围湖造田不同土地利用方式下土壤呼吸季节动态及其对温度的敏感性

王 莹，阮宏华，黄亮亮

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏南京210008；2.南京林业大学湿地生态研究中心，江苏省林业生态工程重点实验室，江苏南京210037)

围湖造田不同土地利用方式下土壤呼吸季节动态及其对温度的敏感性

王 莹1，阮宏华2，黄亮亮2

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏南京210008；2.南京林业大学湿地生态研究中心，江苏省林业生态工程重点实验室，江苏南京210037)

[目的]为了研究围湖造田对碳循环以及对区域乃至全球气候变化的影响。[方法]以太湖流域肖甸湖区为试验地，利用LI-6400-09土壤碳通量观测仪，分析了该处围湖造田区香樟(Cinnamomumcamphora)林、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)林、毛竹(Phyllostachysheterocycla)林和农田4种不同典型土地利用方式土壤呼吸的季节动态与温度敏感性。[结果]不同土地利用方式土壤呼吸具有一致的显著季节变化，其季节变化主要受土壤温度的控制。香樟林、水杉林、毛竹林、农田的月平均土壤呼吸速率分别为0.384～3.070、0.603～3.960、0.611～5.850和0.333～4.820 μmol/(m2·s)，年变异幅度分别为7.99、6.57、9.57和14.47。香樟林、水杉林、毛竹林、农田的Q10值分别为2.54、2.21、2.82、2.17；林地土壤呼吸对温度的敏感性大于农田。[结论]与相同气候区旱地森林相比，围湖地区土壤呼吸速率较高，Q10值较大，表明在未来全球气候变暖的背景下，围湖地区可能比旱地土壤向大气释放更多的CO2。在研究全球碳循环的过程中，围湖造田对碳循环的影响应给予充分的考虑。

围湖造田; 土地利用方式; 土壤呼吸; 温度敏感性; 季节动态

土壤是陆地生态系统最大的碳库，贮存了约2 000 Pg(1 P=1015)的碳[1]。土壤呼吸是指从土壤表面释放CO2的过程，主要包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤动物呼吸和土壤中含碳物质化学氧化过程。从土壤释放到大气的CO2是构成全球碳循环的一个非常重要的部分[2]，每年由土壤呼吸向大气释放的CO2估计为77.1 Pg碳[3]，因此土壤呼吸速率的微小变化都可能对大气CO2含量产生非常大的影响[4]。据预测，如果全球温度升高1 ℃即可导致土壤释放的CO2增加11～30 Pg碳[5]。湿地是陆地生态系统的重要组成部分，在碳的储存中起着重要的作用。湖泊，尤其是淡水湖泊，是与人们的生产生活密切相关的非常重要的一种湿地类型，受人类干扰活动强烈。其中，围湖造田是我国20世纪50年代后期开始大量出现的与水争地的干扰方式。通过对湖泊排干垦殖，一方面增加了土地面积，促进农业增产、增收，但另一方面改变了原有湿地生态系统的碳循环模式，进而可能对全球碳循环产生很大的影响。笔者以太湖流域肖甸湖区为代表，研究了肖甸湖区围湖造田后，香樟(Cinnamomumcamphora)林、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)林、毛竹(Phyllostachysheterocycla)林、农田这4种太湖流域不同土地利用方式下土壤呼吸的季节动态及其对温度敏感性，为进一步认识和理解围湖活动对碳循环的影响提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 研究地肖甸湖区位于吴江市同里镇东北部(120°48′ E，31°10′ N)，属北亚热带季风气候，年平均气温16 ℃，年平均相对湿度78%，年降雨量1 000 mm。该区域地处太湖流域平原地区，原是一片浅水湖泊，20世纪60年代初动工进行围湖造田，于1969年启动植树造林，经过30多年的栽培管理，已形成以香樟、水杉、毛竹为主林的成片林地约133 hm2。同时，当地居民拥有农田约7 hm2，以水稻-油菜轮作制度为主要种植方式。试验区地形平坦，土壤母质来源比较均一，有小型河流分布于试验区内。试验地基本概况如下：①香樟林，32年树龄，人工纯林，密度约为2 900株/hm2，平均胸径为12.3 cm，平均树高为9 m，郁闭度约为0.90；②水杉林，25年树龄，林木密度约为1 600株/hm2，平均胸径为20.6 cm，平均树高为19 m，郁闭度约为0.60，林下植被较丰富，主要有美洲商陆(Phytolaccaamericana)、野蔷薇(Rosamultiflora)、构树(Broussonetiapapyrifera)、蕨类植物等，盖度约为0.85；③毛竹林，34年树龄，采取粗放经营模式，有人工砍伐及春季挖笋，密度约为4 700株/hm2，平均胸径为11.8 cm，平均树高为18 m，郁闭度约为0.85；④农田，水稻与油菜轮作，秋季水稻收割后进行秸秆还田，平均尿素施用量为1 500 kg/(hm2·年)。

