全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆圆期摇 摇 圆园员猿年 员员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
利用分布有 辕无数据预测物种空间分布的研究方法综述 刘摇 芳袁李摇 晟袁李迪强 渊苑园源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观服务研究进展 刘文平袁宇振荣 渊苑园缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土壤呼吸组分分离技术研究进展 陈敏鹏 袁夏摇 旭袁李银坤袁等 渊苑园远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
平茬高度对四合木生长及生理特性的影响 王摇 震袁张利文袁虞摇 毅袁等 渊苑园苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同水分梯度下珍稀植物四数木的光合特性及对变化光强的响应 邓摇 云袁陈摇 辉袁杨小飞袁等 渊苑园愿愿冤噎噎噎
水稻主茎节位分蘖及生产力补偿能力 隗摇 溟袁李冬霞 渊苑园怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于辐热积法模拟烤烟叶面积与烟叶干物质产量 张明达袁李摇 蒙袁胡雪琼袁等 渊苑员园愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
耕作方式和秸秆还田对华北地区农田土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响
田慎重袁王摇 瑜袁李摇 娜袁等 渊苑员员远冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同光照强度下兴安落叶松对舞毒蛾幼虫生长发育及防御酶的影响 鲁艺芳袁严俊鑫袁李霜雯袁等 渊苑员圆缘冤噎噎
南方小花蝽在不同空间及笼罩条件下对西花蓟马的控制作用 莫利锋袁郅军锐袁田摇 甜 渊苑员猿圆冤噎噎噎噎噎噎
浮游植物对溶解态 粤造的清除作用实验研究 王召伟袁任景玲袁闫摇 丽袁等 渊苑员源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
卧龙巴郎山川滇高山栎群落植物叶特性海拔梯度特征 刘兴良袁 何摇 飞袁 樊摇 华袁等 渊苑员源愿冤噎噎噎噎噎噎噎
春夏季闽江口和兴化湾虾类数量特征 徐兆礼袁孙摇 岳 渊苑员缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
啃食性端足类强壮藻钩虾对筼筜湖三种大型海藻的摄食选择性 郑新庆袁黄凌风袁李元超袁等 渊苑员远远冤噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
源种农业措施对三化螟种群动态的控制作用 张振飞袁黄炳超袁肖汉祥袁等 渊苑员苑猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原沟壑区森林带不同植物群落土壤氮素含量及其转化 邢肖毅袁黄懿梅袁安韶山袁等 渊苑员愿员冤噎噎噎噎噎
基于诊断学的生态系统健康评价 蔡摇 霞袁徐颂军袁陈善浩袁等 渊苑员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
稻田生态系统中植硅体的产生与积累要要要以嘉兴稻田为例 李自民袁宋照亮袁姜培坤 渊苑员怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎
自由搜索算法的投影寻踪模型在湿地芦苇调查中的应用 李新虎袁赵成义 渊苑圆园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
贺兰山不同海拔典型植被带土壤微生物多样性 刘秉儒袁张秀珍袁胡天华袁等 渊苑圆员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古典型草原灌丛化对生物量和生物多样性的影响 彭海英袁李小雁袁童绍玉 渊苑圆圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区 愿园种植物繁殖体形态特征及其物种分布 王东丽袁张小彦袁焦菊英袁等 渊苑圆猿园冤噎噎噎噎噎噎
基于 酝粤载耘晕栽模型的贺兰山岩羊生境适宜性评价 刘振生袁高摇 惠袁摇 滕丽微袁等 渊苑圆源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
太湖湖岸带浮游植物初级生产力特征及影响因素 蔡琳琳袁朱广伟袁李向阳 渊苑圆缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
艾比湖地区土壤呼吸对季节性冻土厚度变化的响应 秦摇 璐袁吕光辉袁何学敏袁等 渊苑圆缘怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征 张彦军袁郭胜利袁刘庆芳袁等 渊苑圆苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
光核桃遗传资源的经济价值评估与保护 张丽荣袁孟摇 锐袁路国彬 渊苑圆苑苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
棉花节水灌溉气象等级指标 肖晶晶袁霍治国袁姚益平袁等 渊苑圆愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
云南红豆杉人工林萌枝特性 苏摇 磊袁苏建荣袁刘万德袁等 渊苑猿园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
