不同底座嵌入方式和入土深度对典型草原土壤呼吸的影响

张春阳，童 洁＊，王 吉，陈伏生，方向民，卜文圣，郭利平，林小凡，李建军*

（1.江西农业大学 林学院/江西省森林培育重点实验室，江西 南昌 330045；2.江西农业大学 鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室，江西 南昌 330045）

【研究意义】土壤呼吸作为陆地生态系统碳收支最重要的成分，其通量仅次于光合作用[1-2]。一般来说，土壤呼吸对陆地生态系统呼吸贡献率远高于50%[3]，作为陆地生态系统第二大碳通量，土壤呼吸在调节大气CO2浓度和土壤碳固存等方面发挥着重要作用[4]。土壤中存储了大约有2 000 Pg 的碳[5-6]，每年从土壤中释放的碳大约有91 Pg，占生态系统全年总呼吸量的20%～40%[7]，其年通量微弱的变化（增加或减少）均能改变大气中CO2浓度，进而影响大气层能量收支，最终调控全球气候[8]。土壤呼吸是一个复杂的生物化学过程，大量研究表明，植被类型、地上生物量、凋落物添加或去除、增温、降雨格局改变等均能通过改变土壤温湿度进而调控土壤中CO2的释放。目前，有关土壤呼吸的研究很多，但大部分实验都是通过改变生物或者非生物因子对土壤呼吸展开精准的研究，却往往忽视了土壤呼吸测定常用装置“底座”嵌入对测定结果的影响。Heinemeyer 等[9]综述了森林、草原和湿地3 个生态系统发现底座的嵌入平均降低了15%的土壤呼吸，有时甚至高达30%～50%；李建军等[10]在草原生态系统的研究中也发现增大底座面积和嵌入深度分别降低了土壤呼吸8.0%～9.7%和9.1%～10.8%。因此，准确估算底座嵌入对土壤呼吸测量的影响，对于评估大气CO2浓度和全球温度变化尤为重要。

【前人研究进展】“气室法”是测量土壤呼吸最常用的方法。“气室法”又分“静态气室法”（碱式吸收法）和“动态气室法”（红外气体分析法）。“静态气室法”碱性溶液长时间放置可能会改变土壤微环境，进而低估土壤呼吸对大气碳循环的影响[11-12]；而红外气体分析仪在进行室外土壤呼吸监测时能够达到精确、瞬时捕捉和长期稳定监测的目的[13]。目前，大多数室外土壤呼吸的监测都采用红外气体分析法，通常，在采用红外气体分析法测定土壤呼吸前，为保证气室的气密性，在布置实验的同时还会配备一个“底座”嵌入土壤中。虽然底座的使用非常普遍，但大多数科研人员在分析结果时往往未对底座应用产生的次生影响进行系统的评估，如底座嵌入方式对土壤温湿度、枯枝落叶层、腐殖质层和土壤微生物的影响，以及最终对土壤呼吸的影响[14-17]，也未就底座的嵌入方式进行预实验验证。以往大部分研究对于底座的设置考量仅局限于测量时的气密性，关注点在“嵌入越深气密性越好”的定性认识上，在湿地生态系统中经常发现底座嵌入土层深度达30 cm[9]，急需加强就底座嵌入深度对土壤系统次生影响的定量评估。

底座的设置虽然提高了土壤呼吸测量的效率，增加了测量过程的稳定性，但也存在诸多问题，Mills等[18]在不同生态系统中利用红外气体分析法测量土壤呼吸时发现，与“IM”相比，底座短期（15 d）嵌入显著降低了土壤呼吸。Heinemeyer 等[9]的研究结果表明，森林、湿地、草原3 个生态系统底座入土平均深度分别为4.6，9.8，2.7 cm，土壤表层通常含有大量的有机物和较高的生物活性，其分布大量的根系、菌根和微生物，是凋落物分解和土壤养分循环的主要场所[19]，而底座的嵌入显然干扰了表层土壤的微环境，通常会破坏土壤表层的结构，进而影响相应土层的功能。土壤呼吸作为生态系统碳循环的重要组成部分，其底物主要来源于3 个方面：（1）光合基质根系活性碳；（2）地上凋落物；（3）土壤有机质和死根[20-21]。受底座嵌入的影响，根系、根际呼吸和微生物活动均会受到干扰，最终体现于土壤呼吸强度的变化上。因此，底座的嵌入可能会对土壤呼吸造成干扰，并且这种干扰具有一定的时间尺度效应[9,14]。评估底座的嵌入方式和嵌入深度以及二者交互作用的影响对于准确测定土壤呼吸显得尤为重要，土壤呼吸数据的质量直接影响气体交换测量模型预测土壤碳库的长期动态结果的参考价值[22-23]。

