不同灌溉方式对侧柏人工林土壤呼吸的影响

李泽霞，陈爱华，田晋华

（甘肃省水土保持科学研究所，兰州 730020）

0 引 言

土壤呼吸是指土壤释放二氧化碳的过程，也是陆地生态系统中仅次于光合作用的第二大碳循环途径[1]，对全球碳循环产生重大影响。森林是陆地生态系统中最大的碳库，中国人工林面积稳居世界第一，人工林增加森林土壤碳汇能力的潜力较大，研究人工林碳汇是提升我国固碳减排能力的重要措施。除受自然因素影响外，半干旱区的人工林生态系统还受到人类活动的强烈干扰，因水资源短缺，灌溉措施在半干旱地区人工林建设中起到了重要的作用。侧柏具有耐干旱耐土壤瘠薄、适应性强的特点，已成为半干旱区人工造林的重要绿化树种，也是兰州市南北两山绿化工程种植面积最大、生长良好的树木，但是干旱一直是限制侧柏人工林生长的重要原因之一。随着节水灌溉技术的迅速发展，喷灌、滴灌等技术逐步成为半干旱地区人工林栽培的主要灌溉措施，灌溉会对人工林的土壤环境造成影响，合理的灌溉方式能够促进土壤固碳，减轻温室气体排放[2]，进一步影响人工林的碳汇功能。在全球控制固碳减排的大背景下，研究不同灌溉方式下土壤含水量变化对侧柏人工林土壤呼吸特征的影响，对评估土壤碳排放具有重要意义。

目前关于灌溉对土壤呼吸影响的研究已有一定进展，农田土壤CO2的排放量受到灌溉量的影响显著，亏缺灌溉一定程度上抑制了夏玉米地土壤CO2的排放[3]及花生全生育期CO2累积排放量[4]，但也有研究表明，过量灌溉则会降低土壤呼吸[5]。孙潇等[6]研究无水层控制灌溉模式稻田的土壤呼吸速率日均值较淹灌模式有一定幅度的增大，表明控灌模式促进了稻田土壤呼吸速率。韩昌东[7]研究不同灌水下限对设施土壤CO2排放的影响，其中灌水下限为20 kPa 时促进了设施土壤CO2的排放。杨洋等[8]研究不同灌溉方式对设施番茄土壤呼吸的影响，指出3 种灌溉处理的土壤呼吸速率表现为沟灌＞滴灌＞渗灌。刘芳婷等[9]通过土柱试验发现随着滴灌水量的增加，土壤含水率与表层土壤CO2通量的关系呈逐渐减弱的趋势。不同灌溉方式对陆地生态系统碳平衡的研究主要集中在农田以及设施蔬菜，有关人工林灌溉方面的研究较少，区分不同灌溉方式作用效应差异的试验结果更鲜有报道。因此，本文以半干旱区侧柏人工林为研究对象，通过野外试验观测三种灌溉方式下侧柏人工林的土壤呼吸速率，分析不同灌溉方式对侧柏人工林土壤呼吸变化特征的影响，从而提出有利于半干旱区侧柏人工林地固碳减排的灌溉方式，为评估人工林地生态系统的土壤碳汇能力和指导人工林地的合理灌溉措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省兰州市小青山水土保持科技示范园区，该区属于黄土丘陵沟壑区第五副区，地貌特征以梁状黄土丘陵为主，地势西南高，东北低，属北温带半干旱大陆性气候，蒸发量为1 333 mm，年降水量为330 mm，土壤以黄土母质上发育起来的灰钙土为主。示范区为甘肃省水土保持科学研究所的试验、示范、监测基地，该区先后开展了水土流失规律、综合治理模式、集雨造林及节水灌溉等方面的科学研究，园区内自然植被种类丰富，现有100 余种乔灌树种及30 多种草种，林草覆盖率达85%。试验选择侧柏人工林为研究对象，株行距为3 m×5 m，平均株高、冠幅、地径分别为3.7 m、2.4 m和32.0 cm。

1.2 试验设计

试验设计喷灌、穴灌和漫灌3 个处理，3 次重复，共9 块样地，每块样地种植20 株侧柏人工林。灌溉制度参考示范区及周边坡地近年侧柏灌溉水平实际定额制定，其中喷灌和穴灌灌水次数为6 次，总灌水量分别为2 517 m3/hm2、1 698 m3/hm2，漫灌灌水次数为4次，总灌水量为3 330 m3/hm2。各样地分别采用固定式喷灌、移动软管式穴灌以及渠道输水式漫灌进行灌水，灌溉水量用园区内蓄水池出口处水表控制，采取相同的施肥管理措施。