赣中亚热带森林转换对土壤氮素矿化及有效性的影响 宋庆妮袁杨清培袁余定坤袁等 渊苑猿园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
圆园员猿年 耘怎则燥责藻葬灶 郧藻燥泽糟蚤藻灶糟藻泽 哉灶蚤燥灶国际会议述评 钟莉娜袁赵文武 渊苑猿员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆苑远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员猿鄄员员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 山坡岩羊图要要要岩羊属国家二级保护动物袁因喜攀登岩峰而得名袁又名石羊遥 贺兰山岩羊主要分布于海拔 员缘园园要
圆猿园园皂的山势陡峭地带袁羊群多以 圆要员园只小群为主遥 生境适宜区主要为贺兰山东坡渊宁夏贺兰山国家级自然保护
区冤的西南部袁而贺兰山西坡渊内蒙古贺兰山国家级自然保护区冤也有少量分布遥 贺兰山建立国家级自然保护区以
来袁随着保护区环境的不断改善袁这里岩羊的数量也开始急剧增长袁每平方公里的分布数量现居世界之首袁岩羊的活
动范围也相应扩大到低山 怨园园米处的河谷遥 贺兰山岩羊生境选择的主要影响因子为海拔尧坡度及植被遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 22 期
2013年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.22
Nov.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:2012年公益性行业(农业)科研专项经费资助项目(201203039); 国家自然科学基金资助项目(41071338)
收稿日期:2012鄄07鄄23; 摇 摇 修订日期:2013鄄03鄄15
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: slguo@ ms.iswc.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201207231043
张彦军,郭胜利,刘庆芳,南雅芳,郭慧敏,李俊超.田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征.生态学报,2013,33(22):7270鄄7276.
Zhang Y J, Guo S L, Liu Q F, Nan Y F, Guo H M, Li J C.Seasonal and annual variation characteristic in basal soil respiration of black loam under the
condition of farmland field.Acta Ecologica Sinica,2013,33(22):7270鄄7276.
田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征
张彦军1,郭胜利1,2,3,*,刘庆芳3,南雅芳3,郭慧敏2,李俊超3
(1. 西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌摇 712100; 2. 中国科学院水利部水土保持研究所,杨凌摇 712100;
3. 西北农林科技大学资源与环境学院,杨凌摇 712100)
摘要:明确土壤基础呼吸的季节和年际变化及其影响因素,对了解土壤有机碳的变化机理具有重要的意义。 在长武农田生态系
统国家野外科学观测研究站,依托其长期(始于 1984 年)的裸地处理,于 2009—2011 年,利用 Li鄄 8100 系统(Li鄄COR, Lincoln,
NE, USA)监测了土壤呼吸、土壤水分和土壤温度,研究田间条件下土壤基础呼吸的年际和季节间变化及其与环境变量之间的
关系。 裸地土壤呼吸具有显著地季节和年际变异特性。 2009 年土壤呼吸速率波动于 0.62—1.83滋mol·m-2·s-1,平均为 1.16
滋mol·m-2·s-1;2010 年土壤呼吸的变化范围为 0.30—1.46 滋mol·m-2·s-1,均值为 0.92 滋mol·m-2·s-1;2011 年则为 0.06—1郾 68
滋mol·m-2·s-1和 0.88 滋mol·m-2·s-1。 2009到 2011的 3a期间裸地土壤呼吸的年累积量依次为 282、234和 230 g C / m2。 裸地土壤
呼吸与土壤温度呈显著指数关系,而与土壤水分呈显著一元二次方程关系。 土壤温度和土壤水分共同控制土壤呼吸的变化。
试验期间,土壤呼吸累积量与试验期间降水总量相反,但与年均气温无关。 在裸地处理上,因土壤呼吸年流失有机碳达到 2.5
Mg C / hm2。
关键词:土壤呼吸; 土壤水分; 土壤温度; 裸地
Seasonal and annual variation characteristic in basal soil respiration of black
loam under the condition of farmland field
ZHANG Yanjun1, GUO Shengli1,2,3,*, LIU Qingfang3, NAN Yafang3, GUO Huimin2, LI Junchao3
1 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resource, Yangling 712100, China
3 College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
Abstract: Basal soil respiration is an important factor to influence soil organic carbon dynamics in the terrestrial ecosystem.