多数研究表明，底座嵌入越深土壤呼吸速率越低，其大多数原因都归因于根系的切断[9-10,14]。根系是植物体与外界环境进行物质循环和能量交换的主要场所，一方面通过光合作用合成的光合基质活性碳通过根系以分泌物的形式进入土壤为土壤微生物的活动提供了食物来源；另一方面，根系可以通过吸收根从无机环境中吸收无机盐和水分供给地上植物生长。随着底座的嵌入，相应深度的根系被切断，地上生物量和微生物的群落结构将会受到影响[24]。李建军等[10]在草原生态系统的研究发现底座嵌入越深，地上生物量显著减少，并且生物量与土壤呼吸呈显著线性正相关；同时，该研究者还发现增大底座面积也减弱了土壤呼吸，其原因也在于地上生物量减少，与之相关的自养呼吸减弱，进而导致土壤呼吸下降。Heinemeyer 等[9]在草原生态系统中也得出了类似的结论。土壤呼吸来源于两大组分：自养呼吸和异养呼吸[25]，自养呼吸是指根系和根际微生物活动所释放的CO2，异养呼吸是指微生物分解有机质和凋落物所产生的CO2[26-27]。自养呼吸和异养呼吸在应对外界环境变化时所做出的反应不同，如在受到大气降雨事件后，异养呼吸会率先作出响应表现出瞬发性，而自养呼吸更多的是表现出一定的滞后性[28]。同样，Heinemeyer 等[9]发现底座嵌入后也会对土壤呼吸表现出一定的时滞效应。另外，一些研究发现，根系“伤口”分泌的易分解有机质（C、N 和其他营养物质）可能会触发“激发效应”，激活处于休眠状态下的微生物，进而加快对原有有机质的分解，使土壤呼吸强度增加[29-31]。除此之外，土壤间隙中分布着大量的CO2，底座嵌入后，受外界挤压作用，不可避免的会对环内土壤结构造成一定的破坏，环内土壤松动，一方面增加了土壤的透气性，另一方面受外界垂直压力挤压，使得充斥在土壤间隙中的气体可能在短时间内被释放出来[32-34]。因此，底座的嵌入可能会促使土壤在短时间内释放大量的CO2，而且这种促进效应与干扰强度呈正相关。

底座嵌入后，露出地表的部分对降雨有一定的拦截作用，长期可能会增加环内土壤的湿度[10]。降雨下渗影响土壤呼吸各个环节（包括凋落物分解、物理替代、根系呼吸、微生物代谢），是加快陆地与大气间碳周转最主要的驱动力[35-36]。不同气候区土壤对降雨所作出的响应不同，在干旱半干旱草原，水分的匮乏使得大多数植物和微生物都处于不同程度的休眠状态，而降雨能够打破这种“休眠”，激发植物活性，促进微生物对一些抗性较大、难分解有机质的分解，进而加速土壤CO2的释放[37-38]。全球草原土壤和植被储存了大约304 Pg的碳，每年的固碳量在0.4～1.2 Gt，占陆地生态系统碳储量的12.3%[39-40]。因此，草原生态系统对陆地生态系统碳汇有着重大贡献，准确的掌握草原生态系统碳收支对于预测陆地碳汇和构建全球碳循环模型尤为重要。目前，有关草原生态系统土壤呼吸的研究较多，但是有关底座嵌入对土壤呼吸的研究非常少。

