水分对苹果园土壤呼吸季节性与年际变化的影响

高 胜，王 蕊，Salman Ali，郭胜利，

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100）

大气CO2浓度升高引起的温室效应是全球变暖的重要原因之一［1-4］。全球尺度上，陆地生态系统是仅次于海洋释放CO2的第二大生态系统［5］，土壤呼吸微小变化会对大气CO2浓度造成显著影响［4］，同时土壤呼吸也是调控陆地生态系统碳循环的重要生态过程［6］。因此，监测土壤呼吸的动态变化，对于研究碳循环以及预测全球气候变化趋势有非常重要的意义。

温度和水分是影响土壤呼吸的重要环境因素［6-8］，水热因子对土壤呼吸作用机理是准确地评估土壤碳循环过程的关键环节之一［9］。已有研究表明，温度在很大程度上可以解释土壤呼吸的季节变化［10-13］，而水分对土壤呼吸的影响尚未取得共识［8，14-18］：有 研 究 表 明 水 分 促 进 土 壤 呼 吸 作 用［8，14］，也有研究表明水分抑制土壤呼吸作用［15-16］或者无明显影响［17-18］。王凤玉等［9］对内蒙古草地水分与土壤呼吸的定量研究中发现土壤水分含量不同时，影响和决定土壤呼吸的机制也会发生变化。

在黄土高原地区，种植果园既是当地居民脱贫致富的重要途经，也是坡地治理水土流失的重要措施。1980年以来苹果树种植面积逐年增加，至2009年，黄土区苹果园面积已达到1.00×106hm2多，已成为黄土区支柱性产业［19］。果园土壤有机碳库的动态变化与区域果业的持续发展密切相关，而土壤呼吸变化是影响土壤有机碳库的重要过程。与黄土区农田和林草生态系统相比，果园土壤呼吸变化及其影响因素报道较少［20-21］。研究水分对旱地苹果园土壤呼吸季节性与年际变化的影响是理解黄土区土壤有机碳库动态变化的基础。基于此，本研究选取黄土高原旱塬区典型盛果期果园，通过原位监测土壤呼吸速率，分析土壤呼吸季节性和年际性变化特征，讨论不同水分状态下温度对果园土壤呼吸的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西省长武县（东经107°40′，北纬35°12′），属于典型的黄土高原沟壑区，海拔1 200 m，为大陆性季风气候。1984—2012年期间，年平均降水量为576 mm，其中最高年份为954 mm，最低年份为296 mm，7—9月份降水量约占全年总降水量的49%，年平均蒸发量为1 565 mm。年平均气温为9.4℃，大于等于10℃积温为3 029℃，年日照时数为2 230 h，日照率为51 %，年辐射总量为484 kJ／m2。地带性土壤为黏壤质黑垆土，母质为中壤质马兰黄土，土层深厚，土质疏松。土壤肥力指标为：有机碳6.50 g／kg，全氮0.62 g／kg，碱解氮37.0 mg／kg，速效磷3.0 g／kg，速效钾129.3 mg／kg。

1.2 试验设计

供试果园面积为2 000 m2（建于2000年），主要品种为红富士（Mɑlus pumilɑ），多年平均产量为4 000 kg／hm，冠幅3.2 m×3.5 m，茎粗约为15 cm。为增加监测点的代表性，将果园沿对角线三等分，各区段内选取1棵长势良好且无病虫害果树，间距约为50 m，共计3棵。以树主干为中心，沿三等分圆半径方向取0.5，1，2 m 3点，每株果树设置9个监测点，共计27个（如图1所示）。各监测点上安装PVC 管（d×h＝20 cm×12 cm），PVC 管高出地面2 cm，用于测定土壤呼吸速率［22］。

图1 苹果园PVC管设置示意图

1.3 土壤呼吸、水分及温度的测定

土壤呼吸速率测定采用便携式土壤碳通量测量系统LI-8100（LI-COR，Lincoln，NE，USA）。土壤温度测定利用LI-8100自带的土壤温度计。土壤水分的测量采用烘干法，利用直径为1 cm 土钻采集0—5 cm 土层土壤样品，重复3次，混合均匀后采用四分法留取适量样品，其余样品回填。于2011 年3 月至2013 年11 月 （除12，1，2 月），选 择 晴 朗 天 气 在09：00—11：00 进行土壤呼吸速率、土壤温度及水分的测定［22］。3 a试验期间共计测量57次，其中2011年测量19次，2012年测量22次，2013年测定16次。

1.4 数据处理与统计分析

利用Sigmplot软件制作相关的基础图件。采用SAS（SAS 9.1，SAS Institute）软件中非均衡数据方差分析（Proc GLM 程序包）分别进行土壤呼吸、土壤温度、土壤水分、土壤累积呼吸量的方差分析。在评价环境因子对土壤呼吸的影响时，利用指数关系（y＝ɑebx）模拟土壤呼吸与土壤温度的关系，用一元二次方程（y＝ɑx2＋bx＋c）模拟土壤呼吸与土壤水分的关系，利用线性内插法推算不同年际间的累积土壤呼吸量（g／m2）（以CO2-C计）［23］。

