施肥及环境因子对海南热带橡胶林土壤呼吸的影响

谢明德，陈明智,*，吴蔚东，孙红亮

1. 海南大学农学院，海南 海口 570228；2. 热带作物种质资源保护与开发利用教育部重点实验室，海南 海口 570228

土壤呼吸作为生态系统碳循环的一个重要组成部分，它与生态系统生产的许多组分都有联系，而且，土壤呼吸在调控陆地生态系统的大气CO2浓度和气候动态方面起着十分关键的作用。大气中CO2的来源除了煤矿、石油、天然气等化石燃料的燃烧外，还有来自陆地生物圈和海洋中释放的CO2，其中陆地生物圈碳储量部分所占的比例大于三分之二（Rustad等，2000）。土壤呼吸每年释放到大气的 CO2量比化学燃料燃烧释放的 CO2量要高出10倍（Raich和Potter，1995）。全球土壤中所含的碳为3150 Pg，是大气碳库（750 Pg）的4倍，是植物碳库（650 Pg）的将近5倍（Jobbagy和Jackson，2000）。因此，土壤呼吸的微小变化就能严重改变大气CO2浓度的平衡。可见，在陆地生态系统碳循环研究中，土壤碳循环过程起着极其重要的作用（周莉等，2005）。

施用肥料不仅能提供作物生长所需的养分，影响植物的生长状况，而且能提高土壤有机质的含量（Campbell等，2001；徐阳春等，2002），促进土壤微生物活动，释放出CO2。国内许多研究表明，不同配比施肥处理下的土壤呼吸速率存在显著性差异（石兆勇等，2012），经施肥处理的土壤呼吸速率均显著高于对照处理（乔云发等，2007），对照处理与其它肥料处理相比土壤呼吸对土壤温度有较大的敏感性（刘晓雨等，2009）。国外 Russell（Russell等，2005）等认为农作物施用化肥与农业土壤有机碳间存在显著的负相关，但Stuar等（Stuart等，2002）研究表明，有机肥或有机肥与化肥配合施用能够显著提高土壤总有机碳的含量。但是，目前为止，关于施肥及环境因子对海南热带橡胶林地土壤呼吸影响研究的报道较为鲜见。因此，本研究拟通过海南橡胶林地施肥试验，分析和了解不同施肥处理对橡胶林地土壤呼吸速率的影响及土壤呼吸速率与土壤温度、土壤水分含量的关系，期望通过研究施肥对土壤呼吸的响应机制为进一步揭示热带橡胶林地生态系统碳循环过程及其机理提供重要的理论支持。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

试验地位于海南省屯昌县黄岭农场的胶园地(19°23′N，109°56′E)，在海南省中部偏北，地势南高北低，中部比较平坦，属于丘陵半山区，大部分地区海拔在130~230 m之间。气候四季变化不大，属热带季风气候，光热充足，日照时间长，年日照1800~2200 h。雨水充分，年降水量 1800~2500 mm。年平均气温24.6~26.3 ℃，天气最热在8月份，平均气温有30~33 ℃；天气最冷在1月份，平均气温17~19 ℃。

1.2 实验设计

在整片梯田地中随机选取3行试验样地，每行样地中设3个处理：(1) 不施肥处理(CK)；(2) 施有机肥处理（T1）每株5 kg，养分含量N+P+K=6%；(3) 施无机化肥处理（T2）每株0.9 kg，养分含量N+P+K=30%。每个处理3次重复，肥料施在2株橡胶树间的营养沟内，离胶头1 m处，营养沟规格：长×宽×深=1 m×0.5 m×0.3 m，肥料于2013年1月6日统一填入土壤中，施完后覆土。供试土壤为花岗岩砖红壤，其土壤基本理化性质为pH=6.68、土壤有机质质量分数25.11 g·kg-1、土壤全氮质量分数0.66 g·kg-1、土壤速效磷质量分数15.52 mg·kg-1、土壤速效钾质量分数53.70 mg·kg-1。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤呼吸速率测定

