張春陽，童 潔＊，王 吉，陳伏生，方向民，卜文圣，郭利平，林小凡，李建軍*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/江西省森林培育重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點實驗室，江西 南昌 330045）

【研究意義】土壤呼吸作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支最重要的成分，其通量僅次于光合作用[1-2]。一般來說，土壤呼吸對陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于50%[3]，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)第二大碳通量，土壤呼吸在調(diào)節(jié)大氣CO2濃度和土壤碳固存等方面發(fā)揮著重要作用[4]。土壤中存儲了大約有2 000 Pg 的碳[5-6]，每年從土壤中釋放的碳大約有91 Pg，占生態(tài)系統(tǒng)全年總呼吸量的20%～40%[7]，其年通量微弱的變化（增加或減少）均能改變大氣中CO2濃度，進(jìn)而影響大氣層能量收支，最終調(diào)控全球氣候[8]。土壤呼吸是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，大量研究表明，植被類型、地上生物量、凋落物添加或去除、增溫、降雨格局改變等均能通過改變土壤溫濕度進(jìn)而調(diào)控土壤中CO2的釋放。目前，有關(guān)土壤呼吸的研究很多，但大部分實驗都是通過改變生物或者非生物因子對土壤呼吸展開精準(zhǔn)的研究，卻往往忽視了土壤呼吸測定常用裝置“底座”嵌入對測定結(jié)果的影響。Heinemeyer 等[9]綜述了森林、草原和濕地3 個生態(tài)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)底座的嵌入平均降低了15%的土壤呼吸，有時甚至高達(dá)30%～50%；李建軍等[10]在草原生態(tài)系統(tǒng)的研究中也發(fā)現(xiàn)增大底座面積和嵌入深度分別降低了土壤呼吸8.0%～9.7%和9.1%～10.8%。因此，準(zhǔn)確估算底座嵌入對土壤呼吸測量的影響，對于評估大氣CO2濃度和全球溫度變化尤為重要。

【前人研究進(jìn)展】“氣室法”是測量土壤呼吸最常用的方法?！皻馐曳ā庇址帧办o態(tài)氣室法”（堿式吸收法）和“動態(tài)氣室法”（紅外氣體分析法）?！办o態(tài)氣室法”堿性溶液長時間放置可能會改變土壤微環(huán)境，進(jìn)而低估土壤呼吸對大氣碳循環(huán)的影響[11-12]；而紅外氣體分析儀在進(jìn)行室外土壤呼吸監(jiān)測時能夠達(dá)到精確、瞬時捕捉和長期穩(wěn)定監(jiān)測的目的[13]。目前，大多數(shù)室外土壤呼吸的監(jiān)測都采用紅外氣體分析法，通常，在采用紅外氣體分析法測定土壤呼吸前，為保證氣室的氣密性，在布置實驗的同時還會配備一個“底座”嵌入土壤中。雖然底座的使用非常普遍，但大多數(shù)科研人員在分析結(jié)果時往往未對底座應(yīng)用產(chǎn)生的次生影響進(jìn)行系統(tǒng)的評估，如底座嵌入方式對土壤溫濕度、枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層和土壤微生物的影響，以及最終對土壤呼吸的影響[14-17]，也未就底座的嵌入方式進(jìn)行預(yù)實驗驗證。以往大部分研究對于底座的設(shè)置考量僅局限于測量時的氣密性，關(guān)注點在“嵌入越深氣密性越好”的定性認(rèn)識上，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)底座嵌入土層深度達(dá)30 cm[9]，急需加強(qiáng)就底座嵌入深度對土壤系統(tǒng)次生影響的定量評估。

底座的設(shè)置雖然提高了土壤呼吸測量的效率，增加了測量過程的穩(wěn)定性，但也存在諸多問題，Mills等[18]在不同生態(tài)系統(tǒng)中利用紅外氣體分析法測量土壤呼吸時發(fā)現(xiàn)，與“IM”相比，底座短期（15 d）嵌入顯著降低了土壤呼吸。Heinemeyer 等[9]的研究結(jié)果表明，森林、濕地、草原3 個生態(tài)系統(tǒng)底座入土平均深度分別為4.6，9.8，2.7 cm，土壤表層通常含有大量的有機(jī)物和較高的生物活性，其分布大量的根系、菌根和微生物，是凋落物分解和土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要場所[19]，而底座的嵌入顯然干擾了表層土壤的微環(huán)境，通常會破壞土壤表層的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響相應(yīng)土層的功能。土壤呼吸作為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，其底物主要來源于3 個方面：（1）光合基質(zhì)根系活性碳；（2）地上凋落物；（3）土壤有機(jī)質(zhì)和死根[20-21]。受底座嵌入的影響，根系、根際呼吸和微生物活動均會受到干擾，最終體現(xiàn)于土壤呼吸強(qiáng)度的變化上。因此，底座的嵌入可能會對土壤呼吸造成干擾，并且這種干擾具有一定的時間尺度效應(yīng)[9,14]。評估底座的嵌入方式和嵌入深度以及二者交互作用的影響對于準(zhǔn)確測定土壤呼吸顯得尤為重要，土壤呼吸數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響氣體交換測量模型預(yù)測土壤碳庫的長期動態(tài)結(jié)果的參考價值[22-23]。