2 结果与分析

2.1 土壤温度与水分

受大陆性季风气候影响，研究区降水和气温呈现明显的季节变动格局。2011降水量高于近30 a年均降水量，2012年和2013年低于年均降水量（图2a）。3 a试验期间降水总量依次为624，469，520 mm，其中雨季降水量分别占到62.2%（388 mm），65.0%（305 mm），75.4%（392 mm）。有效降水（＞5 mm）2011年44次，2012 年25 次，2013 年24 次，雨 季 分别为25，15，15次。

图2 2011－2013年黄土区苹果园降雨、气温、土壤温度和土壤水分的季节性变化

土壤温度呈现显著季节变异性（图2b）：地表5 cm 处温度在春季逐渐增加，夏季达到最高值，秋季逐渐 降 低：2011 至2013 这3 a 最 高 值 均 出 现 在7 月（25.86 ℃，25.73 ℃和24.58 ℃），最 低 值 出 现 在11月（3.87 ℃，1.97 ℃，2.41 ℃）。试 验 期 间 年 均 土 壤温度差异不大（p＜0.01），分别为14.28 ℃（2011），15.95 ℃（2012），15.65 ℃（2013）。0—5 cm 土 壤 水分受降雨量及降雨频率的影响波动较为剧烈：2011年变动范围为10.95%～27.15%，2012 年波动于7.24%～24.80%，2013 年处于9.41%～23.92%。3 a间年平均土壤水分：2011 年（19.41）＞2013 年（15.39）＞2012 年（13.84），与年降水总量趋势相一致（图2c）。

2.2 土壤呼吸速率的季节性与年际变化

如图2—3所示，果园土壤呼吸速率随季节变化波动。雨季前（3—6月），土壤温度逐渐回升，但受土壤干旱影响，土壤呼吸较低。2011 年为2.00μmol／（m2·s），2012 年 为1.82μmol／（m2·s），2013 年2.68μmol／（m2·s）。雨季（7—9月），土壤呼吸速率随降水波动，2011 年平均为2.30μmol／（m2·s），2012年2.45μmol／（m2·s），2013年3.21μmol／（m2·s），均高于雨季前。但是雨水较多时，土壤呼吸会因土壤温度的降低或者水分过饱和而有所降低。雨季后（10月后），随着土壤温度下降，土壤呼吸呈现快速降低趋势：2011 年土壤呼吸年平均速率为1.30 μmol／（m2·s），2012年为1.52μmol／（m2·s），2013年为2.25μmol／（m2·s）。

此外，土壤呼吸速率存在显著年际差异。2011年土壤呼吸速率于0.97～3.14μmol／（m2·s）之间波动，平均为1.80μmol／（m2·s）；2012 年均值为2.01μmol／（m2·s）〔0.89～3.9 8μmol／（m2·s）〕；2013年变化于0.69～4μmol／（m2·s），均值为2.81 μmol／（m2·s）。依据观测期内所测定的数据对土壤CO2累积量进行估算，与年土壤呼吸平均值表现出一致的变化规律：2013年最高值（772 g／m2），2012年最低值（525 g／m2）（见图4）。

图3 2011－2013年土壤呼吸的季节性变化

图4 土壤累积呼吸量

2.3 土壤呼吸速率与土壤温度、水分的关系

3 a试验期间（2011—2013），土壤呼吸速率与5 cm处土壤温度呈现明显的指数相关性（p＜0.01），土壤温度的变化最高可表达土壤呼吸变异性的83%（2011），最低为54%（2012）；表征土壤呼吸温度敏感性的Q10值3 a分别为1.67（2011），1.51（2012）和1.82（2013），变异系数为9.30%（图5）。土壤呼吸速率与土壤水分的相关分析显示，土壤呼吸与土壤水分呈负线性相关关系，但仅可以表达土壤呼吸速率的23%～62%的变异性（图5）。

进一步对观测期内全部土壤呼吸与水分测定数据进行偏相关分析，并对土壤水分和土壤呼吸速率与水分的偏相关系数进行二次函数拟合［9］，拟合函数如下：

式中：PRs——偏 相 关 系 数；x——土 壤 水 分 含 量（%）。

对函数（1）进行求解，得出偏相关系数为零时所对应的水分为11.12%和23.63%（图6）。以11.12%和23.63%为分界点探讨水分差异对土壤呼吸速率及其对温度的响应，结果显示土壤含水量处于11.12%～23.63%之间时土壤呼吸速率最大为2.24μmol／（m2·s），较低水分条件（＜11.12%）和高水分条件（＞23.63%）分别提高了11%和70%（图7）；3种不同水分状态（＜11.12%，11.12%～23.63%，＞23.63%）下，温度的变化分别可以表达土壤呼吸变异性的72%，75%和44%（图8）。