采用LI-8100土壤碳通量自动测量系统(Lincoln，USA)进行测定，在样地里埋入PVC土壤环（内径为20 cm，高为15 cm，埋置土壤中12 cm深处），彻底剪除环内所有植物的地上部分，砸实外圈土壤以防漏气，在整个测定期间保持PVC土壤环位置不动。在每次测定土壤呼吸前24 h，贴地剪除地表低矮植物，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。从第一天早上07:00到第二天凌晨04:00，白天每2小时测定一次，晚上每3小时测定一次，具体的测定时间为07:00、09:00、11:00、13:00、15:00、17:00、19:00、22:00、01:00、04:00，从2013年1月7日起，每7天测定一次，两个月连续测得10次。

1.3.2 土壤温度测定

土壤温度采用LI-8100 附带的温度探针测定每个样点附近5 cm深度的土壤温度，同时用温度计同步测得当时的气温。

1.3.3 土壤含水量测定

在测定土壤呼吸的同时，在每个样点取深度为0~20 cm土样，用烘干法测定土壤含水量。

1.4 数据处理

统计分析是在Microsoft Excel和SPPSS19.0软件中进行，用曲线估计法(Curve Estilation）对呼吸速率与土壤含水量、土壤温度间的回归关系做拟合。由于土壤温度与土壤呼吸有一定的指数关系（Luo等，2001），因此，采用指数模型RS=aebT拟合土壤呼吸与土壤温度的相关性（Xu和Qi，2001）。其中，RS为土壤呼吸速率，a、b为待定参数，T为温度为0 ℃时的土壤呼吸。因此，土壤呼吸的温度敏感性Q10为：Q10=e10b，公式中，b同上式。

2 结果与分析

2.1 土壤温度、土壤含水量和土壤呼吸的日变化

2.1.1 土壤温度和土壤含水量的日变化

从图1可以看出，大气温度与地下5 cm土壤温度的日变化基本上呈现相似的单峰曲线，先逐渐上升，到达最高点后又逐渐下降。两者一天的温度最大值均出现在15:00，分别为23.35 ℃和20.22 ℃；最小值均出现在4:00，值分别为和17.08 ℃和16.65 ℃。两者温度变化幅度分别是6.27 ℃和3.57 ℃，平均温度分别为19.91 ℃和18.40 ℃。

图2 含水量日变化Fig.2 The diurnal variation of moisture

从图2可以看出，土壤含水量在一天时间里变化范围不是很大，在25%上下波动，最大值出现在4:00，最小值出现在17:00，与温度的最大值点和最小值点相反，值分别为27%和20%。这是由于土壤含水量受蒸发量的影响较大，气温越高，蒸发量越大，土壤含水量越低。含水量变化幅度是7%，平均含水量为23.9%。

2.1.2 不同施肥处理的土壤呼吸日变化

由图3可知，一天中不同施肥处理的橡胶林土壤呼吸速率的变化趋势基本一样，都有1个最高峰，从早上7:00点开始随气温升高，呼吸速率也迅速增加，最大值均出现在13:00点左右，此后再随时间的推移而降低，直到凌晨04:00点时出现最低值。呼吸速率随温度升高而加快，与温度的变化趋势同步。CK、T1和T2的呼吸速率的变化幅度分别是2.20 µmol·m-2·s-1、2.85 µmol·m-2·s-1和2.47µmol·m-2·s-1。

2.2 土壤温度、土壤含水量和土壤呼吸的周期变化

2.2.1 土壤含水量和温度的周期变化

由图4可知，大气温度与地下5 cm土壤温度月变化基本上呈现相似的曲线变化，只是地下5 cm土温略低于大气温度，两者在研究期内的温度最大值均出现在3月12日，值分别26.46 ℃和23.18 ℃。而大气温度的最小值出现在1月14日，地下5 cm土温的最小值出现在1月21日，值分别为19.25 ℃和16.24 ℃，温度变化幅度分别是7.21 ℃和6.94 ℃，平均温度分别为22.19 ℃和19.48 ℃。