多數(shù)研究表明，底座嵌入越深土壤呼吸速率越低，其大多數(shù)原因都?xì)w因于根系的切斷[9-10,14]。根系是植物體與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量交換的主要場所，一方面通過光合作用合成的光合基質(zhì)活性碳通過根系以分泌物的形式進(jìn)入土壤為土壤微生物的活動提供了食物來源；另一方面，根系可以通過吸收根從無機(jī)環(huán)境中吸收無機(jī)鹽和水分供給地上植物生長。隨著底座的嵌入，相應(yīng)深度的根系被切斷，地上生物量和微生物的群落結(jié)構(gòu)將會受到影響[24]。李建軍等[10]在草原生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)底座嵌入越深，地上生物量顯著減少，并且生物量與土壤呼吸呈顯著線性正相關(guān)；同時，該研究者還發(fā)現(xiàn)增大底座面積也減弱了土壤呼吸，其原因也在于地上生物量減少，與之相關(guān)的自養(yǎng)呼吸減弱，進(jìn)而導(dǎo)致土壤呼吸下降。Heinemeyer 等[9]在草原生態(tài)系統(tǒng)中也得出了類似的結(jié)論。土壤呼吸來源于兩大組分：自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸[25]，自養(yǎng)呼吸是指根系和根際微生物活動所釋放的CO2，異養(yǎng)呼吸是指微生物分解有機(jī)質(zhì)和凋落物所產(chǎn)生的CO2[26-27]。自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸在應(yīng)對外界環(huán)境變化時所做出的反應(yīng)不同，如在受到大氣降雨事件后，異養(yǎng)呼吸會率先作出響應(yīng)表現(xiàn)出瞬發(fā)性，而自養(yǎng)呼吸更多的是表現(xiàn)出一定的滯后性[28]。同樣，Heinemeyer 等[9]發(fā)現(xiàn)底座嵌入后也會對土壤呼吸表現(xiàn)出一定的時滯效應(yīng)。另外，一些研究發(fā)現(xiàn)，根系“傷口”分泌的易分解有機(jī)質(zhì)（C、N 和其他營養(yǎng)物質(zhì)）可能會觸發(fā)“激發(fā)效應(yīng)”，激活處于休眠狀態(tài)下的微生物，進(jìn)而加快對原有有機(jī)質(zhì)的分解，使土壤呼吸強(qiáng)度增加[29-31]。除此之外，土壤間隙中分布著大量的CO2，底座嵌入后，受外界擠壓作用，不可避免的會對環(huán)內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，環(huán)內(nèi)土壤松動，一方面增加了土壤的透氣性，另一方面受外界垂直壓力擠壓，使得充斥在土壤間隙中的氣體可能在短時間內(nèi)被釋放出來[32-34]。因此，底座的嵌入可能會促使土壤在短時間內(nèi)釋放大量的CO2，而且這種促進(jìn)效應(yīng)與干擾強(qiáng)度呈正相關(guān)。

底座嵌入后，露出地表的部分對降雨有一定的攔截作用，長期可能會增加環(huán)內(nèi)土壤的濕度[10]。降雨下滲影響土壤呼吸各個環(huán)節(jié)（包括凋落物分解、物理替代、根系呼吸、微生物代謝），是加快陸地與大氣間碳周轉(zhuǎn)最主要的驅(qū)動力[35-36]。不同氣候區(qū)土壤對降雨所作出的響應(yīng)不同，在干旱半干旱草原，水分的匱乏使得大多數(shù)植物和微生物都處于不同程度的休眠狀態(tài)，而降雨能夠打破這種“休眠”，激發(fā)植物活性，促進(jìn)微生物對一些抗性較大、難分解有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而加速土壤CO2的釋放[37-38]。全球草原土壤和植被儲存了大約304 Pg的碳，每年的固碳量在0.4～1.2 Gt，占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的12.3%[39-40]。因此，草原生態(tài)系統(tǒng)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯有著重大貢獻(xiàn)，準(zhǔn)確的掌握草原生態(tài)系統(tǒng)碳收支對于預(yù)測陸地碳匯和構(gòu)建全球碳循環(huán)模型尤為重要。目前，有關(guān)草原生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究較多，但是有關(guān)底座嵌入對土壤呼吸的研究非常少。

