城市疏林地与草地表层土壤呼吸及影响因素探究——以宝鸡市为例

马 莉

(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

城市疏林地与草地表层土壤呼吸及影响因素探究
——以宝鸡市为例

马 莉

(宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

采用野外定点观测和统计分析的方法，对宝鸡市疏林地和草地土壤CO2通量进行了观测研究。结果表明，疏林地、草地的土壤表层呼吸日动态变化为单峰曲线，草地土壤呼吸速率大于疏林地，分别为2.37、1.83 μmol/(m2s)。土壤表层温度与土壤呼吸速率之间呈指数函数关系，而土壤含水率与土壤呼吸的日动态相关关系不显著，水分并非是限制城市绿地土壤呼吸的关键因子；土壤呼吸与土壤全N、土壤容重、总孔隙度、土壤质地极显著正相关(P<0.01)，而与土壤速效P、全P、有机质和pH值之间无显著相关性。因此，在城市绿地环境建设中，应通过适当的种植措施来改善土壤理化性质，熟化土壤的同时，采用人工灌溉和发展复合型疏林结构植被来减少城市土壤CO2的排放量。

城市绿地；土壤呼吸；影响因素；相关分析

全球气候变暖是人类目前面临的重大环境问题之一，而大气中CO2的浓度升高被普遍认为是导致这一问题的重要原因[1]。而土壤是全球陆地生态型中最大的碳库，是植被储存碳库的2～3倍、大气储碳量的2倍、是大气CO2的重要碳源[2]。因此，众多学者针对森林[3]、草地[4]和农田[5]等非城市生态系统的土壤呼吸进行了研究，但关于城市绿地土壤的呼吸研究成果较少[6-8]。城市绿地生态系统是全球陆地碳库的重要组成部分，受人类活动的影响最大，是CO2排放量急剧增加的区域。在城市绿地系统中，群落结构多以乔灌草等复合结构为主，是影响城市小气候环境的重要因子，具有加快蒸腾、吸收CO2、释放氧气、调节气温等生态效应[9-10]，但由于城市绿地土壤理化性质、自然生态系统和人类活动影响的差异性，导致了土壤呼吸速率也可能存在较大的不同。因此，本研究选取秦岭北麓宝鸡市的疏林地和草地2种典型绿地土壤为研究对象，分析了不同植被类型下的土壤呼吸速率、土壤温度及湿度的日变化特征，以及土壤温度和湿度与土壤呼吸速率之间的响应机理，以期对调控城市区域碳循环和建设生态城市提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

宝鸡市位于秦岭北麓，关中平原的西部，是陕西省第二大城市。因常年受东亚季风的影响，雨热同期，四季分明，年均降水量约670 mm，年均气温11.5～14.0 ℃，属于温带半湿润气候。春季多年平均降水量50～60 mm，月平均温度9～25 ℃。宝鸡城市绿地生态系统构成多为疏林与草地。其中，草地土壤多是人为堆积土，以人工草坪为主，群落结构简单，其中假俭草(Eremochloaophiuroides)为优势种群，含有少数的马尼拉(Zoysiamatrella)，且因种植多年，长有一定的狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaelata)等杂草。林地(疏林)是以乔灌草群落相结合，郁闭度多在0.25以下，优势种群为雪松(Cedrusdeodara)、榉树(Zelkovaserrata)，四周长有部分的榆叶梅(Amygdalustriloba)、桂花(Osmanthus)等，地表多为腐殖质和多种杂草混合的群落结构类型。样地疏林地和草地的土壤容重分别约为1.38、1.33 g/cm3；pH值约为8.1，呈碱性；有机质含量约为0.7%，土壤类型为粉砂壤土。

1.2 数据采集及处理方法

选取市区内常见的、成一定小范围规模的植物群落结构中两种典型植物群落疏林、草地，作为测定植被土壤呼吸的试验区域。在每种样地上随机选取5个样点，采用Li-820土壤碳通量测量系统的动态气室法[11]来进行植被土壤呼吸的测量；利用地温计测定5、10、15、20 cm 4个深度的土壤温度；利用TFW-V11型水分综合测定仪测定样地内的土壤湿度。选择晴朗的天气，从8：00到20：00，每2小时进行一次土壤呼吸的测定。另外，同步测定土壤温度和湿度的日变化。试验从2016年4月～5月中旬进行测定，每隔约两周时间进行一次土壤呼吸的测量，共测得3组试验数据。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸日动态变化特征

