李濤　李芹　王樹(shù)明　李春　趙東興　張勇　高梅

摘 要 以云南河口不同林齡人工橡膠林作為研究對(duì)象，對(duì)抗逆高產(chǎn)和膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度及相關(guān)影響因素進(jìn)行2 a的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。結(jié)果表明：（1）從季節(jié)變化來(lái)看，土壤CO2濃度具有明顯的季節(jié)性變化特征，每年春季開(kāi)始上升，夏秋季最高，冬季最低；（2）從垂直土壤深度來(lái)看，土壤CO2濃度隨著土壤深度的遞增而升高，在0～100 cm土壤范圍內(nèi)，表現(xiàn)為100 cm>80 cm>60 cm>40 cm>20 cm；（3）土壤CO2濃度與溫度、水分和土壤有機(jī)質(zhì)之間存在著顯著或非顯著正相關(guān)關(guān)系，表明溫度、水分、有機(jī)質(zhì)等是影響土壤CO2濃度變化的主要因素。

關(guān)鍵詞 橡膠林；土壤CO2濃度；溫度；含水量；有機(jī)質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào) S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

The Variation and Influence Factors of Soil CO2

Concentration in Planted Hevea brasiliensis

with Different Ages in Hekou，Yunnan

LI Tao，LI Qin*，WANG Shuming，LI Chun

ZHAO Dongxing，ZHNAG Yong，GAO Mei

Honghe Institute of Tropical Agriculture，Hekou，Yunnan 661300，China

Abstract Planted Hevea brasiliensis with different ages with high latex yield and stress tolerance， and also with quality timber in Hekou，Yunnan was used to monitor soil CO2 concentration and related influencing factors for two years. The results showed：（1）The soil CO2 concentration changed obviously with season passed. It rose from spring， reached the highest in summer and autumn， and declined to the lowest in winter；（2）In the vertical soil profile， the soil CO2 concentration of the two studied sites rose with soil depth increased， and showed as 100 cm >80 cm>60 cm>40 cm>20 cm within 0-100 cm limits；（3）There was a positive correlation or a nonsignificant correlation between the soil CO2 concentration with temperature，moisture content and soil organic matter. The major factors which influenced the soil CO2 concentration were the temperature， moisture content， soil organic matter and so on.

Key words Rubber plantation； Soil CO2 concentration； Temperature； Moisture content； Organic matter

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.002

土壤系統(tǒng)中的CO2主要來(lái)源于植物根系呼吸及土壤有機(jī)質(zhì)的氧化分解[1-2]，土壤CO2一部分參與到土壤化學(xué)反應(yīng)或者擴(kuò)散到土壤水中[3]，另一部分經(jīng)由土壤呼吸作用排放到大氣中，已有研究結(jié)果表明，土壤呼吸是土壤碳庫(kù)和大氣碳庫(kù)之間碳流通的主要方式之一[4]，據(jù)估計(jì)全球土壤CO2排放量在68～100 pg/a之間[5-6]，是整個(gè)生物圈的主要碳源之一。碳循環(huán)在全球生態(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要，許多發(fā)達(dá)國(guó)家及政府部門(mén)都加大了對(duì)人工林碳吸收、碳儲(chǔ)存途徑的研究力度。中國(guó)大面積種植巴西橡膠樹(shù)已有50多年的歷史，目前天然橡膠種植面積已達(dá)114萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量達(dá)86.5多萬(wàn)t，種植面積和產(chǎn)膠量均居世界43個(gè)產(chǎn)膠國(guó)家的第四位，已經(jīng)建立起較為完善的天然橡膠產(chǎn)業(yè)體系。橡膠林也是南方熱作墾區(qū)重要的人工生態(tài)林之一[7]，具有森林型生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行著大量物質(zhì)、能量循環(huán)和轉(zhuǎn)移，是實(shí)現(xiàn)熱區(qū)資源可持續(xù)利用的一個(gè)重要人工生態(tài)系統(tǒng)[8]。橡膠樹(shù)除生產(chǎn)橡膠和提供優(yōu)質(zhì)木材外，還有長(zhǎng)期不為人們注意的生態(tài)服務(wù)功能，如橡膠樹(shù)可固定大氣中的C和緩解溫室效應(yīng)，橡膠林一生的生命周期里可固定大氣中的C為318.7 t/hm2[9]，中國(guó)橡膠林每年從大氣中固定的CO2量為6.51 t/h，采用C稅法估算其價(jià)值達(dá)每年19.6萬(wàn)元/hm2[10]。