1.3 测定指标

（1）土壤呼吸速率：利用LI-8100土壤碳通量系统对不同灌溉方式下侧柏人工林地的土壤呼吸进行测定，该仪器的测量原理、测量过程及主要特点见文献[10]。侧柏人工林于2020年3-9月进行灌溉，结合灌溉制度每隔两月选取适宜的天气开展土壤呼吸观测试验。在侧柏人工林喷灌、穴灌、漫灌样地内分别随机设置3个样方，在样方内垂直固定好PVC环（直径为20 cm；高为10 cm），露出地面5 cm，选择晴朗的观测日，在08:00-18:00 进行土壤呼吸参数的测定，每次测定重复3 次，取平均值计为测量时间点的土壤呼吸值。在每次测量前24 h放置测量环并清除环内植物，尽量减少外部条件对土壤呼吸速率的影响。

（2）土壤温度与湿度：测定土壤呼吸的同时用仪器自身配置的温度探针和土壤水分探头测定5 cm 处土壤温度和10 cm处土壤体积含水率，利用气温计同步观测记录大气温度和地表温度。

1.4 数据处理与统计方法

土壤呼吸与土壤温度的关系通常采用以下指数方程拟合：

式中：Rs为土壤呼吸速率；T为土壤温度；a为T等于0 ℃时的土壤呼吸速率；b为温度反应系数。

土壤呼吸与土壤水分(W，%)采用线性方程Rs=a+bW拟合。根据公式Q10= e10b计算土壤呼吸温度敏感性值(Q10)。土壤呼吸速率和土壤温湿度值均为测量时间点所有数据的平均值，月变化值由一天观测值平均所得。采用Excel 2010进行数据绘图分析和SPSS 21.0 软件进行单因素方差分析和最小显著差异方法分析不同样地及月份的差异性，显著性水平设置为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式侧柏人工林土壤呼吸变化特征

2.1.1 土壤呼吸日内变化特征

侧柏人工林3-9月份灌水期内土壤呼吸速率的日内变化如图1 所示。3 种灌溉方式下侧柏人工林的土壤呼吸速率日内变化均呈现先升高后降低的单峰变化，高峰值基本出现在12:00-16:00 之间。从图1 可以看出，3 种灌溉方式下侧柏人工林在不同月份的土壤呼吸速率日内均值存在较大差异，从大到小依次表现为7 月：漫灌[3.40 μmol/(m2·s)]＞穴灌[2.17 μmol/(m2·s)]＞喷灌[1.72 μmol/(m2·s)]；9 月：漫灌[2.26 μmol/(m2·s)]＞穴灌[1.88 μmol/(m2·s)]＞喷灌[1.67 μmol/(m2·s)]；5 月：穴灌[1.91 μmol/(m2·s)]＞漫灌[1.89 μmol/(m2·s)]＞喷灌[1.67 μmol/(m2·s)]；最小的是3 月：漫灌[0.72 μmol/(m2·s)]＞穴灌[0.63 μmol/(m2·s)]＞喷灌[0.38 μmol/(m2·s)]，除5 月份外，其余月份漫灌侧柏林地的土壤呼吸速率日内均值远远高于喷灌和穴灌的侧柏林地。经方差分析，3种灌溉方式下侧柏人工林在不同时刻的土壤呼吸速率变化值差异显著(p＜0.05)。

图1 不同灌溉方式的土壤呼吸速率日内变化特征Fig.1 Diurnal variation characteristics of soil respiration rate of different irrigation modes

从表1 可知，不同灌溉方式侧柏人工林地在3-9 月份日较差表现不规律，漫灌林地日较差最高[0.72 μmol/(m2·s)]，其次是穴灌林地[0.31 μmol/(m2·s)]，最低的是喷灌林地[0.24 μmol/(m2·s)]，说明漫灌林地一天之中土壤呼吸速率最高值与最低值相差较大，喷灌林地差异较小。漫灌侧柏人工林的变化幅度最大，从3-9 月的变化范围是0.72～3.40 μmol/(m2·s)，喷灌与穴灌林地的变化幅度较漫灌地小，其最大值与最小值出现的时间和漫灌林地是一致的。