【本研究切入点】选择植物和微生物代谢最旺盛的生长季，在内蒙古典型草原生态系统开展了有关不同底座嵌入方式和入土深度对土壤呼吸影响的研究。【拟解决的关键问题】通过结合底座嵌入时间来探究土壤呼吸的响应变化，为准确掌握土壤呼吸以及生物和非生物因子对不同底座嵌入方式和入土深度的响应展开深入研究，以期揭示底座嵌入方式和入土深度可能对土壤呼吸造成影响的潜在调控机制。根据上述内容，本研究提出两个科学假设：（1）不同底座嵌入方式可能因为干扰时间长短的不同而对土壤呼吸测定结果产生影响。底座嵌入操作过程不可避免对底座内土壤产生扰动，土壤间隙中宿存的气体短期内释放出来，IM 处理可能可以捕捉到土壤中CO2排放的“脉冲信号”，这种即插即测的底座嵌入方式下测定的土壤呼吸值偏高；IS处理下，经过一昼夜，底座嵌入对土壤扰动可能到达一个新平衡，由于切根作用时间较短，根源性自养呼吸影响可能较小，但切断的根系分泌易分解有机质可能在底座嵌入后较长的时间内为微生物代谢提供丰富的原料，促使异养呼吸增强，最终可能土壤呼吸测定值一定程度增加；随着底座嵌入时间增加，IL 处理下长期底座的嵌入可能致死相应深度的根系，底座内外物质和能量的横向输送受阻，可能导致光合有机物质供给不足，降低植物地上生产力、同时根际和土壤中微生物代谢因为养分供应不足而受限，最终使土壤呼吸强度降低，但是与IM 和IS处理相比较，IL处理下底座长期嵌入可以增加土壤表层水分含量和降低表层土壤温度[10]，水热条件的改善可能在一定程度上缓解土壤呼吸值的降低。（2）底座入土越深土壤呼吸的测定值可能越低。随着底座嵌入深度增加，土壤所受干扰越强，短期内释放CO2可能更多，因此，IM 深切根处理下土壤呼吸测定值可能更高；底座入土越深被切断的植物根系就越多，“刀口”处分泌的易分解有机物越多，一昼夜后测定土壤呼吸（IS 处理），其根系活性影响可能较小，但较深切根下易分解有机质较多，因此，IS 深切根处理下土壤呼吸测定值可能因为土壤异养呼吸增加而偏大；而IL处理下，长期底座嵌入越深，其根系的破坏越大，根系吸收水分和养分能力减弱更明显，造成地上生物量下降更多，间接引起植物光合基质向地下根系输送的减少，减少了根系、根际和土壤微生物的分解基质来源，因此，IL深切根处理下土壤呼吸测定值可能因为自养呼吸和异养呼吸两组分降低而明显下降。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本研究在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站（IMGERS，43°63′N，116°70′E）综合观测场内进行，地处中国内蒙古锡林河流域，海拔约1 200 m。该区域属于典型温带半干旱草原气候，年平均降雨量为346 mm（1982—2014年），年内年际降雨量变异较大，60%～80%集中在生长季的5—9月。年均温为0～5 ℃，其中平均气温最高温在7 月份为19.0 ℃，最低温在1 月份为-21.6 ℃。土壤属于地带性暗栗钙土。优势植物群落植被类型包括：羊草（Leymus chinensis）、冰草（Agropyron cristatum）、大针茅（Stipa grandis）和糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）等占地面生物量60%～80%[41]。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，6个处理因子，每个处理6个重复，即3（嵌入方式）×2（底座入土深度）×6（区组），共36 个样地于2013 年生长季（6 月初至10 月中旬）进行。大多数草原生态系统测量土壤呼吸的底座入土深度一般在2～5 cm，底座直径一般为10～30 cm[9-10]，为了能够较好的反映草原生态系统土壤呼吸的准确性，本研究设置3 种底座嵌入方式分别为即插即测即拔（insert and measure，IM），提前一天嵌入测完拔出（insert short time，IS），永久性嵌入至试验结束（insert long time，IL）；2种底座入土深度分别采用2 cm（D2）和5 cm（D5），其中底座入土深度不包括凋落物层厚度。底座采用方形设计，面积为30 cm×30 cm，高度为8 cm，由于底座入土深度不同，底座嵌入后露出地表的高度存在差异。每个方形底座即为一个小区，每个小区之间相隔2 m[14]。IS 和IL 底座嵌入的时间为测量的前一天，两者的区别在于IS 需要在测量结束后立即拔出，待下次测量前一天再将其插入相应深度，而IL 存在于整个生长季，直至试验结束；土壤呼吸的测定从6 月下旬开始至10 月中旬结束，每个月月初对每个底座（小区）周围1 m 进行留茬5 cm 的模拟放牧处理，所获取的地上生物量从系统中移除，底座中的生物量单独进行收获，采集干重测定。底座拔出时动作轻慢，幅度要小，有带出土壤的处理需要在底座取出后用附近去除凋落物层的表层土进行土壤切口填充复原。

1.3 土壤温度、土壤湿度和土壤呼吸的测定

考虑到天气条件，同时避免测量过程中大气降雨对实验造成的影响同时兼具取样的代表性[37]，本实验土壤呼吸测定的时间分别在2013 年6 月24 日、7 月6 日、7 月22 日、7 月29 日、9 月1 日、10 月16 日09：00—11：00进行[41]。土壤呼吸测定时将气室置于底座之上，气室底部黏贴橡皮密封条，保障土壤呼吸测定时气室腔体内部的气密性。土壤呼吸采用便携式红外气体分析仪（LI-840，LI-COR，Lincoln，USA）以及一个气泵相连的装置来进行测定，气室采用正方形设计，30 cm×30 cm×30 cm 的规格与底座完全吻合。为增加测定结果的可靠性，气室内安装USB小风扇（电压5 V，尺寸5 cm×5 cm×5 cm），可加速气室内空气混合均匀。测定的CO2浓度数据通过LI-840配套驱动软件记录于电脑文档中。LI-840软件数据记录频率设置为1 s，为保证CO2和H2O 浓度在连续测量过程中有60 s的有效数据，在测量过程中每个小区的测量时间设置为100 s。利用LI-840 装置获取的数据，根据Jasoni 等[42]计算公式可计算出土壤呼吸速率（土壤中单位面积单位时间内CO2释放量）。为了更好的解释底座的嵌入对土壤呼吸潜在的调控机制，本研究同步测量了底座内0～10 cm 的土壤温湿度，土壤温度的测定使用温度测定探针，土壤湿度使用便携式土壤含水率测定仪TDR-200（Spectrum-Technologies，Plainfield，USA）测定。