从图5可以看出，土壤含水量在研究期内有一定的起伏波动，但是变化范围不是很大，都在25%上下波动，最大值出现在2月12日，最小值出现在1月21日，值分别为29%和22%，含水量变化幅度为7%，平均含水量为25.3%。

图3 土壤呼吸日变化Fig.3 The diurnal variation of the soil respiration

图4 温度周期变化Fig.4 The periodic variation of temperature

图5 水分周期变化Fig.5 The periodic variation of moisture

图6 土壤呼吸周期变化Fig.6 The periodic variation of the soil respiration

2.2.2 不同施肥处理的土壤呼吸周期变化

由图6可知，在两个月中不同施肥处理橡胶林土壤呼吸速率的变化趋势基本一致，只是波动幅度不一样，基本上随温度升高而加快，最大值均出现在3月12日，最小值出现在1月14日。CK、T1和T2的呼吸速率的平均值分别为2.632 µmol·m-2·s-1、3.154 µmol·m-2·s-1和3.195 µmol·m-2·s-1，变化幅度分别 是 2 µmol·m-2·s-1、 2.19 µmol·m-2·s-1和 2.32µmol·m-2·s-1。

图7 土壤呼吸速率与地表温度的关系Fig.7 Rrelationship between soil respiration rate and soil temperature

图8 土壤呼吸速率与地下5 cm温度的关系Fig.8 Rrelationship between soil respiration rate and soil temperature at 5 cm depth

2.3 环境因子对土壤呼吸的影响

2.3.1 温度对土壤呼吸的影响

如图7、图8所示，对土壤呼吸速率与温度进行指数回归分析，土壤呼吸速率与温度均有显著的指数回归关系。从表1可以看出，土壤呼吸速率与5 cm地温的相关性最好（0.572< R2<0.737），这说明5 cm地温能较好反映出土壤呼吸速率与环境温度的关系，P值均达到极显著水平(P<0.01)。采用Q10值反映土壤呼吸的温度敏感性，（即温度每增加10 ℃土壤呼吸增加的倍数）得出CK、T1和T2处理土壤呼吸速率与5 cm地温之间的土壤呼吸温度敏感系数Q10值分别为2.59、2.34和2.53。这一结果表明，当温度每升高10 ℃，CK、T1和T2处理的土壤呼吸速率分别变为原来的2.59、2.34、2.53倍，CK处理的土壤呼吸对温度变化的敏感性最强。

表1 土壤呼吸速率与温度的关系Table 1 Rrelationship between soil respiration rate and temperature

图9 土壤呼吸速率与土壤水分的关系Fig.9 Rrelationship between soil respiration rate and soil water content

表2 土壤呼吸速率与水分的关系Table 2 Rrelationship between soil respiration rate and soil water content

2.3.2 水分对土壤呼吸的影响

采用二次方程进行拟合，研究土壤呼吸与土壤水分之间的关系（图9，表2），从图9可以看出，随着土壤水分的增加，土壤呼吸强度并不是一直增强，当土壤水分达到一定含量时，土壤呼吸速率开始减慢，CK、T1和T2 处理土壤呼吸速率最高时的土壤水分别为27%、27%和28%。本实验土壤（0~10 cm）水分作为土壤呼吸速率的影响因素，其解释了土壤呼吸周期变化的18.9%~36.7%，但是土壤呼吸速率与土壤水分两者的相关关系较弱，p值没有达到显著水平(p>0.05)。

