田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征

张彦军，郭胜利，，，* ，刘庆芳，南雅芳，郭慧敏，李俊超

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100;3.西北农林科技大学资源与环境学院，杨凌 712100)

土壤有机碳含量与土壤的各种物理、化学、生态性状和土壤肥力密切相关。陆地表面1m土层中有机碳储量(1500—2000 Pg C，1 Pg=1015g)，为大气CO2中C含量的2倍左右［1］。因此，土壤有机碳储量的潜在变化不仅会影响土壤质量，而且也会导致大气CO2浓度的波动，但土壤到底是大气CO2的源或汇与土壤碳的输出变化密切相关。基础土壤呼吸是微生物作用下土壤有机碳矿化分解而释放CO2的过程［2］，直接影响土壤有机碳储量或土壤碳汇能力大小［3］，是碳输出的重要过程之一。因此，了解土壤基础呼吸的变化过程对深入理解土壤碳汇能力及其影响因素具有重要意义。

水分和温度是影响土壤呼吸的重要环境因素［4-7］，也是气候变化条件下土壤有机碳储量变化的重要驱动力，但水分和温度对有机碳分解的影响具有显著的变异性［8］。目前国内外关于土壤呼吸与土壤水分和土壤温度关系的大量研究，均包括根系呼吸在内［9-14］。而已有的基础土壤呼吸报道多基于室内培养，例如，从土壤氮素供应的角度来看，室内条件下开展了大量有机质矿化分解研究，但室内与田间的试验条件相差悬殊，室内结果很难应用到田间分析与模拟［15］。从土壤二氧化碳排放角度来看，田间条件下进行了大量土壤呼吸的定位观测与研究，但获得的试验结果常常包含作物根系呼吸［16-19］。裸地土壤及其环境条件在土壤水分、温度、底物供应等多方面均与有植被生长的土壤不同。裸地条件下，由于缺乏植被，源于根系和凋落物的有机物输入得到了限制，根系呼吸不复存在。因此，裸地土壤呼吸主要反映了土壤原有有机碳的矿化分解(即基础土壤呼吸)，进而探讨及其与水分、温度等环境条件的关系。在田间条件下，开展裸地土壤呼吸的研究有助于深入了解土壤有机碳的变化机理。鉴于此，本研究以裸地处理为研究对象，通过3a(2009—2011年)连续监测土壤呼吸、土壤水分和土壤温度的变化，研究田间条件下土壤基础呼吸的年际和季节间变化及其与环境变量之间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于陕西省长武县(东经107°40'，北纬35°12')，长武农田生态系统国家野外科学观测研究站(简称长武站)。属于典型的黄土旱塬区，海拔1200 m，半干旱湿润性季风气候。1984—2011年间年均降水量为586 mm，其中最高年份为954 mm，最低年份为296 mm，7—9月降水量占年总量的57%左右。年平均气温9.4℃，大于10℃积温为3029℃，年日照时数为2230 h，日照率为51%，年辐射总量为484 kJ/cm2，无霜期171d。2009、2010、2011 年的总降水量分别为481.20、588.10、644.20 mm，7—9 月的降水总量依次占全年降水总量的62%、74%、60%，其对应的平均大气温度则依次为10.06、10.27、9.43℃。与多年平均降水量以及大气温度相比较而言，无论是降水量还是大气温度都呈增加趋势，特别7—9月降水量明显增加。地带性土壤为粘壤质黑垆土，母质为中壤质马兰黄土，土层深厚，土质疏松。耕层土壤(0—20 cm)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，CaCO310.5%，pH 8.4，试验地 N、P 含量较低，钾素丰富，呈微碱性反应。

1.2 试验设计

试验所用裸地为长武站长期试验处理之一。该长期试验于1984年设立，主要用于研究不同作物和肥料管理措施对土壤生产力、土壤养分和水分的影响［20］。小区面积10.3 m×6.5 m，小区间距0.5 m，区组间距和周边宽各1.0 m。裸地处理自1984年6月小麦收获后至今一直处于休闲状态，杂草等及时人工清除。土壤耕翻与小麦连坐处理同步，一年翻耕两次，7—9月间进行，耕翻深度大约20 cm。

1.3 土壤呼吸、水分和温度的测定

每个重复(小区)内安装2个气室基座(PVC管，直径20 cm，高度12 cm)，基座离地面高2 cm。为避免了由于安置气室基座对土壤扰动而造成的短期呼吸速率波动，在气室基座安置24 h后再进行测定。测定前去除气室基座内的一切活体。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，土壤水分的测量利用烘干法

2009年3月—2011年11月(除寒冷冬季的12、1、2月份)，选择晴好天气在9:00—11:00进行土壤呼吸速率、土壤温度、土壤水分的测定。大约每10d测定1次，其中高温多雨季节(7—9月)每周测定1次。3a试验期间土壤呼吸速率、温度以及水分各测量73次，其中2009年测量25次;2010年测量26次;2011年测量22次。

