菜地生态系统土壤呼吸状况及其影响因素

张 晶

(山西农业大学，山西 太谷 030801)

1 概述

1.1 研究的背景与意义

1.1.1 研究的背景

随着最近几年经济不断发展，温室气体的排放（主要指CO2）所带来的全球气候回暖已然变成我们当代人最需要着手解决的全球性环境问题之一。大气中温室气体浓度的不断增加是全球气候变暖的主要原因[1]。由于我国是农业大国，农田在我国占有很大的面积，而农田生态系统中排放的CO2在全球气候变暖影响颇大，占据了很大的比例。菜地亦属于农田生态系统,近年来菜地面积的不断增加,因此研究菜地在不同季节与条件下土壤CO2和N20的排放特征及其产生机理是十分必要的。

1.1.2 研究的意义

土壤呼吸实际上是研究土壤生物活性的一个重要指标，它不仅可以反映土壤养分供应而且还能反映土壤养分的转化能力[2]。与此同时，CO2浓度还影响着区域内甚至全球性的气候变暖的趋势。综上，我们可以得出：研究农田生态系统的土壤呼吸的特征及其影响因素将对全球气候变暖有重要的意义。土壤呼吸的变化对大气中CO2产生显著的影响，包括减缓或加剧作用，并且进一步的对全球气温的变化产生影响。我们以菜地为例进行土壤呼吸的研究。

1.2 土壤呼吸研究

1.2.1 土壤呼吸的概念

土壤呼吸（Soil Respiration），就像是人类的呼吸一样，这个过程实质上就是从土壤中释放CO2的过程[3]。土壤微生物、作物根系、土壤动物的呼吸均可以释放出大量的二氧化碳。土壤呼吸是表征土壤质量与土壤肥力的重要指标之一，并且它也能响应环境变化所产生的影响。当然了众所周知，土壤呼吸的产物二氧化碳，也能够为植物提供光合作用[4]。

1.2.2 土壤呼吸的研究进展

国外对土壤呼吸的研究最早是从19世纪初开始，到20世纪70年代对土壤的研究开始集中在温带草原、亚热带森林、温带森林，同时一些影响土壤呼吸的因素被逐步的发现：生物因素、非生物因素、N沉降等[5]。相比而言，我国开展土壤呼吸的研究的时间较晚，近些年我国学者主要是针对北方森林、热带季雨林、亚热带森林进行研讨，但是研究成果并不突出，因此对土壤呼吸的研究显得尤为重要。

2 研究区概况

2.1 研究区的概况

我们所研究的地区位于黑河流域中部的张掖灌区，它地处于我国西北部——甘肃省，河西走廊中部，黑河贯穿整个地区，山前冲积平原中部的冲积扇底部物产丰富，饱含有灌溉栽培绿洲农作物以及树木。区域内以人造植被为主，拥有着独一无二的沙漠绿洲的景观。天气的影响因素为中高纬度西风环流以及极地冷空气团。该区域是典型的大陆草原沙漠气候。试验区干燥，细雨，冬季寒冷漫长，夏季温暖而短暂，多风，多风的天气多。年平均气温约6°C，最热月份为7月份，每年的降水量平均达到了114.9mm，降水量为70%，集中在生长季节，全年无霜期约为169d。

在试验区选择一块辣椒地，采用LI－8100土壤碳通量测量系统(LI-COR，Lincoln，NE，USA)测定土壤R(土壤呼吸速率)，测量前在每块样地内布设4个用来测定土壤碳通量的PVC环，在不破坏土壤结构的前提下，将PVC环插入土中，保持PVC环截面垂直，并露出地面高约2cm，静置2d后进行测量，测量在2017年7-9月进行(由于条件所限，未对其他月进行测量)，在每月上、中、下旬各选取4d进行土壤呼吸测量，每0.5h测定一次，每个土壤环重复测定2次[6]。在此我们选取每月中个一天来进行分析。土壤温度采用LI－8100附带的温度探针测定,测定每个样方5cm深度层次的土壤温度，试验期间每半小时测量1次，与测定土壤呼吸速率的时间同步。

2.2 研究的技术路线

用LI－8100进行相应数据的测量并记录在Excel表格中，采用Excel2003软件进行绘图，利用散点图构建数据模型，采用SPSS17.0对数据进行相关性分析。