1.4 处理后底座中地上净初级生产力（ANPP）的测定

以往研究结果表明，植被地上部分的光合作用和呼吸作用对土壤释放CO2的量干扰较大[1,8,14]，因此在每次测定土壤呼吸前一天，均需将底座内所有绿色植物齐地收获[43]。对于地上净初级生产力的测定，整个生长季，笔者在生长前期和后期（7月22和9月1日）对底座内的全部植被进行齐地收获。为了降低植被移除对测量结果产生影响，笔者从附近剪取植物烘干，按照相等干重原则置换底座内输出的干物质。底座内收集的植被带回实验室，置于65 ℃的烘箱中烘干48 h，直至水分完全烘干质量不在变化为止。

1.5 分析统计方法

本研究采用重复测量方差分析法（Repeated Measures ANOVA）对生长季内多次土壤呼吸的测定结果进行显著性分析；数据分析前，先对所有数据采用K-S test进行正态性检验。然后，采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）中最小显著性差异法（LSD）比较不同处理间各指标（土壤呼吸、土壤温度、土壤湿度和ANPP）之间的差异性，采用Pearson 法分析各指标之间的相关性。在此基础上，构建结构方程模型（SEM），识别影响土壤呼吸的主要因子，比较各因子对土壤呼吸的影响。本研究图形的绘制和曲线的拟合均在Sigmaplot 12.5中完成，处理间的显著性分析在SPSS和AMOS 21.0中完成。

土壤呼吸和土壤温度的变化关系采用指数模型，土壤呼吸和土壤湿度之间的关系采用线性回归模型分析，方程如下

式 （1）、（2）和（3）中，SR 为土壤呼吸速率（μmol（/m-2·s）），a，b，c，d 为拟合参数，ST 为0～10 cm 土壤温度（℃），Q10为土壤呼吸的温度敏感系数，是指在一定的温度范围内，土壤温度每升高10 ℃，土壤呼吸增加的倍数。SWC为0～10 cm的土壤含水率（体积分数，%）。

2 结果与分析

2.1 底座入土深度和嵌入方式对土壤温度的影响

3 种底座嵌入方式之间土壤温度无显著差异（P＞0.05），但底座入土深度却显著影响IL 和IS 的土壤温度（P＜0.05）。与IL2 和IS2 处理相比，IL5 和IS5 土壤温度分别增加了（1.1±0.08）℃和（0.8±0.07）℃（P＜0.000 1）；底座嵌入深度对IM 无显著差异（P＞0.05）（图1b）。就测量的时间尺度而言，土壤温度表现出先升高后逐渐降低的“单峰”趋势，并在7 月初（7 月6 日）达到最大值（23.8 ℃），之后在生长季末期（10 月16 日）降至最低（8.4 ℃）（图1b）。重复测量方差分析结果表明，土壤温度测定结果均受测量时间和入土深度极显著的影响（P＜0.001），但与底座嵌入方式间无显著影响（P＞0.05）；底座嵌入方式和入土深度之间也存在极显著的交互作用（P＜0.001），在同一底座嵌入方式下，IL5均值大IL2 1.1 ℃（7.33%），IS5均值大IS2 0.8 ℃（4.66%），IM5与IM2相同；而在底座嵌入2 cm 的深度下，由大到小依次为IM2、IS2、IL2，5 cm 深度下，由大到小依次为IL5、IS5、IM5。另外，测量时间、底座嵌入方式和入土深度三者的交互对土壤温度也有显著性影响（P＜0.05）（表1），整个生长季IM、IS和IL的均值大小分别18.1，18.1，18.2 ℃。

图1 底座入土深度、嵌入方式和降雨事件对（a）土壤呼吸（SR）、（b）土壤温度（ST）、（c）土壤湿度（SWC）季节动态的影响Fig.1 The seasonal dynamics o（fa）soil respiration（SR），（b）soil temperature（ST）and（c）soil moisture（SWC）under different depth of collar buried，embedding methods and precipitation