1.2 土样采集、处理与指标测定 分别选取阔叶林(香樟林)、针叶林(水杉林)、竹林(毛竹林)和农田4种太湖流域典型的土地利用方式，每种土地利用方式随机设置3块10 m×10 m的试验样地，4种土地利用方式共计12块样地。在每块样地内用直径为2 cm土钻分别采取0～10 cm的土壤样品各1份。每份土壤样品由对应的样地中随机采取的20个土芯混合而成，共计12个样品。样品采回后，剔除活体根系、石块等杂质，轻轻碾碎过2 mm筛，混匀，放于阴凉干燥通风处自然风干，取部分用于测定土壤pH，另取部分磨细过0.15 mm筛，用于测定土壤有机碳、土壤全氮、全磷、全硫含量(表1)。土壤基本理化性质采样测定时间为2008年10月；为了分析土壤呼吸的季节动态，2008年10月～2009年9月，每个月野外测定1次，同时测定5 cm土层土壤温度与0～10 cm土层土壤湿度。

表1 不同土地利用方式土壤基本理化性质

使用便携式LI-6400-09土壤呼吸测量系统(LI-COR，美国)，测定土壤呼吸速率的变化。在每块样地内随机安放1个土壤隔离圈(内径10 cm，高5 cm)，4种土地利用方式3个重复，共计12个土壤隔离圈。提前1 d，将土壤隔离圈插入土壤约2 cm，并且清理土壤表面，尽量减少测定时对土壤的扰动。选择每月上旬(1 ～10日期间)天气状况较好的日子，于08：30～11：00与14：30～16：00进行测定，尽量使得每块样地每个月的测定时间保持一致。土壤温湿度测定方法为：使用LI-6400附带的温度探针测定5 cm土层土壤温度；采用烘干法测定0～10 cm土层土壤湿度，即取10 g新鲜土壤样品放入烘箱中，在105 ℃的温度条件下烘干至恒重。土壤有机碳、全氮、全硫测定使用元素分析仪(Elementar Vario EL，德国)；全磷测定使用等离子发射光谱仪(ICP，德国)；容重测定采用环刀法；pH测定采用电位法[6]。

不同土地利用方式的土壤呼吸速率采用One-Way ANOVA单因素方差分析方法检验在P=0.05显著水平上的差异；采用指数回归模型，分析土壤呼吸与土壤温度的相关关系；采用一般线性模型，分析土壤呼吸与土壤湿度的相关关系。使用SPSS 13.0统计分析数据，利用EXCEL 2003处理图表。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤呼吸速率与季节动态 由图1可知，4种土地利用方式土壤呼吸速率均表现出明显的季节变化。在最冷的1月，土壤呼吸速率最低；随着土壤温度的升高，土壤呼吸速率也逐渐上升，在9月达到最大值；随后逐渐下降。香樟林土壤呼吸速率季节变化范围在0.384～3.070 μmol/(m2·s)，变异幅度(月平均土壤呼吸速率最大值/最小值)达7.99；水杉林土壤呼吸速率季节变化范围在0.603～3.96 μmol/(m2·s)，变异幅度达6.57；毛竹林土壤呼吸速率季节变化范围在0.611～5.85 μmol/(m2·s)，变异幅度达9.57；农田土壤呼吸速率季节变化范围在0.333～4.820 μmol/(m2·s)，变异幅度达14.47。