Soil respirations were measured with the automated CO2 flux system (Li鄄8100,) in a long鄄term bare soil in the Changwu
State Key Agro鄄Ecosystem Experimental Station (35毅 12忆 N, 107毅 40忆 E), Shaanxi, China from March 2009 to November
2011. Soil temperature and soil moisture at the 5鄄cm depth was measured using a Li鄄COR thermocouple and oven drying
method, respectively. Significant variations in seasonal and annual soil respiration were observed in the experimental period
of three years. Soil respiration averaged at 1.16 滋mol·m-2·s-1, 0.92 滋mol·m-2·s-1 and 0.88 滋mol·m-2·s-1 in 2009, 2110
and 2011, respectively. The cumulative soil respiration in 2009, 2010, and 2011 soil were 282 g C / m2, 234 g CO2 / C m
2
and 230 g C / m2, respectively. The soil respiration was significantly related with seasonal soil temperature or soil moisture.
A bivariate model more accurately soil respiration in the bare soil ecosystem than a univariate model with only soil
temperature or soil moisture as the driver. During the experimental period of three years, the accumulation of soil respiration
in bare soil was negative correlation with annual precipitation, whereas there was no relationship between soil respiration
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and annual air temperature. In the bare soil, the annual loss of carbon was estimated at 2. 5 Mg / hm2 according to soil
respiration.
Key Words: soil respiration; soil moisture; soil temperature; bare soil
土壤有机碳含量与土壤的各种物理、化学、生态性状和土壤肥力密切相关。 陆地表面 1m 土层中有机碳
储量(1500—2000 Pg C, 1 Pg = 1015 g),为大气 CO2中 C含量的 2 倍左右[1]。 因此,土壤有机碳储量的潜在
变化不仅会影响土壤质量,而且也会导致大气 CO2浓度的波动,但土壤到底是大气 CO2的源或汇与土壤碳的
输出变化密切相关。 基础土壤呼吸是微生物作用下土壤有机碳矿化分解而释放 CO2的过程[2],直接影响土壤
有机碳储量或土壤碳汇能力大小[3],是碳输出的重要过程之一。 因此,了解土壤基础呼吸的变化过程对深入
理解土壤碳汇能力及其影响因素具有重要意义。
水分和温度是影响土壤呼吸的重要环境因素[4鄄7],也是气候变化条件下土壤有机碳储量变化的重要驱动
力,但水分和温度对有机碳分解的影响具有显著的变异性[8]。 目前国内外关于土壤呼吸与土壤水分和土壤
温度关系的大量研究,均包括根系呼吸在内[9鄄14]。 而已有的基础土壤呼吸报道多基于室内培养,例如,从土壤
氮素供应的角度来看,室内条件下开展了大量有机质矿化分解研究,但室内与田间的试验条件相差悬殊,室内