【本研究切入點】選擇植物和微生物代謝最旺盛的生長季，在內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)開展了有關(guān)不同底座嵌入方式和入土深度對土壤呼吸影響的研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過結(jié)合底座嵌入時間來探究土壤呼吸的響應(yīng)變化，為準(zhǔn)確掌握土壤呼吸以及生物和非生物因子對不同底座嵌入方式和入土深度的響應(yīng)展開深入研究，以期揭示底座嵌入方式和入土深度可能對土壤呼吸造成影響的潛在調(diào)控機(jī)制。根據(jù)上述內(nèi)容，本研究提出兩個科學(xué)假設(shè)：（1）不同底座嵌入方式可能因為干擾時間長短的不同而對土壤呼吸測定結(jié)果產(chǎn)生影響。底座嵌入操作過程不可避免對底座內(nèi)土壤產(chǎn)生擾動，土壤間隙中宿存的氣體短期內(nèi)釋放出來，IM 處理可能可以捕捉到土壤中CO2排放的“脈沖信號”，這種即插即測的底座嵌入方式下測定的土壤呼吸值偏高；IS處理下，經(jīng)過一晝夜，底座嵌入對土壤擾動可能到達(dá)一個新平衡，由于切根作用時間較短，根源性自養(yǎng)呼吸影響可能較小，但切斷的根系分泌易分解有機(jī)質(zhì)可能在底座嵌入后較長的時間內(nèi)為微生物代謝提供豐富的原料，促使異養(yǎng)呼吸增強(qiáng)，最終可能土壤呼吸測定值一定程度增加；隨著底座嵌入時間增加，IL 處理下長期底座的嵌入可能致死相應(yīng)深度的根系，底座內(nèi)外物質(zhì)和能量的橫向輸送受阻，可能導(dǎo)致光合有機(jī)物質(zhì)供給不足，降低植物地上生產(chǎn)力、同時根際和土壤中微生物代謝因為養(yǎng)分供應(yīng)不足而受限，最終使土壤呼吸強(qiáng)度降低，但是與IM 和IS處理相比較，IL處理下底座長期嵌入可以增加土壤表層水分含量和降低表層土壤溫度[10]，水熱條件的改善可能在一定程度上緩解土壤呼吸值的降低。（2）底座入土越深土壤呼吸的測定值可能越低。隨著底座嵌入深度增加，土壤所受干擾越強(qiáng)，短期內(nèi)釋放CO2可能更多，因此，IM 深切根處理下土壤呼吸測定值可能更高；底座入土越深被切斷的植物根系就越多，“刀口”處分泌的易分解有機(jī)物越多，一晝夜后測定土壤呼吸（IS 處理），其根系活性影響可能較小，但較深切根下易分解有機(jī)質(zhì)較多，因此，IS 深切根處理下土壤呼吸測定值可能因為土壤異養(yǎng)呼吸增加而偏大；而IL處理下，長期底座嵌入越深，其根系的破壞越大，根系吸收水分和養(yǎng)分能力減弱更明顯，造成地上生物量下降更多，間接引起植物光合基質(zhì)向地下根系輸送的減少，減少了根系、根際和土壤微生物的分解基質(zhì)來源，因此，IL深切根處理下土壤呼吸測定值可能因為自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸兩組分降低而明顯下降。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（IMGERS，43°63′N，116°70′E）綜合觀測場內(nèi)進(jìn)行，地處中國內(nèi)蒙古錫林河流域，海拔約1 200 m。該區(qū)域?qū)儆诘湫蜏貛О敫珊挡菰瓪夂?，年平均降雨量?46 mm（1982—2014年），年內(nèi)年際降雨量變異較大，60%～80%集中在生長季的5—9月。年均溫為0～5 ℃，其中平均氣溫最高溫在7 月份為19.0 ℃，最低溫在1 月份為-21.6 ℃。土壤屬于地帶性暗栗鈣土。優(yōu)勢植物群落植被類型包括：羊草（Leymus chinensis）、冰草（Agropyron cristatum）、大針茅（Stipa grandis）和糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）等占地面生物量60%～80%[41]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，6個處理因子，每個處理6個重復(fù)，即3（嵌入方式）×2（底座入土深度）×6（區(qū)組），共36 個樣地于2013 年生長季（6 月初至10 月中旬）進(jìn)行。大多數(shù)草原生態(tài)系統(tǒng)測量土壤呼吸的底座入土深度一般在2～5 cm，底座直徑一般為10～30 cm[9-10]，為了能夠較好的反映草原生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的準(zhǔn)確性，本研究設(shè)置3 種底座嵌入方式分別為即插即測即拔（insert and measure，IM），提前一天嵌入測完拔出（insert short time，IS），永久性嵌入至試驗結(jié)束（insert long time，IL）；2種底座入土深度分別采用2 cm（D2）和5 cm（D5），其中底座入土深度不包括凋落物層厚度。底座采用方形設(shè)計，面積為30 cm×30 cm，高度為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異。每個方形底座即為一個小區(qū)，每個小區(qū)之間相隔2 m[14]。IS 和IL 底座嵌入的時間為測量的前一天，兩者的區(qū)別在于IS 需要在測量結(jié)束后立即拔出，待下次測量前一天再將其插入相應(yīng)深度，而IL 存在于整個生長季，直至試驗結(jié)束；土壤呼吸的測定從6 月下旬開始至10 月中旬結(jié)束，每個月月初對每個底座（小區(qū)）周圍1 m 進(jìn)行留茬5 cm 的模擬放牧處理，所獲取的地上生物量從系統(tǒng)中移除，底座中的生物量單獨(dú)進(jìn)行收獲，采集干重測定。底座拔出時動作輕慢，幅度要小，有帶出土壤的處理需要在底座取出后用附近去除凋落物層的表層土進(jìn)行土壤切口填充復(fù)原。