2.4 施肥对土壤呼吸的影响

从图6可知，在没有施肥前，3个处理的土壤呼吸速率相近，施肥第一周（1月14日）由于受气温降低的影响呼吸速率减慢，但T1、T2处理的土壤呼吸速率比 CK的高；施肥一个月（从 1月 14日到2月5日），气温逐渐上升，土壤呼吸速率逐渐加快。至2月5日，CK、T1和T2处理的土壤呼吸速率分别为 2.98 µmol·m-2·s-1、4.18 µmol·m-2·s-1和 3.14 µmol·m-2·s-1。可见，T1 处理的呼吸速率上升迅速，明显高于T2和CK处理的。从2月5日到2月19日，3个处理的土壤呼吸速率又减慢，但是T1处理的呼吸速率还是最高的，CK、T1和T2的值分别为 2.21 µmol·m-2·s-1、3.11 µmol·m-2·s-1和2.86 µmol·m-2·s-1。施肥处理 2 个月（2 月 19 日到 3月12日），3个处理的土壤呼吸速率又加快，T2处理的上升幅度最大。3月12日，CK、T1和T2处理的土壤呼吸速率分别为 3.43 µmol·m-2·s-1、4.03µmol·m-2·s-1和 4.35 µmol·m-2·s-1，可见，T1、T2 处理的土壤呼吸速率比CK的高。在整个施肥周期里，3个处理的土壤呼吸速率大小的顺序依次为：T1>T2>CK。在表3中可以发现只有在2月5日T1处理与CK、T2处理有显著差异，2月12日CK处理与T1、T2处理有显著差异，3月5日和3月12日CK处理与T2处理有显著差异，其余的均没有显著差异。

3 讨论与结论

3.1 土壤呼吸的动态变化

许多研究表明，土壤呼吸具有明显的日变化和季节变化，森林和草原的土壤呼吸速率在日变化中都会呈现出单峰曲线的趋势（蒋延玲等，2005；王娓和郭继勋，2002），而且在一天中土壤呼吸速率最高的时刻在中午 14:00—15:00，最低的时刻在凌晨 04:00—5:00（刘绍辉等，1998；陈述悦等，2004）。本实验中土壤呼吸日变化也同样呈现明显的单峰曲线变化，在夜晚呼吸速率较低，白天逐渐升高，在某一时间段达到最大值，然后再随时间的推移而降低，最大值均出现在 15:00点，直到凌晨 04:00点时出现最小值，与前人的研究结果相同。

表3 不同施肥处理橡胶林土壤呼吸速率差异性比较Table 3 The comparison of different fertilizing method of soil respiration in rubber plantation

3.2 水热因子对土壤呼吸的影响

在本研究中，土壤呼吸速率与土壤温度之间具有显著指数关系(p<0.05)，这与多数研究结果基本一致。王光军（王光军等，2008）等对亚热带森林研究，认为土壤呼吸与温度呈显著指数相关关系（Buchmann，2000；张庆忠等，2005），土壤温度可以解释土壤呼吸变化的77.4%~94.94%（常建国等，2007；周小刚等，2012）。Q10值指示土壤呼吸对温度变化的敏感程度，本实验得出的 Q10值为2.34~2.59。李凌浩（李凌浩等，2000）等在锡林河流域草原群落土壤呼吸研究得到的 Q10值为2.0~3.0。刘爽（刘爽等，2010）等在山西农田干旱地土壤呼吸研究得到的Q10值在为1.19~3.07。实验结果还显示土壤呼吸与地下5 cm 土壤温度的相关性好于与地表温度的相关性，这种相关性在 24 ℃左右的拟合效果明显好于高温时的拟合效果。在温度较低时（<20 ℃），土壤呼吸速率的散点分散，而随着温度的升高，散点开始向拟合曲线靠近，当到达 24 ℃时散点聚集在拟合曲线附近，而后再随着温度的升高土壤呼吸速率的散点渐渐发散开来，这一结果与陈全胜（陈全胜等，2003）、Curiel（Curiel等，2003）和Janssens（Janssens和Pilegaard，2003）等研究的结果一致。在土壤温度较低时，呼吸速率较慢，随着土壤温度的升高，呼吸速率也加快，这说明在温度较低时，根系和土壤微生物的代谢活动主要受温度变化控制，随温度升高，其不再是限制因子，此时根系和土壤微生物的生命活动更易受到其它因素的影响和制约（陈全胜等，2004）。

