全 文 ：书第 50 卷 第 2 期
2 0 1 4 年 2 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50，No. 2
Feb．，2 0 1 4
doi: 10．11707 / j．1001-7488．20140201
收稿日期: 2013 － 09 － 22; 修回日期: 2014 － 01 － 03。
基金项目: “十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD38B06)。
* 孟平为通讯作者。
华北低丘山地不同土地利用条件下的土壤呼吸比较*
赵 娜1 孟 平1，2 张劲松1，2 陆 森1，2 程志庆1
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091; 2. 国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091)
摘 要: 基于气体红外分析技术，在华北低丘山地退耕还林区内，以农田、撂荒地为对照，分析退耕 43 年和退耕
10 年刺槐人工林土壤呼吸速率的季节变化及其环境影响机制。结果表明: 退耕 43 年和退耕 10 年刺槐人工林 0 ～
5 cm 土层的土壤有机质含量分别是农田的 3. 9 和 1. 6 倍; 退耕 43 年刺槐人工林、退耕 10 年刺槐人工林、撂荒地和
农田的全年土壤呼吸平均速率分别为 2. 33，1. 21，2. 40 和 2. 04 μmol·m － 2 s － 1，其中撂荒地的全年土壤呼吸平均速率
最大，退耕 43 年刺槐林的全年土壤呼吸平均速率大于退耕 10 年刺槐林; 研究区内 4 种土地条件下的土壤呼吸速
率主要受 5 cm 深处土壤温度影响，退耕 43 年刺槐林、退耕 10 年刺槐林、撂荒地及农田的土壤呼吸温度敏感系数
Q10分别为 2. 47，2. 53，2. 06 和 1. 56，其中 2 种退耕林地的 Q10均显著高于农田; 4 种土地利用条件下的 Q10均存在显
著的季节变异，其大小主要受温度影响。退耕还林工程的实施显著改善了土壤固碳能力。
关键词: 土壤呼吸; Q10 ; 退耕还林工程; 华北低丘山地
中图分类号: S718. 55 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2014)02 － 0001 － 07
Comparison of Soil Respiration under Various Land Uses in
Hilly Area of Northern China
Zhao Na1 Meng Ping1，2 Zhang Jinsong1，2 Lu Sen1，2 Cheng Zhiqing1
(1. Research Institute of Forestry，Chinese Academy of Forestry Beijing 100091;
2. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration Beijing 100091)
Abstract: In this study，seasonal variations in soil respiration rate ( R s ) in 43-year-old and 10-year-old Robinia
pseudoacacia plantations，abandoned land and cropland，and the influence mechanisms were investigated in hilly area of
northern China． In 0 － 5 cm layers，soil organic matter content of 43-year-old and 10-year-old R． pseudoacacia plantations
was 3． 9 and 1． 6 times of cropland， respectively． Annual soil respiration rates of 43-year-old and 10-year-old R．
pseudoacacia plantations，abandoned land and cropland were 2． 33，1． 21，2． 40，and 2． 04 μmol·m － 2 s － 1，respectively．