1.4 数据处理与统计分析

利用线性内插法推算不同年际间的累积土壤呼吸量(g C/m2)［21］，利用Sigmplot软件制作相关的基础图件。

在半干旱的黄土旱塬区，受大陆季风气候的影响，土壤水分低且干湿多变，初步数据分析发现，除温度外，水分变化也是影响土壤呼吸的重要因素。鉴于此，本研究利用指数关系模型模拟土壤呼吸与土壤温度的关系，用一元二次方程模型模拟土壤呼吸与土壤水分的关系。考虑到土壤温度和水分对土壤呼吸的协同作用，用双变量模型研究土壤温度和水分与土壤呼吸之间的关系［22］:

式中，F(μmol·m2·s－1)为土壤呼吸速率;T(℃)为土壤0—5 cm土层温度;θ(%)为土壤0—5 cm土层水分;β0和β1为模型参数。

试验数据预处理结果表明，当土壤含水量＜18%时，土壤呼吸随土壤含水量的增加而增加;土壤含水量＞18%时，土壤呼吸随土壤含水量的增加而降低。因此，上述双变量模型可具体为:

式中，β0、β1、β2、β3、β4为模型参数。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸速率的季节和年际变化。

3a的观测期间都可看到裸地土壤呼吸随季节变化而波动。雨季前(3—6月)，土壤温度在逐渐回升但土壤干旱制约使得土壤呼吸相对稳定在一个较低水平:2009年为 0.97μmol·m2·s－1，2010年为 1.12 μmol·m2·s－1，2011年为1.15μmol·m2·s－1;7月当地进入高温多雨季节，月初土壤由干变湿，土壤呼吸出现显著升高现象(图1)。雨季(7—9月)，土壤呼吸随降水变化而波动，2009年的土壤呼吸平均为1.22μmol·m2·s－1高于雨季前，但2010年7—9月雨季土壤呼吸为0.85μmol·m2·s－1，2011年为0.77μmol·m2·s－1都低于雨季前其相应土壤呼吸速率;雨季结束(10月后)，随着秋季来临土壤温度降低，土壤呼吸快速降低。雨季后，2009年土壤呼吸平均为1.14μmol·m2·s－1，2010年为0.64μmol·m2·s－1，2011年为0.54μmol·m2·s－1。

除显著的季节变化特征外，土壤呼吸在年际间也存在变异。2009年土壤呼吸速率的最小值为0.62 μmol·m2·s－1，最大值为1.83μmol·m2·s－1，均值为1.16μmol·m2·s－1;2010年和2011年土壤呼吸范围和均值都低于2009年。2010年土壤呼吸的变化范围为0.30—1.46μmol·m2·s－1，均值为0.92μmol·m2·s－1;2011年则为0.06—1.68μmol·m2·s－1和0.88μmol·m2·s－1(图1)。

2.2 土壤呼吸速率与土壤温度、水分的关系

3a观测期间(2009—2011年)，土壤呼吸速率与土壤温度呈显著指数关系(P＜0.0001)(表1)，土壤温度变化可以解释土壤呼吸57%—67%的变异性;而土壤呼吸速率与土壤水分含量呈显著负相关关系(P＜0.003—0.0001)(表1)，土壤水分可以解释土壤呼吸52%—79%的变异性。由此表明，土壤呼吸由土壤温度和土壤水分共同控制，并符合以下土壤呼吸与温度、水分的双变量方程 F= β0eβ1Teβ2θ+β3θ2(P＜0.0001)，该关系式可以解释土壤呼吸73%—86%的变异性(表1)。

图1 试验期间土壤呼吸，温度和水分的含量变化Fig.1 Changes in soil respiration，soil temperature，and soil moisture between 2009 and 2011

表1 土壤呼吸与温度、水分的关系方程Table 1 Equations between soil respiration，soil temperature and soil moisture

2.3 土壤呼吸累积量的年际变化及其与年际气温和降水的关系

2009年为282 g C/m2，2010年为234 g C/m2，而2011年为230 g C/m2(图2)。测定日期内(3月15日—11月20日)，试验期间年均气温差异不大(2009年、2010年和2011年依次为15.41、15.07、14.63℃)，但总降水量具有显著差异，2009年、2010年和2011年依次为448.60、561.70、597.80 mm(图2)。除总量3a间存在显著差异外，与2009年相比，2010和2011年＞5mm降水次数和频率显著高于2009年。观测期间，雨季前土壤呼吸年际差异并不大(2009—2011波动于0.97—1.15μmol·m2·s－1)，但其余季节年际间变异较大。雨季期间(0.77—1.22μmol·m2·s－1)和雨季后(0.54—1.14μmol·m2·s－1)。这一结果表明，土壤呼吸累积量的年际变化与降水量年际变化有关。2010年和2011年雨季和雨季后土壤湿度维持较高水平可能是导致这两年土壤呼吸降低的原因。

图2 3a试验期间降水总量，平均气温和累积土壤呼吸量的变化Fig.2 Variations in total rainfall，mean air temperature and cumulative soil respiration between 2009 and 2011

