水蚀风蚀交错区土壤呼吸影响因素及其对土地利用方式变化的响应

高 宇， 樊 军， 米美霞， 王 力， 彭小平

(1 中国科学院水利部水土保持研究所， 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；2 中国科学院大学，北京 100049； 3 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100)

水蚀风蚀交错区土壤呼吸影响因素及其对土地利用方式变化的响应

高 宇1,2， 樊 军1*， 米美霞2,3， 王 力1， 彭小平3

(1 中国科学院水利部水土保持研究所， 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；2 中国科学院大学，北京 100049； 3 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100)

土壤呼吸； 水蚀风蚀交错区； 土地利用方式； 土壤温度； 土壤水分含量

政府间气候变化专门委员会(IPCC)的研究报告表明，土壤碳储量的微量变化将对大气碳库产生较大的影响[1-4]。人类活动引起的土地利用和管理方式的改变是土壤碳储量产生波动的重要原因[5-7]。土壤呼吸主要源自三个生物学过程和一个非生物学过程，这些过程分别是植物根呼吸、凋落物分解、根际微生物呼吸以及土壤有机质的氧化。土壤水热因子影响到该过程的各个方面，当水热因子较适宜时，土壤呼吸速率主要受到生物化学反应的限制，与土壤水、热单因子之间呈线性、指数、幂函数关系，但响应模式不尽相同[8]；而且土地利用方式变化造成的土壤养分质与量的变动，也会造成土壤呼吸对水热因子响应机制的改变[9-12]。由此可见，由于受到多种生物和非生物因素的影响，土壤呼吸在不同时间、空间尺度上变异较大[13]。因此，在较长时间尺度上、同一区域不同土地利用方式下土壤呼吸动态变化研究显得极为重要，尤其对黄土高原典型区域不同土地利用方式下土壤呼吸速率的长期观测研究尚不充分。

水蚀风蚀交错区是黄土高原水土流失最严重的区域[14]，是典型的生态环境脆弱区，土壤贫瘠，温度日较差和年较差大，空气湿度与土壤含水量较低；植被类型多以耐旱的灌木和草本为主。近年来，在该区域实施了退耕还林还草的生态修复工程，以遏制当地严重的水土流失。退耕还林(草)显著改变了该区的土地利用方式，土壤水热、养分因子也随之改变[15]。本文以位于水蚀风蚀交错区的六道沟小流域为研究区，通过分析4年观测数据，旨在明确多年降水差异条件下，该区域土壤呼吸主要影响因素及其对土地利用方式变化的响应。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 试验设计

本研究共涉及11块样地(土地利用类型)，其中，平坦样地8块，包括裸地、农地、苜蓿地、柠条地、撂荒地、梯田撂荒地、长芒草地以及荒草地小区各一块，试验小区面积均不小于200 m2，由于无重复样地面积较大，具有一定的代表性；另修建9个面积为60 m2的坡地径流小区，设置3个处理为坡地苜蓿地、坡地撂荒地和坡地农地，每个处理3次重复。各小区土壤均为侵蚀砂壤质新成土，样地立地条件、土壤物理性质接近，具有可比性。样地基本信息如表1。本试验于2009年4月初开始，至2012年10月中旬结束。

表1 试验样地的基本信息Table 1 Basic information of the plots investigated

注(Note): 土地利用年限计算截止到2012年试验结束The land usage term is enumerated until the end of the experiment in 2012.

1.3 观测项目和测定方法

1) 前期处理 在每块样地内选择可代表该样地平均生长情况的5个1.0×1.0 m2样方，首次测定前，在样方内将直径25 cm的PVC底座嵌入土壤5 cm，以减少CO2的泄漏。PVC底座尽可能安放在植被间的空地；如PVC底座内生长植物，则将底座内植物齐地剪掉，保证每次测量前PVC底座内无植物生长，并尽可能少扰动凋落物以及地表结皮。

图1 长芒草地土壤温度以及土壤呼吸速率季节变化Fig.1 The seasonal distributions of soil temperature and soil respiration in S. bungeana lands