The cropland had the highest annual R s，and the annual R s of 43-year-old R． pseudoacacia plantation was significantly
higher than that of 10-year-old R． pseudoacacia plantation． Regression analysis showed that soil temperature was the main
environmental factor affecting the seasonal variation of R s ． The temperature sensitivity (Q10 ) of soil respiration was 2． 47，
2． 53，2． 06，and 1． 56 for 43-year-old and 10-year-old R． pseudoacacia plantations，abandoned land，and cropland，
respectively． Compared to the cropland，two plantations presented a more temperature sensitivity of soil respiration．
Moreover，there was a significant seasonal variation in Q10 in the four land uses，and soil temperature was the key factor
that affected the temperature sensitivity of soil respiration． The results indicated that sequestration capacity of soil organic
carbon was improved in the two plantations．
Key words: soil respiration; Q10 ; grain-for-green program; hilly area of northern China
全球气候变暖及其影响已成为当前全世界关注
的焦点，其中最重要的温室气体 CO2 在大气中的含
量以每年 0. 4% 的速度在增长(陈泮勤等，2004)。
土壤呼吸是陆地碳循环中仅次于全球总初级生产力
的碳通量途径(Raich et al．，1995)，平均每年向大气
释放 60 ～ 110 PgC(Bond-Lamberty et al．，2010)，超
过化石燃料释放碳的 11 倍(Marland et al．，1994)，
是陆地碳循环中最大的碳源(Raich et al．，2002)，且
林 业 科 学 50 卷
其细微变化有可能引起大气 CO2 浓度的明显改变。
研究表明，土壤呼吸对全球气候变化响应明显
(Boone et al．，1998)，且具有反馈作用(Davidson et
al．，2006)。
土地利用方式变化通过改变辐射特征、植物的
蒸腾作用等影响土壤温湿度(Raich et al．，1995)，使
土壤有机质含量、微生物的组成和活性、根系生物量
等发生改变，从而影响土壤呼吸过程(骆亦其等，
2007)，并直接影响陆地生态系统碳循环过程，最终
导致生态系统碳源汇功能的变化。20 世纪 90 年代
全球土地利用变化向大气排放了 1. 6 PgC·a － 1，仅次
于化石燃料燃烧释放的碳(7. 2 PgC·a － 1)，是大气中
的第二大人为碳源(Raich et al．，1995)。因此，系统
研究土地利用变化所引起的土壤呼吸变化一直是生
态学、农学及林学等相关学科重点关注的研究内容。
近 20 年来，我国对生态脆弱重点区域(如“三
北”、长江中上游等地区)进行生态恢复与重建，土
地利用方式也发生了较大改变，与此同时构建形成
了具生态效益的多龄级人工林。林龄在森林碳库分
配及不同生态系统碳通量差异中扮演着重要角色，
其差异会引起森林生态系统碳平衡的变化，进而形
成不同的土壤呼吸特征 (Baggs，2006)。相关研究
表明，人工林林龄与森林碳通量之间的关系存在极
大的不确定性(Singh et al．，1977)，土壤 CO2 通量随
林龄 变 化 呈 现 出 复 杂 的 格 局。刺 槐 ( Robinia
pseudoacacia)属植被恢复的先锋树种，且具有固氮、
改良土壤的作用，是华北低丘山地主要退耕造林树
种之一。但在该区域，不同土地利用条件下(特别
