黄土丘陵区苜蓿地的土壤呼吸

许 浩，张源润，潘占兵，董立国，蔡进军，季 波，王月玲，李生宝

(1.宁夏农林科学院荒漠化治理研究所,宁夏 银川 750002; 2.南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210093)

土地利用/覆盖变化影响生态系统的物种组成，物种组成变化又影响系统的物质循环和能量流动，最终对生态系统功能产生影响[1]。首先，土地利用/覆盖变化改变了生态系统的类型，尤其是地表植被类型，这必然影响生态系统的生产力和与之相关的土壤有机碳截存[2]。此外，土地覆被变化改变土壤的理化性质和微生物环境，从而引起土壤碳排放的变化，进而影响到土壤的碳储量[3]。研究表明，无论是草地还是森林转化为农田后, 土壤的碳储量都会减少[4-5]。我国退耕还林采取的措施是把部分农田转化为草地和林地，以改善生态环境。1999―2009年，中国累计实施退耕还林还草任务2.8×106hm2，如此大规模的土地利用方式转变必然会对区域碳循环过程产生重大影响。在全球变暖的大趋势下，林草地转变为耕地促进了土壤碳排放，反之，耕地转化为林草地有利于提升土壤碳储量、降低土壤碳排放量[6]。退耕还林还草后土壤有机碳和土壤理化性质都将发生一定程度的变化，这必定会对陆地生态系统碳循环造成较大影响。

黄土丘陵区是退耕还林还草的主要区域，从2002年开始退耕，大量的坡耕地转变成为林地和草地，而且草地所占比重远大于林地。退耕草地主要种植苜蓿(Medicagosativa)，这种土地利用方式的改变必然对其生态系统产生重要影响，尤其是土壤碳循环过程。因此，研究退耕苜蓿地土壤呼吸特征，对了解土地利用方式转变所导致的碳循环过程的变化具有重要意义。

1 材料与方法

1.1研究区概况 研究区位于宁夏回族自治区彭阳县境内，该区是典型的半干旱黄土丘陵区，海拔1 544～1 826 m，属于典型大陆性气候区，年均降水量406 mm，70%的降水集中在6-9月，年均气温7.4 ℃。土壤以黑垆土和黄绵土为主，侵蚀较为严重。植被属于典型的干草原植被，主要由百里香(Thymusmongolicus)、针茅(Stipagrandis)、茭蒿(Artemisiagiraldii)等群落构成。该区是宁夏退耕还林还草的主要区域，退耕后大量农田转变为苜蓿地和林地，主要的土地利用类型包括农田、草地(苜蓿)、林地和天然植被(天然草地)。农田转变为苜蓿地后，对土壤养分、水分、微生物和碳循环过程都产生了重要影响。本研究的试验样地位于海拔1 616 m左右的丘陵上部，该区域2002年以前皆为农田，2002年退耕后大部分转变为苜蓿地和林地。该区土壤类型为黄绵土，土壤容重1.31 g·cm-3，农田、苜蓿地和天然草地100 cm土层有机质含量分别为12.55、7.94和9.46 g·kg-1。试验选择相邻的农田、退耕苜蓿地和天然草地。退耕前苜蓿地和农田土壤性状相似，退耕后植被和土地利用方式的变化导致了土壤微生物、土壤有机质含量的差异。因此，可以以该区农田为对照研究退耕还草对土壤呼吸的影响。

1.2研究方法 为了分析农田转化为苜蓿地后对土壤碳排放通量的影响，本研究以农田(种植作物为冬小麦)和天然草地为对照，对退耕苜蓿地、农田和天然草地土壤呼吸和主要环境因子进行了监测，以对比退耕后碳循环过程的变化。本研究所测定苜蓿地为2002年退耕地，至测定时已退耕9年。