3)土壤水分及温度的测定 在测定土壤呼吸速率的同时，采用Hydra Probe Ⅱ(SDI-12/RS485)测量0—6 cm土层土壤平均体积含水量。利用热电偶探头测量5 cm和10 cm土层土壤温度；此外，在2010、2012年试验期间增测15 cm土层土壤温度，在2012年试验期间增测20 cm土层土壤温度。

4)土地管理方式 裸地定期除草，以保证其上无植被生长；农地于每年5月中下旬开始种植农作物，于10月初收获；苜蓿每年度整个地块刈割2次，分别于8月初和10月中下旬进行；柠条地、撂荒地、长芒草地、荒草地不进行人工管理。

1.4 数据分析

采用SPSS 19统计分析软件检验不同土地利用方式下土壤呼吸速率差异的显著性以及土壤呼吸速率与土壤养分的相关性。应用SigmaPlot 12.0进行土壤呼吸速率与土壤水热因子拟合分析并作图。

2 结果分析与讨论

2.1 土地利用方式对土壤呼吸的影响

黄土高原水蚀风蚀交错区土壤呼吸速率的季节变化趋势与土壤温度变化趋势一致(图1)。土壤呼吸速率季节间和由土地利用方式不同产生的土壤呼吸速率均存在显著差异(P<0.05)。对生长季土壤CO2平均释放速率排序得出，苜蓿地>柠条地>撂荒地>荒草地≈长芒草地>农地>裸地(表2)。人工草(灌木)地和荒草地、长芒草地的结果排序与齐丽彬等[19]研究结论相反，与谢慧慧等[20]、王建国等[18, 21]研究结果部分一致，说明不同土地利用类型下的土壤呼吸受到多个因素的共同影响，需要较长时段的观测数据才能得出更可靠的结论。

对土壤CO2的释放速 表2 不同土地利用方式下土壤呼吸速率的季节性变化[μmol/(m2·s)]Table 2 The seasonal variation of soil respiration rate under different land use patterns

注(Note): 同行不同大写字母表示同一土地利用方式在不同月份土壤呼吸速率具有显著性差异；同列不同小写字母表示同一月份内不同土地利用方式土壤呼吸速率具有显著性差异(P<0.05)The different capital letters in the same row mean the soil respiration monthly difference of the same land-use is significant; while, different lowercases in the same column mean the land-use soil respiration difference of the same month is significant (P<0.05).

2.2土壤温度与含水量单因素对土壤呼吸的影响

以往研究已证实，土壤呼吸速率与土壤温度之间多呈指数函数关系，研究者通常采用方程(1)，即Van’t Hoff模型进行拟合；用温度敏感性指数Q10描述温度每升高10℃时土壤呼吸所增加的倍数，即公式 (2)。

Rs=a·ebT

(1)

Q10=e10b

(2)

式中：Rs为土壤呼吸速率[μmol/(m2·s)]；T为土壤温度(℃)；a、b为待定参数，其中a为0℃时的土壤呼吸速率[22]，或称之为基础呼吸，b为温度反应系数。

在土壤温度未超过20℃时，土壤呼吸速率的散点分布聚集在拟合曲线附近，随着温度升高散点分布开始远离拟合曲线，呈发散状。说明该区域土壤呼吸速率在温度低于20℃时，根系以及根际微生物活性受土壤温度限制，可能对土壤水分反应不敏感；当温度超过20℃后，呼吸过程对其他影响因子响应更为显著，使得土壤CO2的释放过程更为复杂(图2)。应用以上模型分析得出： 土壤温度显著影响土壤呼吸速率，10 cm处土壤温度对土壤呼吸速率的解释能力最强(表 3)。马骏等[7]、崔骁勇等[23]的试验结果与本试验类似；王建国等认为模型对单一年度观测数据的拟合与土地利用情况相关，具有一定的不确定性[18, 21]。

图2 土壤呼吸速率与10 cm土层土壤温度之间的关系Fig.2 Relationship between soil respiration rate and soil temperature at 10 cm soil layer [注(Note): A—裸地Bare land; B—农地Crop land; C—苜蓿地Alfalfa land; D—柠条地C. Korshinkii land; E—撂荒地Abandoned land; F—长芒草地 S. bungeana land.]