是退耕还林工程的实施所引起的)土壤碳循环过程
的变化研究至今仍较罕见。因而，系统地分析退耕
地内多龄级刺槐人工林的土壤呼吸及碳循环过程，
对评价该区域的生态系统碳循环与退耕还林生态效
益都具有重要意义。本研究依托森林生态定位监测
系统，对华北南部低丘山地的退耕还林重点区域进
行定量观测，以撂荒地和农田为对照，分析退耕后不
同林龄刺槐林地的土壤呼吸动态变化特征及其与环
境因子的关系，为评估该区域的退耕还林碳效益与
生态效益提供理论依据。
1 研究区概况
本研究在河南省济源市黄河小浪底森林生态系
统研究站(112° 28 E，35° 01 N)进行。研究区位
于华北南部低山丘陵退耕还林工程区内，南邻黄河
小浪底水利枢纽工程，北依太行山南麓，是典型的低
山丘陵石质山区，属暖温带大陆性季风气候。试验
区全年日照 2 367. 7 h; 多年平均降水量 641. 7 mm，
6—9 月降水量占全年的 68. 3% ; 土壤以石灰岩风
化母质淋溶性褐色土为主，土层厚度为 50 ～ 80 cm。
研究区内有农田、农田撂荒地和多龄级退耕人工林
地等多种土地利用类型。
2 研究方法
2. 1 试验设计
2011 年 12 月，遵循试验样地与周边环境一致
性原则，避开林缘带状区域，在土壤类型、地势起伏
及海拔相近的半阳坡研究区内，选取农田(CL)、农
田撂荒地(AL)、退耕 10 年刺槐人工林地(R10 )和退
耕 43 年刺槐人工林地(R43 )4 种土地利用类型为研
究对象，并在每种土地利用条件下各设置 3 个20 m ×
33 m 固定样地。其中，农田的种植制度为冬小麦
(Triticum aestivum)与夏玉米(Zea mays)轮作; 农田
撂荒 地 内 的 主 要 植 被 为 构 树 ( Broussonetia
papyrifera)和狗尾草(Setaira viridis); 退耕刺槐人工
林内的主要植被为刺槐，林下植被主要为扁担木
( Grewia biloba var． parviflora )、蛇 莓 ( Duchesnea
indica)和狗尾草等。4 种土地利用类型概况见表 1。
表 1 4 种土地利用类型样地基本情况①
Tab． 1 Basic status of four land use types
土地利用类型
Land use
type
物种
Species
林龄
Stand
age / a
平均胸径
Average
DBH / cm
平均树高
Average tree
height /m
林分密度
Stand density /
( tree·hm － 2 )
根生物量(0 ～ 100 cm 土层)
Root biomass(0 ～ 100 cm
soil layer) /( kg·m － 2 )
郁闭度
Coverage
CL 小麦
－玉米轮作
Triticum aestivum-Zea mays rotation
— — — — — —
AL 构树 Broussonetia papyrifera 40 3. 61 ± 2. 01 3. 14 ± 2. 22 — — 0. 60
R10 刺槐 Robinia pseudoacacia 10 9. 13 ± 2. 17 8. 52 ± 2. 05 1 464 4. 67 ± 1. 07 0. 75
R43 刺槐 Robinia pseudoacacia 43 10. 45 ± 3. 22 10. 49 ± 2. 61 1 667 17. 32 ± 9. 94 0. 85
①CL: 农田 Cropland; AL: 农田撂荒地 Abandoned land; R10 : 退耕 10 年刺槐人工林 10-year-old R． pseudoacacia plantation; R43 : 退耕 43 年
刺槐人工林 43-year-old R． pseudoacacia plantation． 下同 The same below．
2
第 2 期 赵 娜等: 华北低丘山地不同土地利用条件下的土壤呼吸比较
2. 2 测定方法
2012 － 03—2013 － 02，利用基于红外分析法的
Li-8100 土壤呼吸自动测量系统(Li-cor．，USA)观测
不同土地利用条件下的土壤呼吸速率变化。本研究
中，在每种土地利用条件下的每块样地内分别随机
设置了 9 个土壤呼吸测定点。在每个测定点处，将
PVC 环(直径 9 cm，高 9 cm)纵向插入土中 7 cm，露
出地表 2 cm，待 PVC 环与土壤接触紧密后(平衡 7
天)进行土壤呼吸测定。在测定期内，每月初与月