1.3 土壤溫度、土壤濕度和土壤呼吸的測定

考慮到天氣條件，同時避免測量過程中大氣降雨對實驗造成的影響同時兼具取樣的代表性[37]，本實驗土壤呼吸測定的時間分別在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進(jìn)行[41]。土壤呼吸測定時將氣室置于底座之上，氣室底部黏貼橡皮密封條，保障土壤呼吸測定時氣室腔體內(nèi)部的氣密性。土壤呼吸采用便攜式紅外氣體分析儀（LI-840，LI-COR，Lincoln，USA）以及一個氣泵相連的裝置來進(jìn)行測定，氣室采用正方形設(shè)計，30 cm×30 cm×30 cm 的規(guī)格與底座完全吻合。為增加測定結(jié)果的可靠性，氣室內(nèi)安裝USB小風(fēng)扇（電壓5 V，尺寸5 cm×5 cm×5 cm），可加速氣室內(nèi)空氣混合均勻。測定的CO2濃度數(shù)據(jù)通過LI-840配套驅(qū)動軟件記錄于電腦文檔中。LI-840軟件數(shù)據(jù)記錄頻率設(shè)置為1 s，為保證CO2和H2O 濃度在連續(xù)測量過程中有60 s的有效數(shù)據(jù)，在測量過程中每個小區(qū)的測量時間設(shè)置為100 s。利用LI-840 裝置獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)Jasoni 等[42]計算公式可計算出土壤呼吸速率（土壤中單位面積單位時間內(nèi)CO2釋放量）。為了更好的解釋底座的嵌入對土壤呼吸潛在的調(diào)控機(jī)制，本研究同步測量了底座內(nèi)0～10 cm 的土壤溫濕度，土壤溫度的測定使用溫度測定探針，土壤濕度使用便攜式土壤含水率測定儀TDR-200（Spectrum-Technologies，Plainfield，USA）測定。

1.4 處理后底座中地上凈初級生產(chǎn)力（ANPP）的測定

以往研究結(jié)果表明，植被地上部分的光合作用和呼吸作用對土壤釋放CO2的量干擾較大[1,8,14]，因此在每次測定土壤呼吸前一天，均需將底座內(nèi)所有綠色植物齊地收獲[43]。對于地上凈初級生產(chǎn)力的測定，整個生長季，筆者在生長前期和后期（7月22和9月1日）對底座內(nèi)的全部植被進(jìn)行齊地收獲。為了降低植被移除對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，筆者從附近剪取植物烘干，按照相等干重原則置換底座內(nèi)輸出的干物質(zhì)。底座內(nèi)收集的植被帶回實驗室，置于65 ℃的烘箱中烘干48 h，直至水分完全烘干質(zhì)量不在變化為止。

1.5 分析統(tǒng)計方法

本研究采用重復(fù)測量方差分析法（Repeated Measures ANOVA）對生長季內(nèi)多次土壤呼吸的測定結(jié)果進(jìn)行顯著性分析；數(shù)據(jù)分析前，先對所有數(shù)據(jù)采用K-S test進(jìn)行正態(tài)性檢驗。然后，采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）中最小顯著性差異法（LSD）比較不同處理間各指標(biāo)（土壤呼吸、土壤溫度、土壤濕度和ANPP）之間的差異性，采用Pearson 法分析各指標(biāo)之間的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型（SEM），識別影響土壤呼吸的主要因子，比較各因子對土壤呼吸的影響。本研究圖形的繪制和曲線的擬合均在Sigmaplot 12.5中完成，處理間的顯著性分析在SPSS和AMOS 21.0中完成。

土壤呼吸和土壤溫度的變化關(guān)系采用指數(shù)模型，土壤呼吸和土壤濕度之間的關(guān)系采用線性回歸模型分析，方程如下

式 （1）、（2）和（3）中，SR 為土壤呼吸速率（μmol（/m-2·s）），a，b，c，d 為擬合參數(shù)，ST 為0～10 cm 土壤溫度（℃），Q10為土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)，是指在一定的溫度范圍內(nèi)，土壤溫度每升高10 ℃，土壤呼吸增加的倍數(shù)。SWC為0～10 cm的土壤含水率（體積分?jǐn)?shù)，%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 底座入土深度和嵌入方式對土壤溫度的影響

3 種底座嵌入方式之間土壤溫度無顯著差異（P＞0.05），但底座入土深度卻顯著影響IL 和IS 的土壤溫度（P＜0.05）。與IL2 和IS2 處理相比，IL5 和IS5 土壤溫度分別增加了（1.1±0.08）℃和（0.8±0.07）℃（P＜0.000 1）；底座嵌入深度對IM 無顯著差異（P＞0.05）（圖1b）。就測量的時間尺度而言，土壤溫度表現(xiàn)出先升高后逐漸降低的“單峰”趨勢，并在7 月初（7 月6 日）達(dá)到最大值（23.8 ℃），之后在生長季末期（10 月16 日）降至最低（8.4 ℃）（圖1b）。重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明，土壤溫度測定結(jié)果均受測量時間和入土深度極顯著的影響（P＜0.001），但與底座嵌入方式間無顯著影響（P＞0.05）；底座嵌入方式和入土深度之間也存在極顯著的交互作用（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與IM2相同；而在底座嵌入2 cm 的深度下，由大到小依次為IM2、IS2、IL2，5 cm 深度下，由大到小依次為IL5、IS5、IM5。另外，測量時間、底座嵌入方式和入土深度三者的交互對土壤溫度也有顯著性影響（P＜0.05）（表1），整個生長季IM、IS和IL的均值大小分別18.1，18.1，18.2 ℃。

圖1 底座入土深度、嵌入方式和降雨事件對（a）土壤呼吸（SR）、（b）土壤溫度（ST）、（c）土壤濕度（SWC）季節(jié)動態(tài)的影響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對土壤濕度的影響