2.2 自然降雨事件、底座嵌入方式和入土深度对土壤湿度的影响

2013年6月1日至10月31日，实验区共降雨46次，降水总量为244.2 mm。其中降雨情况如下，＜2 mm发生24次，2～5 mm发生6次，5～10 mm发生8次，＞10 mm发生8次。自然降雨具有很明显的季节动态变化，主要发生在6—7月。降雨量多达162.1 mm，占实验期总降雨量的66.4%。降雨事件以小量降雨（＜10 mm）为主，8月1—15日期间甚至没有降雨，但在8月16—27日发生了两次极端降雨事件，降雨量分别为24.1 mm和39.3 mm，9月和10月属于干旱期，有效降水只有3次，且降水量均＜5 mm（图1c）。

土壤湿度随时间的变化也呈“单峰”曲线，并与测量时间存在极显著的相关关系（P＜0.001），在7 月中旬（7月22）达到相对最大峰值（22.76%），之后逐渐下降，在生长季末期降至最小（0.17%）（图1c，表1）。底座嵌入方式和入土深度均显著改变了土壤体积含水量（P＜0.000 1），IL 土壤体积含水量最高（16.9%），其次是IM（16.6%），IS 最低（15.6%）。就底座嵌入深度而言，2 cm 嵌入深度下的土壤湿度显著高于5 cm（增加7.65%）。重复测量方差分析显示，底座嵌入方式与入土深度处理间存在显著的交互作用（P＜0.05），就嵌入深度而言，IL2 土壤湿度比IL5 大1.5%（P＜0.05），IS2 比IS5 大1.9%（P＜0.05），而IM2 与IM5 处理间无显著差异（P＞0.05）；就嵌入方式而言，底座2 cm 嵌入深度下，IL＞IS=IM，5 cm 深度下，由大到小依次为IM、IL、IS（图1c）。底座嵌入方式与测量时间对土壤湿度的影响存在极显著相关关系（P＜0.001），但测量时间与入土深度两因素和测量时间、底座嵌入方式以及入土深度三因素对土壤湿度的交互作用均不显著（P＞0.05）（表1）。

表1 底座入土深度（D）、底座嵌入方式（M）、和测量时间（t）对土壤呼吸速率（SR）、土壤温度（ST）和土壤含水量（SWC）重复测量方差分析结果Tab.1 Repeated measurement ANOVA results for soil respiration rate，soil temperature，and soil water content for base depth，base embedding method，and measurement time

2.3 底座嵌入方式和入土深度对地上植被初级生产力的影响

在生长旺盛期（7 月22 日），所有处理中，底座嵌入方式显著改变了地上初级生产力（P＜0.05），IM 地上初级生产力（112.76 g/m2）显著高于IL（88.33 g/m2）（27.65%，P＜0.001），IS地上初级生产力（100.13 g/m2）与IL 存在显著差异（P＜0.05），与IM 无显著差异（P＞0.05）。就底座入土深度而言，在IS处理中，底座入土越深其底座内地上初级生产力越低（P＜0.05），而在IL 和IM 处理中，底座入土深度对地上初级生产力无显著影响（P＞0.05）（图2a，表1）。在生长季后期（9月1日），底座嵌入方式和底座入土深度均对地上初级生产力（ANPP）有显著影响（P＜0.05），3种嵌入方式，IM 处理ANPP 显著高于IS与IL（P＜0.001），而后两者ANPP 之间无显著差异（P＞0.05），底座嵌入方式与底座入土深度均对地上初级生产力存在显著的影响，但二者之间交互作用不显著（图2b），3 种嵌入方式（IS、IL、IM）在底座入土深度水平下的变化率分别为0.91，1.48，1.30 g/m2（图2b，表1）。

图2 2013年生长季（7月、9月）底座嵌入方式对地上生物量的影响Fig.2 Effect of base embedding method on aboveground biomass during the growing season（July and September），2013

2.4 底座嵌入方式和入土深度对土壤呼吸的影响

在整个试验阶段，土壤呼吸随季节变化呈现出“单峰”形曲线，在7 月中旬达到最大值，之后呈现出逐渐递减的趋势，在生长季末降至最低（图1a）。重复测量方差分析结果表明，测量时间和底座嵌入方式均极显著影响生长季土壤CO2的释放速率（P＜0.000 1），底座入土深度对土壤呼吸的影响趋势明显（P＜0.1）；测量时间（P＜0.05）和入土深度（P＜0.000 1）均与底座嵌入方式之间的交互作用显著；底座嵌入方式、入土深度和时间三者之间存在显著的交互作用（P＜0.05）（表1）。就不同处理而言，3 种底座嵌入方式之间存在显著差异，并且每种底座嵌入方式在不同入土深度下差异也显著（P＜0.05）。整个生长季3 种底座嵌入方式测得的土壤呼吸均值由大到小依次为：IM、IL、IS；IM 比IL 的土壤呼吸均值高出0.40 μmol（/m2·s）（10.0%，P＜0.05），IL 比IS 土壤呼吸均值高出0.20 μmol（/m2·s）（5.0%，P＜0.05）。底座嵌入方式与入土深度之间也存在极显著的交互作用（P＜0.000 1）（表1），对于IL 和IS 两种处理，底座入土越深土壤呼吸越低，IL2 高出IL5 土壤呼吸速率0.59 μmol（/m2·s）（14.8%，P＜0.05），IS2 高出IS5 土壤呼吸速率0.577 μmol（/m2·s）（15.2%，P＜0.05），但IM 处理却表现出底座入土越深土壤呼吸越高的现象，IM5 比IM2 处理下土壤呼吸测定值高0.766 μmol（/m2·s）（15.7%，P＜0.05）。6 个处理中，IS2、IS5、IL2、IL5、IM2、IM5土壤呼吸在植物生长季的均值分别为4.37，3.80，4.58，3.99，4.11，4.87 μmol（/m2·s）（图1a）。

