东北农场农作物生长季土壤呼吸对温度和含水量的响应

来雪慧, 李 丹, 于波峰, 朱 江, 姚志远, 张姝婷

(太原工业学院 环境与安全工程系, 太原 030008)

(平均值±标准误差)



东北农场农作物生长季土壤呼吸对温度和含水量的响应

来雪慧, 李 丹, 于波峰, 朱 江, 姚志远, 张姝婷

(太原工业学院 环境与安全工程系, 太原 030008)

通过静态碱液吸收法测定了东北典型农场水稻和玉米两种农作物在生长期(4—7月)的土壤呼吸速率及其变化规律，分析了不同深度的土壤呼吸速率对土壤温度和土壤含水量的响应。结果表明：在作物生长期，水稻样地的土壤呼吸速率高于玉米样地。水稻和玉米样地在0—15 cm深度的土壤呼吸速率明显高于15—30 cm和30—60 cm。随着土壤深度的增加，土壤呼吸速率逐渐减小。水稻土壤的呼吸速率最大值为580.6 μg/(kg·h)，最小值为160.4 μg/(kg·h)；而玉米的土壤呼吸速率最大值为565.3 μg/(kg·h)，最小值为137.5 μg/(kg·h)。水稻和玉米样地土壤呼吸速率与土壤温度呈现极显著相关关系(p<0.01)，土壤温度曲线在4月到6月初明显上升，而土壤呼吸速率曲线在这一时段也呈相同态势；6月下旬到7月初土壤温度变化平稳，土壤呼吸速率与土壤温度的同步变化趋势不明显。同时，两种作物的土壤含水量与土壤呼吸速率间的相关性也极为显著(p<0.01)，说明土壤含水量也能够解释生长期水稻和玉米的土壤呼吸速率变化。

土壤呼吸速率; 土壤温度;Q10; 含水量

土壤呼吸作用影响着大气中CO2浓度的变化，同时对全球碳循环也有重要的影响[1]。因此，在全球气候明显变化的背景下，测定各陆地生态系统的土壤呼吸作用的影响因素对于碳损失和全球变化的研究十分重要[2-3]。大多数研究认为土壤温度、土壤湿度以及两者的交互作用是影响土壤呼吸的主要驱动力[4]。土壤呼吸作用对温度的响应结果很大程度上决定着全球碳循环与气候变化的相互作用[5-6]，有利于碳循环模型的优化与调整[7]。大多学者认为，在土壤水分含量变化范围较小的情况下，土壤呼吸与土壤含水量之间没有显著的关系，也就是说土壤含水量对呼吸作用的影响相对较小，这可能是由于被其他因子或误差所掩盖[8]。

目前，对于土壤呼吸的研究大多仅限于森林[9-10]和草地生态系统[11-12]，对于农田生态系统的研究则较少。农业生态系统被认为是全球碳库中最活跃的部分，大气中20%的CO2来源于农业生产等过程。近年来，对于农田生态系统及农作物的土壤呼吸作用研究也增多[13-14]，但主要集中在旱地农作物土壤方面，尤其是玉米[15-16]和大豆[17-18]。土壤呼吸与土壤温度之间的关系通常以温度敏感性表征(Q10)，即温度每增加10℃土壤呼吸的变化。根据野外试验监测，发现中国土壤呼吸速率的温度敏感性Q10值介于下辽河平原玉米田土壤的0.93[19]到川西亚高山针叶林土壤的6.27[20]范围之间，而南京的土壤—玉米系统中的Q10值为1.90～2.88[21]。目前关于不同生态系统土壤呼吸作用的研究已经较为成熟，且大多关注土壤呼吸速率对温度、水分与底物变化的响应机理，而针对不同作物类型土壤呼吸速率的研究则较少。本文以位于东北粮食主产区的三江平原八五九农场为例，比较2012年4—6月，旱地典型作物(玉米)和水田作物(水稻)两种农作物的土壤呼吸速率差异，分析作物生长季不同农作物的土壤呼吸速率对土壤温度和含水量变化的响应以及土壤呼吸温度敏感性特点，并探讨土壤呼吸速率与不同土层温度、含水量的关系，旨在为评估和预测该区域的碳收支平衡提供科学依据。