20世紀(jì)80年代以后對(duì)膠園生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在養(yǎng)分及養(yǎng)分循環(huán)、膠園小氣候等方面，而對(duì)大氣調(diào)節(jié)作用方面的研究報(bào)道較少。有學(xué)者對(duì)西雙版納橡膠林土壤呼吸季節(jié)變化及其影響因子進(jìn)行了研究，顯示該地區(qū)土壤呼吸速率季節(jié)變化與橡膠樹(shù)生長(zhǎng)節(jié)律基本一致，且與溫度因子、濕度因子有相關(guān)關(guān)系[11]，土壤溫濕度是影響橡膠林土壤呼吸作用形成季節(jié)變化的主要原因之一[12]。但中國(guó)作為世界上少有的幾個(gè)大面積人工種植橡膠的國(guó)家[13]，在這方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其對(duì)橡膠林土壤呼吸作用的研究報(bào)道極少。因此，筆者研究橡膠林土壤CO2濃度的季節(jié)變化規(guī)律及其分布特征，對(duì)不同橡膠林、不同深度土壤CO2濃度進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)，以此更好地了解天然人工橡膠林碳循環(huán)途徑及其變化規(guī)律，為研究人工橡膠林對(duì)全球碳循環(huán)的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為中國(guó)橡膠產(chǎn)業(yè)的固碳減排工作提供一定的科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)選擇云南河口紅河綜合試驗(yàn)站抗逆高產(chǎn)和膠木兼優(yōu)2個(gè)不同林齡人工橡膠林作為研究對(duì)象（圖1）。其中，膠木兼優(yōu)橡膠林于2003年4月定植，主要品種為178、509、516、524、8-79、628等12個(gè)，種植面積約4.73 hm2；抗逆高產(chǎn)橡膠林于2010年6月定植，主要品種為云研77-4、熱研7-33-97、熱研8-79、熱墾525、熱墾628和湛試327-13共6個(gè)，種植面積約12.07 hm2。試驗(yàn)區(qū)屬熱帶雨林季風(fēng)性氣候，最高溫40.9 ℃，最低溫1.9 ℃，年均溫22 ℃，年均降水1 587.3 mm，年均濕度84%，日照1 605 h；土壤以灰褐色粘土為主，土壤分布均勻，土層較厚，土壤基本理化性狀平均值為：pH4.24、有機(jī)質(zhì)30.75 g/kg、有效磷8.24 mg/kg、速效鉀49.80 mg/kg、堿解氮94.65 mg/kg、交換鈣100.1 mg/kg和交換鎂13.3 mg/kg。

1.2 方法

每個(gè)研究點(diǎn)設(shè)置不同土壤深度即20、40、60、80、100 cm，共計(jì)5個(gè)不同深度土層，監(jiān)測(cè)每個(gè)點(diǎn)每個(gè)不同土層的CO2濃度。具體在2個(gè)橡膠林下分別挖掘1m深的土坑，垂直土壤剖面上按不同深度要求鑿洞，把PVC管制作的“L”型土壤CO2收集管埋放于內(nèi)，水平管為土壤氣體收集管，其上鉆有通氣孔與土壤氣體交換；豎管為導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管延伸至地面，導(dǎo)管開(kāi)口上插有塞子防止土壤氣體與大氣交換（圖2）。使用加拿大BW公司生產(chǎn)的GasAlertMicro 5 IR CO2檢測(cè)儀直接測(cè)定，每個(gè)土層深度的CO2濃度重復(fù)測(cè)定3次，取平均值作分析統(tǒng)計(jì)，觀測(cè)周期為每月2次，持續(xù)2 a。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

橡膠林內(nèi)空氣的溫度、濕度用德國(guó)Testo 435-2多功能測(cè)量?jī)x直接測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[14]；橡膠林下土壤溫度使用水銀溫度計(jì)插入土中測(cè)定；土壤含水量采用烘干法，即105 ℃烘干8 h后稱(chēng)重測(cè)定，計(jì)算公式為：土壤含水量=[（濕土重量-烘干后重量）/濕土重量]×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤CO2濃度

2.1.1 土壤CO2濃度的季節(jié)變化規(guī)律 從圖3、4可知，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤CO2濃度均具有明顯的季節(jié)性變化特征，從3月份開(kāi)始隨著春季的到來(lái)，氣溫回升，光照增強(qiáng)，降雨量增多，土壤呼吸作用隨之增強(qiáng)，土壤CO2濃度開(kāi)始緩慢上升，并在夏季（6～8月份）達(dá)到最大值，秋季開(kāi)始下降，冬季最低。其中夏季最大值達(dá)到48 500 mg/kg，冬季最小值為4 500 mg/kg，夏季土壤CO2的濃度是其它季節(jié)的2～3倍，說(shuō)明橡膠林土壤CO2的濃度具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。由圖5可知，從每年的4月份開(kāi)始，一方面隨著雨季的到來(lái)，氣溫回升，降雨量增多，橡膠樹(shù)及地表植被光合作用增強(qiáng)，土壤呼吸作用也隨之增強(qiáng)，新陳代謝活動(dòng)旺盛，根系呼吸作用釋放出的CO2增多；另一方面夏季時(shí)在高溫高濕的氣候條件下，土壤微生物活動(dòng)能力最強(qiáng)，土壤中有機(jī)物的氧化分解速度變快，釋放出的CO2更多，使得橡膠林土壤CO2濃度在夏季顯著上升。

2.1.2 土壤CO2濃度的垂向變化特征 從垂直土壤深度看，隨著土壤深度遞增，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤CO2濃度均出現(xiàn)升高現(xiàn)象（圖3、4），表現(xiàn)為深層土土壤CO2濃度大于表層土土壤CO2濃度，在0～100 cm土壤范圍內(nèi)，土層越深，其CO2濃度越高。在夏秋季節(jié)變化更明顯，且各個(gè)不同深度土層的CO2濃度變化梯度增大，20、40和60 cm這3個(gè)相鄰?fù)翆拥淖兓茸畲?，變化范圍相? 000～10 000 mg/kg，但近底部80和100 cm這2個(gè)相鄰?fù)翆拥淖兓纫荒晁募局芯兓^小，平均變化范圍相差1 000～3 000 mg/kg，總體上趨于穩(wěn)定；而冬春季時(shí)，各個(gè)相鄰?fù)翆拥腃O2濃度變化梯度不明顯，相差僅2 000～3 000 mg/kg。

2.2 土壤CO2濃度與氣溫、土溫、土壤含水量和土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

2.2.1 土壤CO2濃度與氣溫的關(guān)系 土壤微生物呼吸和植物根系呼吸是構(gòu)成土壤呼吸的2個(gè)主要組分[15-16]，土壤系統(tǒng)中68%的CO2由土壤微生物呼吸釋放，氣溫的變化是影響土壤微生物活動(dòng)性的主要因素之一[17]。微生物活動(dòng)能力隨溫度的升高而加強(qiáng)，并加速了土壤中有機(jī)物質(zhì)的氧化分解，產(chǎn)生更多CO2。

利用Excel、SPSS軟件對(duì)橡膠林土壤CO2濃度的平均值與氣溫作相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)（圖6），得知抗逆高產(chǎn)橡膠林土壤CO2濃度與氣溫的相關(guān)系數(shù)R=0.357*，P=0.013；膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與氣溫的相關(guān)系數(shù)R=0.241，P=0.120。說(shuō)明溫度在0～35 ℃范圍內(nèi)，抗逆高產(chǎn)橡膠林土壤CO2濃度與氣溫之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.05），膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與氣溫之間存在非顯著正相關(guān)關(guān)系（p>0.05）。

2.2.2 土壤CO2濃度與土溫的關(guān)系 橡膠林土壤CO2濃度的平均值與土溫作相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)可知（圖7），抗逆高產(chǎn)橡膠林土壤CO2濃度與土溫的相關(guān)系數(shù)R=0.386**，P=0.007；膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與土溫的相關(guān)系數(shù)R=0.394**，P=0.009。說(shuō)明抗逆高產(chǎn)和膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與土溫之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.01）。土溫變化緩慢，外界環(huán)境對(duì)土壤溫度的變化影響不大，土溫比氣溫穩(wěn)定一些，更能反映溫度對(duì)CO2濃度的影響，已有研究結(jié)果表明，土壤溫度能較準(zhǔn)確地反映溫度對(duì)土壤微生物的影響，是影響土壤呼吸的重要因素之一[18]。