土壤呼吸的监测：采用ACE土壤呼吸仪(德国产，仪器测量范围0～600 mg·kg-1，分辨率2 mg·kg-1，精度为流速的±2%)测定土壤呼吸。仪器为自动进气、全自动测定，一个测定时段60 min，前50 min气室开放，使气室CO2浓度和环境大气平衡后，测定CO2浓度值。然后气室关闭，土壤呼吸释放CO2进入封闭气室，气室CO2浓度增加，10 min后测定封闭气室内CO2浓度，依据前后CO2浓度差计算10 min内CO2浓度增量即土壤呼吸排放量，最后根据CO2浓度增量、测定时间和气室体积计算呼吸速率。在苜蓿地、农田和天然草地各选一个固定样地，从4月10日开始测定至11月18日结束,每个月中旬对每个样地连续监测3 d,监测时设置仪器每小时测定一次，一天测定24个土壤呼吸值。测定时选择农田和苜蓿植株行间空地、天然草地草丛间植物稀疏处安放土壤呼吸仪，安放呼吸仪时清除测定气室内的植物叶片，以排除植物光合作用影响，测定指标包括土壤微生物、土壤动物和植物根系的呼吸。农田样地按照常规的种植管理制度管理,4―7月有农作物，7月底小麦收割后进行了翻耕，8―11月农田无农作物覆盖。由于只有一台仪器，每年每个样地只测定一个重复，于2010年和2011年对每个样地进行了2年的重复测定。全年土壤呼吸值和CO2排放量以两年4―11月平均值计算。在测定土壤呼吸的同时，采用ACE自带的温度、水分和太阳辐射探头，同步记录了土壤0～10 cm温度、水分和地表太阳辐射数据。

2 结果与分析

2.1土壤呼吸特征 土壤呼吸速率白天高，夜间低，有明显的昼夜节律性。土壤呼吸速率在17:00至次日08:00较低，09:00以后开始有明显的上升，高峰值出现在11:00―14:00，然后开始缓慢下降(图1)；从土壤呼吸变化来看，全天土壤呼吸值处于不停的波动中，这主要是环境因素影响所致。不同土地利用类型土壤呼吸日变化都表现出近似的特征。对比3个样地，苜蓿地夜间呼吸速率较高，农田和天然草地夜间呼吸速率较低且昼夜差距较大(图1)。从全年变化来看，土壤呼吸从4月开始逐渐增大，高峰值出现在7、8月，以后逐渐减小，在气温较低的10月和11月土壤呼吸较弱，呼吸值低。农田土壤呼吸在8月出现低值，这可能是由于7月底小麦收割后农田进行了翻耕，影响了土壤呼吸，导致土壤呼吸出现低值(图2)。

苜蓿地、农田和天然草地的年均土壤呼吸值分别为1.60、1.03和0.85 μmol·m-2·s-1(表1)。苜蓿地土壤呼吸值最大，其次为农田，天然草地土壤呼吸值最小。土壤呼吸的最大值也是出现在苜蓿地中，为5.21 μmol·m-2·s-1，最小值出现在农田，为0.01 μmol·m-2·s-1。苜蓿地土壤呼吸比农田高出55.3%，比天然草地高出88.2%，可见，农田转化为苜蓿地后，土壤CO2排放量显著增加。

图1 苜蓿地、农田和天然草地土壤呼吸过程(5月)Fig.1 Soil respiration process of alfalfa field, farmland and grassland(May)

图2 各月份土壤呼吸平均值Fig.2 Monthly average soil respiration

表1 苜蓿地、农田和天然草地的土壤呼吸特征值Table 1 Respiration values of alfalfa field, farmland and grassland μmol·m-2·s-1

2.2温度和太阳辐射与土壤呼吸的关系 从一天的波动过程看土壤呼吸、太阳辐射和土壤温度的波动具有很高的一致性，太阳辐射强、土壤温度高的正午土壤呼吸速率也高，夜间土壤温度低、太阳辐射为0，土壤呼吸速率也低。在研究区域，土壤呼吸与土壤温度相关性最强，其次和太阳辐射表现出一定的相关性，而和土壤水分的相关性最弱。很显然，温度是影响土壤呼吸的主要因子，目前几乎所有研究都支持这一观点。这主要是由于温度影响土壤微生物的活动，温度高时土壤微生物活动旺盛，释放CO2也多。太阳辐射和温度活动同步，所以也是影响土壤呼吸的一个重要因子。