末各观测 1 次，观测时段均为 9∶ 00—11∶ 00(Maestre
et al．，2003)。
在观测土壤呼吸速率的同时，同步采用土壤温
湿度计 W． E． T Sensor(ΔT device，UK)测定 5 cm 深
处的土壤温度(T s)、土壤体积含水率(W)和电导率
(ECp)。同时采集每个测定土壤呼吸速率 PVC 环
附近的土壤，采样深度分别为 0 ～ 5，5 ～ 10 和 10 ～
20 cm，用于土壤有机质含量测定。
2. 3 数据分析
运用 SPSS 18. 0 软件完成方差分析与回归分
析，并利用 Excel 绘制图像。采用方差分析中的单
因素 ANOVA 方法，运用 LSD 方法检验不同土地利
用方式下的土壤有机质含量(0 ～ 10 cm)、土壤温度
(T s)、土壤水分(W)、土壤电导率(ECp)和土壤呼吸
速率(R s)均值间是否存在差异。运用回归分析中
的曲线估计讨论土壤呼吸与土壤温度、土壤水分含
量及土壤电导率间的回归模型和曲线拟合度。
本研究运用 vant Hoff 模型来定量模拟土壤呼
吸和土壤温度间的关系，该模型如下( Lloyd et al．，
1994):
R s = R0 e
bT s。 (1)
式中: R s为土壤呼吸速率(μ mol·m
－ 2 s － 1 ); R0为
土壤温度为 0 ℃时的土壤呼吸速率; b 为模型参数;
T s为土壤温度(℃ )。
土壤呼吸速率对温度变化的敏感度通常用 Q10
值来描述(骆亦其等，2007)，Q10值定义为温度每升
高 10 ℃土壤呼吸速率所增加的倍数，即:
Q10 = RT0 +10 /RT0。 (2)
式中: RT0和 RT0 +10分别是参比温度 T0和温度为 T0 +
10 ℃时的呼吸速率。依据地温与土壤呼吸速率间
的拟合函数，可对 Q10值进行估算(Lee et al．，2003):
Q10 = e
10b。 (3)
3 结果与分析
3. 1 不同土地利用条件下的土壤有机质含量
由表 2 可知，退耕 43 年刺槐林 0 ～ 10 cm 土层
土壤有机质含量显著高于其他土地利用条件，且随
着退耕年限增加，刺槐人工林 0 ～ 10 cm 土层土壤有
机质含量增加显著。与农田相比，退耕 10 年和 43
年刺槐林 0 ～ 5 cm 土层的土壤有机质含量分别是农
田的 1. 6 和 3. 9 倍。此外，研究发现退耕刺槐林和
撂荒地的土壤有机质分布具有明显的表聚性 (0 ～
10 cm);随着土层深度增加，退耕刺槐林和撂荒地
的土壤有机质含量逐渐降低。而农田由于频繁翻
耕，其土壤有机质含量随土层的变化不明显。
表 2 不同土地利用条件下的土壤有机质含量①
Tab． 2 Soil organic matter content under four land uses g·kg － 1
土层 Soil layer / cm CL AL R10 R43
0 ～ 5 15. 26 ± 5. 03 aB 27. 01 ± 4. 68 aB 23. 66 ± 5. 34 aB 59. 79 ± 18． 84 aA
5 ～ 10 11. 81 ± 2. 89 aB 11. 79 ± 3. 38 bB 15. 92 ± 2. 14 bA 17. 16 ± 3． 26 bA
10 ～ 20 12. 88 ± 1. 05 aAB 13. 11 ± 2. 31 bAB 16. 15 ± 2. 92 bA 12. 06 ± 3． 59 cB
①同行不同大写字母表示不同土地利用条件同一土层间差异显著(P ＜ 0. 05) ; 同列不同小写字母表示同一土地利用条件不同土层深度间
差异显著( P ＜ 0. 05) ． Different capital letters in the same row indicated difference is significant between different land uses in the same soil depth
(P ＜ 0. 05) ; Different lowercase letters in the same column indicated difference is significant between different soil depths in the same land use at 0. 05
level．
3. 2 土壤呼吸速率与环境因子的季节变化
2012 － 03—2013 － 02，退耕 43 年刺槐林、退耕
10 年刺槐林、撂荒地及农田的月均土壤温度均呈现
明显的单峰季节变化曲线(图 1)。各土地利用条件