图5 土壤呼吸与温度、水分的关系

图6 土壤呼吸与土壤含水量的偏相关系数

图7 不同水分状况下平均土壤呼吸速率

图8 不同水分状况下土壤呼吸随温度的变化

3 讨论

3.1 水分对土壤呼吸及温度敏感性的影响

土壤水分是影响土壤呼吸的重要因素，尤其是在受季风气候影响的干旱半干旱区。但是受到温度等其他因素影响，水分对土壤呼吸的影响较为复杂。本研究中，土壤呼吸速率与土壤水分的相关性较差，图5明显表明水分对土壤呼吸的影响程度不同（R2为23%～62%），其原因可能是雨季与非雨季下频繁的干湿交替现象影响微生物活动。图7显示水分升高条件下土壤呼吸降低，这可能与以下因素有关：①土壤中氧气含量及扩散性能降低；②植物根系活动和微生物的活动受到抑制。且土壤水分在11.12%～23.63%时，土壤呼吸速率较高。此结论与王凤玉等［9］对内蒙古区草地土壤呼吸的研究结论（7.5%～18.4%）略有不同，可能与气候及植物本身的性状差异有关；也与张芳等［20］在该地区对夏闲期小麦研究时所定临界值（18%）不同，主要因为苹果树吸水根下扎消耗深层水分。

现阶段研究表明土壤水分含量不同时，土壤呼吸机制发生变化［24］，进而引起Q10值的变化［3］。目前，关于水分对Q10值的影响尚未统一：部分研究指出Q10值随着水分的升高逐渐增强［8，14］，但有研究显示Q10值随水分的减少呈降低趋势［15-16］，也有水分对Q10值无明显影响的结论［17-18］。本研究Q10值呈现先增加然后降低的趋势，土壤呼吸适宜含水量（11.12%～23.63%）时Q10值最大（1.63），分别比＜11.12%与＞23.63%时提高4%和18%。这可能是由于低水分条件下，底物的有效性受水分干旱胁迫的影响，而土壤水分升高时Q10降低，这可能是因为高水分条件导致氧气受阻所致。这与陈全胜等［3］所认为的Q10值随水分含量升高呈上升趋势的结论略有不同。此外，有研究表明土壤呼吸在含水量低时会缓慢甚至停滞［2，25］，但本文对果园土壤呼吸速率及Q10值研究时并未发现这种现象，这可能与果树根系下扎较深受表层土壤水分影响较小有关，也可能是11.12%并未达到苹果树凋萎含水量的下限。

3.2 气温及降水对土壤呼吸累积量年际变化的影响

图5表明土壤呼吸累积量年际间变异系数达到21%。3 a观测期内的平均气温差异不大，但年降水量及雨季降水量存在显著年际差异：年降水量依次为624，469，519 mm；雨季降水量分别为388，305，392 mm。观测期内，年际间土壤呼吸累积量的变化（图4）与年降水量变化不一致。通过进一步对不同时期降水对土壤呼吸累积量的分析，发现雨季降水量不仅与雨季土壤呼吸累积量规律一致，而且和整个观测期间内的土壤累积呼吸量规律相一致（雨季土壤呼吸累积量为244，221，308 g／m2）。由此说明土壤呼吸累积量与年降水量，尤其是雨季降水量的年际变化有关。但是降水对土壤呼吸的影响结果也因时因地而异：在湿润季节或地区，降水时间对土壤呼吸可能会产生明显的抑制作用；而在干旱季节或地区，降水时间可能会强烈地激发土壤呼吸［24］。降水过程及随后的水分下渗，土壤的通透性、土壤溶液中的可溶性有机物浓度等理化性质都会发生改变；降水强度、频率都会对土壤呼吸产生影响［9］，其具体影响机理有待进一步深入研究。

4 结论

黄土区盛果期苹果园土壤呼吸速率平均值3.94 μmol／（m2·s），年均积累量为624 g／m2。因年际降水波动，累积呼吸量年际变异达到21%。水分是影响黄土高原果园土壤呼吸速率及其温度敏感性的重要因素。土壤水分含量＜11.12% 时，果园土壤呼吸速率为2.01μmol／（m2·s），11.12%～23.63%之间时土壤呼吸速率则为2.24μmol／（m2·s），土壤水分含量＞23.63%时为1.38μmol／（m2·s）；相应地，Q10值分别为1.57，1.63和1.38。土壤水分显著影响黄土区苹果园土壤呼吸，研究结果可以作为黄土区果园生态系统碳汇功能估算的依据。

致谢：陕西长武农田生态系统国家野外科学观测研究站对本研究给予了大力支持。