表1 土壤呼吸特征分析Tab.1 Variation characteristics of soil respiration

2.1.2 土壤呼吸月变化特征

侧柏人工林的土壤呼吸速率月变化特征如图2 所示，3 种灌溉方式林地的土壤呼吸速率均是3 月最低，7 月最高，土壤呼吸在不同月份的变化梯度比较明显。3-9月的土壤呼吸速率月均值表现为：漫灌[2.07 μmol/(m2·s)]＞穴灌[1.65 μmol/(m2·s)]＞喷灌[1.36 μmol/(m2·s)]，漫灌地月均值高于穴灌地25.45%，高于喷灌地52.2%。5-7 月份正处于夏季，土壤温度较高，侧柏人工林根系生长快，土壤微生物活动力强，促使土壤排放CO2速度较快，使得土壤呼吸作用增强。3月份处于春季，侧柏人工林处于生长初期，日辐射能量较低，制约了土壤生物的活动，从而使土壤呼吸速率在3月最小。经方差分析，同一月份中不同灌溉方式侧柏人工林的土壤呼吸速率月均值均存在显著差异，喷灌林地的土壤呼吸速率均显著低于漫灌和穴灌林地，漫灌与其他2种灌溉方式土壤呼吸速率差异达到极显著水平(p＜0.01)，说明漫灌显著促进了土壤呼吸作用。

图2 不同灌溉方式3-9月土壤呼吸速率月变化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of soil respiration of 3-9 months with different irrigation modes

2.2 土壤呼吸速率与水热因子的关系

2.2.1 土壤呼吸速率与温度的关系

为进一步探明不同灌溉方式下土壤呼吸速率对温度的响应，采用指数方程对3种不同灌溉方式下土壤呼吸速率与温度的关系进行模型拟合，并计算温度敏感系数Q10值(表2)。从表可以看出，3 种不同灌溉方式土壤呼吸速率与地表温度、5 cm土壤温度都表现出极显著(p＜0.01)正相关关系，因此，随着温度的增加，土壤呼吸速率也在增加。喷灌林地、穴灌林地、漫灌林地土壤地表温度分别解释了土壤呼吸速率71.65%、30.71%、61.47%的变异，5 cm 土壤温度分别解释了土壤呼吸速率67.85%、17.89%、50.87%的变异，表明喷灌林地的地表温度、5 cm 土壤温度与土壤呼吸速率的相关性高于穴灌和漫灌林地。通过比较分析，地表温度对土壤呼吸速率的影响高于5 cm土壤温度。

表2 土壤呼吸速率(Rs)与温度(T)间的关系及Q10值Tab.2 Relationships between soil respiration rate (Rs)and temperature (T)as well as Q10 values

Q10值是温度敏感性指数，Q10值越大，表明侧柏人工林地的土壤呼吸速率对温度的变化就越敏感，采用指数关系模型计算3 种灌溉方式下侧柏人工林地的Q10(表2)，研究土壤呼吸速率随土壤温度的变化情况。从表可以看出，3种灌溉方式下土壤呼吸速率与其各自对应的土壤温度(T)拟合效果较好，喷灌林地的土壤呼吸和地表温度、5 cm 土壤温度相关性均最高，其次是漫灌林地，穴灌林地最低。3种灌溉方式侧柏人工林的的温度敏感性系数在1.54～2.34之间，喷灌林地的土壤呼吸速率对地表温度、5 cm 土壤温度的敏感性最高，Q10分别为2.12、2.34。

2.2.2 土壤呼吸速率与土壤含水率的关系模型

除土壤温度外，土壤含水率也是影响土壤呼吸速率的一个重要因素。本研究选取5月份土壤含水率数据进行比较，采用线性方程模拟出不同灌溉方式侧柏人工林土壤呼吸速率与10 cm 土壤含水率的相关关系图(图3)。结果显示：喷灌林地的土壤呼吸速率与10 cm 土壤含水率表现出极显著(p＜0.01)正相关关系，而穴灌和漫灌林地并没有表现显著相关关系。喷灌林地的土壤呼吸速率与10 cm 土壤含水率的相关性高于其他2种灌溉方式，随着土壤含水量的增加，土壤呼吸速率也在增加。

图3 土壤呼吸速率与10 cm土壤含水率的关系Fig.3 Relationships between soil respiration rate and 10 cm soil moisture