3 菜地生态系统土壤呼吸的变化规律

图1 各月份温度变化图

由图1可以得出，七月份的温度区间为19.61℃～24.79℃，最大值出现在13：00，八月份的温度变化区间为 16.86℃～23.43℃，最大值出现在 15：00，九月份的温度变化区间为12.5℃～19.75℃，最大值出现在14：30。从总体看每日的温度变化规律都相同，都为单峰曲线，且峰值都在13点左右，并且在夜间土壤温度都呈下降趋势，可以看出七月份平均温度较高，九月份平均温度较低且九月份土壤温度变化差值大。

图2 土壤呼吸速率图

土壤呼吸速率用单位时间、单位面积土壤排放出来的二氧化碳量表示。如图2所示，在三个月份的土壤呼吸日变化规律图中可以看出，土壤呼吸速率分布在 1.1～4.2μmol/(m2·s)范围内，且除了七月份较特殊外都为单峰曲线。在其他因素不影响的前提下，土壤呼吸最强总是出现在13：00-15：00之间，土壤呼吸速率最弱总是集中在23：00-6：00。在测试的三个月份中其中七月份测试的土壤呼吸速率日变化最小，八月份最大，说明土壤呼吸受天气影响较大[7]。土壤呼吸速率随着温度的升高而增强，从7：00～12:00土壤呼吸速率逐渐增强，在13:00～15:00由于温度达到最高，此时土壤呼吸速率也达到一天中的最高峰。17:00点之后土壤呼吸速率减弱。

七月、八月、九月是辣椒的不同生长季，随着气候的变化，土壤呼吸速率也呈现出不同的季节变化规律，在八月份中土壤呼吸速率的峰值相对七月份延后一小时左右。九月份较八月份又延后一小时左右。并且由于八月份温度最高，所以土壤呼吸速率最高值出现在八月份，相对于日变化来说，各生长季土壤呼吸速率变化相对较小。

4 温度、湿度对土壤呼吸速率的影响以及最佳测量时间

4.1 土壤温度对土壤呼吸的影响

在分析数据时构建了多个数学模型，通过比较相关系数(R2)的大小可以得出能较好拟合本次试验研究的数据，通过比较我们选择了如下模型[8]。土壤呼吸速率(R)与土壤温度(T)和土壤湿度(W)关系的单变量模型如下:

温度模型：R=aebT

湿度模型：R=aW+b

式中，R表示土壤呼吸速率μmol·m-2·s-1；a、b均为拟合系数；T为测量的5cm深的土壤温度，W为土壤湿度。

图3 温度与土壤呼吸速率的关系

表1所示，七、八、九所得到的温度与土壤呼吸速率间的关系各不相同。本次土壤温度和土壤呼吸速率的指数模型七月份为：y=1.4244e0.011x，R2=0.124，其结果不成相关性，原因是由于辣椒地所种植的辣椒是移植到这块土地，其生长还未表达出相应的稳定性[9]。八月份的指数模型为y=0.3476e0.0976x，R2=0.749，说明土壤温度能够解释土壤呼吸速率在全年中75%的变化。土壤呼吸随着土壤温度的升高呈指数增加。九月份的指数模型为y=0.3476e0.0976x，R2=0.723，其可得出与八月份类似的结论。Q10值是土壤呼吸对温度变化的敏感程度，即温度每升高10℃，土壤呼吸增加的倍数[10]。公式计算公示：Q10=RT+10/RT，式中RT表示温度为T℃时的土壤呼吸速率，RT+10表示温度为T+10℃时的土壤呼吸速率，通过计算七月份Q10为1.25，八月份Q10为1、84，九月份Q10为1.83。试验点Q10平均值为1.63。即土壤温度每升高10℃土壤呼吸速率增大1.63倍。低于全球Q10平均值2.4，表明菜地生态系统敏感性交差。但是在不同的土壤温度和土壤含水量的条件下，Q10值是不同的。

表1 温度与土壤呼吸速率模型表

运用SPSS软件进行相关性可以得出七月份温度与土壤呼吸速率不具有相关性，其原因还是由于辣椒是移植到这片地，不能适应生长。八月份与九月份都变现出显著的相关性。分析温度对是植物的生长发育以及相关功能的形成有重要的意义，也是重要的环境因子。如图3所示当温度低于正常温度时，其呼吸速率相应的也会受到一定程度的限制（其主要是受生物化学反应限制），影响土壤呼吸的温度是有临界值的，温度升高会使得呼吸升高，但是一旦其超过最适温度后，便会抑制呼吸酶的活性，使得呼吸的速率开始下降。另一方面，温度对土壤呼吸的影响还表现在通过影响氧气以及土壤底物的供应而间接影响土壤呼吸[11]。在土壤湿度一定的情况下，气体扩散率随着温度的增加而提高；温度的上升会使水分加快蒸发，土壤中氧气扩散加快，促进土壤呼吸[12]。