2013年6月1日至10月31日，實驗區(qū)共降雨46次，降水總量為244.2 mm。其中降雨情況如下，＜2 mm發(fā)生24次，2～5 mm發(fā)生6次，5～10 mm發(fā)生8次，＞10 mm發(fā)生8次。自然降雨具有很明顯的季節(jié)動態(tài)變化，主要發(fā)生在6—7月。降雨量多達(dá)162.1 mm，占實驗期總降雨量的66.4%。降雨事件以小量降雨（＜10 mm）為主，8月1—15日期間甚至沒有降雨，但在8月16—27日發(fā)生了兩次極端降雨事件，降雨量分別為24.1 mm和39.3 mm，9月和10月屬于干旱期，有效降水只有3次，且降水量均＜5 mm（圖1c）。

土壤濕度隨時間的變化也呈“單峰”曲線，并與測量時間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.001），在7 月中旬（7月22）達(dá)到相對最大峰值（22.76%），之后逐漸下降，在生長季末期降至最?。?.17%）（圖1c，表1）。底座嵌入方式和入土深度均顯著改變了土壤體積含水量（P＜0.000 1），IL 土壤體積含水量最高（16.9%），其次是IM（16.6%），IS 最低（15.6%）。就底座嵌入深度而言，2 cm 嵌入深度下的土壤濕度顯著高于5 cm（增加7.65%）。重復(fù)測量方差分析顯示，底座嵌入方式與入土深度處理間存在顯著的交互作用（P＜0.05），就嵌入深度而言，IL2 土壤濕度比IL5 大1.5%（P＜0.05），IS2 比IS5 大1.9%（P＜0.05），而IM2 與IM5 處理間無顯著差異（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，由大到小依次為IM、IL、IS（圖1c）。底座嵌入方式與測量時間對土壤濕度的影響存在極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.001），但測量時間與入土深度兩因素和測量時間、底座嵌入方式以及入土深度三因素對土壤濕度的交互作用均不顯著（P＞0.05）（表1）。

表1 底座入土深度（D）、底座嵌入方式（M）、和測量時間（t）對土壤呼吸速率（SR）、土壤溫度（ST）和土壤含水量（SWC）重復(fù)測量方差分析結(jié)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對地上植被初級生產(chǎn)力的影響

在生長旺盛期（7 月22 日），所有處理中，底座嵌入方式顯著改變了地上初級生產(chǎn)力（P＜0.05），IM 地上初級生產(chǎn)力（112.76 g/m2）顯著高于IL（88.33 g/m2）（27.65%，P＜0.001），IS地上初級生產(chǎn)力（100.13 g/m2）與IL 存在顯著差異（P＜0.05），與IM 無顯著差異（P＞0.05）。就底座入土深度而言，在IS處理中，底座入土越深其底座內(nèi)地上初級生產(chǎn)力越低（P＜0.05），而在IL 和IM 處理中，底座入土深度對地上初級生產(chǎn)力無顯著影響（P＞0.05）（圖2a，表1）。在生長季后期（9月1日），底座嵌入方式和底座入土深度均對地上初級生產(chǎn)力（ANPP）有顯著影響（P＜0.05），3種嵌入方式，IM 處理ANPP 顯著高于IS與IL（P＜0.001），而后兩者ANPP 之間無顯著差異（P＞0.05），底座嵌入方式與底座入土深度均對地上初級生產(chǎn)力存在顯著的影響，但二者之間交互作用不顯著（圖2b），3 種嵌入方式（IS、IL、IM）在底座入土深度水平下的變化率分別為0.91，1.48，1.30 g/m2（圖2b，表1）。

圖2 2013年生長季（7月、9月）底座嵌入方式對地上生物量的影響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對土壤呼吸的影響

在整個試驗階段，土壤呼吸隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出“單峰”形曲線，在7 月中旬達(dá)到最大值，之后呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，在生長季末降至最低（圖1a）。重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明，測量時間和底座嵌入方式均極顯著影響生長季土壤CO2的釋放速率（P＜0.000 1），底座入土深度對土壤呼吸的影響趨勢明顯（P＜0.1）；測量時間（P＜0.05）和入土深度（P＜0.000 1）均與底座嵌入方式之間的交互作用顯著；底座嵌入方式、入土深度和時間三者之間存在顯著的交互作用（P＜0.05）（表1）。就不同處理而言，3 種底座嵌入方式之間存在顯著差異，并且每種底座嵌入方式在不同入土深度下差異也顯著（P＜0.05）。整個生長季3 種底座嵌入方式測得的土壤呼吸均值由大到小依次為：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）。底座嵌入方式與入土深度之間也存在極顯著的交互作用（P＜0.000 1）（表1），對于IL 和IS 兩種處理，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I(xiàn)M 處理卻表現(xiàn)出底座入土越深土壤呼吸越高的現(xiàn)象，IM5 比IM2 處理下土壤呼吸測定值高0.766 μmol（/m2·s）（15.7%，P＜0.05）。6 個處理中，IS2、IS5、IL2、IL5、IM2、IM5土壤呼吸在植物生長季的均值分別為4.37，3.80，4.58，3.99，4.11，4.87 μmol（/m2·s）（圖1a）。

