城市绿化景观土壤呼吸变化规律及影响因素

赵龙飞，李德生①，滕 达，刘福德，张 明（.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 0084；.威海市滨海新城建设投资股份有限公司，山东 威海 6400；.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京004）

土壤呼吸通常是指未扰动土壤产生CO2的所有过程，包括土壤微生物、根系和土壤动物呼吸以及土壤自身生化反应4个过程［1］，是土壤向大气中排放碳的主要途径［2］。相关数据显示，土壤呼吸作用排放CO2量分别是植被和大气碳储存量的3倍和2倍左右［3-4］，其微小变化将会引起大气CO2浓度的强烈波动。城市绿化景观作为陆地生态系统重要的组成部分，是不容忽视的碳库。人类活动和人工管护影响下的城市景观绿地的理化性质和植被特征不同于自然生态系统，其土壤呼吸过程也必然与自然生态系统呼吸过程存在差异。然而长期以来，关于土壤呼吸的研究主要集中在农业、森林和草地等生态系统［5-7］。随着生态学者对城市生态系统呼吸过程的日益关注，有关城市生态系统土壤呼吸的研究主要集中于不同绿地类型环境因子对土壤呼吸的影响，如吴亚华等［8］对广州海珠湖公园疏林、灌丛和草坪土壤呼吸速率特征及其与土壤温度和湿度的关系进行研究；陶晓等［9］对合肥市公园、校园、工厂和居住区绿地土壤呼吸变化及其影响因素进行研究。然而，土壤呼吸不仅受到绿地类型、土壤温湿度的影响，还受到城市绿化景观中不同树种及其搭配种类的影响。不同树种及依存根系分泌物生活的微生物呼吸作用均会向环境中排放CO2，对城市大气环境和碳循环具有重要影响。

该研究在测定天津市2种绿化景观土壤环境因子的基础上，利用定位观测方法研究生态系统净土壤呼吸的特征和规律，分析不同景观非生物因子与土壤呼吸的相关关系，揭示引起土壤呼吸变化的主要影响因子，旨在为城市生态系统土壤碳储量的变化提供参考，为更好地探索土壤CO2排放及其影响因素之间的相互关系提供科学依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于天津市西青区（39.56～39.64°N，117.132～117.136°E），属暖温带半湿润大陆性季风气候区，干湿季节分明，冬、夏季长，春、秋季短，寒暑交替明显，全年平均气温为11.6℃，7月平均气温为26℃，全年平均无霜期为184 d，日均气温＞0℃时间为271 d，大于0℃积温为4 567.7℃，日均气温大于10℃时间为199 d，年均降水量为584.6 mm，年内50%的雨日和75%以上的降水量集中于夏季。研究区土壤水分管理（约每月浇水1次）基本一致，是开展该项研究的理想之地。选取国槐梨树（GL）和银杏紫叶李（YZ）2种优势树种绿化景观土壤为研究对象，各监测点具体特征见表1。

1.2 试验设计

1.2.1 土壤呼吸速率的测定

在2种绿化景观GL和YZ中，各选取3块地势平整、植被均匀且无人为干扰地段（计作3次重复），利用土壤碳通量分析仪ACE（EN110NT，ADC BioScientific Ltd.，UK）测定土壤呼吸。2017年3—11月，选择无雨天气，平均每半个月测定1次土壤呼吸速率（Rs）。测定时间为8：00至次日8：00，每个小时测定1组数据，将每个样地每日多个时间点的Rs观测平均值用于数据分析。每次在测定土壤呼吸速率的同时，利用便携式土壤碳通量ACE仪配套携带的温度和湿度探头测定土壤10 cm处温度（T10）和5 cm处湿度（M5）。

1.2.2 土壤理化性质的测定

3月中旬测毕土壤呼吸后，在每个测试样点去除地表枯枝落叶后取土壤表层0～20 cm土样，风干过筛后测定土壤理化性质，每个采样点设3次重复。土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定［10］30-34；土壤pH值采用电位法〔V（水）：m（土）为2.5：1）〕测定［10］164-165；全碳和全氮含量采用元素分析仪测定［11］；土壤容重、孔隙度和毛管孔隙度采用环刀法测定［12］。土壤理化特性见表2。

