土壤环境对陇东黄土高原刺槐林土壤碳通量的影响

马涛，贾志清，于洋，张峰，董彦丽，田晋华，陈爱华

全球每年土壤呼吸的碳通量达55 Pg，是除植被冠层以外陆地生态系统碳收支中最大的通量［1］。土壤碳通量的升高或降低，会显著影响大气CO2浓度的变化［2］。土壤碳通量变化不仅与生物因素(地表植被、土壤有机质和土壤微生物)有关［3-5］，而且也受制于非生物因素(土壤温度、土壤水分和土壤密度等)［6-8］。研究生物、非生物因子对土壤碳通量的影响及其耦合关系，对探寻不同类型生态系统土壤碳通量的机理，具有一定的指导作用，从预测气候变化对土壤碳通量及全球碳循环的影响具有重要意义。

黄土高原地区生态环境脆弱，植被恢复是该地区防治水土流失的主要方式，大规模植被恢复工程的开展，改善了该地区的生态环境，同时也影响着黄土高原生态系统的碳水循环。刺槐(Robinia pseudoacacia)作为黄土高原地区主要的水土保持树种，广泛应用于该地区植被恢复工程中，故在该地区人工林土壤碳储量方面具有重要地位。目前，针对黄土高原刺槐林土壤碳通量的报道，主要围绕不同林种之间或者不同土层深度土壤碳通量的对比研究，集中于土壤温度、水分、土壤孔隙度和地表凋落物对土壤碳通量的影响［9-13］;但关于土壤温度、水分交互作用以及土壤养分对不同林龄刺槐林土壤碳通量的影响，相关研究较少。

笔者以田家沟水土保持科技示范园不同林龄刺槐林为研究对象，同时辅以荒草地为对照，研究土壤养分、土壤温度和水分因子对土壤碳通量的影响，探索各因子与土壤碳通量之间的关系，以期为探明刺槐人工林生态系统碳通量的环境控制机制提供科学依据，并对制订科学、有效的土壤碳库调控措施，具有重要指导意义。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省平凉市泾川县田家沟水土保持科技示范园(E 107°15'～107°23'，N 35°21'～35°27')，示范园位于县城西北部3 km，海拔1 028～1 374 m。研究区属黄土高原沟壑区，温带半湿润气候，多年平均气温10.1℃，≥10℃积温2 863℃，多年平均降水量514.5 mm，蒸发量1 237.9 mm，最大冻土深55 cm，无霜期174 d。土壤类型主要有黄绵土、灰褐土和红胶土，总体表现为钾丰富，缺氮少磷，有机质质量分数少。

植被类型属森林草原，分为天然植被和人工植被两大类。天然植被包括豆科、禾本科、菊科等，残存灌木如紫荆(Cercis chinensis)、狼牙刺(Sophara viciifolia)、沙 棘 (Hippophae rhamnoides Linn．)和酸枣(Ziziphus jujube var．spinosa)等;人工植被主要以用材林和经济林为主，如刺槐、侧柏(Platycladus orientalis)、杨(Populus)、柳(Salix)、臭椿(Ailanthus altissima)、榆(Ulmus pumila)、泡桐(Paulownia)、苹 果 (Malus pumila Mill．)、梨(Pyrus)、桃(Amygdalus)和杏(Armeniaca)等树种。县域内人工林中，刺槐林分布面积最大，截至2015年末，刺槐栽植面积累计达到4.82万hm2;其中纯林面积3.92万hm2，达到县域宜林面积的60% ～70%。

2 研究方法

2.1 样地设置

选取12、14、15和18a林龄的刺槐林和荒草(冰草(Agropyron cristatum))地共5个样地，样地基本情况见表1。每个样地设置5个测量环作为重复，林地中，树干边布置3个测量环，2株树中间布置2个测量环;荒草地测量环随机布置，进行土壤碳通量测定。

2.2 土壤碳通量测定

土地碳通量采用土壤碳通量测量系统(LI－8100，LI－COR，USA)的便携式呼吸室(8100－103)测定。该仪器的测量原理、测量过程和主要特点见文献［14］。同时，利用LI－8100自带的温度探针和土壤水分探头，同步测定测量环附近地表温度、土壤温度(5 cm)和土壤含水量。

