郭春燕，李晉川，岳建英，盧寧，楊生權(quán)，王翔，張峰

（1.山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西省生物研究所，山西 太原 030006）

土壤呼吸（R）指土壤向大氣排放CO2的過程，是全球碳循環(huán)的重要組成部分［1］，主要是由微生物和土壤動物的異養(yǎng)呼吸（Heterotrophic respiration，RH）及根系的自養(yǎng)呼吸（Autotrophic respiration，RA）組成［2－3］.隨著全球碳循環(huán)成為研究熱點［4－5］，土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫也受到了廣泛關(guān)注.在進(jìn)行凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力估算［6］、土壤有機(jī)物評價、土壤的碳凈存留量等研究中，均需要量化RH和RA.由于土壤呼吸作用復(fù)雜多變，將根呼吸從土壤呼吸中分離出來，進(jìn)行精準(zhǔn)測定一直是困擾研究者的難題.目前根呼吸測定主要有直接測定法、有根與無根比較測定法、穩(wěn)定或者放射同位素技術(shù)測定法3種方法［7］.本研究以安太堡露天煤礦排土場人工刺槐林為研究對象，采用去根對照的方法，測定去根與未去根樣地的土壤表面CO2通量及環(huán)境因子，從而探明人工刺槐林RH和RA的季節(jié)變化規(guī)律.為復(fù)墾地人工刺槐林土壤碳庫和碳循環(huán)提供理論參考.

1 研究區(qū)域自然概況

研究樣地設(shè)在平朔安太堡露天煤礦南排土場海拔1420m平臺，地處山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，該區(qū)域為黃土高原丘陵生態(tài)極度脆弱區(qū)，112°10′58″－113°E，北緯39°23′－39°37′N，屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬春干旱少雨、寒冷多風(fēng)，夏秋降水集中、溫涼少風(fēng).年降雨量為428.2～449.0mm，年蒸發(fā)量1786.6～2598.0mm.年平均氣溫4.8～7.8℃，極端最高溫度為37.9℃，極端最低溫度為－32.4℃.全年無霜期約115－130d.礦區(qū)年平均風(fēng)速2.5～4.2m／s，最大風(fēng)速20m／s.原地貌植被覆蓋率低，零星分布，屬于干草原類型，土壤風(fēng)化強(qiáng)烈，土質(zhì)偏砂，為栗鈣土與栗褐土的過渡類型.

人工刺槐林面積0.8hm2，株行距為2m×1.5m，林齡19a，海拔1420m，樹高5～8m，胸徑10～18 cm.林中有自然更新的刺槐苗及入侵的榆樹苗，主要伴生草本植物有艾（Artemisia argyi）、白蓮蒿（Artemisia sacrorum）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、草地風(fēng)毛菊（Saussurea amara）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、無芒雀麥（Bromus inermis）、披堿草（Elymus dahuricus）、賴草（Leymus secalinus）、長芒草（Stipa bungeana）、西北針茅（Stipa sareptana）等.

2 研究方法

2.1 土壤呼吸及溫度、水分的測定

2010年10月在人工刺槐林地內(nèi)按“S”型確定8個土壤呼吸測定小樣方（10m×10m），每個小樣方內(nèi)分別用PVC管確定1個固定測量位點，將PVC管（直徑30cm，長10cm）埋于土中，露出地面3cm，在該固定位點旁挖壕溝，做去根處理，用PVC管（直徑30cm，長30cm）隔離.2011年選擇植物生長季5月－10月，每月中旬選擇天氣狀況比較穩(wěn)定日，采用美國LI－cor公司生產(chǎn)的LI－6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)連接LI－6400－09土壤呼吸室對各測量位點進(jìn)行土壤呼吸測定.在每次測量的前一天，將土壤圈（PVC管，直徑10 cm，長5cm）插入測量點，將土壤圈內(nèi)的植物齊地表剪下，盡量不擾動土壤.5cm深度的土壤溫度用Li－6400光合系統(tǒng)的土壤溫度探針測定，空氣溫度由Li－6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)測出，5cm深度的土壤含水量由EC50水分儀測定.

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根呼吸貢獻(xiàn)率（RC）計算：

Q10值計算公式［8］：

式中，b為溫度反應(yīng)系數(shù).用One－Way ANOVA進(jìn)行方差分析土壤呼吸組分與土壤溫度、水分季節(jié)變化的顯著性；用線性和非線性回歸分析土壤呼吸與土壤溫度、水分的相關(guān)關(guān)系.

3 結(jié)果分析

3.1 去根對土壤溫度與水分的影響

從圖1可以看出，人工刺槐林土壤溫度與水分均呈顯著的季節(jié)性變化（P＜0.01）.去根系處理的土壤溫度（TRH）與水分（WRH）與相應(yīng)對照（TR、WR）差異均不顯著（P ＞0.05），但去根系土壤水分月均值大于對照，兩者土壤溫度基本相同.土壤溫度與水分均為夏季（6、7、8月）最高，春季（5月）最低，其中土壤溫度7月份（31.3℃、31.12℃）最高，土壤水分則為8月份（18%、17%）最高.