下 5 cm 深处土壤温度的最小值均出现于 1 月; 除
农田外，其他土地利用条件下的土壤温度均在 7 月
达到全年最大值。除冬季差异不显著外，农田在全
年各月份的土壤温度均高于 2 个退耕刺槐林(P ＜
0. 05)，同时退耕 43 年刺槐林的月均温高于退耕 10
年刺槐。由于试验测定期内的 5—6 月气温较高而
降雨较少，因此造成各土地利用条件下的土壤体积
含水量大幅降低; 7 月试验区进入雨季，土壤体积
含水量于 8 月达到最大值; 1 月达全年最小值。除
1 月及 4 月外，退耕 10 年刺槐林的月均土壤体积含
水量均高于农田(P ＜ 0. 05)，但退耕 10 年与 43 年
刺槐林土壤体积含水量间差异不显著。除 5 和 6 月
外，农田土壤电导率均显著高于退耕刺槐林( P ＜
0. 05)，这与农田内施肥措施所引起的土壤盐分增
3
林 业 科 学 50 卷
加密切相关。
由图 1 可知，退耕 43 年刺槐林、退耕 10 年刺槐
林、撂荒地和农田的土壤呼吸速率变化趋势与 5 cm
深处土温变化趋势基本一致。随着土壤温度升高，
土壤呼吸速率也逐渐上升，退耕 43 年刺槐林、退耕
10 年刺槐林和撂荒地的土壤呼吸速率均在 7 月达
到最大，随后逐渐下降。农田土壤呼吸速率出现 2
次峰值(4 和 9 月)，这是由于在 4 月，冬小麦正处于
拔节期，小麦根系生长迅速，呼吸旺盛(3. 56 μmol·
m － 2 s － 1); 而到 9 月玉米成熟，土壤呼吸再次达到
峰值(3. 27 μmol·m － 2 s － 1)。6 月的农田土壤呼吸速
率较低，主要由于小麦在该月上旬收获，而玉米在 6
月下旬刚播种。在冬季，由于气候寒冷，植被处于休
眠状态，因此各土地利用条件下土壤呼吸最小值均
出现于温度较低的 1 月。2，3 月农田土壤呼吸速率
值均显著高于退耕刺槐林(P ＜ 0. 05); 而在 5—10
月，退耕 43 年刺槐林土壤呼吸速率显著高于农田;
冬季各土地利用条件下土壤呼吸速率差异不显著。
退耕 10 年刺槐林月均土壤呼吸速率在测定期内均
低于其他土地利用条件。4 种土地利用条件下年均
土壤呼吸速率表现为撂荒地 ＞ 退耕 43 年刺槐林 ＞
农田 ＞退耕 10 年刺槐林(P ＜ 0. 05)，这是由于退耕
刺槐林在幼林阶段土壤 CO2 排放较少，随着林龄增
加，土壤固碳能力增加，土壤 CO2 排放量也逐渐增大。
图 1 4 种土地利用条件下土壤呼吸速率、5 cm 深处土壤温度、
0 ～ 5 cm 土层土壤体积含水量和 0 ～ 5 cm 土层电导率的季节变化
Fig． 1 Seasonal variation of soil respiration rate，soil temperature at 5 cm depth，
soil moisture content and soil electrical conductivity at 0 ～ 5 cm soil layer under four land uses
3. 3 土壤呼吸与环境因子的关系
3. 3. 1 土壤呼吸与土壤温度的关系 4 种土地利
用条件下土壤呼吸速率与土壤温度间均极显著指数
相关(P ＜ 0. 01，图 2)，5 cm 深处土壤温度可以解释
各土地利用条件下土壤呼吸速率季节变化的
53. 67% ～ 79. 50%。退耕 10 年刺槐林、退耕 43 年
刺槐林、撂荒地和农田的土壤呼吸温度敏感系数
(Q10)分别为 2. 53，2. 47，2. 06 和 1. 56，可见退耕刺
槐人工林和撂荒地的土壤 CO2 排放对温度变化的
敏感度显著高于农田。
3. 3. 2 土壤呼吸与土壤体积含水量、土壤电导率的
关系 SPSS 相关分析(表 3)表明，4 种土地利用条
件下土壤呼吸速率与土壤体积含水量及土壤电导率
间的相关性较低，线性回归模型的决定系数均低于
0. 2，表明 4 种土地利用条件下土壤呼吸受土壤体积
含水量、电导率的影响作用较小。
4
第 2 期 赵 娜等: 华北低丘山地不同土地利用条件下的土壤呼吸比较
图 2 土壤呼吸速率与土壤温度的关系
Fig． 2 Relationship between R s and T s for four land use types
表 3 土壤呼吸速率与土壤含水量、土壤电导率的关系
Tab． 3 Relationship between W，ECp and R s under four land uses
项目
Item
土地利用类型
Soil use type
回归模型
Regression models R
2 显著性