2.5 生物和非生物因素对土壤呼吸释放速率的影响

研究通过指数函数很好的拟合了土壤温度与土壤呼吸之间的正相关的变化关系（图3，P＜0.000 1）；3 个嵌入方式的拟合优度（R2）和土壤呼吸温度敏感性指标Q10由大到小依次为：IL、IS、IM，并且在同一底座嵌入方式下，底座入土越深拟合效果和Q10值均越低（图3）。线性函数很好的拟合了土壤呼吸与土壤湿度之间显著正相关关系，6 个处理拟合优度（R2）均在0.8 以上。IL 拟合优度最高（R2IL5=0.965，R2IL2=0.942），其次是IM（R2IM5=0.866，R2IM2=0.875），最后为IS（R2IM5=0.844，R2IM2=0.811）；IS 和IL 处理下的土壤呼吸随土壤湿度的变化系数在不同底座入土深度下基本一致（kIS2=0.43，kIS5=0.42；kIL5=0.356，kIL2=0.395），但是IM 处理下kIM5（0.446）大于KIM2（0.36）（图4）。研究采用线性函数拟合土壤呼吸与地上初级生产力（ANPP）之间的关系，发现不同处理下的拟合度（R2）均在0.95 左右；IL 和IS 处理下，土壤呼吸随地上初级生产力的变化率大致相同（KIL2=0.046，KIL5=0.04，KIS2=0.046，KIS5=0.042）；而IM 表现出相反的现象，其斜率随着底座入土加深，土壤呼吸强度随ANPP 的变化率越大（k2=0.039，k5=0.056）（图5）。

图3 不同底座处理下土壤呼吸（SR）与土壤温度（ST）之间的关系Fig.3 Relationship between soil respiration and soil temperature under different treatments

图4 不同底座处理下土壤呼吸（SR）与土壤含水率（SWC）之间的关系Fig.4 Relationship between soil respiration and soil water content under different treatments

图5 不同底座处理下土壤呼吸（SR）与地上生物量（ANPP）之间的关系Fig.5 Relationship between soil respiration and aboveground biomass under different treatments

SEM 模型拟合结果表明，底座嵌入方式通过改变地上生物量来影响土壤呼吸的测定结果（P＜0.001），而非通过改变土壤含水率和土壤温度，尽管二者与土壤呼吸测定结果间存在显著相关关系（图6、7）。虽然底座入土越深可以通过增加表层土壤的温度来促进土壤呼吸过程和通过降低土壤含水量和ANPP 来抑制土壤呼吸，但是这种抑制作用显著强于促进作用；模型各变量共同解释了土壤呼吸63%的变异，其中地上生物量是所有解释因子中解释土壤呼吸变异最大的环境因子（R2=0.52）。土壤含水率是与土壤呼吸相关性最高的环境因子（R2=0.62），另外，土壤含水率和土壤呼吸两者之间存在显著的负相关关系（P＜0.05），两者又显著影响地上生物量（图6）。

图6 底座嵌入方式和入土深度对土壤呼吸影响的结构方程模型Fig.6 The structural equation model for the effect of base embedding method and depth of entry on soil respiration