表1 试验样地基本情况Tab．1 Characteristics of the sample plot

测定时每个测量环分别测量2次，取平均值记为测量时间点该环的土壤碳通量，5个测量环测量结果的平均值，记为测量时间点测量样地的土壤碳通量。每个测定周期24 h，09:00开始，次日07:00结束。具体为09:00—17:00，每2 h测定一次，17:00—次日07:00，每3 h测定一次，共计10次。测定日期为2015年4月、2015年7月、2015年9月和2016年2月。

2.3 土壤碳通量Q10

利用以下公式，计算土壤碳通量

式中:β1为土壤碳通量的温度指数曲线方程y=β0eβ1x中的温度反应系数;β0为0℃时的土壤碳通量［15］。

2.4 土壤碳通量与土壤温度和水分交互作用的计算模型

采用以下模型，描述水分和温度对土壤碳通量变化的影响。

R=a ebtWc［16］。

式中:R为土壤碳通量;t为温度;W为土壤含水量;a、b、c为常数。

2.5 土壤养分测定

每个样地选取3处采样点，清除地表植被，使用土钻分层采集 0～5、5～10、10～30、30～60 和60～100 cm深度土样，将3处采样点相同层次土样混合均匀后，装入土袋，带回实验室风干、磨碎，以供养分测定。

土壤有机质采用重铬酸钾硫酸氧化外加热法测定，全氮采用凯氏法(Tecator 1030全自动定氮仪)测定，全磷采用碱熔－钼锑抗比色法测定，全钾采用碱熔－火焰光度法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠提取－钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提－火焰光度法测定。具体测定方法见文献［17］。

2.6 数据统计与分析

试验数据用Excel 2007整理分析并绘图，采用SPSS21.0完成相关性分析，并检验土壤碳通量与温度、土壤含水量之间单因素和双因素的拟合程度。

3 结果与分析

3.1 温度对土壤碳通量的影响

各样地土壤碳通量与地表温度和土壤温度(5 cm)呈指数相关。由图1可知，各样地土壤碳通量与地表温度的决定系数R2排序为0.646 4(18a)＜0.685 1(14a)＜0.747 1(12a)＜0.766 9(荒草地)＜0.927 4(15a);与土壤温度(5 cm)的 R2分别为0.770 1(14a)＜0.787 3(荒草地)＜0.818 6(12a)＜0.888 5(18a)＜0.962 7(15a)。可以看出，各样地地表温度和土壤温度(5 cm)与土壤碳通量之间均有较好的相关性，相比地表温度，土壤温度(5 cm)与土壤碳通量的拟合度较高;15a刺槐林与温度的拟合程度最好。相关分析可知，土壤碳通量与地表温度和土壤温度(5 cm)的相关性均达到显著(P＜0.01)。

图1 温度对土壤碳通量的影响Fig．1 Effects of temperature on soil carbon flux

Q10通常是被用来表示土壤碳通量对温度变化敏感程度的一个重要指标［18］。Q10可以用来理解全球气候变化条件下，生态系统碳循环的动态变化，较大的Q10值意味着在给定升高温度时，全球或区域范围内，土壤碳通量的较大增加［19］。结果显示，各样地对地表温度的Q10分别为2.17(荒草地)＜2.19(14a)＜2.48(12a)＜2.49(18a)＜3.19(15a);对土壤温度(5 cm)的Q10为2.21(荒草地)＜2.60(14a)＜2.87(12a)＜3.56(15a)＜4.36(18a)。可以看出，土壤碳通量对土壤温度(5 cm)的Q10值＞地表温度Q10值，说明土壤碳通量对土壤温度(5 cm)的变化更为敏感。各样地中，15和18a刺槐林Q10值较大，荒草地Q10值最小。

3.2 土壤含水量对土壤碳通量的影响

土壤水分是影响陆地生态系统CO2通量的重要环境要素，对植被的生长、根系分布和微生物活性等与土壤碳通量密切相关的生物因子起控制作用［20］。一般认为，在一定含水量范围内，土壤碳通量随含水量的增大而增大，当含水量接近土壤田间持水量时，土壤碳通量最高。对土壤碳通量与土壤含水量的相关性分析结果显示，土壤碳通量与土壤含水量线性相关显著(P＜0.01)，但拟合度较低。由图2可知，土壤含水量仅可以解释土壤碳通量变化的19.57%(15a)＜19.89%(荒草地)＜25.31%(14a)＜34.43%(18a)＜36.70%(12a)。