结果很难应用到田间分析与模拟[15]。 从土壤二氧化碳排放角度来看,田间条件下进行了大量土壤呼吸的定
位观测与研究,但获得的试验结果常常包含作物根系呼吸[16鄄19]。 裸地土壤及其环境条件在土壤水分、温度、
底物供应等多方面均与有植被生长的土壤不同。 裸地条件下,由于缺乏植被,源于根系和凋落物的有机物输
入得到了限制,根系呼吸不复存在。 因此,裸地土壤呼吸主要反映了土壤原有有机碳的矿化分解(即基础土
壤呼吸),进而探讨及其与水分、温度等环境条件的关系。 在田间条件下,开展裸地土壤呼吸的研究有助于深
入了解土壤有机碳的变化机理。 鉴于此,本研究以裸地处理为研究对象,通过 3a(2009—2011年)连续监测土
壤呼吸、土壤水分和土壤温度的变化,研究田间条件下土壤基础呼吸的年际和季节间变化及其与环境变量之
间的关系。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地概况
试验区位于陕西省长武县(东经 107毅40忆,北纬 35毅12忆),长武农田生态系统国家野外科学观测研究站(简
称长武站)。 属于典型的黄土旱塬区,海拔 1200 m,半干旱湿润性季风气候。 1984—2011 年间年均降水量为
586 mm,其中最高年份为 954 mm,最低年份为 296 mm,7—9 月降水量占年总量的 57%左右。 年平均气温
9郾 4益,大于 10益积温为 3029益,年日照时数为 2230 h,日照率为 51%,年辐射总量为 484 kJ / cm2,无霜期
171d。 2009、2010、2011年的总降水量分别为 481.20、588.10、644.20 mm,7—9月的降水总量依次占全年降水
总量的 62%、74%、60%,其对应的平均大气温度则依次为 10.06、10.27、9.43益。 与多年平均降水量以及大气
温度相比较而言,无论是降水量还是大气温度都呈增加趋势,特别 7—9月降水量明显增加。 地带性土壤为粘
壤质黑垆土,母质为中壤质马兰黄土,土层深厚,土质疏松。 耕层土壤(0—20 cm)有机碳 6.50 g / kg,全氮 0郾 62
g / kg,碱解氮 37.0 mg / kg,速效磷 3.0 g / kg,速效钾 129.3 mg / kg,CaCO310.5%,pH 8.4,试验地 N、P 含量较低,
钾素丰富,呈微碱性反应。
1.2摇 试验设计
试验所用裸地为长武站长期试验处理之一。 该长期试验于 1984 年设立,主要用于研究不同作物和肥料
管理措施对土壤生产力、土壤养分和水分的影响[20]。 小区面积 10.3 m伊6.5 m,小区间距 0.5 m,区组间距和周
边宽各 1.0 m。 裸地处理自 1984年 6月小麦收获后至今一直处于休闲状态,杂草等及时人工清除。 土壤耕翻
与小麦连坐处理同步,一年翻耕两次,7—9月间进行,耕翻深度大约 20 cm。
1.3摇 土壤呼吸、水分和温度的测定
每个重复(小区)内安装 2个气室基座(PVC管,直径 20 cm,高度 12 cm),基座离地面高 2 cm。 为避免了
1727摇 22期 摇 摇 摇 张彦军摇 等:田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征 摇
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由于安置气室基座对土壤扰动而造成的短期呼吸速率波动,在气室基座安置 24 h 后再进行测定。 测定前去
除气室基座内的一切活体。 土壤呼吸速率测定采用便携式土壤碳通量测量系统 LI鄄 8100(LI鄄COR,Lincoln,
NE,USA)。 土壤温度测定利用 LI鄄8100自带的土壤温度计,土壤水分的测量利用烘干法
2009年 3月—2011年 11月(除寒冷冬季的 12、1、2 月份),选择晴好天气在 9:00—11:00 进行土壤呼吸
速率、土壤温度、土壤水分的测定。 大约每 10d测定 1 次,其中高温多雨季节(7—9月)每周测定 1 次。 3a 试
验期间土壤呼吸速率、温度以及水分各测量 73 次, 其中 2009 年测量 25 次;2010 年测量 26 次;2011 年测量
22次。
1.4摇 数据处理与统计分析
利用线性内插法推算不同年际间的累积土壤呼吸量(g C / m2) [21],利用 Sigmplot 软件制作相关的基础
图件。
在半干旱的黄土旱塬区,受大陆季风气候的影响,土壤水分低且干湿多变,初步数据分析发现,除温度外,
水分变化也是影响土壤呼吸的重要因素。 鉴于此,本研究利用指数关系模型模拟土壤呼吸与土壤温度的关
