有机质无极低等级；低、中、高和极高等级分别有4、6、2和5个样点，对应的土壤呼吸速率均值依次为2.81、3.78、5.19和5.87 μmol/（m2·s）。土壤呼吸速率随着有机质等级的提升而逐渐增强，土壤呼吸速率与有机质等级呈正相关。

2.3 不同种植类型下土壤呼吸特征分析

北京山区农田以种植玉米、小麦和豆类为主，近几年沟域经济的兴起和发展，山区重点沟域着力打造区域特色，如延庆四季花海沟域大面积推广种植花卉，包括万寿菊、向日葵、薰衣草、百合等。此次山区试验抽样样点的种植类型主要有玉米、大豆和花卉3种。结合表1对样点数据不同种植类型下的土壤呼吸特征进行分析。结果表明，玉米的土壤呼吸速率最高、大豆次之、花卉最低，依次为4.73、4.37和3.31 μmol/（m2·s），不同种植类型下的农田土壤呼吸速率不同。

3 小结

通过野外测定土壤呼吸速率，室内测定土壤样品的有机质含量，经过系统对比分析后发现，北京山区农田土壤有机质对土壤呼吸有明显影响，呈对数关系。土壤呼吸速率与有机质等级呈正相关，随着土壤有机质等级的提升，土壤呼吸速率随之增强。农田不同种植类型下土壤呼吸速率不同，玉米、大豆、花卉的土壤呼吸速率依次减弱。

该研究不仅对于评估农田生态系统碳收支非常关键，而且对更好地研究土壤碳获取及寻找减缓土壤有机碳分解的对策和措施具有重要的指导意义。未来将进一步分析农田土壤呼吸与温度、土壤含水量等因素的关系，综合分析不同因素对农田土壤呼吸的影响机理。

参考文献：

[1] SCHLESINGER W H，ANDREWS J A.Soil respiration and the global carbon cycle[J].Biogeochemistry，2000，48（1）：7-20.

[2] 陈素英，胡春胜.太行山前平原农田生态系统土壤呼吸速率的研究[J].生态农业研究，1997，5（2）：42-46.

[3] 李 虎，邱建军，王立刚.农田土壤呼吸特征及根呼吸贡献的模拟分析[J].农业工程学报，2008，24（4）：14-20.

[4] 李凌浩，王其兵，白永飞，等.锡林河流域羊草草原群落土壤呼吸及其影响因子的研究[J].植物生态学报，2000，24（6）： 680-686.

[5] REY A，PEGORARO E，TEDESCHI V，et al.Annual variation in soil respiration and its components in a coppice oak forest in central Italy[J].Global Change Biology，2002，8（9）：851-866.

[6] 何忠伟，李 昀，王有年.北京沟域经济发展的内涵与模式分析[J].农业经济问题，2010（9）：105-109.

[7] 张义丰，贾大猛，谭 杰，等.北京山区沟域经济发展的空间组织模式[J].地理学报，2009，64（10）：1231-1242.

[8] 赵广东，王兵，杨 晶，等.LI-8100开路式土壤碳通量测量系统及其应用[J].气象科技，2005，33（4）：363-366.

[9] 北京市土肥工作站.北京市土壤养分分等定级标准[EB/OL].http：//www.bjtf.org//trgl/trfl/yfpj/pjbz/401.htm，2011-04-09.