1　研究区概况

黑龙江省八五九农场，地处三江平原沿江三角洲亚区，为典型的东北粮食生产基地。全场场区总面积为1 355 km2，其中耕地面积300 km2。八五九农场气候属寒温带季风性大陆气候，根据1964—2010年农场气象监测站数据，发现农场年平均气温2.5℃，年平均最高气温为7.9℃，年平均最低气温为-2.8℃。年平均降水量约559.6 mm，夏季短促而湿热，雨量集中，为302.4 mm，占年平均降水量的54%；冬季降水量最少，为26.9 mm，占年平均降水量的4.8%，10℃以上活动积温2 439.96℃，冻结期长达7～8个月，平均冻土深度141 cm。土壤以白浆土和沼泽土等为主，其中白浆土占研究区总面积的60.7%。场内农田土壤表层(0—20 cm)的氮磷平均含量分别为2.39，0.90 g/kg，而速效氮、速效磷和速效钾的平均含量为236.5，21.3，144.9 mg/kg，有机质含量为38.3 g/kg。整体而言，农场内耕地的有机质含量丰富，土壤养分氮磷含量较多。研究中样地位于八五九农场的旱地和水田试验示范田，样地描述见表1。

表1　农作物样地位置与土壤理化性质

2　研究方法

2.1样品采集

在水田、旱地进行水稻和玉米两种作物的土壤野外采样。考虑到研究区土壤类型中以白浆土为主，而白浆土在构造上分为3个层次，分别为黑土层、白浆层和沉积层。黑土层厚度一般为0—15 cm，白浆层厚度一般在15—30 cm，白浆层以下为沉积层。因此，根据白浆土的构造进行不同深度的土壤采样，分别选择0—15，15—30，30—60 cm共3个深度。八五九农场的作物生长季主要是每年的4—7月份，采样时在每个采样点于2012年4月29日、5月24日、6月2日、6月19日和7月2日进行采样。对于水稻和玉米作物土壤，分别选取1 m×1 m样地各3块，各样地内用环刀采取不同深度(0—15，15—30，30—60 cm)的原状土样各3个。另外，将每块样地的多点土壤进行混合，以分析其土壤理化性质。采样后由于不能立即进行测定，因此将土壤样品置于4℃冰箱保存。

2.2测定方法

作物土壤样品的土壤呼吸速率通过静态碱液吸收法测定[22]。该方法通过碱液(NaOH或者KOH溶液)吸收CO2形成碳酸根，然后通过中和滴定法，计算剩余的碱量，从而求出CO2的排放量。土壤温度采用长杆针式土壤温度计测定，分别测定土壤环刀周围0—15，15—30，30—60 cm深度的土壤温度，每个样方测定1次。采用24 h烘干法测定土壤含水量，水浸—电位法测定土壤pH值，用浓硫酸重铬酸钾法测定土壤有机质，全氮通过元素分析仪测定。

2.3数据处理方法

应用简单经验指数模型[23]计算土壤呼吸的温度敏感性(Q10)，其计算公式如下：

Rs=aebT

(1)

Q10=e10b

(2)

式中：Rs——土壤呼吸速率[μg/(kg·h)]；T——不同农作物的土壤温度(℃)；a——0℃时的土壤呼吸速率[μg/(kg·h)]；b——温度响应系数；当T为0℃时，土壤呼吸速率为a。

采用SPSS软件进行单因素方差分析和显著性差异分析，并利用Excel 2010作图。

3　结果与分析

3.1不同农作物生长季土壤呼吸速率的变化

由图1可知，在研究区不同土壤深度的两种农作物土壤呼吸速率变化规律基本相似。水稻和玉米均呈现出0—15 cm深度的土壤呼吸速率明显高于15—30 cm和30—60 cm。随着土壤深度的增加，土壤呼吸速率随之减小。这主要是由于土壤温度随着土壤深度的增加呈现逐渐降低的趋势。其中，通过配对样本T检验发现，玉米样地的土壤呼吸速率在0—15 cm与15—30 cm深度的差异性显著(p<0.05)。水稻样地土壤中的呼吸速率最大值为580.6 μg/(kg·h)，出现在0—15 cm深度，而最小值为30—60 cm深度的160.4 μg/(kg·h)。玉米的土壤呼吸速率最大值为565.3 μg/(kg·h)，同样出现在土壤的表层，土壤呼吸速率的最小值为137.5 μg/(kg·h)。另外，在农作物生长季，每个深度的土壤呼吸速率随着时间的变化整体呈现增长趋势，其中在6月19日整体有下降趋势，这是因为当日的气温和土壤温度均较低。同时，水稻和玉米的土壤呼吸速率最大值都出现在6月2日，而最小值均出现在4月29日，这都与土壤温度呈现了同步的变化趋势。

