疏勒河流域绿洲荒漠过渡带土壤呼吸特征及其影响因素

郭全恩，李保国，南丽丽，曹诗瑜，陈建刚1. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 70070；2. 农业部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站，甘肃 武威，7017；. 中国农业大学资源与环境学院，北京 10009；. 甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州　70070

疏勒河流域绿洲荒漠过渡带土壤呼吸特征及其影响因素

郭全恩1， 2， 3，李保国3，南丽丽4，曹诗瑜1， 2，陈建刚41. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070；2. 农业部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站，甘肃 武威，733017；
3. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100094；4. 甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州730070

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环研究的关键问题之一。为了研究绿洲荒漠演化过程土壤呼吸的变化特征及其影响因素，运用地统计学的方法分析了500 m间隔取样尺度下甘肃省玉门镇饮马农场一条绿洲荒漠过渡带（荒漠、荒漠-绿洲、绿洲）土壤呼吸速率在不同时期（5、7、10月）的时空变异性，并结合过渡带不同监测点的植被盖度、土壤温度、空气相对湿度、土壤容积含水量以及土壤0～20 cm土层pH值、盐分、HCO3-、Cl-、Ca2+、Mg2+、SO42-、K+、Na+等理化性质分析，探讨了环境因素与土壤呼吸速率之间的相关性。结果表明：从荒漠向绿洲过渡，土壤呼吸速率从荒漠端的1.21 μmol·m-2·s-1逐渐增大到绿洲端的4.85 μmol·m-2·s-1，增加3倍。从季节变化来看，7月份土壤呼吸速率最大，10月份土壤呼吸速率最小，5月份土壤呼吸速率居中。绿洲荒漠过渡带土壤呼吸速率的变异系数为64.1%～78.1%，属中等变异。从空间相关性来看，7月和10月土壤呼吸速率的块金值为0.065和0.113，均小于0.25，空间相关性强；5月份土壤呼吸速率的块金值为0.690，空间相关性中等。研究发现土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著正相关关系（P=0.002）。

疏勒河流域；绿洲荒漠过渡带；土壤呼吸；季节变化；影响因素

引用格式：郭全恩， 李保国， 南丽丽， 曹诗瑜， 陈建刚. 疏勒河流域绿洲荒漠过渡带土壤呼吸特征及其影响因素［J］. 生态环境学报， 2016， 25（6）: 934-938.

GUO Quanen， LI Baoguo， NAN Lili， CAO Shiyu， CHEN Jiangang. Characteristics of Soil Respiration and Its Influence Factors in Oasis-desert Transitional Belt of Shule River Basin ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（6）: 934-938.

绿洲-荒漠过渡带是绿洲生态系统与荒漠生态系统间物质循环、能量转换及信息传递的场所（樊自立等，2002）。同时，绿洲-荒漠过渡带在干旱区处于非常重要的地位，绿洲的变迁和绿洲农田的未来扩展都是从绿洲荒漠过渡带开始，它不仅保护绿洲免受风沙危害，并且为绿洲农业稳定发展提供天然屏障。因此，研究绿洲荒漠过渡带具有非常重要的科学意义。

土壤呼吸作为生态系统碳循环的一个重要组成部分，通常作为土壤生物活性、土壤肥力及透气性指标而受到重视（刘绍辉等，1997）。目前，国内外对土壤呼吸的研究主要集中在北方森林、亚热带森林、热带季节雨林北方草原和西藏高寒草原等地区（李晓杰等，2016；曾清苹等，2016；赵慧丽等，2016；郭其强等，2016；Adachi et al.，2005）。然而，有关疏勒河流域绿洲荒漠过渡带土壤呼吸的研究还鲜见报道。

土壤呼吸速率具有明显的昼夜变化和季节动态，气温和土壤温度对土壤呼吸都有一定的影响（崔骁勇等，1999），土壤呼吸与土壤5 cm温度和0～20 cm平均土壤含水量（体积比）呈显著正相关（林丽莎等，2006）。不同植被类型的土壤呼吸随时间有明显的变化，且与土壤温度最大值同步，滞后于空气温度最大值，与土壤湿度相关性较差（王传宽等，2005）。由于沿荒漠向绿洲过渡，土壤剖面水分和地表植被发生着梯度变化，这必然引起土壤呼吸速率的梯度变化。因此，本研究以绿洲荒漠过渡带土壤为研究对象，对过渡带土壤呼吸特征及其影响因素进行研究，旨在为绿洲荒漠的演变预测及其土壤碳循环提供科学依据。