1.3 数据处理

剔除因仪器造成的误差值和异常值后用Excel 2016软件整理观测的原始数据，用Origin 9.64软件绘图。采用SPSS 21软件对土壤呼吸速率与土壤理化性质进行Person相关性和线性回归分析，对土壤呼吸速率与土壤温度、湿度的关系进行拟合，显著性差异水平设定为α=0.05。

土壤温度敏感系数（Q10）［13］可以反映土壤呼吸对温度变化的敏感性，为温度每改变10℃时土壤呼吸所改变的熵。Q10通过土壤呼吸和温度之间的指数关系确定，即土壤呼吸与温度之间存在指数关系时，Q10表达式为

Q10=e10β。 （1）

式（1）中，β为指数关系中的拟合参数。

2 结果与分析

2.1 2种绿化景观土壤呼吸、土壤温度和土壤湿度的季节变化

2种绿化景观土壤呼吸、土壤温度和土壤湿度的季节变化见图1。

图1 2种绿化景观土壤呼吸（Rs）、土壤温度（T10）和土壤湿度（M5）的季节关系Fig.1 Seasonal changes of Rs，T10and M5in two kinds of greening landscape

整个观测期内，2种绿化景观Rs的季节变化规律基本一致且均值为 1.14 μmol·m-2·s-1，均呈现较明显的单峰变化趋势，峰值均出现在8月中旬（图1），GL景观的Rs在5月中旬最低，而YZ景观的Rs在4月中旬最低。然而，Rs在不同月份的变化规律存在一定差异。在3、4和11月（干季），GL和YZ 2种景观Rs均较小，且月变化幅度较小，范围分别为（0.20±0.03）～（1.09±0.16）和（ -0.06±0.01）～（0.26±0.05）μmol·m-2·s-1。5—10月（湿季），GL和YZ的Rs较大且变化幅度较大，范围分别为（-0.05±0.01）～（3.62±0.26）和（0.38±0.07）～（3.17±0.27）μmol·m-2·s-1，GL和YZ的Rs湿季变化幅度比干季分别大0.85和 1.53 μmol·m-2·s-1。GL的Rs均值（1.20 μmol·m-2·s-1）大于 YZ（1.08 μmol·m-2·s-1）。这表明GL的Rs大，释放到环境中的CO2较多，但两者差异性未达显著水平（P＞0.05）。

GL和YZ景观T10变化一致，呈单峰曲线（图1）。2种绿化景观干季T10较低（＜19.9℃），11月末最低；湿季T10较高，GL的T10在6月中旬最高，而YZ的T10最高值出现在7月中旬，2种绿化景观T10具有明显干湿季节变化的特点，此与所处区域气候特点一致。与T10变化不同，2种绿化景观M5在整个监测期内变化差异达极显著水平（P＜0.01），GL的M5比YZ小，M5干湿季变化幅度不明显，但7—9月2种绿化景观M5变化趋势一致。

2.2 2种绿化景观土壤呼吸与土壤温度和土壤湿度的关系

土壤温度和土壤含水率作为重要环境因子，是影响植物生长发育和调节陆地生态系统许多生物化学过程的关键因素，土壤呼吸速率主要受土壤温度和湿度的共同影响。图1显示，Rs随T10的升高而增大，相关性分析显示2种绿化景观的Rs与T10之间呈极显著正相关（P＜0.01），且可用多种函数描述两者之间的关系［14-15］。指数模型〔Rs=α exp（βT10）〕不仅最适合于表征 Rs和 T10之间的关系，还可用于拟合Rs与Q10之间的关系。模拟结果（图2）表明，T10对GL和YZ的Rs变化规律的影响程度达64.8%和45.4%。2种绿化景观的Rs和M5之间的关系比较复杂，经过不同模型拟合后发现，三次曲线模拟效果最好，其对Rs的影响程度分别为52.2%和21.1%。由图2可知，在温度较低的干季M5是Rs的主要影响因子，Rs随着M5的变化而变化；在温度较高的湿季，Rs在8月中旬达到峰值时，GL的Rs比YZ高，但YZ的M5比GL大，这表明T10与M5相互影响，共同作用于城市绿化景观的土壤呼吸过程。