图12012年生长季水稻和玉米土壤呼吸速率的变化(平均值±标准误差)

从图2可以看出，随着土壤温度的上升，两种农作物样地的土壤呼吸速率也呈现增加趋势；而当土壤温度下降时，土壤呼吸速率也随之降低。说明土壤呼吸速率与土壤温度在植物生长期基本保持同步变化的趋势。值得一提的是，土壤温度曲线在4月到6月初明显上升，而土壤呼吸速率曲线在这一时段也呈相同态势；6月下旬到7月初土壤温度变化平稳，土壤呼吸速率与土壤温度的同步变化趋势不明显。另外，水稻土壤呼吸速率整体高于玉米。

图22012年生长季水稻和玉米土壤呼吸速率的比较(平均值±标准误差)

对于水稻，其土壤呼吸速率最大值为618.8 μg/(kg·h)，此时土壤温度为23.1℃，仅次于6月19日的23.6℃和7月2日的23.8℃；最小的土壤呼吸速率为137.5 μg/(kg·h)，出现在4月29日30—60 cm土壤深度处，对应的土壤温度为-0.2℃，此时3个样地在30—60 cm处的平均土壤温度为-0.1℃，其平均土壤呼吸速率为160.4 μg/(kg·h)。玉米的土壤最大呼吸速率为618.8 μg/(kg·h)，当时的土壤温度为29.1℃，是本研究中生长季的最高土壤温度，出现在6月2日0—15 cm表层土壤，此时3个样地的平均土壤温度为29.5℃；最小土壤呼吸速率值为114.6 μg/(kg·h)，此时土壤温度为4月29日30—60 cm深度的-0.2℃，是研究范围内的最低土壤温度。

3.2土壤呼吸对温度的响应

从图2可以看出，两种农作物的土壤呼吸速率与土壤温度的变化规律具有较强的一致性，通过图3进一步说明两者之间较好的相关性(p<0.01)。采用公式(1)所拟合的土壤温度与土壤呼吸速率之间的关系，发现在不同土壤深度、土壤温度对呼吸速率的解释能力不同。对于水稻来说，0—15，15—30，30—60 cm土壤呼吸速率与土壤温度之间的相关系数分别为0.8637，0.9165，0.8379，说明水稻在15—30 cm深度土壤温度对呼吸速率的解释能力最好；而玉米在不同深度的土壤呼吸速率与土壤温度之间的相关系数分别为0.9225，0.7190，0.8379，表明玉米在土壤表层(0—15 cm)处土壤温度对呼吸速率的解释能力最好。总体而言，随着土壤深度的增加，水稻和玉米在30—60 cm处土壤温度对呼吸作用的解释能力最差。

注：**表示相关性达到极显著水平，p<0.01。

图3水稻和玉米不同深度土壤呼吸速率与土壤温度的相关关系

根据简单经验指数模型中的公式(2)计算土壤呼吸温度敏感性(Q10)，图4为水稻和玉米在不同土壤深度的Q10值。水稻和玉米在生长季的Q10值变化范围为1.15～1.47。水稻在不同深度的Q10值变化不大，约1.40。玉米的Q10值在不同深度变化较大，其最大值出现在0—15 cm深度，为1.47，最小值为1.15，出现在15—30 cm深度。总体而言，水稻和玉米的土壤呼吸温度敏感性差异较小。

图4水稻和玉米在不同土壤深度的土壤呼吸温度敏感性Q10值

(平均值±标准误差)

