苏州太湖湖滨带土壤呼吸时空变异特征及其影响因子

冯育青 陈月琴 阮宏华 傅丽娜 张海娣



苏州太湖湖滨带土壤呼吸时空变异特征及其影响因子

冯育青1陈月琴2阮宏华1傅丽娜1张海娣1

（1南京林业大学森林资源与环境学院 江苏南京 210037；2江苏省江阴市林业指导站 214400）

选择苏州渔阳山保存较为良好典型的太湖湖滨带作为试验地，并根据距离水体的远近，将湖滨带从近水体到高岗地分别设置4个实验区。在2007年11月到2008年10期间对试验地土壤呼吸速率以及影响土壤呼吸变化的土壤生物与非生物因子进行测定(包括土壤理化性质，土壤微生物量等)。结果表明：季节性淹水区土壤呼吸速率显著高于其它实验区；4个不同实验区土壤呼吸速率具有明显的季节变化，秋季>夏季>春季>冬季。土壤呼吸的时空变化只与土壤温度呈显著的相关性，证明在影响土壤呼吸的土壤因子中，土壤温度是调控其在季节变化过程中不同水分梯度上变化的主导因子。

湖滨带；土壤呼吸；水分梯度；影响因子

湿地是陆地上巨大的有机碳储库，由于湿地土壤和沉积物碳密度高，湿地土壤比其他类型土壤更长期和储存更多的碳，尽管全球湿地面积仅占陆地面积的4%～6%，碳储量达到300～600Gt(1Gt=109t)，占陆地生态系统碳储存总量的12%～24%。其中，湿地生态系统中90%以上的碳储量储存在土壤中(刘子刚，2004)。湖滨带作为重要的生态交错区，是湿地的重要类型之一，对CO2、CH4等温室气体的固定和释放中起着转换的作用。同时，湖滨带不同水分梯度的变化，将改变植被组成、结构、土壤温度、水分、养分、有机质分解、微生物活性可为研究生态系统生态过程的空间异质性提供有利的研究条件。

由于气候变暖，湿地水温及土壤温度升高，湿地能量平衡受到影响，进而影响了温室气体排放强度及湿地碳循环模式，湿地生态系统的演变可能是全球大气CO2含量升高的一个不可忽视的重要因素(宋长春，2003)。目前，湿地生态系统土壤呼吸的研究较少，国内对湿地土壤呼吸研究主要集中在三江平原各类沼泽湿地、沈阳盘锦芦苇湿地、湖北天鹅洲湿地等地(郝庆菊等，2004；宋长春等，2004；谢艳兵等，2006；王毅勇等，2003；黎明，2007)。关于太湖湿地土壤呼吸研究较少见报道，对其影响因素更缺乏细致的分析。

本项研究分析了太湖湿地水分梯度变化上土壤呼吸以及植被组成、结构、土壤温度、水分、养分、微生物活性等一系列因子的变化，这些因子均可能显著影响土壤呼吸的动态变化(Silver, 1998; Rodeghiero & Cescatt,i 2005; Zou et al.,2005; 刘绍辉和方精云, 1997)。文章旨在阐明土壤呼吸在不同水分梯度的变化规律及其调控因子，为进一步揭示湖滨带土壤碳的循环特征以及准确预测未来全球气候变化的趋势提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与样地设置

研究区位于苏州太湖国家旅游度假区渔阳山，属北亚热带南部向中亚热带北部过渡的东西季风气候区，四季分明，无霜期长，热量充裕，降水丰沛。湖区日照时数累年平均值为2000～2200h，年平均气温14.9～16.2℃，一月平均气温约3.0～3.9℃，七月平均气温27.4～28.6℃。

本试验选择渔洋山自然水岸为采样地，选择3条样带，分别命名为1#样带、2#样带、3#样带，样带间距100m以上，每条样带宽10m，长80m，并根据距离水体远近，从近水体到高岗地设4个区，即水位变幅区－季节性淹水区（简记为季节性淹水区N）、水位变幅区－近水带（简记为近水区J）、水位变幅区－中水带（简记为中水区Z）和陆相辐射区－远水带（简记为远水区Y），每个实验区面积为20m×10m，区内设置3个重复的实验样方(5×5m)，区与区之间间隔约10m。1#样带位于山脊西北面，2#样带位于山脊顶面，3#样带位于山坳处。实验区植被主要为次生植被。