圖1 人工刺槐林去除根系和對照的土壤溫度與水分的比較Fig.1 Comparisons on soil temperature and moisture of different treatments without root（No root）and with root（control）in Robinia pseudoacacia plantation

3.2 土壤呼吸不同組分季節(jié)變化（表1，P130）

人工刺槐林R具有顯著的季節(jié)變化（P ＜0.01），變化范圍為5.82－16.85μmol·m－2·s－1，8月份最高，7、9月份較高，6、10月份次之，5月份最低.RH季節(jié)變化規(guī)律同R（P ＜0.01），變化幅度為3.42～13.52 μmol·m－2·s－1，但RA隨季節(jié)變化差異不明顯（P ＝0.593），變化幅度為2.19～3.60μmol·m－2·s－1.RC呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化（P＝0.005），變化趨勢與R、RH相反，變化范圍為19.00%～41.75%，5、10月份較高，6、9月份次之，7、8月份最低.在整個植物生長季，人工刺槐林R、RH、RA月均值分別為：10.83、7.96、2.87μmol·m－2·s－1，RC月均值為29.17%.

表1 人工刺槐林土壤呼吸組分季節(jié)變化Table 1 Seasonal change of soil respiration component in Robinia pseudoacacia plantation

3.3 土壤呼吸與溫度、水分的相關(guān)關(guān)系

對人工刺槐林土壤呼吸與溫度和水分進(jìn)行線性與非線性回歸分析，回歸模型見表2.去除根系并沒有改變土壤呼吸速率與5cm土壤溫度與水分之間的關(guān)系，R和RH與溫度的回歸模型中，均為冪函數(shù)相關(guān)指數(shù)最高（R2＝0.115，0.174；P ＜0.05），與水分均為線性函數(shù)相關(guān)系數(shù)最高（r＝0.314，0.430；P ＜0.01），與溫度和水分雙因子均為冪函數(shù)相關(guān)指數(shù)最高（R2＝0.296，0.404；P ＜0.05），且RH與溫度、水分單因子和雙因子的相關(guān)性均高于R.

表2 土壤呼吸與溫度和水分的回歸模型Table 2 Regression models of soil respiration against soil temperature and soil moisture

根據(jù)表2中土壤呼吸與溫度回歸指數(shù)模型，計算得出R與RH的溫度敏感系數(shù)Q10值分別為1.21和1.27，RH的Q10值＞R的Q10值.

4 討論

本研究表明，土壤呼吸主要由氣候條件決定［9］，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，這與許多天然生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究結(jié)果相同［10－13］.由于RH與RA對土壤理化性狀、植被組成、氣候等環(huán)境變量的響應(yīng)不同［14－16］，二者呈現(xiàn)出不同的季節(jié)變化規(guī)律.RH與R季節(jié)變化規(guī)律相同，隨著土壤溫度與水分含量的升高，RH在R中所占比例迅速增大，而RA季節(jié)變化不顯著，表明影響R的環(huán)境因子同樣作用于RH，RH主要由土壤溫度與水分驅(qū)動，而RA由根生物量和單位根呼吸速率所決定的，主要受植被碳分配［17］、植被根系特征［18］和土壤水熱狀況等因子的綜合影響，隨著植物的種類、年齡以及生長環(huán)境的改變而變化.因此，根呼吸主要由于植物生長狀況和環(huán)境相關(guān)的生物和非生物因子的調(diào)控.RH在各月份中均為R的優(yōu)勢組成成分，所占比例在59%～81%之間，這與大多數(shù)研究結(jié)果基本一致［19－22］.

人工刺槐林土壤去根系后，土壤水分月均值較對照高，月均溫度差異微小，這與朱凡［23］等關(guān)于人工杉木林去根系后土壤水分與溫度的研究相同，去根系處理，明顯干擾了根系對土壤水分的吸收.本研究去根系后并未改變RH與溫度、水分的相關(guān)關(guān)系，土壤呼吸與土壤溫度呈顯著冪函數(shù)關(guān)系，與水分呈極顯著線性函數(shù)關(guān)系.該分析結(jié)果與一些人工生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸與土壤溫度、水分的相關(guān)關(guān)系［24－25］有所不同，可能由研究區(qū)域自然條件、植被類型差異所致.RH與土壤溫度、水分的回歸方程決定系數(shù)大于對照，且它的溫度敏感性系數(shù)Q10值大于對照的Q10值，與Ngao［26］等在法國東北部采用挖壕溝法研究根呼吸貢獻(xiàn)率的結(jié)果一致.這主要是由于去根系后，土壤微生物主要受土壤溫度與水分的調(diào)控.當(dāng)溫度較低時，土壤微生物呼吸主要是受生物化學(xué)反應(yīng)限制；溫度較高時，那些主要依賴擴(kuò)散運輸?shù)拇x底物和代謝產(chǎn)物就成了微生物呼吸的限制因子.土壤水分過低或過高，均不利于土壤微生物的生存，RH受到限制.［27］R和RH與土壤溫度及水分的雙因子擬合方程決定系數(shù)與相應(yīng)單因子相比，均有一定程度的提高.這表明把土壤水分因子增加到土壤呼吸與土壤溫度的函數(shù)關(guān)系中可以提高土壤呼吸的預(yù)測真確性，這與大多數(shù)研究結(jié)果一致［28－31］.

土壤呼吸是一個復(fù)雜的生物過程，受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、風(fēng)速、降水、土壤C／N等非生物因子，生物量、葉面積指數(shù)、植被掉落物等生物因子以及人類活動等諸多環(huán)境因子共同影響，其中土壤溫度和濕度是影響土壤呼吸的最重要的環(huán)境因子［32－33］，因此在構(gòu)建土壤呼吸模型時應(yīng)將這些因子的單個或者綜合作用考慮進(jìn)去.為進(jìn)一步準(zhǔn)確測定人工刺槐林土壤呼吸不同組分，仍需進(jìn)行長期的動態(tài)研究，為評價露天煤礦復(fù)墾區(qū)土壤肥力提供指標(biāo).為估測黃土高原生態(tài)系統(tǒng)碳平衡積累數(shù)據(jù).

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