1　研究方法

1.1研究区概况

研究区位于甘肃省河西走廊西端疏勒河流域的玉门市饮马农场，平均年降水量47～63 mm，年蒸发量2897～3042 mm，年平均气温6.9～8.8 ℃，属典型的内陆干旱性气候，当地土壤类型为潮土。

1.2研究方法

1.2.1取样调查方法

依据土壤水分和地表植被梯度变化，在甘肃省酒泉市玉门镇饮马农场布设了一条东北-西南走向（东北地段为荒漠，西南地段为绿洲），长约 6 km的绿洲荒漠过渡带，在这条样带线上，采用GPS定位采样，相邻样点间相隔大约500 m，共选取12个样地作为监测点，每4个监测点划分为1个样段，共划分为3个样段：Ⅰ荒漠，地块是盐碱荒地，植被有白刺 Nitraria tangutorum、骆驼刺 Alhagi sparsifolia、芦苇Phragmites australis、红柳Ammania gracilis；Ⅱ荒漠-绿洲，地块有撂荒地、新开垦种植小麦Triticum aestivum、孜然Cuminum cyminum和茴香 Foeniculum vulgare；Ⅲ绿洲，地块种植苜蓿Medicago Sativa和油葵Helianthus annuus。

1.2.2样品采集和分析方法

于2012年5月上旬、7月下旬和10月上旬，在选定样地采用土壤碳通量测量系统 Li-8100A （USA）监测土壤呼吸速率的季节性动态变化，利用Li-8100连接探头测定土壤温度、水分和空气相对湿度，各样地每次重复测定 3次，每次测定 4个观察值。用步测法测定植被盖度。采用GPS定位采样法，每个样地选取 3个点采集表层（0～20 cm）土壤混匀，四分法取大约500 g土壤封装带回实验室，用铝盒烘干法测定土壤含水量，将土样研磨过1mm筛子封装。实验中测量取样，使两次取样地点在半径2 m的范围内，有效地减少了误差。土壤盐分、8大离子和pH的测定均采用常规分析方法。

1.3数据处理

采用Spss 20.0软件对土壤呼吸速率进行描述性统计和正态分布检验，依据正态分布 K-S检验对土壤呼吸速率进行正态分布检验，3个时期土壤呼吸速率PK-S值均小于0.375（n=12，P=0.05），故不符合正态分布。因此，在进行地统计分析前必须对数据对数转化，使其符合正态分布。用ArcGIS 10.0进行大地坐标转换，用GS+9.0地统计学软件对土壤呼吸做半方差分析。为方便采样点土壤呼吸速率空间变异的分析，取样点的经纬度坐标在 ArcGIS中利用高斯-克吕格变化处理转换为大地坐标。土壤呼吸速率与环境因子之间的关系采用Canoco for windows 4.5软件进行冗余分析，根据方差膨胀因子（VIF）剔除土壤盐分（X1）、Cl-（X4）、Mg2+（X6）、Na+（X9），挑选了9个主要环境因子。

2　结果分析

2.1绿洲荒漠过渡带土壤呼吸速率的季节性演变规律

从荒漠向绿洲演化，土壤呼吸速率呈现明显的增加趋势，但在不同季节增幅不同（图 1）。5月份土壤呼吸速率从荒漠地段的 0.95 μmol·m-2·s-1逐渐增大到绿洲的4.47 μmol·m-2·s-1，增加3.7倍；7月份土壤呼吸从荒漠地段的 1.46 μmol·m-2·s-1逐渐增大到绿洲的11.33 μmol·m-2·s-1，增加6.8倍；10月份土壤呼吸速率从荒漠地段的 0.51 μmol·m-2·s-1逐渐增大到绿洲的1.07 μmol·m-2·s-1，增加1.1倍。这说明由荒漠向绿洲演替，土壤的生物活性逐渐增强。从土壤呼吸的季节性变化来看，7月份土壤呼吸速率最高，10月份最低，5月居中。

图1　绿洲荒漠过渡带土壤呼吸速率在不同季节的变化Fig. 1　Seasonal variation of soil respiration rate in oasis-desert transitional belt

