不同有机质含量土壤CO2排放季节变化规律及差异研究

龚振平，王雪松，宋秋来，李中韬，朱　捷（.东北农业大学农学院，哈尔滨　50030；.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，哈尔滨　50086）



不同有机质含量土壤CO2排放季节变化规律及差异研究

龚振平1，王雪松1，宋秋来2，李中韬1，朱捷1
（1.东北农业大学农学院，哈尔滨150030；2.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，哈尔滨150086）

摘要：为探究不同耕层土壤有机质含量条件下土壤CO2排放通量变化特征与有机质含量关系,设计耕层土壤6个不同有机质含量处理。通过对土壤CO2排放定位连续观测，研究耕层土壤不同有机质含量条件下土壤CO2排放季节变化规律，分析土壤CO2排放与耕层土壤有机质含量关系。结果表明，土壤CO2通量呈单峰曲线季节变化，与地温和气温变化一致；一次方程、二次方程和指数方程均可模拟土壤CO2通量与地温和气温关系，指数方程拟合效果优于一次方程和二次方程。土壤CO2排放最大通量、平均通量、排放总量与耕层土壤有机质呈单峰曲线变化关系，二次方程拟合效果良好；当耕层土壤有机质含量分别为64.50、54.32、59.80 g·kg(-1)时，土壤CO2排放最大通量、土壤CO2排放平均通量、土壤CO2排放总量达到最大值。

关键词：CO2通量；耕层土壤；有机质含量；温度；季节变化

土壤有机质是土壤呼吸的主要碳源，不仅为微生物活动提供能量，对土壤性质和土壤CO2排放也有重要影响[1-3]。Bazzaz等认为，微生物种群和土壤呼吸强度受土壤中易分解有机质影响，当土壤有机质含量、根系生物量、微生物活性增加时，土壤呼吸速度显著增加[4]。Sikora等也指出土壤CO2排放与土壤有机质含量呈正相关[1]。耿远波等研究表明，锡林河流域草原CO2排放通量与有机碳含量、C/N呈正相关[5]。李明峰等发现，环境因子相对稳定情况下，土壤有机碳和全氮含量直接或间接决定草原生态系统CO2排放通量[6]。Wang等发现，有机质分解在种植季对土壤CO2排放产生20%～50%作用，在非种植季产生近100%影响[7]。但Russell等认为，土壤有机质含量对土壤呼吸影响较小[8]。土壤有机质是土壤肥力基础[9]，在评价土壤碳排放、土壤碳平衡等方面均需考虑土壤CO2排放与土壤有机质含量关系，但鲜有研究报道。本试验通过对耕层土壤有机质含量不同的农田土壤CO2排放连续观测，分析土壤CO2排放季节变化规律以及与耕层土壤有机质含量关系，为农田土壤碳排放及碳平衡研究提供参考。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验于2012～2014年在东北农业大学香坊实验实习基地进行。其中2012年为预备试验，2013、2014两年连续观测。该基地属寒温带大陆性气候，四季变化明显，无霜期140 d，≥10℃积温2 700℃。2013年、2014年取样期间降雨量分别为632和516 mm，各月分布情况见图1。

1.2试验设计

通过耕层土壤、底土和草炭土混合配成6个有机质水平供试土壤，玉米种植1年后开始试验取样。6个土壤有机质含量处理分别记为S1、S2、S3、 S4、S5、S6。其中S1、S2、S3处理土壤来自东北农业大学香坊实验实习基地玉米田底土层土壤和耕层土壤，S4、S5、S6处理土壤来自玉米田耕层土壤和草炭土混合配成。土壤基础肥力见表1。

图1　试验期间月降雨量Fig.1 Monthly rainfall during experiment

表1　供试土壤基础肥力Table 1　 Soil basic fertility　(g·kg-1)

气体取样采用小区试验，小区于2011年秋季挖去30 cm耕层土壤，然后填入各处理相对应有机质含量土壤，每个小区面积为2.6 m×1.5 m，小区间修筑有高于田面7～10 cm、宽15 cm、深40 cm砖墙隔开，种植4垄，垄矩65 cm，每个处理3次重复。