图2 2种绿化景观土壤呼吸（Rs）与土壤温度（T10）和土壤湿度（M5）的关系Fig.2 The relationship between Rsand T10，M5in two kinds of greening landscape

根据Rs和T10之间的指数方程估算Q10，按整个观测期、干季和湿季3个时期进行分析发现，干、湿季土壤呼吸温度敏感性不同，土壤湿度大的地区（YZ）Q10比湿度低的地区（GL）高，这与REICHSTEIN等［16］的研究结果一致。如表3所示，YZ湿季Q10比干季大，而GL湿季Q10比干季小；全监测期内YZ的Q10比GL高0.891。

2.3 2种绿化景观土壤呼吸和土壤理化性质关系

现有研究表明土壤呼吸速率与土壤有机质、全氮、全碳、土壤容重和pH值具有相关性［17］。分别对GL和YZ整个监测期内土壤呼吸平均释放速率与样点土壤理化性质进行相关性和线性回归分析，发现2种绿化景观土壤理化性质与Rs具有一定相关性。如表4所示，GL土壤有机质含量与Rs相关显著（P＜0.05），YZ土壤有机质含量与Rs相关极显著（P＜0.01），且GL和YZ土壤有机质含量与Rs之间均呈正相关关系（R2分别达0.999和1.000），而GL和YZ土壤全氮含量、全碳含量、土壤容重和pH值均与Rs的相关性未达显著水平（P＞0.05）。

表3 2种绿化景观土壤呼吸Q10的拟合方程Table 3 The fitting equation of Q10of soil respiration in two kinds of greening landscape

表4 2种绿化景观Rs与土壤理化性质的相关性Table 4 Correlation between Rsand soil physicochemical properties in two kinds of greening landscape

3 讨论

3.1 2种绿化景观土壤呼吸速率的差异

现有研究表明不同气候区域的不同陆地生态系统Rs均呈现明显的季节变化趋势［18］。笔者研究中2种绿化景观Rs的季节变化规律基本一致，呈现较明显的单峰变化趋势，且干、湿季间Rs差异显著，湿季Rs比干季高，同时湿季Rs变化幅度也比干季大，这与吴亚华等［8］的研究结果一致。研究区外部环境因素的季节变化是导致Rs季节变化的主要原因。在寒冷的干季，低温少雨导致微生物和地上、地下植物的活性较低，从而抑制城市绿化景观的土壤呼吸速率，导致Rs较低；在高温多雨的湿季，土壤温度和湿度均有所提高，绿化景观及其土壤微生物活动旺盛，土壤呼吸作用强，Rs普遍增加。同时，土壤呼吸受研究区水热条件影响显著［5，19］，不同的水热条件导致土壤呼吸速率最大值和平均值不同。郭其强等［17］研究表明西藏林区Rs最大值出现在7月，笔者研究中2种绿化景观Rs峰值均出现在8月中旬；陶晓等［9］研究结果表明合肥市城市绿地Rs均值 为 2.17 μmol·m-2·s-1，比 笔 者 研 究 结 果 1.14 μmol·m-2·s-1高近1倍。

此外，同一气候区不同陆地生态系统的土壤理化性质差异也导致土壤呼吸存在一定差异［8］，笔者研究发现就同一气候区的2种绿化景观相比较而言，土壤有机质含量差异较大，与土壤呼吸的相关性显著，而其他理化性质差异较小，且对土壤呼吸的影响不显著。笔者研究中虽然GL土壤有机质含量比YZ低，但GL的Rs高于YZ，其原因是GL郁闭度较低，且林下植物覆被率较低，白天光照较强，使林下土壤表层温度较高，作为土壤呼吸主要碳源的有机质成分分解速率较快，土壤中的微生物活动和根系呼吸比YZ更旺盛，因此Rs较高。