系,用一元二次方程模型模拟土壤呼吸与土壤水分的关系。 考虑到土壤温度和水分对土壤呼吸的协同作用,
用双变量模型研究土壤温度和水分与土壤呼吸之间的关系[22]:
F = 茁0e茁1T f(兹) (1)
式中,F (滋mol·m2·s-1)为土壤呼吸速率;T (益)为土壤 0—5 cm土层温度;兹(%)为土壤 0—5 cm土层水分;茁0
和 茁1为模型参数。
试验数据预处理结果表明,当土壤含水量<18%时,土壤呼吸随土壤含水量的增加而增加;土壤含水量>
18%时,土壤呼吸随土壤含水量的增加而降低。 因此,上述双变量模型可具体为:
F = 茁0e茁1Te茁2兹
+茁3兹2 (2)
式中,茁0、茁1、茁2、茁3 、茁4为模型参数。
2摇 结果与分析
2.1摇 土壤呼吸速率的季节和年际变化。
3a的观测期间都可看到裸地土壤呼吸随季节变化而波动。 雨季前(3—6月),土壤温度在逐渐回升但土
壤干旱制约使得土壤呼吸相对稳定在一个较低水平: 2009 年为 0. 97 滋mol·m2·s-1, 2010 年为 1郾 12
滋mol·m2·s-1,2011年为 1.15 滋mol·m2·s-1;7月当地进入高温多雨季节,月初土壤由干变湿,土壤呼吸出现显著
升高现象(图 1)。 雨季(7—9月),土壤呼吸随降水变化而波动,2009 年的土壤呼吸平均为 1郾 22滋 mol·m2·s-1
高于雨季前,但 2010年 7—9月雨季土壤呼吸为 0.85 滋mol·m2·s-1,2011年为 0.77 滋mol·m2·s-1都低于雨季前其相
应土壤呼吸速率;雨季结束(10月后),随着秋季来临土壤温度降低,土壤呼吸快速降低。 雨季后,2009 年土
壤呼吸平均为 1.14滋mol·m2·s-1,2010年为 0.64滋mol·m2·s-1,2011年为 0.54 滋mol·m2·s-1。
除显著的季节变化特征外,土壤呼吸在年际间也存在变异。 2009 年土壤呼吸速率的最小值为 0郾 62
滋mol·m2·s-1,最大值为 1.83 滋mol·m2·s-1,均值为 1.16 滋mol·m2·s-1;2010 年和 2011 年土壤呼吸范围和均值都
低于 2009年。 2010年土壤呼吸的变化范围为 0.30—1.46 滋mol·m2·s-1,均值为 0.92 滋mol·m2·s-1;2011年则为
0郾 06—1.68 滋mol·m2·s-1和 0.88 滋mol·m2·s-1(图 1)。
2.2摇 土壤呼吸速率与土壤温度、水分的关系
3a观测期间 (2009—2011年),土壤呼吸速率与土壤温度呈显著指数关系( P<0.0001)(表 1),土壤温度
变化可以解释土壤呼吸 57%—67%的变异性;而土壤呼吸速率与土壤水分含量呈显著负相关关系
(P<0郾 003—0.0001) (表 1),土壤水分可以解释土壤呼吸 52%—79%的变异性。 由此表明,土壤呼吸由土壤
温度和土壤水分共同控制,并符合以下土壤呼吸与温度、水分的双变量方程 F = 茁0e茁1Te茁2兹
+茁3兹2 (P<0.0001),该
关系式可以解释土壤呼吸 73%—86%的变异性(表 1)。
2727 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33卷摇
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图 1摇 试验期间土壤呼吸,温度和水分的含量变化
Fig.1摇 Changes in soil respiration, soil temperature, and soil moisture between 2009 and 2011
表 1摇 土壤呼吸与温度、水分的关系方程
Table 1摇 Equations between soil respiration, soil temperature and soil moisture
年份
Year
土壤呼吸与温度、水分的关系方程
Equations between soil respiration, soil temperature and soil moisture P R
2 Q10
土壤呼吸与土壤温度的单变量方程
Single鄄variable equations between soil respiration and soil temperature
2009 F= 0.3050e0.0694 T <0.0001 0.67 2.00
2010 F= 0.3253e0.0542 T <0.0001 0.57 1.72
2011 F= 0.2137e0.0718 T <0.0001 0.61 2.05