2.2.3 土壤CO2濃度與土壤含水量的關(guān)系 橡膠林20和40 cm土壤CO2濃度與土壤含水量作相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)可知（圖8），抗逆高產(chǎn)橡膠林土壤CO2濃度與含水量的相關(guān)系數(shù)分別為20 cm處R=0.455**、P=0.001，40 cm處R=0.153、P=0.301；膠木兼優(yōu)橡膠林土壤CO2濃度與含水量的相關(guān)系數(shù)分別為20 cm處R=0.395**、P=0.010，40 cm處R=0.247、P=0.115。說(shuō)明橡膠林20 cm深度土壤CO2濃度與土壤含水量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，而40 cm深度的為非顯著正相關(guān)關(guān)系，由此表明橡膠林土壤CO2濃度與土壤含水量之間的相關(guān)性隨著土壤深度增加而減弱，僅在0～20 cm深度范圍內(nèi)存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，更深土層為非顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.2.4 土壤CO2濃度與土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系 從圖9可知，橡膠林土壤有機(jī)質(zhì)含量呈季節(jié)性變化規(guī)律，抗逆高產(chǎn)橡膠林土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值為31.7 g/kg，膠木兼優(yōu)橡膠林土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值為30.8 g/kg，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，從數(shù)值上比較抗逆高產(chǎn)橡膠林土壤有機(jī)質(zhì)含量略高于膠木兼優(yōu)橡膠林，但兩者相差不大。利用SPSS軟件對(duì)各個(gè)季節(jié)土壤CO2濃度和有機(jī)質(zhì)含量的平均值作相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)，得知抗逆高產(chǎn)橡膠林的相關(guān)系數(shù)R=0.554，P=0.154；膠木兼優(yōu)橡膠林的相關(guān)系數(shù)R=0.274，P=0.511。說(shuō)明橡膠林土壤CO2濃度與土壤有機(jī)質(zhì)之間均存在非顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同林齡橡膠林土壤CO2濃度對(duì)比

從圖10可知，抗逆高產(chǎn)和膠木兼優(yōu)2個(gè)不同林齡橡膠林其土壤CO2濃度存在變化差異，但各個(gè)土層間不同深度的土壤CO2濃度平均值相差不大，除40 cm處土壤CO2濃度為膠木兼優(yōu)高于抗逆高產(chǎn)外，其余20、60、80及100 cm處的土壤CO2濃度為抗逆高產(chǎn)橡膠林等于或大于膠木兼優(yōu)橡膠林，其總體平均值比較為抗逆高產(chǎn)19 487.4 mg/kg、膠木兼優(yōu)19 112.4 mg/kg，兩者相差375 mg/kg。由此可見(jiàn)，抗逆高產(chǎn)橡膠林的土壤CO2濃度要高于膠木兼優(yōu)橡膠林，抗逆高產(chǎn)橡膠林于2010年6月定植，樹(shù)齡3 a，而膠木兼優(yōu)橡膠林于2003年4月定植，樹(shù)齡10 a，由于兩者所處的地理位置、土壤環(huán)境及氣候類(lèi)型大致相同，在不考慮橡膠品系的前提下，可進(jìn)一步說(shuō)明在不同林齡人工橡膠林中，幼林地土壤CO2濃度平均值要比開(kāi)割林地高。

造成這一差異的原因可能是抗逆高產(chǎn)橡膠林為幼林地，其土壤系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾年時(shí)間的閑置修整，林帶空間開(kāi)闊，光照、雨水充足，林下生物多樣性豐富，地上雜草叢生，植被種類(lèi)多，土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，使得其土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素、礦物質(zhì)得到了恢復(fù)和補(bǔ)充，有利于土壤呼吸作用釋放出更多的CO2；而開(kāi)割林地陰蔽度較高，林下光照不足，其他植物生長(zhǎng)受限，而且因?yàn)楫a(chǎn)膠量的需要，本地區(qū)每年4月份即開(kāi)始割膠直至11月份結(jié)束，在近8個(gè)月的時(shí)間里每天進(jìn)行割膠，橡膠林需不斷合成膠乳，吸收了土壤中的大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得土壤變得貧瘠，生物多樣性下降，林下枯落相對(duì)較少，有機(jī)物氧化分解釋放出的CO2少。