2.2土壤呼吸速率的半方差分析

对绿洲荒漠过渡带土壤呼吸速率的变异系数进行统计，其变化在64.1%～78.1%之间，属于中等变异性（10%＜CV＜100%）。为进一步量化绿洲-荒漠过渡带不同地段土壤呼吸速率的变化情况，将其人为划分为：荒漠地段、荒漠-绿洲地段、绿洲地段。采用地统计学软件对 3个时期土壤呼吸速率进行了半方差函数分析（表1）。从表1可知，5月份，土壤呼吸速率为指数模型，模型决定系数为0.341，残差为12.7；7月和10月土壤呼吸速率均符合球形模型，其决定系数分别为 0.886和0.793，残差分别为0.014和0.018。5月份土壤呼吸速率的块金值为0.690，在0.25～0.75之间，空间相关性中等；7月和10月呼吸速率的块金值为0.065和0.113，均小于0.25，空间相关性强。5、7、10月变程依次为1558、1510、1642 m，超出这个距离，土壤呼吸速率就不再表现出空间自相关性。

表1　土壤呼吸速率的半方差函数参数及检验Table 1　Test and semivariance of soil respiration rate

2.3土壤呼吸速率与环境因子的关系

对土壤呼吸速率与环境因子之间的关系进行冗余分析（图2），研究发现土壤温度对呼吸速率的影响最为显著（P=0.002，F=17.58），pH、HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、植被盖度、空气相对湿度、土壤水分对土壤呼吸速率的影响均不显著（P＞0.05）。从图2可知，土壤温度、pH、SO42-、Ca2+、K+对荒漠段（采样点1，2，3，4）土壤呼吸速率有较大的影响；HCO3-、植被盖度、空气相对湿度、土壤水分对绿洲段（采样点 9，10，11，12）土壤呼吸速率有较大的影响。

图2　土壤呼吸与环境因子关系的冗余分析Fig. 2　Biplot of the first two axes of the RDA for environment factors associated with soil respiration

3　讨论

3.1从荒漠向绿洲过渡环境因子的变化规律

干旱区气候变化对荒漠绿洲过渡带的影响，主要表现在对水资源配置、植被覆盖、沙化、荒漠化以及盐碱化的发展上（李谢辉等，2008）。在疏勒河流域的微型荒漠绿洲过渡带，绿洲段的农业主要以灌溉为主，但在荒漠段植被的生长主要依靠天然降雨，降雨量的减少和温度、蒸发量的升高将会抑制荒漠段植被的生长。研究发现从荒漠向绿洲过渡，植被盖度由51.5%逐渐增大到100.0%，近地面空气相对湿度由15.3%逐渐增大到18.6%，土壤盐分由4.775%逐渐减小到0.188%，Cl-由3.029%逐渐减小到0.053%，SO42-由0.280%逐渐减小到0.027%，Ca2+由0.394%逐渐减小到0.034%，K+由0.085%逐渐减小到 0.002%，Na+由 0.991%逐渐减小到0.030%；而土壤近地面空气温度、土壤水分、pH值、HCO3-、Mg2+的变化不太明显。这说明由荒漠向绿洲过渡，植被盖度和近地面空气相对湿度增大，土壤盐分、Cl-、Ca2+、SO42-、K+、Na+含量明显减少。这主要是由于从荒漠向绿洲过渡，生态系统向良性发展转变，即从荒漠生态系统向农田生态系统转变，是人类干预的结果。尽管水分是荒漠-绿洲植物生长和生态系统碳循环的限制因子，但从表层土壤水分没有明显的变化规律来看，这主要是由于表层土壤水分受外界环境的影响较大所致。

3.2从荒漠向绿洲演替土壤呼吸速率对环境因子的响应特征

土壤呼吸受到生物和非生物因素（包括降水、土壤温度、土壤含水量、植被类型、基质质量、根生物量及微生物活性等）的影响，在不同时空条件及不同生态系统中影响的主导因素各不相同（涂利华等，2009）。Iqbal et al.（2010）认为在盐渍土中，土壤含盐量是影响土壤呼吸的重要因素。在本研究中，绿洲-荒漠过渡带土壤均有不同程度的盐化现象，在荒漠地段，植被稀疏，主要植被有白刺、骆驼刺、芦苇、红柳；在荒漠绿洲地段，有新开垦农田和撂荒地，主要植被有小麦、孜然和茴香；在绿洲地段主要植被是苜蓿和油葵。在荒漠-绿洲过渡带实际包括3个生态系统，即荒漠生态系统、半荒漠半农田生态系统和农田生态系统。在荒漠生态系统，土壤呼吸主要受放牧强度（董全民等，2012；Carrera et al.，2008；Zhang et al.，2012）、植被类型和植被盖度的影响；在农田生态系统，土壤呼吸对管理措施变化响应十分敏感（杨士红等，2015），如不同作物种植及其种植方式、施肥、灌溉、地面覆盖等均会影响土壤呼吸，另外，同一植物在不同地点由于生物量不同，可能造成呼吸的差异。