3 讨论

3.1 裸地土壤有机碳的流失与水分、温度变化的关系

试验期间的不同年度均可看到土壤水分和温度的剧烈波动，土壤水分和温度影响土壤微生物呼吸的主要环境因素，且两者季节变化均与土壤呼吸的季节变化显著相关(图1，表1)，在不同生态系统都有类似报道［4-5，23-25］。同样地，尽管年气温和降水变化也会影响年际土壤呼吸变异，但在气温不是植被生长的限制性因素的地区或一些寒冷地区(年均气温4—10℃)，年均气温与年土壤呼吸就无相关关系［7，26］。在降水变异显著的地区，年降水显著影响年呼吸变化［7］。本研究地处干旱半干旱地区，降水在季节和年际间剧烈波动，而年气温相对稳定。因此，土壤呼吸年际变化主要与年降水总量有关，而与年均气温无关(图2)。

土壤温度常常被作为影响土壤呼吸的重要环境因素。在不考虑土壤水分变化或其不是限制因子时，可依据呼吸与温度的指数关系方程获得土壤呼吸的温度敏感系数(Q10)。在干旱半干旱地区，尤其本研究所在的黄土旱塬区，土壤含水量低(图1)且干湿变化剧烈，在季节尺度上水分和温度变化都会显著影响土壤呼吸及其对温度的敏感性(图3，表1)。从图3可直观地看出，土壤水分含量高或低时，土壤呼吸因温度变化显著不同;相应地，土壤温度高或低时，呼吸随温度变化也不同。已有报道发现Q10变化与土壤水分或土壤温度变化密切相关［23，27-28］。因此，在黄土区，土壤呼吸的模拟应充分考虑水分和温度环境因素的影响。

图3 土壤呼吸对土壤水分、土壤温度的响应曲面Fig.3 Response surface of soil respiration as a function of soil moisture and soil temperature according to the equation fitted to the soil respiration data in 2009

3.2 裸地土壤有机碳变化影响因素

裸地条件下，土壤呼吸主要来源微生物呼吸，与作物根系及其凋落物无关。因此，本研究裸地土壤呼吸速率显著低于同期相邻有小麦生长处理的土壤呼吸［29］。长期休闲条件下没有新鲜有机物输入，土壤呼吸反映了土壤微生物对原有土壤有机碳分解和流失的影响［2，30］。

从上述研究结果可以看出，观测期内(3a平均)，裸地处理土壤有机碳流失量大约在249 g C/m2。本试验中裸地处理自1984年休闲以来SOC储量逐渐降低，SOC浓度由试验开始的6.5g/kg降低到目前5.5g/kg，降幅达15%(2.5 Mg C/hm2，年流失量为0.1 Mg C/hm2)。包含休闲的轮作处理的SOC含量低于作物连作处理，休闲频率高的轮作体系中土壤有机碳含量低于休闲频率低的轮作体系［31-32］。但令人惊讶的是，在本研究中依据三年基础呼吸的平均值(249 g C/m2)估算，裸地处理每年SOC流失量为2.5 Mg C/hm2左右，为实际每年碳流失量(0.1 Mg C/hm2)的25倍。究其原因可能与以下因素有关:1)裸地处理尽管没有作物生长而降低了根系等凋落物的输入，但通过天然降尘输入的有机碳部分抵消了土壤有机碳的流失:在黄土高原地区，年降尘量大于2.5 Mg ha－1［33］，试验附近地区(彬县和西峰)的降尘中有机质含量为33.3%—42.9%［34］。因此，随降尘进入土壤的有机碳大约为0.5—0.6 Mg C/hm2;2)尽管没有新鲜有机物的输入，但土壤微生物固碳可占到SOC的0.12%—0.59%［35］;3)碳通量监测的土壤碳流失一部分来自于土壤深层;4)裸地处理在理想条件下没有任何杂草生长，但在管理过程中采取定期人为清除裸地土壤上的杂草，少量残留杂草根系的分解有可能使得裸地土壤呼吸观测值偏高。但以上真实原因及其贡献需要我们进一步用试验研究确认。

黄土旱塬区是典型雨养农业区，夏季作物收获后农田往往采用休闲以调节土壤水分和养分。从上述研究结果可以看出，7—9月高温多雨季节，有机碳流失量大约为85 g C/m2，雨季裸地土壤有机碳的流失量约占观测期内裸地土壤有机碳的流失量的34%。在干旱半干旱地区，在保证蓄集天然降水条件下，种植填闲作物，缩短或减少休闲期有助于促进有机物输入，降低原有土壤有机碳分解，保持土壤肥力。

4 结论

基础土壤呼吸的平均速率为0.99μmol·m2·s－1，因基础呼吸年流失的有机碳为2.5 Mg C/hm2。但大气降尘等对裸地土壤有机碳的输入也不容忽视。裸地上，土壤呼吸具有显著季节和年际变化，其季节间变化由土壤水分和温度共同控制，可由温度、水分的双变量方程描述(F= β0eβ1Teβ2θ+β3θ2)，土壤呼吸的年际变化主要由年降水总量控制，而与年均气温无关。因此，在气候变化的条件下，土壤有机碳流失与环境因素内在的生态联系因时间尺度存在差异。

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