土壤呼吸与土壤水分的单变量方程
Single鄄variable equations between soil respiration and soil temperature and soil moisture
2009 F=-0.0027兹 2+0.0346兹 +1.5893 0.0003 0.52
2010 F=-0.0004兹 2-0.0444兹 +1.6908 <0.0001 0.79
2011 F=-0.0077兹 2+0.2222兹 -0.4445 0.0001 0.62
土壤呼吸与土壤温度、水分的双变量方程
bivariate鄄variable equations between soil respiration and soil temperature
2009 F = 0.3512e0.04571Te0.06698兹-0.00253兹2 <0.0001 0.73
2010 F = 0.4996e0.03445Te0.03829兹-0.00272兹2 <0.0001 0.79
2011 F = 1.9073e0.11757Te -0.32201兹+0.00777兹2 <0.0001 0.86
摇 摇 R2:决定系数 Coefficient of determination;Q10:土壤呼吸温度敏感性 temperature sensitivity of soil respiration
2.3摇 土壤呼吸累积量的年际变化及其与年际气温和降水的关系
2009 年为 282 g C / m2,2010年为 234 g C / m2,而 2011年为 230 g C / m2(图 2)。 测定日期内(3月 15日—
11月 20日),试验期间年均气温差异不大(2009 年、2010 年和 2011 年依次为 15.41、15.07、14郾 63益),但总降
水量具有显著差异,2009年、2010年和 2011年依次为 448.60、561.70、597.80 mm(图 2)。 除总量 3a间存在显
3727摇 22期 摇 摇 摇 张彦军摇 等:田间条件下黑垆土基础呼吸的季节和年际变化特征 摇
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著差异外,与 2009年相比, 2010和 2011年>5mm降水次数和频率显著高于 2009 年。 观测期间,雨季前土壤
呼吸年际差异并不大 (2009—2011波动于 0.97—1.15 滋 mol·m2·s-1),但其余季节年际间变异较大。 雨季期
间(0.77—1.22 滋mol·m2·s-1)和雨季后(0.54—1.14 滋mol·m2·s-1)。 这一结果表明,土壤呼吸累积量的年际变
化与降水量年际变化有关。 2010年和 2011 年雨季和雨季后土壤湿度维持较高水平可能是导致这两年土壤
呼吸降低的原因。
图 2摇 3a试验期间降水总量,平均气温和累积土壤呼吸量的变化
Fig.2摇 Variations in total rainfall, mean air temperature and cumulative soil respiration between 2009 and 2011
3摇 讨论
摇 图 3摇 土壤呼吸对土壤水分、土壤温度的响应曲面
Fig.3摇 Response surface of soil respiration as a function of soil
moisture and soil temperature according to the equation fitted to
the soil respiration data in 2009
依据 2009年土壤呼吸、温度和水分数据拟合双变量方程而作
3.1摇 裸地土壤有机碳的流失与水分、温度变化的关系
试验期间的不同年度均可看到土壤水分和温度的
剧烈波动,土壤水分和温度影响土壤微生物呼吸的主要
环境因素,且两者季节变化均与土壤呼吸的季节变化显
著相关 (图 1,表 1),在不同生态系统都有类似报
道[4鄄5,23鄄25]。 同样地,尽管年气温和降水变化也会影响
年际土壤呼吸变异,但在气温不是植被生长的限制性因
素的地区或一些寒冷地区(年均气温 4—10益),年均气
温与年土壤呼吸就无相关关系[7,26]。 在降水变异显著
的地区,年降水显著影响年呼吸变化[7]。 本研究地处
干旱半干旱地区,降水在季节和年际间剧烈波动,而年
气温相对稳定。 因此,土壤呼吸年际变化主要与年降水
总量有关,而与年均气温无关(图 2)。