3 讨 论

3.1 不同灌溉方式对土壤呼吸变化的影响

土壤呼吸是指植株的根呼吸、土壤微生物分解有机质、动物呼吸，从土壤中释放出CO2的过程[11]。本研究中甘肃省兰州小青山示范区不同灌溉方式侧柏人工林土壤呼吸速率变化范围是0.38～3.40 μmol/(m2·s)，喷灌林地的土壤呼吸速率低于漫灌林地和穴灌林地，且差异性显著；3种灌溉方式侧柏人工林地3-9 月的土壤呼吸速率均呈现先升高后降低的变化趋势，在各月的变化基本一致，其中3 月土壤呼吸速率最低，7 月土壤呼吸速率最高，这是因为受到季节性气温变化的影响，地表温度和土壤温度都较高，侧柏人工林地土壤微生物活动活跃。3种灌溉方式中，喷灌林地的土壤呼吸速率均低于漫灌和穴灌林地，且差异达到极显著水平(p＜0.01)。

3.2 不同灌溉方式下土壤温度和土壤含水率对土壤呼吸速率的影响

土壤呼吸的变化主要是由土壤温度、湿度、气象因素、光合产物及其共同作用引起的，有研究表明土壤呼吸速率与土壤温度呈显著的指数回归关系[12]，与本研究结果一致，三种灌溉方式下侧柏人工林地的地表温度、5 cm 土壤温度均与土壤呼吸速率呈正相关指数关系。Q10是指温度每增加10 ℃，呼吸速率增加的倍数，本研究结果表明，随着地表温度和土壤温度的增加，土壤呼吸速率也在增加。由土壤呼吸速率与温度之间的指数模型，可知喷灌林地、穴灌林地、漫灌林地地表温度分别解释了土壤呼吸速率71.65%、30.71%、61.47%的变异，5 cm 土壤温度分别解释了土壤呼吸速率67.85%、17.89%、50.87%的变异，Q10表现为喷灌林地＞漫灌林地＞穴灌林地。

有研究表明，土壤呼吸速率主要受土壤温度和湿度的共同影响[13]，但是土壤呼吸速率与土壤湿度之间的关系较复杂，二者有正相关、负相关、不相关3 种关系[14]。付佳祥等[15]研究夏玉米的土壤呼吸速率与土壤温度呈正相关，与不同处理土壤体积含水存在显著正相关关系，师梦娇[16]等发现土壤CO2的排放随着灌溉量的增加而增加，但灌溉频率过高降低了土壤CO2的排放量。灌溉措施是半干旱区侧柏人工林的重要影响因子，适宜的土壤水分可增加土壤微生物种群数量，通过对土壤特性、温度等的改变从而影响土壤呼吸，本研究结果表明，喷灌林地的土壤呼吸速率与10 cm 土壤含水率表现出显著正相关关系，而穴灌和漫灌林地没有表现出显著相关关系，可能是因为喷灌灌水均匀度高，土壤湿润持续时间长，为土壤微生物和作物根系提供了适宜的环境条件，从而引起土壤呼吸速率的变化。

4 结 论

半干旱区侧柏人工林地在3种灌溉方式下的土壤呼吸速率变化均表现出明显的单峰曲线特征，但不同灌溉方式之间存在差异，喷灌林地的灌水量最少，土壤呼吸速率最小，能够有效降低土壤碳排放，是一种更适宜半干旱区侧柏人工林的节水灌溉技术。

（1）3 种灌溉方式侧柏人工林3-9 月份土壤呼吸速率日内变化均呈现先升高后降低的趋势，高峰基本出现在12:00-16:00 之间，除5 月份外，其余月份漫灌侧柏林地的土壤呼吸速率日内均值远远高于喷灌和穴灌的侧柏林地。

（2）3 种灌溉方式侧柏人工林的土壤呼吸速率均是3 月最低，7 月最高，3-9 月的土壤呼吸速率月均值表现为漫灌[2.07 μmol/(m2·s)]＞穴灌[1.65 μmol/(m2·s)]＞喷灌[1.36 μmol/(m2·s)]。

（3）喷灌林地土壤呼吸速率与地表温度、5 cm 土壤温度及10 cm 土壤含水率都表现出极显著(p＜0.01)正相关关系。温度敏感性系数Q10在1.54～2.34之间，喷灌林地的土壤呼吸速率对温度的敏感性高于其他2种灌溉方式。