土壤呼吸主要是由于土壤微生物、土壤动物和植物根系在新陈代谢过程中呼吸排放CO2，因此，影响土壤生物的环境因子也必然会影响到土壤呼吸过程，而影响生物活动的主要因子是气温和太阳辐射。在白天气温最高时土壤呼吸值也高。同理，一年中土壤呼吸的高峰值也出现在气温较高的夏季，而春秋季呼吸值明显较低。分析土壤呼吸和主要环境因子的关系，土壤呼吸与土壤温度呈显著正相关(P<0.01)，和太阳辐射也表现出一定的正相关关系(表2)。这表明当太阳辐射强烈，土壤温度高时，土壤微生物活动加强，土壤呼吸增强。

对土壤呼吸和上述环境因子做逐步回归，其结果可以很好地解释土壤呼吸和环境因子之间的关系。依据逐步回归建立土壤呼吸和土壤温度的相关性模型(由于太阳辐射的系数为0，因此只列出了土壤呼吸和土壤温度的相关性方程)：

SR=0.059T+0.467 (R2=0.45，P<0.01) .

表2 土壤呼吸和土壤温度、太阳辐射的相关性Table 2 Correlation between soil respiration, soil temperature and solar radiation μmol·m-2·s-1

式中，SR为土壤呼吸(μmol·m-2·s-1)，T为土壤温度(℃)。

该方程可解释土壤呼吸的45%，这主要是由于土壤呼吸的影响因素多而复杂，其他影响因子可能涉及土壤生物。目前,对土壤呼吸的模拟主要是对呼吸和水分建立模型或对土壤呼吸和土壤温湿度建立相关模型。而这些模型均没有涉及土壤生物，要对土壤呼吸进行准确的模拟，土壤生物是一个必须考虑的因素。

2.3土壤水分状况和土壤呼吸的关系 要明确土壤水分和土壤呼吸的关系，需较大的土壤水分梯度。统计了5月在同一监测点、相近温度(18.2～19.3 ℃)及光照条件(11:00―15:00)下，不同水分梯度的土壤呼吸(表3)。相关分析表明，土壤呼吸和土壤水分没有显著相关性,说明土壤水分条件对土壤呼吸的影响不是很明显。虽然土壤水分可能影响土壤微生物的活动，但是在一定的水分含量范围内，这种影响难以体现在土壤呼吸值上。

表3 不同水分条件下的土壤呼吸值Table 3 Soil respiration under different soil moistures

2.4不同土地利用类型的土壤碳通量 计算了两年监测期内(240 d)土壤呼吸值。农田、苜蓿地和天然草地年CO2排放量分别为940.66、1461.96和777.36 g·m-2·a-1(表4)。退耕苜蓿地是CO2排放量最大的、其次为天然草地，农田CO2排放量最小。方差分析表明，苜蓿地土壤呼吸显著高于农田和天然草地土壤呼吸值(P<0.05),农田和天然草地土壤呼吸差异不显著。可见，研究区域退耕9年后土壤CO2排放量是增加的。而且对土壤有机碳的监测表明，农田的土壤有机碳高于退耕苜蓿地的，较高的CO2排放量和较低的土壤有机碳含量表明该区域退耕还草后大部分土壤有机碳通过较高的呼吸而消耗。因此，在退耕还草(苜蓿)的初期，土壤呼吸会增强，消耗大量的土壤有机碳，导致土壤有机碳含量下降。

表4 3种土地利用类型的土壤CO2平均排放量(n=2)Table 4 Annual soil CO2 emission of different land types(n=2)

3 讨论

许多研究表明, 土壤呼吸和温度之间具有显著的相关关系，温度变化一般可以解释土壤呼吸日变化和季节性变化的大部分变异[7-8]。崔骁勇等[9]的研究表明，土壤呼吸日变化和季节动态与5～20 cm土壤温度呈极显著正相关关系,其相关系数可达0.571。黄承才等[10]对我国亚热带东部3种主要木本植物群落的土壤呼吸速率测定表明，土壤呼吸日变化与气温变化具有很好的一致性,在12:00-14:00时最高,早晨和傍晚较低,这和温度的变化相一致。荒漠区灌木林地温度变化则可解释土壤呼吸的35%～65%[11]。土壤呼吸过程以土壤微生物和植物根系呼吸为主，而这都是依赖于温度和湿度的生物学过程，在一定范围内表现为随温度和水分增加而增加的趋势，在极端的温度和水分条件下，则受到抑制[12]。在宁夏黄土丘陵区的监测表明，土壤呼吸和土壤温度密切相关，土壤温度的升高会显著促进土壤呼吸。