土壤温度常常被作为影响土壤呼吸的重要环境因
素。 在不考虑土壤水分变化或其不是限制因子时,可依
据呼吸与温度的指数关系方程获得土壤呼吸的温度敏
感系数(Q10)。 在干旱半干旱地区,尤其本研究所在的
黄土旱塬区,土壤含水量低(图 1)且干湿变化剧烈,在
季节尺度上水分和温度变化都会显著影响土壤呼吸及其对温度的敏感性(图 3,表 1)。 从图 3可直观地看出,
土壤水分含量高或低时,土壤呼吸因温度变化显著不同;相应地,土壤温度高或低时,呼吸随温度变化也不同。
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已有报道发现 Q10变化与土壤水分或土壤温度变化密切相关[23,27鄄28]。 因此,在黄土区,土壤呼吸的模拟应充分
考虑水分和温度环境因素的影响。
3.2摇 裸地土壤有机碳变化影响因素
裸地条件下,土壤呼吸主要来源微生物呼吸,与作物根系及其凋落物无关。 因此,本研究裸地土壤呼吸速
率显著低于同期相邻有小麦生长处理的土壤呼吸[29]。 长期休闲条件下没有新鲜有机物输入,土壤呼吸反映
了土壤微生物对原有土壤有机碳分解和流失的影响[2,30]。
从上述研究结果可以看出,观测期内(3a平均),裸地处理土壤有机碳流失量大约在 249 g C / m2。 本试验
中裸地处理自 1984年休闲以来 SOC储量逐渐降低,SOC 浓度由试验开始的 6.5g / kg 降低到目前 5郾 5g / kg,降
幅达 15% (2.5 Mg C / hm2,年流失量为 0.1 Mg C / hm2)。 包含休闲的轮作处理的 SOC含量低于作物连作处理,
休闲频率高的轮作体系中土壤有机碳含量低于休闲频率低的轮作体系[31鄄32]。 但令人惊讶的是,在本研究中
依据三年基础呼吸的平均值(249 g C / m2)估算,裸地处理每年 SOC流失量为 2.5 Mg C / hm2左右,为实际每年
碳流失量(0.1 Mg C / hm2)的 25倍。 究其原因可能与以下因素有关:1)裸地处理尽管没有作物生长而降低了
根系等凋落物的输入,但通过天然降尘输入的有机碳部分抵消了土壤有机碳的流失:在黄土高原地区,年降尘
量大于 2.5 Mg ha-1 [33],试验附近地区(彬县和西峰)的降尘中有机质含量为 33郾 3%—42.9%[34]。 因此,随降
尘进入土壤的有机碳大约为 0.5—0.6 Mg C / hm2;2)尽管没有新鲜有机物的输入,但土壤微生物固碳可占到
SOC的 0.12%—0.59%[35]; 3)碳通量监测的土壤碳流失一部分来自于土壤深层;4)裸地处理在理想条件下没
有任何杂草生长,但在管理过程中采取定期人为清除裸地土壤上的杂草,少量残留杂草根系的分解有可能使
得裸地土壤呼吸观测值偏高。 但以上真实原因及其贡献需要我们进一步用试验研究确认。
黄土旱塬区是典型雨养农业区,夏季作物收获后农田往往采用休闲以调节土壤水分和养分。 从上述研究
结果可以看出,7—9月高温多雨季节,有机碳流失量大约为 85 g C / m2,雨季裸地土壤有机碳的流失量约占观
测期内裸地土壤有机碳的流失量的 34%。 在干旱半干旱地区,在保证蓄集天然降水条件下,种植填闲作物,
缩短或减少休闲期有助于促进有机物输入,降低原有土壤有机碳分解,保持土壤肥力。
4摇 结论
基础土壤呼吸的平均速率为 0.99 滋mol·m2·s-1,因基础呼吸年流失的有机碳为 2.5 Mg C / hm2。 但大气降
尘等对裸地土壤有机碳的输入也不容忽视。 裸地上,土壤呼吸具有显著季节和年际变化,其季节间变化由土
壤水分和温度共同控制,可由温度、水分的双变量方程描述( F = 茁0e茁1Te茁2兹
+茁3兹2 ),土壤呼吸的年际变化主要由
年降水总量控制,而与年均气温无关。 因此,在气候变化的条件下,土壤有机碳流失与环境因素内在的生态联
系因时间尺度存在差异。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
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叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
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本期责任副主编摇 杨志峰摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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