3 分析与讨论

3.1 底座嵌入方式对土壤呼吸的影响

本研究发现，不同底座嵌入土方式对土壤呼吸有显著影响，IM处理测定结果最大，其次是IL，最小是IS处理。结构方程模型表明，地上生物量解释了土壤呼吸62%变异。与前文假设一相符，底座的嵌入改变了地上生物量，进而影响了土壤呼吸，这一结果与Raich 等[44]综述前人结果所得出的结论一致，该研究整合了森林和草原两个生态系统中地上植物移除对土壤呼吸的影响，结果表明地上生产力高低显著影响土壤中CO2释放速率，可能的解释是地上植被产生的光合产物可以为根系和根际提供更多的C 源，可以激发根系主导的自养呼吸和根际及土壤中微生物主导的异养呼吸，最终促进土壤呼吸的释放[45-46]。Hanson等[21]综述不同生态系统中土壤呼吸不同组分比例时发现，与ANPP直接相关的自养呼吸组分占总土壤呼吸的10%～90%；类似干旱半干旱草原一项研究结果显示，自养呼吸均值占比37%。在本研究当中，底座的3 种嵌入方式对生态系统地上初级生产力存在显著的时效性，IL 处理在短时间内（7 月22 日）显著降低了底座内地上生物量，而IS处理和处理却无显著影响；随着试验进展至后期（9月1日），IS处理与IM 处理对地上生物量影响均达到显著水平，IL 处理的影响进一步加强，表明底座永久嵌入处理在短时间内便可降低地上生物量，并且这种抑制效应会随时间累积；IS 处理与IM 处理，试验初期嵌入次数少，对根系破坏强度有限，随着嵌入次数增加，对地上生物量抑制作用凸显，最终可能通过光合有机质分配使土壤呼吸收到抑制[45,47]。

图7 底座嵌入方式（Methods）和入土深度（Depth）通过生物和非生物因素对土壤呼吸标准化总体效应的影响Fig.7 Effect of base embedding method and depth of entry on the overall effect of soil respiration standardization through biotic and abiotic factors

土壤温湿度是影响土壤呼吸最为关键的环境因子，大多数情况下土壤呼吸与土壤温度呈指数分布[48-50]，与土壤湿度呈二次或线性分布[37]。在本研究当中，土壤呼吸与土壤温度也存在极显著的指数相关关系，土壤温度解释了土壤呼吸70%～85%的变异；但底座嵌入方式对土壤温度没有显著影响（表1，图1）；与其他研究类似，土壤体积含水量与土壤呼吸速率间具有极强的线性正相关关系[35,49,51]，而且不同底座嵌入方式显著改变土壤水分含水量（图5），具体而言，IS 处理显著降低了土壤湿度，而IL 相比IM 土壤湿度无显著差异，换言之，底座提前一天嵌入显著降低了土壤湿度，而底座长期嵌入又增加了环内土壤湿度，可能的原因是底座嵌入在短时间内对土壤湿度造成了很大的影响，而长期可能由于底座高出地表的部分拦截了更多的降雨，增加了底座内土壤湿度。然而，根据SEM 模型分析结果表明，不同底座嵌入方式对土壤呼吸的影响主要通过ANPP 来实现，土壤温湿度的影响在此不显著（图6、7）。因此，本研究认为，底座不同嵌入方式对土壤呼吸的影响与底座处理对地上生物量干扰强度关系密切，长期而持续的底座嵌入处理对土壤呼吸的影响快速而且持久，并且具有累积效应；长期而间断的底座嵌入处理初期对入土呼吸影响不显著，但是随着嵌入次数的增加，其对土壤呼吸的抑制效应逐渐显著。草原生态系统大多数位于干旱和半干旱气候区对土壤湿度有着较高的敏感性，这种由于底座嵌入时间引起的土壤湿度差异在未来应更值得去关注。本试验只进行了提前一天嵌入对土壤湿度的影响，并不能够很好的解释底座嵌入对土壤湿度的这种短期效应所持续的时间，在未来应该就不同时间尺度下底座嵌入对土壤呼吸的影响，来探究底座嵌入这种短期效应所持续的时间。

3.2 底座入土深度对土壤呼吸的影响

试验结果表明，土壤呼吸的释放速率受底座入土深度影响趋势明显，这与假设二相符，也与相同区域类似研究结果一致[10]。在人工林、泥炭地和草地3 个生态系统中开展的研究结果表明，底座的插入可以使土壤CO2总排放量平均减少15%，部分区域降低甚至高达30%～50%，相关性结论表明土壤呼吸强度与细根的数量成正比，减少幅度最大的是浅根系泥炭地系统，最小的是深根草地系统[44]。结合无机环境因子分析发现，在森林和草地中，土壤温度解释了插入较深底座中土壤呼吸（主要是异养呼吸）的变异，与根源（主要是自养呼吸）土壤呼吸成分无关[9,52]。研究人员在干旱半干旱草原生态系统中发现，较深底座的嵌入可能通过降低土壤含水量，增加土壤温度来加剧系统的水温限制迫使土壤呼吸下降[10]。在本研究当中，虽然重复测量方差分析结果表明底座入土深度处理对土壤呼吸的释放速率的影响趋势明显，但深度分析笔者发现，IL 和IS 两种处理下土壤呼吸与底座入土深度成反比，而IM 处理下二者却呈正比关系。较长时间嵌入底座处理效应与李建军等[10]在类似生态系统开展的相关研究结果相似，该研究认为，土壤呼吸测定值随着底座嵌入深度增加而降低，最主要的原因是较深底座显著降低了植物的生长（ANPP）和土壤水分含量，同时增加了土壤温度。本研究支持该结论，与底座嵌入较浅处理相比较，底座嵌入较深处理显著减少了地上生物量（图2），地上生物量与植物的光合作用紧密相关，光合作用主要依赖于地下根系对地上部分养分和水分的输送，在一定程度上反映了根系活动的强弱[53]。根系活动的增强，一方面带动了与根系和根际微生物呼吸有关的自养呼吸，另一方面通过分泌根系分泌物激活了与土壤微生物代谢有关的异养呼吸[54]。草原生态系统自养呼吸占土壤总呼吸43%～54%[27,55]。因此，受底座嵌入的影响，地上生物量的下降可以直接通过影响根系、根系呼吸和微生物代谢来间接调控土壤呼吸的释放。