由于湖滨带特殊的地形地貌与水文条件，植被种类丰富，生物多样性高，各条样带异质性较大。本文所选择的实验区的自然概况见表1。

1.2 研究方法

土壤呼吸的测定利用美国Li-Cor公司生产的Li6400便携式光合作用测量系统配备Li-09土壤呼吸测定土壤呼吸速率。具体步骤：在每个小样方中随机安放1个土壤隔离圈(内径10cm，高4cm)。为了减小安放隔离圈对土壤呼吸速率的影响，在测定的前一周将土壤隔离圈埋入土壤大约2cm，在每次测定前1天，将测定点土壤隔离圈内的地表植被自土壤表层彻底剪除，尽量不破坏土壤，以减少土壤扰动及根系损伤对测量结果的影响。

表1 不同试验区自然概况

测定时间为2007年11月～2008年10月，每月中选择天气状况比较良好的2天，于上午8：30-11：30和下午2：30-6：00沿各条样带测定各个样点土壤呼吸速率。每个测点记录3～6个观测数据。由于2008年2月南方遭遇冰冻雪灾、6月梅雨季节持续降雨至7月份，因此这两月没有测定，近、中、远水区的测量月份共计10个月。季节淹水区由于11、12月新建样地不稳定，7、8月水位抬升淹没土壤表层，有效测量月份为6个月。

土壤微生物生物量碳的测定采用熏蒸浸提法，滤液在岛津TOC-VCPH/CPN有机碳分析仪上测定。土壤温度由数字式地温计(digital thermometer, Mannix™, USA)测定，每个值取两次读数平均值。土壤全碳、全氮、全硫采用VARIO EL元素分析仪进行测定；土壤全磷采用酸溶—钼锑抗比色法测定； pH值以土∶水=1∶2.5水浸提，电位法测定(GB 7859—87)；土壤湿度采用质量法测定(GB 7833—87)。

1.3 数据处理

采用Excel对所有数据进行基本处理、运算和图形绘制。用SPSS单因素方差分析、K独立样本非参数检验比较不同实验区土壤呼吸速率全年均值间的差异，土壤呼吸最高月份实验区之间速率差异，不同实验区土壤Q10值的差异等。采用T检验法(Paired Samples T-test)得出差异显著度指数。土壤呼吸速率的空间变化、季节变化与其影响因子的相关关系用二变量相关分析(Bivariate Correlation)得出Pearson相关系数，用回归分析的曲线估计(Regression-Curve estimation)进行变量间相关关系的模型拟合。所有分析在SPSS 13.0 for Windows统计软件进行。

2 研究结果

2.1 不同水分梯度土壤呼吸特征

表2 不同水分梯度土壤呼吸速率（单位：μmol/m2s）

由表2可知，在3条不同样带季节性淹水区土壤呼吸速率最高，近水区次之。4个不同水分梯度土壤呼吸平均速率分别为3.38、2.53、2.05、2.00μmol/m2s，变异系数较大。其中季节性淹水区与其它实验区域土壤呼吸速率差异显著（P<0.05），近水区、中水区、远水区之间土壤呼吸速率无显著差异（P>0.05）。

2.2 不同水分梯度土壤呼吸季节波动

在观测期内，4个不同水分梯度土壤呼吸速率变化具有显著的季节动态，土壤呼吸速率变化趋势基本一致，如图所示1。土壤呼吸速率整体的趋势从秋季到冬季逐渐降低，整个越冬期，起伏变化不明显，从春季开始逐渐升高，在5月份的时候，有一个小幅度回落。在9月份夏末秋初到达最高点，随后土壤呼吸速率逐渐降低，但在11月份出现小幅回升的过程。

图1 土壤呼吸速率季节动态

Fig 1 Seasonal variations of soil respiration rate

其中，季节性淹水区9月土壤呼吸速率最高达到7.13μmol/m2s。在冬季，土壤呼吸速率最低仅为0.49μmol/m2s。土壤呼吸速率分布主要区间为0.5~5.0μmol/m2s。4种不同水分梯度土壤呼吸速率在不同季节均具有差异显著(P<0.01)。