2013、2014年均种植玉米，品种为东农253。施肥量为：尿素（N：46%）100 kg·hm-2，磷酸氢二铵（N：18%，P2O5：46%）150 kg·hm- 2，硫酸钾（K2O：30%）150 kg·hm-2；密度：5万株·hm-2。2013年5月2日播种，2014年4月30日播种。耕作方法：人工收获后，秋季人工翻耕，耙平越冬，春季播种，苗期人工垄沟深松。

线路标高由东向西快速由约580 m抬升至3 000 m左右，在跨越少量构造剥蚀低山丘陵区后，进入山体风化卸荷作用强烈，不良地质体密集分布的高山峡谷构造剥蚀中高山地貌区。区内崩塌的发生是由其所处的特殊地质环境决定的，是内、外两种地质条件下的多因素共同作用的结果。

1.3取样方法

静态箱法采集CO2[10]，试验采样箱为有机玻璃箱（见图2），箱体长40 cm、宽30 cm、高50 cm，箱体一侧距顶部30 cm处设置三通阀采气孔，用于连通三通阀便于收集气体。采样箱内置风扇，混匀箱内气体。两垄作物间放入采样用不锈钢底座，底座插入土壤5 cm，底座周围土壤插入30 cm深塑料挡板围起，防止作物根系进入，以排除根系呼吸干扰，取样期间底座及插入挡板不再移动。底座上有水封槽，采样时凹槽灌水，以隔绝室内外气体交换。每次采样时将采样箱置于底座，即开始取样，第一次取气记为0 min，30 min后再采集1次气体样品，两次采集气体用玻璃注射器转移到铝箔采样袋中。CO2浓度应用GXH-3010E1便携式红外线分析仪分析。

图2　CO2采样箱Fig.2 CO2sampling chamber

CO2气体样品采集从4月11日开始，至11月11日结束，7～8 d采集1次气体样品，取样时间为每天8:30～10:00。CO2采集同时测量5、10、15、20 cm土层土壤温度及距地面1 m处气温。

1.4数据处理

采用Excel2007和SPSS19.0数据处理分析、作图。

2　结果与分析

2.1土壤CO2排放通量季节变化

由图3可知，供试耕层土壤有机质含量不同的6个处理，土壤CO2排放通量均表现春季到夏季升高，夏季维持较高水平，秋季开始降低的单峰曲线变化。2013年各处理CO2排放通量峰值，S2出现在7月27日，S3、S6出现在8月3日，而S1、S4、S5均出现在8月10日；2014年各处理CO2排放通量峰值，S1和S3出现在6月21日，S5出现在6月30日，S2、S4、S6均出现在7月7日。土壤CO2排放通量峰值出现在温度较高的7、8月份，两年试验变化趋势一致。

供试的6个处理，土壤CO2排放通量与5、10、15、20 cm土层土壤温度及气温变化趋势一致，一次方程、二次方程和指数方程均拟合程度良好（见表2）。由决定系数R2可知，土壤CO2排放通量与各土层温度及气温拟合均表现为指数方程优于一次方程和二次方程，指数方程应能更好说明土壤CO2排放通量和土壤温度及气温之间关系。但值得一提的是，10 cm土层的S3，15 cm土层的S1、S3，20 cm土层的S1、S2、S3，指数方差R2小于二次方程R2，耕层土壤有机质较低时二次方程模拟结果良好。指数方程下，各温度决定系数平均值表现为20 cm>15 cm>10 cm>气温>5 cm。

2.2耕层土壤有机质含量对土壤CO2排放影响

土壤CO2排放最大通量和平均通量随耕层土壤有机质含量呈单峰曲线变化趋势（见图4）。土壤CO2排放最大通量与耕层土壤有机质含量可用二次方程拟合，P<0.05，R2为0.872，拟合程度良好。方程为：y=-0.052x2+6.708x+242.222，求导得出当耕层土壤有机质含量为64.50 g·kg-1时，土壤CO2排放最大通量达最大值。土壤CO2排放平均通量与耕层土壤有机质含量也可用二次方程拟合，P< 0.05，R2为0.912，拟合程度良好。方程为：y=-0.033x2+3.585x+90.701，求导得出当耕层土壤有机质含量为54.32 g·kg-1时，土壤CO2排放平均通量达最大值。