3.2 土壤温度、土壤湿度以及土壤理化性质对土壤呼吸的影响

土壤温度作为调控许多生态过程的关键因子，对土壤呼吸具有决定性作用。土壤温度通过对土壤酶活性的调控，直接或间接地影响土壤微生物代谢活动、植物根系分泌和土壤养分转化过程，从而对土壤呼吸产生影响，土壤温度对土壤呼吸的影响几乎涉及其全部过程［20］。与诸多研究结果［21］一致，在一定温度范围内土壤呼吸强度与土壤温度呈显著正相关，笔者研究中6月土壤温度达最大值时Rs未出现峰值，而在温度相对较低的8月Rs达最大值（图1）。笔者还发现，Rs和T10之间存在明显的指数关系，T10对GL和YZ的Rs变化规律的影响程度分别达64.8%和45.4%，但指数方程只能在一定温度区间较好地表征土壤呼吸速率变化规律，且能很好地解释碳排放的季节变异性，若温度偏高或过低，指数方程便不再适合模拟两者之间的关系［8］。此外，笔者研究中，YZ的Q10值大于GL，干湿季土壤呼吸温度敏感性不同，土壤湿度大的地区Q10比湿度低的地区高。这可能是因为土壤水分条件对土壤呼吸的温度敏感性有影响，REICHSTEIN等［16］发现，土壤含水率高的地区Q10值比土壤排水良好的地区高。

土壤湿度是影响土壤呼吸速率的另一个关键因子，可以直接影响土壤中微生物代谢过程和植物根系生长过程，还可以通过影响土壤孔隙度间接对土壤呼吸底物扩散产生影响。土壤湿度和土壤呼吸的关系具有不确定性和复杂性，不同生态系统土壤湿度和土壤呼吸间呈正相关、负相关甚至不相关3种关系［22］。笔者研究发现2种绿化景观M5对Rs的影响程度分别为52.2%和21.1%。但值得关注的是，在温度较低的干季M5是Rs的主要影响因子，Rs随着M5的变化而变化；在温度较高的湿季，Rs在8月中旬达到峰值，GL的Rs比YZ大，但YZ的M5比GL大，这表明当土壤水分超过一定阈值时Rs不随土壤湿度的增大而升高。

土壤理化性质差异也导致土壤呼吸不同，已有研究表明土壤有机质、容重、全氮、全碳和pH等都是影响土壤呼吸的重要因子［23］。笔者研究发现2种绿化景观土壤理化性质与Rs具有一定的相关性。其中，土壤有机质含量与Rs呈显著或极显著正相关关系，这表明土壤有机质含量高对土壤呼吸有促进作用，YZ土壤有机质含量高于GL，但其Rs仍低于后者，说明土壤有机质含量在增加2种绿化景观Rs方面贡献较小。笔者研究中除土壤有机质含量与Rs具有显著或极显著相关性外，其他土壤理化性质与Rs均无显著相关性。这可能与研究区土壤为中性偏碱有关，微生物数量和群落相对丰富，土壤pH及其他土壤养分对土壤微生物活性影响较小［24］。值得注意的是，GL和YZ的Rs与土壤有机质含量呈显著或极显著相关性，但与土壤全碳含量不相关，这主要是由于土壤呼吸的主要碳源为土壤有机碳［13］，而当土壤中难以用于土壤呼吸的无机碳占比大时则会导致土壤全碳含量对土壤呼吸影响较小。

4 结论

（1）2种绿化景观Rs季节变化规律基本一致，均呈现较明显的单峰变化趋势且峰值同时出现，但最低值出现在不同月份。同时，不同月份Rs变化规律存在一定差异。在干季，2种绿化景观Rs均较低，且月变幅较小，范围分别为（0.20±0.03）～（1.09±0.16）和（-0.06±0.01）～（0.26±0.05）μmol·m-2·s-1；在湿季，2种绿化景观Rs较高且变幅较大，范围分别为（ -0.05±0.01）～（3.62±0.26）和（0.38±0.07）～（3.17±0.27）μmol·m-2·s-1。GL的Rs大于YZ。

（2）T10和M5对土壤呼吸过程均有重要影响。T10对GL和YZ的Rs变化规律影响程度达64.8%和45.4%。2种绿化景观Rs和M5之间的关系用三次曲线模拟效果最好，其对Rs的影响程度分别为52.2%和21.1%。干、湿季土壤呼吸温度敏感性不同，土壤湿度大的地区Q10比湿度小的地区高，全监测期内YZ的Q10比GL高0.891。

（3）2种绿化景观土壤理化性质与Rs具有一定的相关性，但显著性各有不同。GL和YZ 2种绿化景观土壤有机质含量分别与Rs呈显著相关（P＜0.05）和极显著相关（P＜0.01）。