3.3 土壤温度、水分交互作用对土壤碳通量的影响

土壤温度总是和土壤水分一起对土壤碳通量的变化产生影响，两者之间存在明显的交互作用。有研究表明，土壤碳通量变异中，至少有60%来自于土壤温度和水分的共同作用［21］。利用土壤温度(5 cm)和土壤含水量与土壤碳通量建立双变量关系见表2。结果表明，各样地土壤碳通量与土壤温度(5 cm)、土壤含水量的交互作用，具有很好的相关性，均达到显著水平(P＜0.01)。土壤温度(5 cm)和土壤含水量的多元回归模型，可共同解释土壤碳通量变异的73.50%、75.50%、93.70%、74.40%和78.60%。

图2 土壤含水量对土壤碳通量的影响Fig．2 Effects of soil water content on soil carbon flux

表2 土壤温度、水分与土壤碳通量的回归模型Tab．2 Regression models on soil carbon flux and soil temperature as well soil water content

3.4 土壤养分分布及与土壤碳通量的关系

各样地土壤养分质量分数分布见图3。由图3可知，各样地土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质等养分质量分数变化趋势基本一致，随土层深度的增加而降低，在土壤表层(0～10 cm)表现出较高的水平，之后逐渐降低，在60～100 cm土层各养分指标最低，而土壤全磷、全钾质量分数在不同深度没有显示出一致的规律性。经方差分析，各样地间土壤全氮、全磷、碱解氮和有机质质量分数差异不显著(P＞0.05)，而土壤全钾、有效磷和速效钾质量分数差异显著(P＜0.05)。

通过分析0～5、5～10、10～30、30～60和60～100 cm土层土壤各养分指标，在5～30 cm土层各指标值是平均值的0.89～1.11倍，基本可以表征100 cm土层内土壤各指标质量分数的平均水平。在0～100 cm土层，土壤全氮、碱解氮和有机质质量分数14a刺槐林最高;土壤全钾、速效钾质量分数15a刺槐林最高;荒草地中土壤全磷和有效磷质量分数最高，而有机质质量分数最低，仅为6.26 g/kg。可以看出，12a到14 a、15a刺槐林土壤养分增量明显，有效改善土壤环境质量。

通过土壤碳通量的测定可知，各样地年均土壤碳通量大小为18 a(3.33μmol/(m2·s))＞荒草地(2.03 μmol/(m2·s)) ＞15 a(1.96 μmol/(m2·s)) ＞14 a(1.60 μmol/(m2·s)) ＞ 12 a(1.52 μmol/(m2·s))，可以看出随着林龄增加，14 a和15 a刺槐林土壤碳通量＞12 a刺槐林，与14 a、15 a刺槐林土壤氮、钾、有机质质量分数较丰富表现一致。

图3 土壤养分分布Fig．3 Distribution of soil nutrients

4 讨论

温度是调节和控制许多生态学过程的关键因素，同时也是影响土壤碳通量的决定性因子之一［22］。大气温度的变化会引起地表和土壤温度变化，对植物根系生长、土壤微生物活性、凋落物和土壤有机质分解等都会产生影响。研究结果显示，各样地土壤碳通量与地表温度和土壤温度(5 cm)的相关性均达到显著(P＜0.01)，相比地表温度，土壤温度(5 cm)与土壤碳通量的拟合度较高，拟合程度提高2.04%～24.21%。研究结果与陕西省王东沟小流域［10］、杨凌地区［11］和羊圈沟小流域［12］，以及黄土高原永寿、子午岭、安塞和米脂地区［13］刺槐林的相关报道一致。各样地中15 a刺槐林与温度的拟合程度最好。

本研究各样地土壤碳通量对土壤温度(5 cm)的Q10值大于其对地表温度的Q10值，说明土壤碳通量对土壤温度的变化更为敏感，且随着土壤温度的升高，增加的数值更大。结果显示各样地土壤温度Q10值在2.21～4.36范围内，其中，15和18 a刺槐林Q10值较大，荒草地Q10值最小。说明研究区草地生态系统在向林地生态系统转变的过程中，随着时间的推移，土壤碳通量对温度的敏感性提升。在当今全球气候变化的背景下，植被恢复工程应建立合理的立体结构，重点监测土壤环境的变化，以有效控制土壤温室气体的排放。周正朝等［13］计算刺槐林土壤呼吸对土壤温度(5 cm)的Q10值为2.63;胡婵娟等［12］通过研究得出，高原典型丘陵沟壑区人工刺槐林土壤温度(5 cm)Q10值为1.91;周小刚等［10］设置凋落物，计算刺槐林土壤温度(5 cm)Q10值在1.92～2.31之间;笔者研究结果Q10值略高，原因可能为地域不同，引起的环境和土壤因子的差异。陆地生态系统土壤碳通量Q10值变化在1.3～5.6之间，这取决于生态系统的类型及其地理分布［23］，笔者研究结果在此范围内。