不同植被类型下，其土壤内部的生物呼吸作用(微生物、植物根系和动物呼吸)和含碳矿物氧化过程不尽相同，因此土壤呼吸作用会有一定的差别。图1显示了疏林地和草地的平均土壤呼吸速率的日动态变化特征。疏林地和草地土壤呼吸的日动态均表现为单峰曲线，从早晨8:00开始两种植被的土壤呼吸速率均较小，在1.0 μmol/(m2s)左右。随着时间的推移和土壤内部活动的增加，土壤呼吸速率逐渐增大，在12:00～14:00左右达到峰值，平均在2.5～3.0 μmol/(m2s)之间。尔后土壤呼吸速率缓慢降低，在下午16：00之后，出现显著的下降趋势。草地土壤呼吸日变化范围：(0.94±0.413)～(3.10±0.070)μmol/(m2s)，疏林地土壤呼吸日变化范围：(1.10±0.10)～(2.68±0.112)μmol/(m2s)。草地土壤呼吸速率平均为2.37 μmol/(m2s)，林地土壤呼吸速率平均为1.83 μmol/(m2s)，说明草地土壤呼吸速率在一定程度上大于疏林地呼吸速率。

图1 城市草地和疏林地土壤呼吸速率日变量

2.2 土壤温度日动态变化特征

土壤温度主要取决于太阳日照时数、光照强度、土壤的内部活动等。由于疏林、草地的群落体系不同，导致的上述条件在两种群落中有很大的差异，从而使土壤温度的日变化动态也有明显的差别。从图2可以看出，城市不同植被类型的土壤温度变化均呈单峰曲线。因受气温的影响，土壤温度从8：00左右开始比较低，然后不断增加，在14：00前后土壤温度达到最高值，然后再逐渐降低。5 cm深度土壤温度变化最大，而10 cm深度土壤温度低于15 cm和20 cm深度的土壤，这可能与土壤湿度影响有关。总之，不同土壤深度，草地的土壤温度均高于疏林地土壤温度。

2.3 土壤含水率日动态变化特征

城市绿地土壤含水率主要受天然降水、人工灌溉、地表径流等共同的影响。城市疏林、草地在表层土壤含水率变化规律上具有一定相似性(图3)，在12:00～14:00之间出现土壤水分的最高峰值。草地土壤表层含水率在25%～45%之间波动，疏林土壤表层含水率在20%～30%左右波动。但草地由于其群落结构单一，草地土壤表层受到的太阳辐射在每日14:00左右最强，因而在此时的土壤表层水分蒸发率及土壤内部动植物活动达到最大值，会使得草地土壤表层含水率在此后出现一定的降低；在太阳辐射及土壤内部活动减少之后，土壤含水率再次出现稍微的上升波动；尔后草地的表层土壤水分再会逐渐缓慢降低。

图2 城市草地和疏林地不同深度土壤温度变化值

图3 城市草地和疏林地表层土壤含水率的日变化

2.4 土壤呼吸及影响因素的相关性分析

2.4.1 土壤温度与土壤呼吸之间的响应关系 为了更好地揭示城市疏林地、草地土壤含水量、温度与土壤呼吸之间的关系，进行回归分析，结果显示，疏林地和草地土壤呼吸与土壤温度之间分别呈指数函数关系(图4)，草地关系式为：y= 0.2266e0.1509x，疏林地关系式为：y= 0.2593e0.1475x，相关系数分别为0.74和0.88，具有较强的相关关系。可见，指数模型能较好地反映城市植被疏林、草地土壤呼吸与不同深度的土壤温度之间的相关关系。

图4 城市草地和疏林地土壤表层温度与呼吸速率相关关系

2.4.2 土壤含水率与土壤呼吸之间的响应关系 回归分析表明，草地土壤呼吸与土壤含水率之间指数函数关系式为：y= 0.395e4.7599x，疏林地关系式为：y=0.3913e5.7492x，相关系数分别为0.45和0.33，相关性均表现为不显著(图5)。其原因可能在于宝鸡市属于温带季风气候，采样时间为4月到5月，此时，降水较多，且土壤水分日蒸发量较少，土壤含水量较为充足稳定，对土壤呼吸速率影响较小。

2.4.3 土壤理化性质与土壤呼吸之间的响应关系 由表1可知，土壤呼吸与土壤全N、土壤容重、总孔隙度、土壤质地极显著相关(P<0.01)，与土壤速效P、全P、有机质和pH值之间无相关关系。通常用来表征微生物活性的土壤C/N，与土壤呼吸之间也无相关性。这主要是因为所采样点的城市土壤主要是回填土，土壤颗粒组分较粗，有机质、P等养分含量低。表层土壤中，草地毛根系含量多于疏林地，土壤中根系通过根系呼吸、根系分泌物和凋落物分解等影响了土壤呼吸，使得毛根重量与土壤呼吸呈极显著正相关(P<0.01)。土壤砾石含量越多，土壤孔隙度越大，加速了土壤与空气之间的气体交换，土壤呼吸速率加强，导致了土壤质地与土壤呼吸之间呈正相关，这与Guner等[12]的研究结果一致。