土壤含水量对呼吸速度的影响较为复杂，往往和土壤温湿状况的组合有关。对印度热带草原和澳大利亚季节性干草原的研究表明，在一定的土壤含水量范围内，土壤呼吸和土壤水分具有显著正相关关系[13-14]。而在北美的研究表明，高草草原在土壤含水量达到饱和状况或永久萎蔫含水量时，土壤呼吸作用均会停滞；在矮草草原，雨后的呼吸速度会迅速增加，在表层土壤水含量低于20%时呼吸作用基本停止[15]。在中国温带草原地区，温度升高对较湿润区域土壤呼吸的影响大于较干旱区域[16]。全球变化导致的水分时空格局的变化可能对温带草原土壤呼吸有较大的影响。所以，模拟大尺度土壤CO2排放量时，水分因素必须作为一个重要的变量加以考虑。在黄土丘陵区，退耕苜蓿地土壤呼吸并没有和土壤水分表现出显著的相关性，一个可能的原因是土壤水分的变化幅度较小，稳定水分持续的时间较短，利用统计方法不易找出其中的相关性。

土地利用变化首先改变了地表覆盖和植被类型，进而改变了植被生产力，这必然会影响土壤有机碳截存，同时植被覆盖变化引起土壤环境与微生物的变化也会对土壤呼吸产生影响。造林对土壤碳储量的影响与气候和环境密切相关，在温带地区的研究表明，造林通常能够显著增加土壤碳储量[17-18]。也有人认为，造林后土壤碳储量通常是最初下降，然后才开始积累[19],开始积累的时间与研究地点有关，温带地区一般少于10年[17-18]，在热带地区碳开始积累的时间似乎更晚[19]。Paul等[20]总结了43个研究案例的204个地点，指出造林后5年土壤碳储量下降约3.64%，之后会逐渐增加，约30年后，土壤表层30 cm的碳储量会高于最初的农田。在宁夏黄土丘陵区，由于退耕前的坡地基本都开垦种植农作物，退耕以后土地利用/植被覆盖的变化导致了土壤微生物、土壤动物、植物根系和土壤有机质含量的变化，这些变化最终可导致土壤呼吸的变化。对农田转化为苜蓿地后土壤呼吸变化的实证研究较少，从黄土丘陵区的监测情况来看，退耕还草初期土壤有机碳含量会有所下降，15年后才会出现逆转[21]，在此过程中，土壤呼吸增强，必然伴随着土壤CO2排放量的增加。在研究区域的养分监测中还发现，退耕后苜蓿地大多数养分元素含量下降，而总氮含量有所增加，这必然导致土壤碳氮比的变化，进而会影响到土壤呼吸。因此，土壤呼吸增加的现象很可能主要是由于种植苜蓿后，苜蓿的生物固氮作用导致氮素累积，改变了土壤碳氮比，促进了土壤呼吸。可见，在退耕还草的初期，土壤呼吸增强，消耗了较多的土壤有机碳，致使土壤有机碳储量下降，因此，退耕苜蓿地土壤呼吸值要高于农田。

4 结论

黄土丘陵区退耕还草后苜蓿地、农田、天然草地3种主要土地利用方式的年均土壤呼吸值分别为1.60、1.03和0.85 μmol·m-2·s-1，苜蓿地土壤呼吸比农田高出55.3%，比天然草地高出88.2%，农田转化为苜蓿地后，土壤CO2排放通量显著增加。

温度是影响土壤呼吸的主要环境因素，温度和土壤呼吸呈一定的正相关关系。而土壤水分和土壤呼吸的相关关系不显著。

苜蓿地、农田和天然草地年CO2排放通量分别为1 461.96、940.66和777.36 g·m-2·a-1。苜蓿地较高(与农田相比)的CO2排放通量和较低的土壤有机碳含量表明，在黄土丘陵区，退耕还草初期土壤呼吸排放CO2增加、土壤碳储量减少。这很可能是由于苜蓿生物固氮作用导致土壤碳氮比改变，导致土壤呼吸增强，土壤有机碳储量下降。退耕多长时间后才能实现土壤有机碳的累积，需通过连续的监测评估，这是该区域退耕还林还草和生态恢复研究需要关注的问题。

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