3.3土壤呼吸对含水量的响应

由表2可知，土壤含水量的日变化幅度较大，同时水稻土壤的含水量明显高于玉米土壤。水稻土壤的含水量在30.65%～51.94%范围内变动，玉米土壤的含水量在20.96%～32.56%变动。从表2可以看出，水稻和玉米两种作物在不同深度的土壤呼吸速率与土壤含水量均呈现正相关关系，且相关性极显著(p<0.01)。同时，两种作物的土壤呼吸速率与含水量相关性均表现为在土壤表层(0—15 cm)最好，在15—30 cm深度较差，但相关系数均高于0.7。研究区生长季作物土壤含水量对土壤呼吸速率的解释能力较好，其中，水稻和玉米样地0—15 cm土壤含水量对土壤呼吸作用的解释能力分别为84.42%和84.68%，是研究区土壤含水量对呼吸速率解释能力最强的，其余的土壤深度土壤含水量对土壤呼吸作用的解释能力也都高于70%。

4　讨论与结论

4.1讨 论

4.1.1土壤温度对土壤呼吸速率的影响温度是控制陆地生态系统的重要因素，因此许多研究利用温度来预测全球变化对土壤呼吸作用的影响[24-25]。温度升高将增强生物的代谢活动，促使土壤呼吸量增加。许多研究证实，土壤呼吸在一定温度范围内，随温度的升高而加快。在三江平原，冬季气温很低，且土壤冰冻期很长，土壤微生物长时间处于休眠状态，其土壤呼吸速率较低。但进入四月份(春季)后，土壤开始解冻，土壤呼吸速率随着微生物活性的增强而增加。然而，本研究发现水稻的土壤呼吸速率变化在生长季并没有表现出明显的单峰型。这主要是因为从水稻开始种植到成熟，这段时间内水田一直保持着淹水状态，好氧微生物处于嫌气环境，其活性受到严重的抑制。温度对土壤呼吸速率的影响就会不明显，因此，土壤呼吸速率的变化在植物生长期会呈现出双峰型或多峰型曲线。

表2农作物不同深度呼吸速率与土壤含水量的关系

农作物类型土壤深度/cm指数方程相关系数显著性水平0—15y=51.037e0.0589x0.8442p<0.01水稻15—30y=79.961e0.0374x0.7434p<0.0130—60y=36.576e0.0629x0.8097p<0.010—15y=75.014e0.0562x0.8468p<0.01玉米15—30y=172.53e0.0248x0.7277p<0.0130—60y=74.561e0.0471x0.7422p<0.01

土壤呼吸速率与土壤温度之间的显著关系已经在众多研究中得到证实。但由于研究区域以及土壤特性的不同，土壤温度对呼吸速率的作用在不同土壤深度呈现出一定的差异性。本研究认为，水稻在生长期(4—7月)15—30 cm深度土壤温度对土壤呼吸速率的解释能力高于0—15 cm和30—60 cm，这与在内蒙古地区土壤温度对呼吸速率的影响研究中的结果一致[11]。同时，本研究中玉米在0—15 cm深度土壤温度对呼吸作用的解释能力较高，也与诸多研究得到类似的结论[26-27]。经过分析，发现主要有两方面的原因造成这种情况：首先，不同研究区域的自然条件、植被类型不同，它们对土壤温度与呼吸速率之间的关系产生不同的作用[28]。土壤呼吸速率不仅受温度的控制，还可能受到湿度[29]、季节[30]、土壤养分、生物条件[31]和外界干扰[32]等因素的影响。另外，土壤呼吸速率与土壤温度之间的关系还受到降水量的影响。降水较多的年份，土壤呼吸速率与土壤温度的关系减弱，但是与空气温度的关系却增强，降水较少的年份则结果完全相反[33]。

4.1.2土壤含水量对土壤呼吸速率的影响通过研究发现，土壤温度对呼吸速率的影响总是可以找到一个指数函数来进行表征[34]。然而，描述土壤含水量与呼吸速率之间关系的函数很多[35]，且这些函数方程具有很大的差异。本文中水稻和玉米样地的土壤温度和土壤含水量呈现极显著相关性(p<0.01)，说明土壤温度与含水量存在着紧密的联系。为了消除温度的干扰，采用偏相关分析研究土壤呼吸速率与含水量之间的关系。