3 讨论与结论

城市绿地生态系统由于受到人为干预和影响程度不同，导致不同植被类型的土壤呼吸出现差异。宝鸡市城市疏林地、草地的土壤表层呼吸日动态变化均表现为单峰曲线。草地土壤呼吸均值2.37 μmol/(m2s)，疏林地土壤呼吸均值1.83 μmol/(m2s)，草地土壤呼吸大于疏林地；土壤呼吸速率随着土壤温度及土壤含水量的增加而呈现先增大后减小的趋势，可见，在一定的土壤温度和湿度阈值范围内，土壤呼吸速率达到最高值后，土壤温度的变化，都将会导致土壤表层生物活动的降低，抑制土壤腐殖质分解作用、植物根系呼吸及土壤微生物的活性，从而降低土壤呼吸作用的强度，减小土壤呼吸作用。

图5 草地和疏林地土壤表层含水量与呼吸速率相关关系

土壤呼吸全N全P速效P有机质pH值容重总孔隙度土壤质地(砾石含量)生物量(毛根重量)土壤呼吸10．855∗∗0．432-0．227-0．0440．133-0．904∗∗0．904∗∗0．845∗∗0．890∗∗全N10．1660．0020．0880．053-0．788∗∗0．788∗∗-0．785∗∗0．793∗∗全P1-0．325-0．4610．223-0．3770．377-0．4660．389速效P10．241-0．1130．101-0．1010．0730．147有机质1-0．911∗∗0．197-0．197-0．019-0．178pH值1-0．2180．2180．0940．339容重1-10．914∗∗-0．835∗∗总孔隙度1-0．913∗∗0．834∗∗土壤质地(砾石含量)1-0．708∗

注:*表示0.05水平上相关，**表示0.01水平上相关。

土壤表层的内部活动是土壤碳排放量的全部来源，土壤表层的内部活动离不开土壤水分含量，而土壤温度的高低直接影响着土面蒸发量。因此，土壤温度和含水率是影响土壤呼吸的两个重要因素。试验测定土壤表层温度受气温的影响呈单峰曲线，且与土壤呼吸速率之间具有很强的指数相关关系，而土壤表层含水率日变化波动较大，具有两个峰值，且与土壤呼吸的日动态相关关系不显著。这与吴亚华[13]、徐娇[14]等对于城市绿地生态系统土壤含水率对土壤呼吸影响的研究结果一致。其原因可能是在干旱、半干旱或具有一定缺水因子的地区，土壤含水率与土壤呼吸速率具有良好的回归关系[15]，而在城市绿地生态系统中，由于现代人工绿地的浇灌使得城市绿地土壤含水量较高，加之试验时间为4月到5月，此时为春末夏初，土壤水分日蒸发量较少，此时水分并非是限制土壤呼吸的关键因子，土壤含水率对土壤呼吸的影响往往被温度的影响所遮盖，呈现在一定范围内，土壤含水率的变化对土壤呼吸的影响不显著。Kucera 和 Kirkham研究认为，土壤体积含水量只有达到土壤微生物永久性萎蔫点或者超过田间持水量的情况下，土壤体积含水量才对土壤呼吸的影响起主导作用，而在一般情况下，土壤体积含水量并不是土壤呼吸的主要决定因素[16]。但土壤温度对土壤呼吸的影响也因地而异，温度只在一定土壤水分条件下起作用[17]。总之，土壤呼吸速率大小受到土壤养分、质地、容重、孔隙度、植被根系生物量以及土壤温度和含水量等因素共同的影响。因此，在城市绿地环境建设的过程中，应该通过合理的技术措施来改善土壤理化性质，熟化土壤。同时，采用人工灌溉来调节土壤温度和湿度，并发展复合型疏林结构植被类型来减少城市疏林地土壤CO2的排放量。

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(责任编辑：许晶晶)

Research on Surface Soil Respiration in Urban Open Forest Land and Grassland and Its Influencing Factors: Taking Baoji City as An Example

MA Li

(Key Lab of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China)

The soil CO2fluxes of urban open forest land and grassland in Baoji city were studied by adopting the methods of field fixed-point observation and statistical analysis. The daily dynamic change in surface soil respiration of open forest land and grassland showed an unimodal curve, and the surface soil respiration rate of grassland and open forest land was 2.37 and 1.83 μmol/(m2·s), respectively. The relationship between surface soil temperature and soil respiration rate was of exponential function. The soil moisture content had no a significant correlation with the daily dynamics of soil respiration, so the key factor restricting the soil respiration in urban green land was not the soil moisture content. Soil respiration rate was positively correlated with soil total nitrogen content, soil bulk density, soil total porosity, and soil texture (P<0.01), while it had no a correlation with soil available phosphorus, total phosphorus, organic matter content, and soil pH-value. Therefore, in the construction of urban green land, some proper planting measures should be taken to improve soil physical and chemical properties, and the urban soil CO2emission should be reduced by adopting artificial irrigation and developing forest-grass composite vegetation system.

Urban green land; Soil respiration; Influencing factor; Correlation analysis

2017-06-04

国家自然科学基金重点项目(51239009)；陕西省教育厅重点项目(16JS004)；宝鸡文理学院重点项目(ZK15054)。

马莉(1982─)，女，陕西延安人，讲师，博士，主要从事土壤物理方面的研究。

S15

A

1001-8581(2017)08-0047-05