研究发现土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著性正相关关系（P＜0.01），这与一些学者在干旱区盐碱土的研究结论一致（Fang et al.，1998；Reth et al.，2004；王忠媛等，2013），这是由于土壤温度升高，土壤微生物活性增大，土壤呼吸增强。研究发现土壤呼吸速率与土壤水分含量相关性不显著，这与高强等（2015）人报道的一致。

从土壤呼吸速率的季节性变化来看：7月＞5月＞10月，这说明夏季土壤呼吸速率最高，其次是春季，最后是秋季。这一结果基本与秦璐等（2013）报道在艾比湖地区早春冻土融化阶段土壤呼吸速率高于深冬冻结期土壤呼吸速率相一致。

4　结论

（1）从荒漠向绿洲演化，土壤呼吸速率的变异系数在64.1%～78.1%之间，属中等变异，且土壤呼吸速率呈现明显的增加趋势。从空间相关性来看，在7月和10月土壤呼吸速率的空间相关性强，5月土壤呼吸速率的空间相关性中等。从土壤呼吸的季节性变化来看，7月土壤呼吸速率最高，10月最低，5月居中。

（2）研究发现，疏勒河流域绿洲荒漠过渡带土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著性正相关关系（P=0.002）。

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Characteristics of Soil Respiration and Its Influence Factors in Oasis-Desert Transitional Belt of Shule River Basin

GUO Quanen1， 2， 3， LI Baoguo3， NAN Lili4， CAO Shiyu1， 2， CHEN Jiangang4
1. Soil Fertilizer and Water-Saving Institute， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou 730070， China；
2. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agriculture Environment （Gansu）， Ministry of Agriculture，Wuwei 733017， China；
3. College of Resources and Environmental Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193， China；4. Pratacultural College， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China

Soil respiration is one of critical problems to study of carbon cycle in terrestrial ecosystem. The influence factors （vegetation coverage， soil temperature， air humidity， soil moisture， soil salt， pH， HCO3-， Cl-， Ca2+， Mg2+， SO42-， K+， Na+） and its change characteristics of soil respiration during the different seasons （May， July and October） in oasis-desert transitional belt in Yumen County of Gansu Province are studied by the methods of geostatistics at 500 m sampling scale. Relationships between soil respiration rate and influence factors were analyzed. Results showed that soil respiration in desert was 1.21 μmol·m-2·s-1， in oasis was 4.85 μmol·m-2·s-1， it was rising four times in oasis than in desert. From the point of view of seasonal variation， soil respiration was the highest in July and the lowest in October， the middle of in May， it belonged to medium variability （10%≤CV≤100%） and coefficient variation （CV） was 64.1%～78.1%， the nugget was 0.065 and 0.113 in July and October， respectively， both of them were less than 0.25， a strong spatial correlation is seen between soil respiration in desert and oasis， moreover， spatial correlation was median and the nugget was 0.690 in May. It was found that there was a significantly positively correlation between soil respiration and soil temperature （P=0.002）.

Shule river basin； oasis-desert transitional belt； soil respiration； seasonal variation； influence factors

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.004

X144； S154.1

A

1674-5906（2016）06-0934-05

国家自然科学基金项目（41163002；41363004；31460630）；国家科技支撑计划项目（2012BAD05B03）；甘肃省农业科学院科技创新工程学科团队（2015GAAS03）；甘肃省自然科学基金项目（1208RJZA142）；甘肃省中青年人才科技创新成果转化扶持（06）；甘肃瓮福集团项目（TFSQYHZ-10-01）

郭全恩（1974年生），男，副研究员，博士，研究方向为旱区土壤水盐运移及盐渍化土壤改良。E-mail: qnguo@sina.com

2016-01-21