泥炭地土壤呼吸温度敏感性的影响因素研究

朱丽辉 杜忠

摘 要：土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分，研究泥炭地土壤呼吸温度敏感性的变化特征和影响因素，对准确理解土壤碳循环具有重要意义。土壤呼吸温度敏感性主要受到土壤温度、土壤含水量、土壤深度、土壤底物、人类活动等因素的影响。该文通过对现有的土壤呼吸温度敏感性的研究进行综述，以期为今后泥炭地土壤呼吸及其对气候变化响应的相關研究提供参考。

关键词：泥炭地；土壤有机碳；土壤温度敏感性；影响因素

中图分类号 S152 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）11-0043-03

Abstract：Soil organic carbon pools are an important part of the global carbon cycle.It can be seen that studying the characteristics and influencing factors of soil temperature sensitivity of soil respiration in peat land is of great significance for accurately understanding the soil carbon cycle.Soil respiration temperature sensitivity is mainly affected by factors such as soil temperature，soil moisture content，soil depth，soil substrate，and land use patterns.Therefore，this paper summarizes the existing soil temperature sensitivity data for soil respiration in order to provide references for future research on soil respiration and its response to climate change in peat land.

Key words：Peatland；Soil organic carbon；Soil temperature sensitivity；Influencing factors

1 引言

泥炭地是指泥炭厚度≥30cm或有机质含量超过50%的湿地，全球泥炭面积大约为3.443×108～5.0×108hm2，约占地球陆地面积的3%[1]，而泥炭地的碳储量为270～612Pg[2]，约占地球陆地0～100cm土壤有机碳储量（1462～1576Pg）的17%～41.9%[3]和大气碳库（828Pg）的32.6%～73.9%。可以看出，泥炭地是巨大的土壤碳库，其在全球碳循环中起着很重要的作用。

近年来，全球气候变化成为了科学界研究的热点问题之一，研究表明，气候变化与全球碳循环过程关系密切[3]，地下的碳贮存和释放会随着气候变化而变化[4]。由于土壤微生物对温度变化的响应十分敏感，温度的微小波动就可能影响区域或全球大气中温室气体的浓度，进而引起全球气候变化。温度敏感性指数（Q10）是指温度每增加10℃，土壤呼吸所增加的倍数。目前，已开展了大量关于土壤呼吸的时空动态及其控制机理的研究，且取得了较好的研究进展，而有关土壤呼吸的温度敏感性和激发效应的研究仍较少，导致未能从广度和深度上来更好的阐释土壤呼吸机制。

2 土壤呼吸温度敏感性的意义

土壤呼吸是一个复杂的生态学过程，包括自养呼吸和异养呼吸。气温升高、降水增多以及人类活动等都对土壤呼吸存在不同程度的响应，其中温度是土壤呼吸的关键因子，对土壤微生物的数量、组成以及活性的响应非常敏感，温度的变化对土壤碳库有着重要影响。而温度敏感性指数是理解土壤呼吸与温度之间关系的基础之一，即温度敏感性。许多研究表明，Q10值不是一成不变的，而是受到许多因素的影响[5]，如温度、土壤含水量、土壤深度、土壤底物、人类活动等。

3 土壤呼吸温度敏感性的影响因素

3.1 温度 温度是影响沼泽湿地生态系统呼吸的一个重要因子，土壤微生物活性以及根呼吸酶的活性随着温度的变化而变化。在一定温度范围内，土壤微生物活性以及植物根呼吸的酶活性随温度的升高而增强，因此土壤呼吸随温度的升高而增强。温度对高寒湿地土壤呼吸的影响显著，土壤呼吸的速率随着温度的升高几乎呈一级指数形式增长[6]。此外，温度不仅直接影响土壤生物和酶的活性，而且可以通过间接的途径即底物供应对土壤呼吸温度敏感性产生影响。许多实验表明，土壤呼吸的温度敏感性随温度的增加而下降，如Tian等[7]通过对寒温带、温带、亚热带和热带4个温度带的38个地点的土壤呼吸数据进行统计分析，结果表明，Q10值均随着土壤温度的升高而降低，且寒温带土壤的Q10值随温度升高下降的速度比温带和亚热带、热带的快。这说明低温条件下的土壤呼吸温度敏感性比高温条件下更高。