本研究中，水稻和玉米在不同土壤深度，其土壤呼吸速率与土壤含水量之间均存在着极显著关系(p<0.01)，土壤含水量对土壤呼吸的解释能力较强。研究区在4月28日—7月2日总降水量为126.24 mm，降水量较多，其土壤含水量为20%～70%。有研究表明，过高的水分会减少土壤中O2的供应[36]，从而抑制好氧微生物的活性；而水分过低的时候，不仅微生物活性受到抑制，而且有机碳含量也会减少。同时，水分含量的过高或者过低都会限制土壤呼吸的温度敏感性[37]，且随着温度的升高，水分对敏感性的限制作用就会增强[38]。

4.2结 论

(1) 在作物生长期，水稻样地的土壤呼吸速率高于玉米样地。水稻和玉米样地在0—15 cm深度的土壤呼吸速率明显高于15—30 cm和30—60 cm。随着土壤深度的增加，土壤呼吸速率逐渐减小。水稻土壤的呼吸速率最大值为580.6 μg/(kg·h)，最小值为160.4 μg/(kg·h)；而玉米的土壤呼吸速率最大值为565.3 μg/(kg·h)，最小值为137.5 μg/(kg·h)。

(2) 通过土壤温度与土壤呼吸速率的关系研究，发现在不同土壤深度水稻和玉米的土壤呼吸速率与土壤温度均呈现极显著相关关系(p<0.01)。同时水稻样地在15—30 cm深度的相关系数高于其他深度，而玉米样地的两者相关性在土壤表层(0—15 cm)处最好。水稻和玉米的土壤呼吸温度敏感性差异较小，水稻在不同深度的Q10值在1.40左右，玉米的Q10最大值出现在0—15 cm深度，为1.47，最小值为1.15，出现在15—30 cm深度。

(3) 通过土壤呼吸速率对含水量的响应研究，发现水稻和玉米样地在不同深度的土壤呼吸速率与土壤含水量均呈现极显著相关关系(p<0.01)。水稻土壤的含水量在30.65%～51.94%范围内变动，玉米土壤的含水量在20.96%～32.56%变动。生长季农作物土壤含水量对土壤呼吸速率的解释能力较好，其中，水稻和玉米样地0—15 cm土壤含水量对土壤呼吸作用的解释能力分别达到84.42%和84.68%。

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Effects of Soil Temperature and Water Content on Soil Respiration Rate During the Crop Growing Season in a Farm of Northern China

LAI Xuehui, LI Dan, YU Bofeng, ZHU Jiang, YAO Zhiyuan, ZHANG Shuting

(DepartmentofEnvironmentandSafetyEngineering,TaiyuanInstituteofTechnology,Taiyuan030008,China)

Soil respiration rates of rice and maize fields during the growing season (from April to July) were measured by static alkali absorption method, and the effects of soil temperature and water content on soil respiration rates of a typical farm in Northern China were also examined. The results showed that the soil respiration rates of paddy field were higher than maize filed during the crop growing season, and soil respiration rates in 0—15 cm depth were significantly higher than that in 15—30 cm and 30—60 cm depths. Soil respiration rate decreased with the increase of soil depth. The maximum and minimum soil respiration rates of paddy field were 580.6 μg/(kg·h) and 160.4 μg/(kg·h), respectively, and the maximum and minimum values of maize field were 565.3 μg/(kg·h) and 137.5 μg/(kg·h), respectively. Soil respiration rates of rice and maize fields were found to be positively related to soil temperature (p<0.01). Soil temperature had been rising from April to June and the soil respiration rate also presented the same escalating trend; while soil temperature varied smoothly from late June to early July and the synchronous change trend between soil respiration and temperature was not obvious. Meanwhile, there was obvious correlation between soil respiration rate and water content in rice and maize fields (p<0.01), which indicated that soil water content can explain soil respiration rate change in rice and maize growing season.

soil respiration rate; soil temperature;Q10; soil water content

2015-08-07

2015-09-07

山西省高等学校科技创新项目“农业活动影响下的寒地土壤氮和有机碳运移机制及规律研究”(2014151);山西省重点学科建设经费

来雪慧(1984—),女,山西大同人,博士,讲师,主要从事农业面源、环境规划研究。E-mail:laixuehui@mail.bnu.edu.cn

S152

A

1005-3409(2016)01-0117-06