2.5 生物和非生物因素對土壤呼吸釋放速率的影響

研究通過指數(shù)函數(shù)很好的擬合了土壤溫度與土壤呼吸之間的正相關(guān)的變化關(guān)系（圖3，P＜0.000 1）；3 個嵌入方式的擬合優(yōu)度（R2）和土壤呼吸溫度敏感性指標(biāo)Q10由大到小依次為：IL、IS、IM，并且在同一底座嵌入方式下，底座入土越深擬合效果和Q10值均越低（圖3）。線性函數(shù)很好的擬合了土壤呼吸與土壤濕度之間顯著正相關(guān)關(guān)系，6 個處理擬合優(yōu)度（R2）均在0.8 以上。IL 擬合優(yōu)度最高（R2IL5=0.965，R2IL2=0.942），其次是IM（R2IM5=0.866，R2IM2=0.875），最后為IS（R2IM5=0.844，R2IM2=0.811）；IS 和IL 處理下的土壤呼吸隨土壤濕度的變化系數(shù)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 處理下kIM5（0.446）大于KIM2（0.36）（圖4）。研究采用線性函數(shù)擬合土壤呼吸與地上初級生產(chǎn)力（ANPP）之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同處理下的擬合度（R2）均在0.95 左右；IL 和IS 處理下，土壤呼吸隨地上初級生產(chǎn)力的變化率大致相同（KIL2=0.046，KIL5=0.04，KIS2=0.046，KIS5=0.042）；而IM 表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象，其斜率隨著底座入土加深，土壤呼吸強(qiáng)度隨ANPP 的變化率越大（k2=0.039，k5=0.056）（圖5）。

圖3 不同底座處理下土壤呼吸（SR）與土壤溫度（ST）之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between soil respiration and soil temperature under different treatments

圖4 不同底座處理下土壤呼吸（SR）與土壤含水率（SWC）之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between soil respiration and soil water content under different treatments

圖5 不同底座處理下土壤呼吸（SR）與地上生物量（ANPP）之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between soil respiration and aboveground biomass under different treatments

SEM 模型擬合結(jié)果表明，底座嵌入方式通過改變地上生物量來影響土壤呼吸的測定結(jié)果（P＜0.001），而非通過改變土壤含水率和土壤溫度，盡管二者與土壤呼吸測定結(jié)果間存在顯著相關(guān)關(guān)系（圖6、7）。雖然底座入土越深可以通過增加表層土壤的溫度來促進(jìn)土壤呼吸過程和通過降低土壤含水量和ANPP 來抑制土壤呼吸，但是這種抑制作用顯著強(qiáng)于促進(jìn)作用；模型各變量共同解釋了土壤呼吸63%的變異，其中地上生物量是所有解釋因子中解釋土壤呼吸變異最大的環(huán)境因子（R2=0.52）。土壤含水率是與土壤呼吸相關(guān)性最高的環(huán)境因子（R2=0.62），另外，土壤含水率和土壤呼吸兩者之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），兩者又顯著影響地上生物量（圖6）。

圖6 底座嵌入方式和入土深度對土壤呼吸影響的結(jié)構(gòu)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 分析與討論

3.1 底座嵌入方式對土壤呼吸的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，不同底座嵌入土方式對土壤呼吸有顯著影響，IM處理測定結(jié)果最大，其次是IL，最小是IS處理。結(jié)構(gòu)方程模型表明，地上生物量解釋了土壤呼吸62%變異。與前文假設(shè)一相符，底座的嵌入改變了地上生物量，進(jìn)而影響了土壤呼吸，這一結(jié)果與Raich 等[44]綜述前人結(jié)果所得出的結(jié)論一致，該研究整合了森林和草原兩個生態(tài)系統(tǒng)中地上植物移除對土壤呼吸的影響，結(jié)果表明地上生產(chǎn)力高低顯著影響土壤中CO2釋放速率，可能的解釋是地上植被產(chǎn)生的光合產(chǎn)物可以為根系和根際提供更多的C 源，可以激發(fā)根系主導(dǎo)的自養(yǎng)呼吸和根際及土壤中微生物主導(dǎo)的異養(yǎng)呼吸，最終促進(jìn)土壤呼吸的釋放[45-46]。Hanson等[21]綜述不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸不同組分比例時發(fā)現(xiàn)，與ANPP直接相關(guān)的自養(yǎng)呼吸組分占總土壤呼吸的10%～90%；類似干旱半干旱草原一項研究結(jié)果顯示，自養(yǎng)呼吸均值占比37%。在本研究當(dāng)中，底座的3 種嵌入方式對生態(tài)系統(tǒng)地上初級生產(chǎn)力存在顯著的時效性，IL 處理在短時間內(nèi)（7 月22 日）顯著降低了底座內(nèi)地上生物量，而IS處理和處理卻無顯著影響；隨著試驗進(jìn)展至后期（9月1日），IS處理與IM 處理對地上生物量影響均達(dá)到顯著水平，IL 處理的影響進(jìn)一步加強(qiáng)，表明底座永久嵌入處理在短時間內(nèi)便可降低地上生物量，并且這種抑制效應(yīng)會隨時間累積；IS 處理與IM 處理，試驗初期嵌入次數(shù)少，對根系破壞強(qiáng)度有限，隨著嵌入次數(shù)增加，對地上生物量抑制作用凸顯，最終可能通過光合有機(jī)質(zhì)分配使土壤呼吸收到抑制[45,47]。