3.2 橡膠林不同深度土壤CO2濃度變化差異

在0～100 cm垂直土壤范圍內(nèi)，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤CO2濃度均隨著土壤深度的遞增而升高，土層越深其CO2濃度越高，深層土壤CO2濃度大于表層土，表現(xiàn)為100 cm>80 cm>60 cm>40 cm>20 cm，而且不同深度變化幅度不同，各個(gè)土層的CO2濃度在冬春季變化幅度較小，梯度不明顯；在夏秋季變化幅度較大，梯度最明顯。原因可能是20、40和60 cm深度的土壤屬于表層土，土壤疏松多孔，通透性良好，密度較低，土壤中的CO2容易向低濃度CO2的空氣中擴(kuò)散，而且受外界環(huán)境變化的影響較大，而80 cm和100 cm深度的土壤其深藏于地表之下，土壤通透性較差，密度大，土壤溫度、含水量相對(duì)穩(wěn)定，受外界環(huán)境干擾較小。土壤中的CO2是植物根系呼吸、微生物活動(dòng)及大氣擴(kuò)散輸入的混合[16]，CO2的濃度受土壤的通氣性、土壤生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度、氣象條件及植被的共同影響[17]。此外，土壤CO2濃度還會(huì)受到土壤微生物活性的影響，而植物凋落物、光合產(chǎn)物向地下部分的分配及根系分泌物也會(huì)影響到土壤微生物的活性，從而影響土壤呼吸強(qiáng)度[19-21]。

3.3 橡膠林土壤CO2濃度影響因素

土壤呼吸作為一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，其產(chǎn)生的CO2濃度受環(huán)境、氣象及生物活性等多重因素的影響，通過(guò)對(duì)橡膠林土壤CO2濃度與氣溫、土溫、土壤含水量以及土壤有機(jī)質(zhì)之間作相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn)，得知人工橡膠林土壤CO2濃度與氣溫、土溫、土壤含水量以及土壤有機(jī)質(zhì)之間均存在著正相關(guān)關(guān)系，有的表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，有的表現(xiàn)為非顯著正相關(guān)。其中，與土溫、20 cm深度土壤含水量之間存在極顯著或顯著正相關(guān)，與氣溫、40 cm深度土壤含水量之間存在非顯著正相關(guān)。造成這種差異的原因可能是土壤CO2濃度同時(shí)受到氣溫、降雨、土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)、地表植被和生物活性等多個(gè)影響因子的共同控制，而不僅是某一個(gè)因子決定。就土壤含水量來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示20 cm深度土壤含水量波動(dòng)幅度較大，變化呈季節(jié)性規(guī)律較為明顯，所以與土壤CO2濃度顯著相關(guān)；而40 cm深度土壤含水量比20 cm深度的土壤含水量要穩(wěn)定一些，季節(jié)變化規(guī)律不明顯并趨于平緩，所以與土壤CO2濃度非顯著相關(guān)。通過(guò)分析表明溫度、水分是影響土壤CO2濃度變化的主要因素，已有的研究報(bào)道也揭示了溫度和水分是影響土壤呼吸最為顯著的因素[22-25]。

綜上表明，不同林齡人工橡膠林土壤CO2濃度的季節(jié)變化與溫度（土溫、氣溫）、土壤含水量和土壤有機(jī)質(zhì)之間存在著顯著或非顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明橡膠林土壤CO2濃度的季節(jié)性變化規(guī)律與樹(shù)齡、溫度（土溫、氣溫）、降雨量及生物活動(dòng)密切相關(guān)。符合現(xiàn)有研究結(jié)論即橡膠林土壤呼吸與溫度和土壤含水量都有明顯的季節(jié)變化，而且變化趨勢(shì)基本一致[26]。由此可見(jiàn)，溫度、降水、凋落物和生物活性對(duì)CO2濃度變化都起著重要影響作用，氣候條件、環(huán)境因子、水分條件等使地表植被生長(zhǎng)狀況及土壤微生物活動(dòng)量隨季節(jié)的變化而變化，進(jìn)而影響土壤CO2濃度的變化，使土壤CO2濃度呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律。

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