不同土地利用方式对土壤呼吸速率的影响在不同月份表现不同。在10、3、4、5月，农田土壤呼吸速率显著高于3种林地(P<0.05)；在11、12、1和7、8月，4种土地利用方式土壤呼吸速率差异不显著(P>0.05)；2月水杉林与毛竹林土壤呼吸速率显著高于香樟林与农田(P<0.05)，6月水杉林土壤呼吸速率显著高于其他3种土地利用方式(P<0.05)，9月毛竹林土壤呼吸速率最高。

2.2 不同土地利用方式下土壤呼吸速率与土壤温湿度季节动态 由图2可知，4种土地利用方式5 cm土壤温度均表现出明显的季节变化，并且具有一致的变化趋势。1月土壤温度最低，随后逐渐升高，在7、8、9月达到最大值，之后又逐渐降低。农田土壤温度在冬季低于3种林地，在夏季则高于3种林地。而0～10 cm土层林地土壤湿度的季节波动不大，主要集中在25%～30%。毛竹林土壤湿度大于其他3种土地利用方式，农田土壤湿度低于3种林地。

图1 不同土地利用方式下土壤呼吸速率季节动态

图2 不同土地利用方式下5 cm土壤温度及0～10 cm土壤湿度季节动态

由图3可知，4种土地利用方式土壤呼吸速率与土壤温度均呈显著正相关(P<0.01)，土壤呼吸速率随土壤温度的升高呈指数上升。3种林地土壤呼吸速率与土壤湿度之间无显著相关关系，农田土壤呼吸速率与土壤湿度呈显著负相关(-0.690*)。土壤呼吸对温度的敏感性常用Q10值来表示。Q10值表示温度增加10 ℃所导致呼吸速率增加的倍数。根据Q10=e10×β1，计算土壤呼吸的Q10值，其中β1为土壤呼吸速率的温度指数曲线方程中y=β0eβ1T的温度反应系数[7]。香樟林的Q10值为2.54，水杉林的Q10值为2.21，毛竹林的Q10值为2.82，农田的Q10值为2.17。可以看出，林地土壤呼吸对温度的敏感性大于农田。

图3 不同土地利用方式下土壤呼吸速率与土壤温度的指数相关关系

3 讨论

大量研究表明，土壤呼吸具有明显的季节变化[8-13]。该研究显示，肖甸湖区不同土地利用方式下土壤呼吸均具有明显的季节动态，并且与土壤温度的变化趋势一致，表现为土壤呼吸速率夏季最高，冬季最低。这与前人的研究结果[8-10，14]一致。土壤呼吸是一个受生物和非生物因素控制的非常复杂的过程，而这些生物因素和非生物因素可能会随着季节的变化而变化，导致土壤呼吸具有明显的季节变化。与相同气候区旱地发育的森林土壤[13]相比，肖甸湖区土壤呼吸速率较高。

土壤温度是影响土壤呼吸的一个非常重要的因子。土壤湿度是影响土壤呼吸的另一个重要因子，仅次于土壤温度[15]。一些研究显示，土壤呼吸的季节变化主要归因于土壤温度的变化[13]，而另一些研究表明，土壤呼吸呈现明显的季节变化，与土壤温度、土壤湿度的共同变化有关[16-18]。在此次研究中，土壤呼吸的季节变化与土壤温度的季节变化一致，3种林地土壤呼吸速率与土壤湿度之间没有显著相关关系。这是由于在湿润的北亚热带季风气候区，土壤水分充足，林地土壤湿度集中在25%～30%波动，变化范围较小，不足以影响植物根系与土壤微生物的活动，因此难以甄别出土壤湿度对土壤呼吸的影响。黄承才等[19]研究表明，在湿润的亚热带季风气候区，土壤湿度不是土壤呼吸的限制性因子，它对土壤呼吸的综合影响和直接效应相对较小。在围湖地区自然条件下，土壤温度是调控土壤呼吸季节动态的主导因子。农田土壤呼吸速率与土壤湿度呈显著负相关。此外，土壤呼吸对温度的敏感性低于林地，季节变异幅度却远高于3种林地。这说明农田受人为干扰较为强烈，围湖地区农田土壤呼吸的季节变化受土壤温度与土壤湿度的共同影响。