土壤水分作为影响土壤呼吸的重要因子，不仅影响根系呼吸和微生物呼吸，同时还影响植物的生长。实验得出了土壤呼吸与土壤含水量有二次项线性关系，土壤水分在较低值时，土壤呼吸速率慢；当土壤水分在 22%~28%的范围内变化时，土壤呼吸速率随着土壤水分的增高而加快，土壤水分高于28%后呼吸速率又开始减慢。在一定范围土壤水分内，土壤呼吸速率会随土壤湿度增大而加快；当土壤水分过低，超出了植物根系和微生物活动所必需生存条件时，土壤呼吸释放量会降低；当土壤水分过高，土壤孔隙会被水填满，使得微生物呼吸所需的氧气不能进入土壤，同时CO2排放受阻（Pangle和Seiler，2002）。本实验得出土壤水分与呼吸速率没有显著性相关关系（p>0.05）。张剑锋（张剑锋等，2007）、Gardennas（Gardennas，2000）和王国兵（王国兵等，2009）等许多研究者均得出同一结果，说明土壤水分不是影响土壤呼吸速率的限制因子（闫美芳等，2010）。尤其在海南潮湿的气候条件及橡胶园高盖度条件下，大多数时候土壤水分充足，含水量处于 20%~30%之间，幅度变化范围较小，不足以影响微生物活动和植物根系呼吸（杨玉盛等，2004）。

3.3 不同施肥处理对土壤呼吸的影响

施肥不仅可以为植物补充所需要的营养元素，而且能改善土壤的物理、化学性质和培肥地力，使土壤具有良好的通透性和保水性能，为植物根系和微生物生长提供良好的生长环境。本实验结果得出经施肥处理的土壤呼吸速率高于对照处理的呼吸速率，而且施用有机肥处理的土壤呼吸速率最高。这主要是因为有机质是微生物营养和能量的主要来源，施入有机肥提高了土壤有机质含量，为微生物和土壤动物生长提供了良好环境（任全等，2007），促进微生物活动和生长繁殖。土壤微生物活动增强，促进了有机物分解，导致土壤呼吸速率加快（韩广轩等，2008）。因此，经施肥处理的土壤呼吸速率高于不施肥处理的呼吸速率，这一结果与许多研究者的实验结果一致（胡诚等，2007；杜社妮等，2011），施用有机肥对土壤有机碳含量的提高作用显著高于化肥，可以极大提高土壤生产力，加快土壤呼吸速率（孟磊等，2005）。

4 结论

（1）不同施肥处理的橡胶林土壤呼吸速率在日变化中均有一致的变化规律，在一天中CK、T1和T2处理都呈现出单峰曲线趋势，最高点在15:00，最高值分别为2.63 µmol·m-2·s-1、3.74 µmol·m-2·s-1和2.98 µmol·m-2·s-1；最低点在04:00，最低值分别为0.43 µmol·m-2·s-1、 0.89 µmol·m-2·s-1和 0.51µmol·m-2·s-1；呼吸速率随温度升高而加快，与温度的变化趋势同步，在周期变化中呼吸速率也呈现出随着温度的升高而加快的趋势。

（2）不同施肥处理的橡胶林土壤呼吸速率与土壤温度变化一致，并且与温度呈显著指数相关关系，特别是与5 cm地温的相关性最好（0.572

（3）在一定土壤水分范围内，土壤呼吸速率于土壤含水量呈正相关关系，但是两者的相关关系较弱，P值没有达到显著水平(P>0.05)，其解释了土壤呼吸周期变化的18.9%~36.7%。

（4）不同施肥处理的土壤呼吸速率大小顺序依次为：T1>T2>CK，有机肥处理的土壤呼吸速率最高，其次是无机肥处理，最低的是对照处理。

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