土壤碳通量与土壤含水量关系的研究结果表明，各样地土壤碳通量与土壤含水量线性相关显著(P＜0.01)，但拟合度较低，这也与周正朝和上官周平［13］的研究结果一致。相比温度和水分单因子模型可知，研究区土壤温度是人工刺槐林土壤碳通量变化的主导因子，研究结果与秦娟等［11］、胡婵娟等［12］研究结果一致。

影响土壤碳通量的因素不仅包括温度、水分等环境因素，还包括土壤有机质、微生物和根系等生物因素，它们不仅单独对土壤碳通量产生影响，而且各因子之间也发生交互作用，使得它们与土壤碳通量之间的关系变的复杂。杨玉盛等［24］对某一森林生态系统研究发现，土壤碳通量变异的80% ～96%，可以用土壤温度与水分共同解释，且土壤温度和水分与土壤碳通量之间的相关性达到极显著水平。笔者研究结果表明，各样地土壤碳通量与土壤温度(5 cm)、土壤含水量的交互作用具有很好的相关性，且都达到了显著水平(P＜0.01)，多元回归模型可共同解释土壤碳通量变异的73.50%～93.70%。

土壤养分反映了土壤为植物生长供应和协调营养条件，以及环境条件的能力，土壤肥力状况可以揭示已有土地的利用效果，并且对植被的生长起到重要作用［25］。有研究表明，土壤碳通量与土壤有机质组分密切相关，不同成分的土壤有机质对土壤呼吸的贡献率有显著差异［22］。笔者研究结果显示，12a到14 a、5a刺槐林土壤养分增量明显，表现出改善土壤环境质量的作用，与李靖等［25］研究结果一致。许明祥等［26］研究黄土丘陵沟壑区人工刺槐林土壤养分状况及其演变规律，得出该区林地土壤有机质、全氮、碱解氮及养分指数约需50a，速效钾约需30a，可达到中上等养分水平。笔者研究刺槐林树龄最大为18a，显示出土壤养分质量分数的增加趋势，但未表明养分质量分数提升，并趋于稳定的林龄范围，在后期研究中，应增加林龄序列，揭示出研究区人工刺槐林土壤质量达到中上等水平的树龄范围。

土壤碳通量作为反映土壤质量的指标，反映土壤活性水平。土壤碳通量作为一个复杂的生物学过程，受到多种因素的综合调控，这使土壤碳通量一方面具有某种规律性，另一方面又表现出不规则性的变化，显示出相当的复杂性［27］。笔者研究结果表明，随着林龄的增长，土壤养分质量分数处于积累过程，14 a和15a刺槐林土壤氮、钾、有机质质量分数较12a刺槐林丰富，表现出年均土壤碳通量亦大于12a刺槐林，表现出土壤养分质量分数的高低，影响土壤碳通量的释放速度。18a刺槐林年均土壤碳通量在各样地中最大，但土壤养分质量分数并没有表现出优势，可能与其他因子的作用有关。

5 结论

1)土壤碳通量与地表温度和土壤温度(5 cm)的相关性均达到显著(P＜0.01)。相比地表温度，土壤温度(5 cm)与土壤碳通量拟合度较高，各样地中，15a刺槐林与温度的拟合程度最好。土壤碳通量对土壤温度(5 cm)的 Q10值 ＞地表温度Q10值，15a和18a刺槐林Q10值较大，荒草地Q10值最小。

2)土壤碳通量与土壤体积含水量线性相关显著(P＜0.01)，但拟合度较低，仅可以解释土壤碳通量变化的19.57%～36.70%。

3)各样地间土壤全氮、全磷、碱解氮和土壤有机质差异不显著(P＞0.05);土壤全钾、有效磷和速效钾差异显著(P＜0.05)。5～30 cm土层各养分指标值，基本可以表征100 cm土层内的土壤各指标质量分数的平均水平。

4)土壤养分质量分数的高低，影响土壤碳通量的释放速度。12a到14 a、15a刺槐林土壤养分增量明显，表现出改善土壤环境质量的作用。

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