3.2 土壤含水量 土壤含水量不仅影响着湿地生态系统中各种生态学过程，还影响着各个生态学过程对其他环境因子变化的响应程度，如土壤的水、热、气条件，三者互为矛盾又相互制约。一般而言，一定范围内随着土壤含水量的增加，土壤呼吸的温度敏感性增加[8]，当超过某个阈值时（田间持水量>95%），土壤微生物活性受到抑制，从而导致土壤呼吸的温度敏感性降低。在对湿地沼泽的研究中发现，在较高水位状态下，土壤温度由5°C增加到35°C时，土壤碳矿化速率增加了4倍。

3.3 土壤深度 一般而言，是通过测定的土壤碳矿化量和某一深度的土壤温度来对土壤呼吸温度敏感性进行拟合，土壤温度与土壤深度呈正相关关系。大量研究表明[9-10]，土壤呼吸温度敏感性随着土壤深度的增加而增加。由于野外实测的土壤深度不尽相同，导致土壤呼吸温度敏感性在不同样点之间的比较和大尺度的模拟造成了一定的偏差。因此，Gaumont-Guay等[11]建议土壤呼吸对温度的响应曲线有着最少的滞后时的土壤温度测定的深度为最佳深度。

3.4 土壤底物 近年来，底物供应对控制土壤呼吸及其温度敏感性方面的影响受到了广泛关注。目前，关于底物质量对温度敏感性的响应还未形成定论[12]。Verburg等[13]在培养实验中控制温度和水分条件，使其恒定不变，发现土壤呼吸存在季节变异，且原因是底物供应的季节变异规律，这说明了底物的供应对温度敏感性有着重要影响，当土壤中底物供应减少时，土壤微生物会因缺少呼吸底物而降低活性甚至死亡，Q10值会随着底物的减少而降低，也反映了土壤呼吸与底物供应季节性的真正温度敏感性。Gu等[14]通过土壤多库模型阐释了这一问题，土壤呼吸温度敏感性在温度与活性碳库的时间变异相一致时将被高估，相反，则被低估。其原因是大部分生态系统的落叶期在秋季，从而底物供给会在较冷的季节增加，以致底物在较暖的季节损耗更快而产生Q10值的估计偏差。

3.5 人类活动 目前，在人类活动的强烈干扰下，泥炭地土壤退化问题十分严重，排水、过度放牧等活动是沼泽土和泥炭土退化、质量下降的主要原因，主要表现为：沼泽土、泥炭土向草甸土、风沙土退化演替。人们通常通过排水来对泥炭地进行改造，而这直接导致泥炭地碳排放通量增加，即当排水使土壤水位降低超过20cm时，泥炭地CO2排放量增加大约100%[17]。因此，排水后引起泥炭地CO2排放通量增加使其生态系统成为了CO2的净排放源。同时，放牧也是改造泥炭地的一种重要的人类活动，往往会影响湿地生态系统的碳排放速率[15]。放牧对泥炭地地上植物生物量、湿地生态系统碳排放通量有着重要影响。一些研究指出，放牧促进了土壤呼吸速率，增加了CO2排放通量，其可能原因是放牧对泥炭地的扰动，促进了土壤微生物的活性，从而增加碳排放通量的温度敏感性，也有研究指出，高原草甸湿地放牧并未影响CO2排放通量[16]。但从目前国内外研究现状来看，有关放牧对湿地CO2排放通量的影响方面仍比较欠缺。

4 展望

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节，泥炭地是巨大的土壤碳库，其土壤呼吸的微小变化都会对全球碳变化产生重要影响。因此，今后应加强以下方面的研究：（1）由于条件可控的室内培养实验，脱离了生态系统的真实情况，所以要加强测定与实验可行性方面的研究；（2）国内外已对土壤呼吸的时空动态和机制开展了大量研究，但在温度敏感性和激发效应这2个关键问题还缺乏深入的研究，且要注重结合底物添加和激发效应的研究；（3）目前人类活动成为了全球碳循环动力的主要因子，所以要加强泥炭地在人类活动影响下的碳动态研究；（4）在全球變暖形式下，Q10值的大小很大程度上取决于活性炭与缓效碳对温度的敏感性，所以需要更深入的研究土壤有机碳各组分温度敏感性机理。

我国的泥炭地已经遭受了大面积的破坏，泥炭地的土壤理化性质、地上植被、土壤含水量等受到了严重影响，泥炭地面积的减少和演替方向的变化，从而使得其碳动态的变化，对全球气候变化有着重要影响。因此，加强泥炭地碳动态的影响机制研究，有助于深入理解泥炭地碳循环对人类活动的响应机制和准确预测气候变化。

参考文献

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（责编：张宏民）