2.3 土壤呼吸速率的影响因子

土壤呼吸速率的影响因子较多，其中土壤温度是最主要的因素（房秋兰和沙丽清2006;周广胜等，2002；Dinesh R et.al., 2004）。国内外许多关于土壤呼吸的研究证实土壤呼吸与土壤温度呈正相关（Wemer C et al., 2006; Sulzman E W et al.,2005; 周存宇等2004）。在季节尺度上，通过对4种不同水分梯度土壤呼吸速率和地下5cm处温度进行相关性分析，结果表明：不同水分梯度土壤呼吸速率与土壤5cm处温度呈极显著正相关（P<0.01）。土壤呼吸速率的指数曲线拟合方程分别如下：

季节性淹水区：Y=0.5763e0.0832xR2=0.843

近水区：Y=0.2602e0.1121xR2=0.7886

中水区：Y=0.3792e0.0846xR2=0.8017

远水区：Y=0.5367e0.0691xR2=0.7038

根据Q10=e10β1计算土壤呼吸Q10值，式中，β1为土壤呼吸速率的指数曲线方程Y=β0eβ1T中的拟合常数(Boone et al, 1998; Jay, 2000)。

可得，湖滨带5cm土壤温度的Q10值在1.99～3.00之间，平均值为2.368；除了季节淹水区外，土壤呼吸的Q10值随着水分梯度的增加而增大，远水区<中水区<近水区，3个实验区之间有极显著差异(P<0.01)。

图2 不同水分梯度5cm处土壤温度与土壤呼吸速率指数关系（依次分别为季节性淹水区、近水区、中水区、远水区）

Fig 2 Exponential relationships between spatial variation of soil respiration rate and the soil temperature at 5cm soil depth（the order is N, J, Z, Y）

由表3可知不同水分梯度土壤理化性质，在季节性淹水区土壤表层含水率、土壤湿度数值最高，并随着距离水体距离的增加而降低。近水区的土壤微生物生物量碳、土壤碳氮磷硫含量最高，但在不同实验区变化的趋势不同，总氮含量在季节性淹水区最低，磷硫元素含量在远水区最低；土壤总碳含量中水区最高，季节性淹水区最低。土壤pH在距离水体较远的高岗地酸性较强。

表3 不同水分梯度土壤物理、化学及生物学性质

表4 土壤呼吸速率与土壤物理、化学、生物性质的相关系数R

Tab.4 Correlation coefficent R between soil respiration rate and the soil properties

通过相关分析发现，土壤呼吸速率与土壤湿度、表层含水率、微生物生物量碳、土壤碳氮磷硫、pH值无相关关系(P>0.05)；而土壤微生物生物量碳与土壤碳氮磷硫呈的显著正相关关系(P<0.05)。

3 讨论

研究表明，湖滨带季节性淹水区的年均土壤呼吸速率显著大于其它实验区。不同实验区由于距离水体的距离不同，植被类型分布差异较大，季节性淹水区主要以水生植物和草本为主，在距离水体较远的高岗地则以乔木为主。凌云（2008）研究发现根际土壤呼吸强度明显高于非根际土壤，这意味着湖滨带丰富的水生植物和草本发达的根系可能对于土壤呼吸具有较大贡献，因而季节性淹水区土壤呼吸速率显著高于其它区域。季节淹水区处于与湖面直接毗邻的区域，水文和气象条件最为独特多变，多种因素如风速、水位的综合影响会干扰土壤呼吸过程，增加了土壤呼吸速率的随机变异。因此，季节性淹水区与其它实验区差异性显著（P<0.05）。Amisha等(2007)研究海岸滩地的土壤呼吸，发现季节性淹水区土壤呼吸速率小于偶尔淹水区小于极少淹水区，这是由于海岸带矿质土壤没有植被，缺乏植物根系和有机物输入。因此，不同类型的湿地由于各种生物和非生物因子的巨大差异，土壤呼吸速率在不同水分梯度表现出巨大差异。