涂纯等认为，Q10值越高表明土壤呼吸对温度的依赖性越大[26]。本文中裸地条件下由于无植物生长，土壤水分条件相对较好；农地受到长期的耕作熟化影响，水分和养分条件亦优于其他有植被生长的样地，因此土壤温度成为该地区裸地、农地土壤呼吸速率的主要限制因子。农地退耕之后，随着田间生物量的增加，一般土壤呼吸速率会有显著升高[19-22]。但本研究结果显示，虽然农地撂荒或者种植人工草(灌)后，土壤呼吸速率会有所提升，但由于该类样地土壤水分含量的降低，导致土壤呼吸的温度敏感性会随之降低。

土壤呼吸速率与土壤含水量的关系较为复杂，本文采用方程(3)对试验数据进行分析。

Rs=a·θ+b/θ+c

(3)

式中：Rs为土壤呼吸速率[μmol/(m2·s)]；θ为土壤体积含水量(cm3/cm3)；a、b、c为待定参数。

结果表明，除坡地撂荒地之外，其余土地利用类型土壤含水量与土壤呼吸速率之间非线性回归决定系数均达到显著或极显著水平，但拟合优度不及土壤温度(表4)。在黄土高原水蚀风蚀交错区，土壤含水量经常成为限制土壤呼吸强度的重要因子，虽然降水能解除限制土壤CO2排放速率的水分因子的制约，但每次降水前，土壤前期含水量的不同，导致植物与土壤微生物生长发育情况不同，使得降水对半干旱区域土壤呼吸强度的激发程度不尽相同，掩盖了土壤呼吸与土壤含水量之间的直接关系，导致土壤呼吸与土壤含水量的模型拟合优度不及土壤温度。以裸地、农地、苜蓿地为例，降水发生之后3 d左右，土壤呼吸速率的观测值较高，随着时间的延续，呼吸值会有一定的降低(图3)。这与Curiel Yuste等[27]的研究结论类似。马骏等认为，干旱、半干旱地区土壤含水量变化较小，也可能是两者间无极显著相关的原因[7]。

表4 不同土地利用方式下土壤呼吸速率与土壤含水量的关系回归方程参数Table 4 Parametersin relation equations between soil respiration rate and soil moisture under different land-use patterns

注(Note): *—P<0.05; **—P<0.01.

图3 降水以及不同土地利用方式下土壤呼吸速率季节变化Fig.3 The seasonal distributions of precipitation and soil respiration under different land-use patterns

2.3土壤温度、土壤含水量双因子对土壤呼吸的影响

已有的研究结果表明，土壤温度和土壤含水量的双因子模型对土壤呼吸的解释能力要强于单因子的解释能力[28]，土壤呼吸与土壤温度或土壤含水量的单因子关系模型往往只能解释某一观测年度特定的土壤呼吸速率变化规律，在揭示存在降水差异的多年数据上并不理想。因此，本研究采用方程(4)、(5)、(6)对观测数据进行拟合，以探索最优拟合模型。

Rs=a·T+b·θ+c

(4)

Rs=a·(T·θ)+b

(5)

Rs=a·ebT·θc

(6)

式中：Rs为土壤呼吸速率[ μmol/(m2·s)]；T为土壤温度(℃)；θ为土壤体积含水量(cm3/cm3)；a、b、c为待定参数。

但与土壤温度结合起来能解 表5 土壤呼吸速率与10 cm土壤温度、0—6 cm土壤含水量的不同模型拟合优度(n=68)Table 5 R2 between soil respiration rate and soil temperature at 10 cm and soil moisture at 0-6 cm (n=68)

注(Note): **—P<0.01.

2.4 土壤养分对土壤呼吸的影响

土壤有机质、全氮含量与土壤呼吸速率之间正相关性达到显著或极显著水平，7、8月份铵态氮含量与土壤呼吸速率之间呈现显著负相关；其它土壤养分含量与土壤呼吸速率之间有一定的相关性，但未达到显著水平(表 6)，这与以往研究结果类似[21, 29]。土壤全氮和有机质含量在水热条件适宜的7、8月份，与土壤呼吸速率之间关系更为密切。前文述及当土壤温度高于20℃时，土壤呼吸速率与温度之间的相关性降低(图 2)，结合养分相关性结果，证实土壤呼吸的主要限制因子已经由简单的土壤水热因子，转变为包含养分等多因子的综合因素。而随着土壤有机质、全氮含量的增加，土壤呼吸速率上升也说明土壤呼吸强度与生态系统生产力相关，有机质与氮素含量都能刺激植物的初级生产[8]，进而间接影响土壤呼吸。

表6 土壤因子与土壤呼吸的相关性分析Table 6 Correlation analysis between soil properties and soil respiration

注(Note): n—测定样本数Sample numbers determined; *—P<0.05; **—P<0.01.