由图2可知，供试6个处理，土壤CO2排放通量与取样时间用二次方程拟合效果良好，方程见表3。由表2方程积分可知试验期间土壤CO2排放总量（见图5），土壤CO2排放总量随耕层土壤有机质含量呈单峰曲线变化趋势。土壤CO2排放总量与耕层土壤有机质含量同样可用二次方程拟合，P< 0.05，R2为0.937，拟合程度良好。方程为：y= -1.348x2+161.209x+5 089.316，求导得出当耕层土壤有机质含量为59.80 g·kg-1时，土壤CO2排放总量最大。

图3　土壤CO2排放通量季节变化Fig.3 Seasonal viriation of soil CO2emission flux

表2　土壤CO2排放通量与温度方程拟合Table 2 Soil CO2flux and temperature equation fitting

续表

图4　土壤CO2排放通量与耕层土壤有机质含量关系Fig.4 Relationship between soil CO2emission and topsoil organic matter content

表3　土壤CO2排放通量与取样时间回归方程Table 3 Soil CO2flux and sampling time equation fitting

图5　土壤CO2排放总量与耕层土壤有机质含量关系Fig.5 Relationship between soil CO2total emissions andtopsoil organic matter content

3　讨　论

3.1土壤CO2排放季节变化

宋秋来等通过对东北黑土区旱作农田土壤CO2排放定位连续观测发现，农田土壤CO2排放通量随季节呈单峰曲线变化，地温季节变化与土壤CO2排放通量季节变化规律一致[10]。孟凡乔等研究华北高产农田不同耕作方式下土壤呼吸发现，农田土壤呼吸量有明显季节变化规律，且其变化趋势与地温变化一致[11]。叶功富等研究不同林龄木麻黄人工林土壤呼吸，得出土壤呼吸速率季节变化呈单峰曲线变化规律[12]。本试验供试6个处理，土壤CO2排放通量均是呈春季到夏季升高，夏季维持较高水平，秋季开始降低的单峰曲线变化，与前人研究结论一致。对于排放峰值时间，叶功富等认为峰值出现在6、7月[12]，宋秋来等[10]、孟凡乔等[11]认为峰值出现在7月，严俊霞等认为夏玉米农田土壤呼吸速率盛夏秋初较高，最大值出现在8月[13]。本试验结果显示峰值主要出现在7、8月。可见排放峰值主要出现在一年中温度较高的月份，但由于各地区不同地理条件差异，具体时间不同。

3.2温度对土壤CO2排放影响

温度是影响土壤呼吸的主要因子[14-15]，主要通过影响微生物、根生物量及根际活动，对土壤CO2排放产生作用，二者间具有明显相关关系[16-17]。本试验中土壤CO2排放通量与温度作回归分析，一次方程、二次方程和指数方程均可较好模拟二者关系，但指数方程决定系数（R2）明显高于一次方程和二次方程，与宋秋来等[10]、张宇等[18]结论一致，指数方程能更好表达农田土壤（土体）CO2排放与土壤温度关系。对于不同土层温度与土壤CO2通量指数方程拟合结果比较，研究结果不一致。张宇等试验表明，指数方程相应R2表现为翻耕条件下土壤CO2排放通量10 cm地温模拟优于5 cm和20 cm模拟值；旋耕、免耕条件下土壤CO2排放通量20 cm土层地温模拟优于5 cm和10 cm模拟值[18]；金亮等研究发现，土壤呼吸速率与气温、5 cm和10 cm土温3个指标均有较好指数关系，5 cm土温拟合度最好[19]。本试验中，土壤CO2排放通量与温度拟合方程，指数方程优于一次方程和二次方程，但也存在10 cm土层的S3，15 cm土层的S1、S3，20 cm土层的S1、S2、S3，指数方差R2小于二次方程R2。土壤CO2排放通量与温度拟合指数方程R2各处理平均值大小顺序为：20 cm土层>15 cm土层>10 cm土层>气温> 5 cm土层，20 cm土层土壤温度能更好解释农田土壤CO2排放，与较深土层温度稳定不易受外界环境影响有关，5 cm土壤温度波动性最大、拟合度最差。