土壤呼吸速率季节变化趋势明显，秋季>夏季>春季>冬季，不同季节土壤呼吸速率差异性极显著(P<0.01)。在不同季节，温度是影响土壤呼吸速率的重要因素（房秋兰和沙丽, 2006;周广胜等, 2002； Dinesh R et.al., 2004）。地下5cm左右是土壤生物主要聚居区和植物根系密布区域，该处的土壤温度能较准确地反映温度对土壤呼吸速率的影响（袁红叶，2008）。研究表明，12～3月份时，5cm土壤温度的最低值对应着实验区土壤呼吸速率的最低值，9月份土壤5cm处平均温度达到全年最高值，同时4个实验区的土壤呼吸速率达到最高值。相对于表层土壤温度明显的季节模式，土壤CO2排放一般具有很强的季节倾向(黎明，2007)，即在一定温度范围内，温度越高，微生物的代谢活动越旺盛。7月份是土壤温度的全年次高峰，但是土壤呼吸速率并没有表现为相应的第二个峰值，这可能是土壤呼吸复杂多变性的反应。

孙向阳（1999）研究了北京西山地区森林土壤CO2的排放通量和动态认为，土壤呼吸速率变化与本地区降水量有关，进入雨季后，土壤以及湿度增加，土壤呼吸速率增强。王风玉等（2003）发现，尤其对于干旱和半干旱区，由于大气降水较少，土壤水分波动对于土壤呼吸影响更加重要。由于湖滨带土壤含水率常年维持较高水平，因而，湖滨带土壤呼吸速率与表层土壤含水率并无相关关系。即通常认为，在季节尺度上，水热因子是影响土壤呼吸作用的重要环境因子（Holt,1990；周广胜等2002），在湖滨带的特殊环境中，土壤水分含量则为非限制性因素。

有研究认为植被组成和结构、土壤温度、水分、养分、有机质分解、微生物活性以及土壤动物等一系列因子（Rodeghiero & Cescatti, 2005; Zou et al., 2005; Xu & Qi, 2001），都可能影响土壤呼吸动态变化。在本项研究中，土壤表层含水率、土壤湿度、土壤总碳氮磷硫、土壤微生物生物量碳、土壤pH值在不同实验区具有显著空间变化。由于距离水体较近以及水淹作用，季节性淹水区土壤表层含水率、土壤湿度显著高于其它区域，而较频繁的水位波动带走了部分土壤养分，限制了土壤微生物生物量碳的含量，故在季节性淹水区土壤微生物生物量碳、土壤碳氮磷硫含量较低。但这些因子与土壤呼吸没有显著相关性（p>0.05）。这可能由于土壤温度因子单独解释了70~80%的土壤呼吸的时空变化，从而掩盖了其它因子对土壤呼吸的影响（Borken et al., 2002）。

总之，土壤呼吸的时空变异及其影响因子很复杂。本项研究阐明了湖滨带土壤呼吸在不同水分梯度上的变化趋势和季节动态，同时，表明土壤温度是调控土壤呼吸在不同水分梯度季节波动的主导因子，揭示湖滨带不同水分梯度土壤碳循环特点。

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Variations of Temporal and Spatial Variability of soil respiration and its influence factors along moisture gradient of Riparian Zone of Taihu lake in Suzhou

1Feng yuqing2Chen yueqin1Ruan honghua1Fu Lina1Zhang Haidi

（1 Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering of Jiangsu Province, College of Forest Resources and the Environmental Science, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2 Jiangyin Forestry Station, Jiangyin, 214400, China;3 The office of wetland conservation and mangement, Suzhou 2150000）

Along a soil moisture gradient in a riparian area and using random block experimental design, the soil respiration rate, and its regulating abiotic and biotic factors(properties of soil, soil microbial biomass, etc) in Taihu riparian zone were investigated from November 2007 to October2008. The results showed that the soil respiration rate in the seasonally flooded zone was significantly higher than the other three experimental zones; soil respiration rate had a significant seasonal fluctuation in four experimental zones, showing autumn>summer>spring>winnter. The temporal and spatial variation of soil respiration linearly correlated with soil temperature. Our findings suggested that among the main soil factors affecting soil respiration, soil temperature was the controlling factor on the four experimental zones along a moisture gradient of soil respiration in different seasons.

riparian zone; soil respiration; moisture gradient; influencing factors

S153.6+1

A

1004-7743（2010）02-0035-07

2009-11-18