圖7 底座嵌入方式（Methods）和入土深度（Depth）通過生物和非生物因素對土壤呼吸標(biāo)準(zhǔn)化總體效應(yīng)的影響Fig.7 Effect of base embedding method and depth of entry on the overall effect of soil respiration standardization through biotic and abiotic factors

土壤溫濕度是影響土壤呼吸最為關(guān)鍵的環(huán)境因子，大多數(shù)情況下土壤呼吸與土壤溫度呈指數(shù)分布[48-50]，與土壤濕度呈二次或線性分布[37]。在本研究當(dāng)中，土壤呼吸與土壤溫度也存在極顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，土壤溫度解釋了土壤呼吸70%～85%的變異；但底座嵌入方式對土壤溫度沒有顯著影響（表1，圖1）；與其他研究類似，土壤體積含水量與土壤呼吸速率間具有極強(qiáng)的線性正相關(guān)關(guān)系[35,49,51]，而且不同底座嵌入方式顯著改變土壤水分含水量（圖5），具體而言，IS 處理顯著降低了土壤濕度，而IL 相比IM 土壤濕度無顯著差異，換言之，底座提前一天嵌入顯著降低了土壤濕度，而底座長期嵌入又增加了環(huán)內(nèi)土壤濕度，可能的原因是底座嵌入在短時間內(nèi)對土壤濕度造成了很大的影響，而長期可能由于底座高出地表的部分?jǐn)r截了更多的降雨，增加了底座內(nèi)土壤濕度。然而，根據(jù)SEM 模型分析結(jié)果表明，不同底座嵌入方式對土壤呼吸的影響主要通過ANPP 來實現(xiàn)，土壤溫濕度的影響在此不顯著（圖6、7）。因此，本研究認(rèn)為，底座不同嵌入方式對土壤呼吸的影響與底座處理對地上生物量干擾強(qiáng)度關(guān)系密切，長期而持續(xù)的底座嵌入處理對土壤呼吸的影響快速而且持久，并且具有累積效應(yīng)；長期而間斷的底座嵌入處理初期對入土呼吸影響不顯著，但是隨著嵌入次數(shù)的增加，其對土壤呼吸的抑制效應(yīng)逐漸顯著。草原生態(tài)系統(tǒng)大多數(shù)位于干旱和半干旱氣候區(qū)對土壤濕度有著較高的敏感性，這種由于底座嵌入時間引起的土壤濕度差異在未來應(yīng)更值得去關(guān)注。本試驗只進(jìn)行了提前一天嵌入對土壤濕度的影響，并不能夠很好的解釋底座嵌入對土壤濕度的這種短期效應(yīng)所持續(xù)的時間，在未來應(yīng)該就不同時間尺度下底座嵌入對土壤呼吸的影響，來探究底座嵌入這種短期效應(yīng)所持續(xù)的時間。

3.2 底座入土深度對土壤呼吸的影響

試驗結(jié)果表明，土壤呼吸的釋放速率受底座入土深度影響趨勢明顯，這與假設(shè)二相符，也與相同區(qū)域類似研究結(jié)果一致[10]。在人工林、泥炭地和草地3 個生態(tài)系統(tǒng)中開展的研究結(jié)果表明，底座的插入可以使土壤CO2總排放量平均減少15%，部分區(qū)域降低甚至高達(dá)30%～50%，相關(guān)性結(jié)論表明土壤呼吸強(qiáng)度與細(xì)根的數(shù)量成正比，減少幅度最大的是淺根系泥炭地系統(tǒng)，最小的是深根草地系統(tǒng)[44]。結(jié)合無機(jī)環(huán)境因子分析發(fā)現(xiàn)，在森林和草地中，土壤溫度解釋了插入較深底座中土壤呼吸（主要是異養(yǎng)呼吸）的變異，與根源（主要是自養(yǎng)呼吸）土壤呼吸成分無關(guān)[9,52]。研究人員在干旱半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，較深底座的嵌入可能通過降低土壤含水量，增加土壤溫度來加劇系統(tǒng)的水溫限制迫使土壤呼吸下降[10]。在本研究當(dāng)中，雖然重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明底座入土深度處理對土壤呼吸的釋放速率的影響趨勢明顯，但深度分析筆者發(fā)現(xiàn)，IL 和IS 兩種處理下土壤呼吸與底座入土深度成反比，而IM 處理下二者卻呈正比關(guān)系。較長時間嵌入底座處理效應(yīng)與李建軍等[10]在類似生態(tài)系統(tǒng)開展的相關(guān)研究結(jié)果相似，該研究認(rèn)為，土壤呼吸測定值隨著底座嵌入深度增加而降低，最主要的原因是較深底座顯著降低了植物的生長（ANPP）和土壤水分含量，同時增加了土壤溫度。本研究支持該結(jié)論，與底座嵌入較淺處理相比較，底座嵌入較深處理顯著減少了地上生物量（圖2），地上生物量與植物的光合作用緊密相關(guān)，光合作用主要依賴于地下根系對地上部分養(yǎng)分和水分的輸送，在一定程度上反映了根系活動的強(qiáng)弱[53]。根系活動的增強(qiáng)，一方面帶動了與根系和根際微生物呼吸有關(guān)的自養(yǎng)呼吸，另一方面通過分泌根系分泌物激活了與土壤微生物代謝有關(guān)的異養(yǎng)呼吸[54]。草原生態(tài)系統(tǒng)自養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸43%～54%[27,55]。因此，受底座嵌入的影響，地上生物量的下降可以直接通過影響根系、根系呼吸和微生物代謝來間接調(diào)控土壤呼吸的釋放。