Significant(P ＜ 0. 05)
CL R s = 0. 07 + 0. 625 7W 0. 191 0. 003
R s与 W R s and W AL
R s = 0. 062 4 + 0. 863 4W 0. 070 0. 013
R10 R s = 0. 025 6 + 0. 0. 556W 0. 031 0. 008
R43 R s = － 0. 001 8 + 2. 594 7W 0. 000 0. 000
CL R s = － 0. 537 6 + 0. 019 8ECp 0. 066 0. 524
R s与 ECp R s and ECp AL
R s = 0. 013 4 + 0. 020 6ECp 0. 019 0. 994
R10 R s = － 1. 645 0 + 0. 023 8ECp 0. 153 0. 005
R43 R s = － 0. 484 2 + 0. 026 5ECp 0. 143 0. 444
3. 4 不同土地利用条件下 Q10的季节变化
本研究分别计算春 (3—4 月、翌年 2 月)、夏
(5—7 月)、秋(8—10 月)和冬(11 月至翌年 1 月)
4 个时期的 Q10值。由表 4 可见，除撂荒地外，其他
土地利用条件下的 Q10值随季节变化趋势相似，即
Q10值均在夏季最低、冬季最高，说明在温度较低的
冬季，土壤呼吸对温度变化的响应更加明显。表 4
表明，Q10与季节平均地温负相关，但各样地在夏
季的土壤呼吸速率与土壤温度的决定系数 R 2 值
均低于其余 3 个季节。土壤体积含水量通过影
响土壤呼吸速率进而影响 Q 10值的季节变化。由
于 4 种土地利用条件下的土壤体积含水量为
0. 15 ～ 0. 35 cm3·cm － 3，土壤水分较充足，且变化
范围较小，不足以影响植物根系和土壤微生物的
活动，难以区分出土壤含水量对 Q 10值的影响 (张
惠东等，2011 )，同时也存在土壤体积含水率对
土壤呼吸速率的影响作用被其他影响因子所遮
蔽的可能。
5
林 业 科 学 50 卷
表 4 4 种土地利用类型 Q10的季节变化
Tab． 4 Seasonal variation of Q10 of four land use types
土地利用类型
Land use type
季节
Season
模型参数
Model parameter
R0 b
R2 Q10
季节平均土壤温度
Seasonal average
soil temperature /℃
季节平均土壤体积含水量
Seasonal average soil volumetric
moisture content /( cm3·cm － 3 )
春 Spring 0． 641 0． 061 0． 418 1． 84 16． 89 0． 253
CL 夏
Summer 2． 478 0． 005 0． 003 1． 05 26． 18 0． 221
秋 Autumn 0． 682 0． 056 0． 674 1． 75 20． 94 0． 233
冬 Winter 0． 573 0． 067 0． 403 1． 96 3． 10 0． 163
春 Spring 0． 302 0． 100 0． 855 2． 72 14． 95 0． 307
AL 夏
Summer 1． 408 0． 038 0． 060 1． 46 26． 97 0． 240
秋 Autumn 0． 824 0． 061 0． 652 1． 83 19． 60 0． 286
冬 Winter 0． 829 0． 091 0． 707 2． 48 3． 37 0． 198
春 Spring 0． 215 0． 092 0． 407 2． 50 11． 15 0． 298
R10
夏 Summer 0． 933 0． 037 0． 140 1． 44 21． 23 0． 279
秋 Autumn 0． 444 0． 066 0． 470 1． 93 18． 13 0． 328
冬 Winter 0． 252 0． 148 0． 608 4． 41 3． 33 0． 275
春 Spring 0． 466 0． 073 0． 469 2． 08 11． 94 0． 295
R43
夏 Summer 2． 265 0． 026 0． 091 1． 29 21． 79 0． 251
秋 Autumn 0． 833 0． 066 0． 767 1． 93 19． 19 0． 322
冬 Winter 0． 726 0． 078 0． 540 2． 19 3． 98 0． 291
4 结论与讨论