3 结论

1) 水蚀风蚀交错区农地土壤呼吸速率与天然草地相差不大，退耕还林(草)后，人工种植的高产、深根性植物，如苜蓿、柠条会显著提高土壤呼吸速率，而农地撂荒后，土壤呼吸速率变化具有不确定性。退耕还林(草)会减弱升温对土壤CO2释放的影响程度，且土壤呼吸的温度敏感性系数(Q10)随土壤含水量降低而降低。

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Influencingfactorsofsoilrespirationandtheirresponsetodifferentlandusetypesinthewater-winderosioncrisscrossregion

GAO Yu1,2, FAN Jun1*, MI Mei-xia2,3, WANG Li1, PENG Xiao-ping3

(1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources/StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China;2UniversityofChinaAcademyofSciences,Beijing100049,China;3CollegeofResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to assess the impact of different land-use types with different soil moisture and temperature on seasonal soil respiration, we chose 6 kinds of typical land-use plots in the water-wind erosion crisscross region of the Loess Plateau at Liudaogou Watershed during growth seasons of the year 2009-2012. Soil respiration was measured by the Closed-Dynamic-Chamber Infrared gas analyzer (IRGA), and the relationships between soil respiration and soil temperature, soil moisture, soil nutrient were analyzed. The results showed that the management of land conversion from farm-lands to grass-lands or shrub-lands would cause significant changes to soil respiration in the water-wind erosion crisscross region. The soil respiration of farmlands is 1.06-1.39 μmol/(m2·s), and soil respiration is decreased to 42%-63% in the management of land conversion from farm-lands to bare lands, especially in July, August and September. The annual soil respiration rate is increased by 109%-200% following the conversion of abandoned plough-lands to artificial grass (shrubs) lands, and is about 79%-179% of farm land to abandoned lands. The annual soil respiration rate of farm-lands is a little higher than those of grass lands orS.bungeanalands. The soil respiration is dominantly controlled by the soil temperature, and 10 cm soil temperature has the best correaltion with soil respiration, while there is a poor correlation between soil respiration and soil moisture. The index model of the double-factors (soil respiration fitting with soil temperature and soil moisture,Rs=a·ebT·θc) is better than those of the single factor ones. TheQ10values in 10 cm soil layers are in the order of: plot with no plants (bare land, 2.09) > farm lands (crop lands and crop lands on slope, 2.07-1.69) > abandoned lands (abandoned lands on slope, abandoned lands and abandoned lands on terrace, 1.71-1.53) > grass (shrubs) lands (C.Korshinkiiland, alfalfa land,S.bungeanaland, alfalfa land on slope and wild grass land, 1.51-1.42). In case of the temperature increasing, the management of land conversion from farm-lands back to grass-lands or shrub-lands could reduce the sensitivity of soil respiration to temperature under the background of increasing soil respiration in the ecological system, and theQ10would decrease with the decrease of soil moisture. Soil respiration could be significantly related with soil organic matter and total nitrogen. Therefore, soil respiration in water-wind erosion crisscross regions is significantly affected by soil temperature, soil moisture, soil nutrients and land use patterns.

soil respiration; water-wind erosion crisscross; land-use pattern; soil temperature; soil moisture

2013-01-08接受日期2013-04-01

国家自然科学基金项目(51239009，41271239)；中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-13)资助。

高宇(1986—)，男， 河北唐山人，硕士研究生，主要从事退化生态系统恢复研究。E-mail：supergaoyu@yeah.net * 通信作者 Tel： 029—87012210， E-mail：fanjun@ms.iswc.ac.cn

S154

A

1008-505X(2013)05-1207-11