與IS和IL處理相比較，IM 處理因其對土壤的影響非常短暫，因此，底座嵌入過程中對土壤造成的物理擠壓，可能迫使土壤間隙中空氣在短時間內(nèi)被釋放出來，而IM 處理缺乏一個穩(wěn)定期，致使測定范圍內(nèi)CO2測定濃度迅速升高，之后慢慢衰減至趨于新平衡。底座插入越深，干擾的土層越多，土壤呼吸測定值越大，而對表層根系和土壤溫濕度等因子的作用有限，盡管試驗進(jìn)行到生長季節(jié)后期，由于底座嵌入次數(shù)的累積，插入較深的處理其植物初級生產(chǎn)力顯著下降，按照本研究的結(jié)論其根源性土壤呼吸應(yīng)該下降，但是這種負(fù)效應(yīng)依然不及底座插入對土壤擾動的影響，最終表現(xiàn)為土壤呼吸增加的結(jié)果。本研究還發(fā)現(xiàn)，底座嵌入方式與底座入土深度之間對土壤呼吸測定結(jié)果具有極其顯著的交互作用。作為基本參數(shù)，以往研究很少對底座嵌入方式和入土深度共同展開討論。以往研究認(rèn)為，底座高出地上的部分可以攔截降雨，有效的提高了底座內(nèi)土壤的濕度，底座內(nèi)部因為吸收太陽輻射能量增加導(dǎo)致土壤表層土壤溫度會增加[10]，以往研究表明，土壤水分和土壤溫度是草原生態(tài)系統(tǒng)最敏感的環(huán)境因子，一定程度上土壤溫濕度的增加可以促進(jìn)土壤呼吸的釋放[56]。不可忽視的是，伴隨著根系的切斷，底座入土越深被切斷的根系越多，根系分泌的易分解有機(jī)質(zhì)可加快微生物的呼吸代謝[57]。在本研究當(dāng)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機(jī)質(zhì)保存于底座內(nèi)部供微生物分解，從而部分解釋前期IL處理下土壤呼吸測定值偏高；另外，在永久嵌入處理下，保濕能力較強(qiáng)，這些有機(jī)質(zhì)更容易被微生物捕獲，從而加劇土壤異養(yǎng)呼吸的釋放。

4 結(jié)論

本研究表明，底座嵌入方式和入土深度均顯著改變了土壤呼吸速率的測定結(jié)果，而且二者之間存在顯著的交互作用。底座3 種嵌入方式下土壤呼吸測定值表現(xiàn)為：IS＜IL＜IM（IL=4.29、IS=4.08、IM=4.49）；隨著底座入土加深，3 種嵌入方式（IL、IS、IM）的土壤呼吸變化率分別為-12.88%、-13.19%、+18.66%。結(jié)構(gòu)方程模型分析表明，底座嵌入方式主要通過改變ANPP 對土壤呼吸測定結(jié)果產(chǎn)生影響；而底座入土深度則是通過增加測定區(qū)域的干旱脅迫（土壤水分降低和土壤溫度增加）和抑制植物的生長來使土壤呼吸測定結(jié)果降低，IM 處理可以捕捉到底座插入時對土壤擾動排放CO2過程，因而該處理下土壤呼吸測定結(jié)果偏大。全球溫帶草原土壤和植被碳儲量約為304 Pg，占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的12.3%[39]，土壤呼吸作為連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣系統(tǒng)的橋梁，在調(diào)節(jié)大氣碳循環(huán)和預(yù)測全球變化的過程中扮演著非常重要的角色，可謂牽“土壤呼吸”之一發(fā)而動“全球碳循環(huán)”之全身[28]，因此，在進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)碳排放量計算、全球氣候變化模型計算和“碳達(dá)峰碳中和”評估時，應(yīng)充分考慮土壤呼吸數(shù)據(jù)測定方法不同（底座嵌入方式和入土深度不同）所引起的不確定性影響。

研究中土壤呼吸測定結(jié)果缺乏一個絕對的參考值，因此筆者只能評估3 種不同嵌入方式和不同入土深度下土壤呼吸的結(jié)果差異，而無法確切給出底座每種嵌入方式和兩個深度下土壤呼吸測定結(jié)果高估或者低估情況，因此也無法給出一個相對合理測定土壤呼吸的裝置，然而這些都是亟待解決的問題。因此在未來的研究工作中，對于如何確定一種合理設(shè)置測定土壤碳排放速率的底座的參數(shù)（性狀、面積、深度、嵌入方式等等），進(jìn)而準(zhǔn)確評估土壤碳循環(huán)在當(dāng)下及未來全球氣候變化中的作用尤為重要。

致謝：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（GJJ180180）和江西省林業(yè)局林業(yè)科技創(chuàng)新專項（創(chuàng)新專項[2021]24號）同時對本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！