不同生态系统和不同温度范围之间Q10值变化很大[20-21]，其中部分原因是土壤呼吸的不同成分对温度的敏感性不同[22-23]。Zheng等[21]对我国主要气候带各种生态系统的Q10值研究结果进行归纳总结，得出土壤呼吸的Q10值变化范围在1.28～4.75，认为Q10值的空间变化主要受测定期间的土壤温度、土壤有机碳含量以及生态系统类型的影响。肖甸湖区阔叶林土壤呼吸的Q10值为2.54，高于相同气候区丘陵阔叶林(Q10=2.19)；针叶林土壤呼吸的Q10值为2.21，高于相同气候区丘陵针叶林(Q10=2.02)[13]。这说明围湖地区土壤呼吸对温度的敏感性要高于旱地森林土壤。

综上所述，肖甸湖区不同土地利用方式土壤呼吸具有一致的显著季节变化，其季节变化主要受土壤温度的控制。与旱地发育的植被土壤相比，围湖后的土壤呼吸速率较高，Q10值较大，表明在未来全球气候变暖的背景下，围湖地区可能较旱地土壤向大气释放更多的CO2。

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Seasonal Fluctuation and Temperature Sensitivity of Soil Respiration in Reclaiming Land from Lake under Different Land Uses

WANG Ying et al

(Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, Jiangsu 210008)

[Objective] The research aimed to study the effects of reclaiming land from lake on the carbon cycle and climate changes in the region and the globe. [Method] The seasonal fluctuation of soil respiration was measured monthly by LI-6400-09 inCinnamomumcamphoraforest,Metasequoiaglyptostroboidesforest,Phyllostachysheterocyclaforest and a cropland in the reclaiming land from Xiaodian lake area, Wujiang City, Jiangsu Province. [Result] There was a significant seasonal fluctuation of soil respiration under each land use. Soil temperature was the main factor controlling the seasonal fluctuation of soil respiration. The monthly mean of soil respiration ranged from 0.384 to 3.07 μmol/(m2·s) inCinnamomumcamphoraforest, ranged from 0.603 to 3.960 μmol/(m2·s) inMetasequoiaglyptostroboidesforest, ranged from 0.611 to 5.850 μmol/(m2·s) inPhyllostachysheterocyclaforest, and ranged from 0.333 to 4.820 μmol/(m2·s) in the cropland, with the annual variation scope 7.99, 6.57, 9.57 and 14.47, respectively.Q10value of soil respiration was 2.54 inCinnamomumcamphoraforest, 2.21 inMetasequoiaglyptostroboidesforest, 2.82 inPhyllostachysheterocyclaforest, and 2.17 in the cropland, respectively.Q10value in forest lands was higher than that in the cropland. [Conclusion] The soil respiration andQ10value were higher in the impoldering land relative to the upland of the same climate zone, indicating that under the background of global warming, imploding land might emit more CO2than upland. It was important to note the effect of reclaiming land from lake on the carbon cycle.

Reclaiming land from lake; Land use; Soil respiration; Q10; Seasonal fluctuation

林业公益项目(200804006；200704005/wb02)；国家自然科学基金项目(30670313)。

王莹(1981- )，女，山东济宁人，博士，从事湿地生态系统营养元素循环方面的研究。

2014-05-04

S 181.3

A

0517-6611(2014)15-04633-03