4.2 土壤湿度对土壤呼吸的影响

土壤呼吸速率和土壤含水量在不同研究地点有不同的相互关系，有线性关系，指数关系，对数关系以及没有关系。土壤湿度与土壤呼吸速率的关系很难用一个模型来描述。在这里经过计算我们发现在运用线性模型R=aW+b时（如图4所示），R2数值最接近于1，表明在生长季中土壤呼吸和土壤湿度的关系相对来说就比较清晰。用线性方程拟合得到七月份的线性方程为y=11.164x-10.344，R2=0.259（见表2），几乎不能表现出其相关性，其原因是因为辣椒是从七月份才开始移植到这块辣椒地，还不能表现出相应的稳定性。八月份的线性关系为y=86.162x-86.44，R2=0.607，九月份的线性关系为y=-17.972x+22.048，R2=0.454，其可以变现出相关性，但相关性并不显著，原因是由于在人工种植的辣椒地中有灌溉因素影响湿度的变化。

图4 湿度与土壤呼吸速率图

根据SPSS相关性分析的得出八九月份都显示出显著的相关性，而七月份没有相关性，其原因还是由于移植原因。土壤湿度是影响土壤生物进行呼吸的重要因素，因此土壤湿度对也土壤呼吸的作用也十分重要。通过研究我们发现水分对土壤呼吸的影响主要表现在：（1）影响土壤微生物活性和土壤的通透性；（2）对土壤溶解性有机质的含量以及它的扩散产生影响；（3）影响了根系与相应微生物的能量之间的比配[13]。当土壤水分适当的条件下，土壤酶活性强，土壤中微生物活跃，CO2排放量或土壤呼吸速率高。

表2 湿度与土壤呼吸速率模型表

4.3 土壤呼吸最佳测量时间窗口

我们用偏差（deviation）来衡量各时间段土壤呼吸的平均值与日均值的差异大小，计算公式为偏差=（各时间段土壤呼吸平均值—日均值）/日均值×100%。每两个小时计算一次偏差，由表3可以看出七月份偏差在1.97%～29.85%，八月份偏差在3.87%～52.28%，九月份偏差在5.18%～30.95%我们认为当偏差在15%内为适当的测量时间，所以七月份的最佳测量时间为 0：00-8：00、10：00-14：00、18：00-20：00、22：00-24：00，八月份最佳测量时间为 8：00-10：00、18：00-24：00，九月份最佳测量时间为 0：00-2：00、8：00-10：00、16：00-24：00，但是考虑实际情况我们不可能在晚上进行测量，所以菜地生态系统七月份最佳测量时间为10：00-14：00，八月份最佳测量时间为8：00-10-00，九月份最佳测量时间为8：00-10：00，综上所述菜地生态系统最佳测量时间窗口在 8：00-10：00。

表3 各月份偏差表

不同样地的偏差不同，也代表着有不同的测量时间段，可以根据偏差最小的数值来筛选出最佳的测量的时间段可以节省人力物力财力，土壤呼吸会随着每日的温度和光合作用的变化而变化[14]。因此对不同的生态系统进行短期测量是可行的，但是土壤呼吸日动态在长时间还取决于土壤的含水量与温度等因素所以并不能带代表长期的规律，因此不同的生态系统以及外界条件下测量的最佳时间是不同的[15]。

5 结论与展望

土壤呼吸是一个复杂的生物化学过程，受到温度、湿度以及其他外界条件的影响，每日的土壤呼吸日变化规律都为单峰曲线，每个季节也表现出不同的规律，温度是影响土壤呼吸的一个重要因子，土壤呼吸的日变换规律与温度有显著的线性关系，用SPSS分析也表现出了显著的相关性，湿度对不同生态系统土壤呼吸变现出不同的关系，本研究利用线性关系来说明情况。不同的生态系统的土壤呼吸测量时间也不同，我们应根据实际情况进行偏差分析。

鉴于土壤呼吸温度、湿度最土壤呼吸的速率受到各种因素的影响，在气候变化研究中有重要意义以及当前研究所存在的不足，未来迫切需要开展以下研究。

1)温度对土壤呼吸的影响受到外界环境等各种方面的影响，如何排除其他因素确切的研究温度对土壤呼吸速率的影响需要进一步深入研究。

2)湿度对土壤呼吸的影响研究有多个研究模型，我们如何确定以一个相对准确的模型也是一个有待解决的问题。