与IS和IL处理相比较，IM 处理因其对土壤的影响非常短暂，因此，底座嵌入过程中对土壤造成的物理挤压，可能迫使土壤间隙中空气在短时间内被释放出来，而IM 处理缺乏一个稳定期，致使测定范围内CO2测定浓度迅速升高，之后慢慢衰减至趋于新平衡。底座插入越深，干扰的土层越多，土壤呼吸测定值越大，而对表层根系和土壤温湿度等因子的作用有限，尽管试验进行到生长季节后期，由于底座嵌入次数的累积，插入较深的处理其植物初级生产力显著下降，按照本研究的结论其根源性土壤呼吸应该下降，但是这种负效应依然不及底座插入对土壤扰动的影响，最终表现为土壤呼吸增加的结果。本研究还发现，底座嵌入方式与底座入土深度之间对土壤呼吸测定结果具有极其显著的交互作用。作为基本参数，以往研究很少对底座嵌入方式和入土深度共同展开讨论。以往研究认为，底座高出地上的部分可以拦截降雨，有效的提高了底座内土壤的湿度，底座内部因为吸收太阳辐射能量增加导致土壤表层土壤温度会增加[10]，以往研究表明，土壤水分和土壤温度是草原生态系统最敏感的环境因子，一定程度上土壤温湿度的增加可以促进土壤呼吸的释放[56]。不可忽视的是，伴随着根系的切断，底座入土越深被切断的根系越多，根系分泌的易分解有机质可加快微生物的呼吸代谢[57]。在本研究当中，底座永久嵌入（IL）相比提前嵌入（IS），底座的阻隔可以使更多的易分解有机质保存于底座内部供微生物分解，从而部分解释前期IL处理下土壤呼吸测定值偏高；另外，在永久嵌入处理下，保湿能力较强，这些有机质更容易被微生物捕获，从而加剧土壤异养呼吸的释放。

4 结论

本研究表明，底座嵌入方式和入土深度均显著改变了土壤呼吸速率的测定结果，而且二者之间存在显著的交互作用。底座3 种嵌入方式下土壤呼吸测定值表现为：IS＜IL＜IM（IL=4.29、IS=4.08、IM=4.49）；随着底座入土加深，3 种嵌入方式（IL、IS、IM）的土壤呼吸变化率分别为-12.88%、-13.19%、+18.66%。结构方程模型分析表明，底座嵌入方式主要通过改变ANPP 对土壤呼吸测定结果产生影响；而底座入土深度则是通过增加测定区域的干旱胁迫（土壤水分降低和土壤温度增加）和抑制植物的生长来使土壤呼吸测定结果降低，IM 处理可以捕捉到底座插入时对土壤扰动排放CO2过程，因而该处理下土壤呼吸测定结果偏大。全球温带草原土壤和植被碳储量约为304 Pg，占全球陆地生态系统总碳储量的12.3%[39]，土壤呼吸作为连接陆地生态系统和大气系统的桥梁，在调节大气碳循环和预测全球变化的过程中扮演着非常重要的角色，可谓牵“土壤呼吸”之一发而动“全球碳循环”之全身[28]，因此，在进行生态系统碳排放量计算、全球气候变化模型计算和“碳达峰碳中和”评估时，应充分考虑土壤呼吸数据测定方法不同（底座嵌入方式和入土深度不同）所引起的不确定性影响。

研究中土壤呼吸测定结果缺乏一个绝对的参考值，因此笔者只能评估3 种不同嵌入方式和不同入土深度下土壤呼吸的结果差异，而无法确切给出底座每种嵌入方式和两个深度下土壤呼吸测定结果高估或者低估情况，因此也无法给出一个相对合理测定土壤呼吸的装置，然而这些都是亟待解决的问题。因此在未来的研究工作中，对于如何确定一种合理设置测定土壤碳排放速率的底座的参数（性状、面积、深度、嵌入方式等等），进而准确评估土壤碳循环在当下及未来全球气候变化中的作用尤为重要。

致谢：江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ180180）和江西省林业局林业科技创新专项（创新专项[2021]24号）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！