3.3土壤有机质含量对土壤CO2排放影响

土壤活性有机碳是微生物生长的速效基质，含量直接影响土壤微生物活性[20]，约80%土壤呼吸来源于活性组分分解[21]，溶解性有机碳、微生物量碳与土壤呼吸相关[22-23]，研究发现土壤溶解性有机碳与CO2排放动态无显著相关关系[24]。农业土壤活性有机碳占土壤总有机碳6%～36%[25]。

本试验中，土壤CO2排放通量和总量随耕层土壤有机质升高呈单峰曲线变化，二次方程拟合效果良好。CO2排放最大通量与耕层土壤有机质含量拟合方程为Ymax=-0.052x2+6.708x+242.222，当耕层土壤有机质含量为64.50 g·kg-1时土壤CO2排放最大通量最大。CO2排放平均通量与耕层土壤有机质含量拟合方程为Yave=-0.033x2+3.585x+ 90.701，当耕层土壤有机质含量为54.32 g·kg-1时土壤CO2排放平均通量最大。CO2排放总量与耕层土壤有机质含量拟合方程为Ysum=-1.348x2+ 161.209x+5 089.316，当耕层土壤有机质含量为59.80 g·kg-1时土壤CO2排放总量最大。结合试验结果，低有机质下随有机质含量升高，土壤CO2排放总量升高，与秦越等研究结果一致[24]。但土壤有机质含量达到一定水平时，本试验情况下土壤有机质含量达59.80 g·kg-1时，土壤CO2排放总量有降低趋势。

4　结论

a.供试耕层土壤有机质含量不同的6个处理，土壤CO2排放通量具有明显季节变化趋势，具体表现为春季到夏季升高，夏季维持较高水平，秋季降低单峰曲线变化。

b.气温和地温与土壤CO2排放通量显著相关，一次方程、二次方程和指数方程均可拟合，指数方程拟合效果最好。20 cm深度地温可更好解释土壤CO2排放通量变化。

c.土壤CO2排放通量和试验期间排放总量与耕层土壤有机质含量显著相关。土壤有机质含量较低时，随土壤有机质含量提高，土壤CO2排放通量和排放总量明显增加，当土壤有机质含量分别达到64.50、54.32、59.80 g·kg-1时，土壤CO2排放最大通量、平均通量、排放总量达最大值，而后不再随土壤有机质含量增加而增加。

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Study on seasonal variation of soil carbon dioxide emissions under different contents of soil organic matter

GONG Zhenping1,WANG Xuesong1,SONG Qiulai2,LI Zhongtao1,ZHU Jie1(1.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.Institute of Crop Tillage and Cultivation,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China)

Abstract:In order to explore the variation of soil carbon dioxide fluxes under the condition of different topsoil organic matter and the relationship between soil carbon dioxide emissions and the content of soil organic matter,six levels of organic matter treatments was designed.The law of soil carbon dioxide emissions' seasonal viriation and the effects of the topsoil organic matter content were explored by investigating the soil carbon dioxide emissions with different level of topsoil organic matter,and continually monitoring at fixed sample plots,and then the relationship among soil carbon dioxide emissions and the topsoil organic matter content was analysed.The results showed that soil carbon dioxide emission flux had obvious seasonal,showing a single peak curve.It was same as ground temperature and air temperature's seasonal variation.Linear equation,quadratic equation and exponential equation could simulate the relationship between soil carbon dioxide flux and temperature.The exponential equation was better than the linear equation and quadratic equation.The relation ofbook=32,ebook=37topsoil organic matter content to soil carbon dioxide emission maximum flux,soil carbon dioxide emission average flux,soil carbon dioxide total emissions were expressed in a single curve,and quadratic equation fit with good results.Soil carbon dioxide emission maximum flux,soil carbon dioxide average flux,soil carbon dioxide total emissions reached the maximum with topsoil organic matter content of 64.50,54.32 and 59.80 g·kg(-1),respectively.

Key words:soil carbon dioxide flux; topsoil; organic matter content; temperature; seasonal viriation

作者简介：龚振平（1966-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为作物生理与保护性耕作。E-mail:gzpyx2004@163.com

基金项目：国家科技支撑计划项目（2015BAD23B05）

收稿日期：2015-07-27

中图分类号：X196

文献标志码：A

文章编号：1005-9369（2016）03-0031-07