退耕还林还草措施在不同程度上可使土壤有机
质含量得到恢复(彭文英等，2005)。在本研究中，
退耕人工林 0 ～ 5 cm 土层的土壤有机质含量显著高
于农田，这是由于林地土壤表层存在丰富的植物凋
落物残体，其在分解过程中形成有机物质，补充了土
壤碳库 ( Bouwman et al．，1995; 董莉丽等，2009 )。
而传统种植方法对农田重收轻养，且翻耕措施显著
地影响着土壤有机质含量，因此农田土壤有机质含
量比较低(邱莉萍等，2006)。本研究发现，退耕仅
10 年的刺槐人工林其土壤表层有机质含量已接近
自然恢复 40 年的撂荒地，这说明在该研究区域内，
营造刺槐人工林是增强土壤固碳能力的有效方式;
该结果和彭文英等(2005)关于刺槐人工林恢复土
壤养分的能力优于撂荒地的结论一致。
土壤呼吸速率计算结果表明，退耕 10 年刺槐人
工林的年平均土壤呼吸速率较农田降低 40. 69%，
而退耕 43 年刺槐林的土壤 CO2 排放量则比农田增
加了 14. 22%。这是由于在造林初期，来自森林的
碳增加并不能抵消来自农田的碳分解，因而退耕人
工林初期土壤呼吸速率一般较小 (王春梅等，
2007)。随着刺槐林龄的不断增长，土壤呼吸速率
也逐渐增大，这与 Wiseman 等 ( 2004 ) 和 Jiang 等
(2005)的研究结果一致，即土壤呼吸与刺槐根系的
生长及土壤固碳能力密切相关。相关研究表明，不
论在扰动还是非扰动系统内，土壤呼吸一般均与土
壤有机质含量呈显著正相关 ( Chen et al．，2010 )。
在本研究区内，当农田退耕为林地后，林龄的增大不
仅使树木根系变得庞大(表 1)，根系呼吸增强，同时
也增加了凋落物，使得土壤有机质含量得到提高，促
进了土壤微生物的生长和呼吸。与刺槐林地相比，
由于每年重复的耕作、施肥、播种和收获等田间管理
措施，农田土壤结构和微生物群落受到了剧烈干扰，
降低了土壤 CO2 释放速率 ( Larionova et al．，1998;
Canadell et al．，2008)。
综合分析土壤温度、水分、电导率等环境因子对
土壤呼吸的影响，研究发现 4 种土地利用条件下的
土壤呼吸主要受土壤温度影响，土壤水分对土壤
CO2 排放的影响贡献率均较小，这与前人的研究结
果(张劲松等，2008)相似。此外，一些研究(孙波
等，1999; 王效举等，1997)表明，与土壤性质密切
相关的土壤电导率可以作为土壤质量综合评价的一
个定量指标，因为土壤电导率可以综合反映土壤的
水分状况、盐分浓度和微生物生长等多种性状。在
不同土壤电导率下，微生物群落对盐胁迫和离子中
毒的适应机制会发生变化，进而导致土壤气体的排
放产生差异。一般地，当土壤湿度恒定时，随着土壤
电导率的增大，土壤微生物呼吸减弱，土壤 CO2 排
放量减少(Adviento-Borbe et al．，2006)。因而，本研
究对土壤电导率对土壤呼吸的影响进行了分析，结
果表明退耕 10 年刺槐林土壤呼吸与土壤电导率间
虽存在显著相关，但 R2 值偏低，仅能解释土壤呼吸
的 15. 3%，而其他土地利用条件下的土壤呼吸与土
壤电导率间均无显著相关关系。因而，在本试验区
内土壤电导率并不是影响土壤呼吸的关键因子。
6
第 2 期 赵 娜等: 华北低丘山地不同土地利用条件下的土壤呼吸比较
Q10值反映着土壤呼吸对温度变化的敏感性。
在本研究中，不同林龄刺槐林地的 Q10均接近于全
球中位值(约 2. 4)(Raich et al．，1992)。此外，本研
究区域农田的 Q10值显著低于退耕林地，考虑到退
耕林地的高土壤碳储量和高 Q10值，应尽量减少人
类活动对该区域刺槐人工恢复林的干扰。一般地，
Q10值存在显著的季节变异，随着增温时间的延长，
土壤呼吸速率的增幅往往减小甚至停止，对温度变
化的敏感程度降低，表现出温度适应性 (Oechel et
al．，2000)。在本研究中，4 种土地利用类型的 Q10值
均随着温度降低而增大，呈现出显著的季节变异，这
与 Jassens 等(2003)的研究结果一致，即 Q10的季节
变化与土壤温度负相关(王光军等，2008)。
以退耕还林为主的植被恢复工程对区域生态系
统碳循环及温室气体排放产生了重大影响。本研究
在华北南部低丘山区退耕还林地的试验表明，退耕
还林措施可显著增加土壤有机质含量; 且伴随着林
龄增长，土壤固碳能力不断增强，林地内土壤呼吸速
率也逐渐增大; 在研究区域内，土壤呼吸速率主要
受土壤温度影响，退耕刺槐林地的土壤呼吸速率对
温度变化的敏感度高于农田。因而，气候变化引起
的温度升高对退耕刺槐人工林的土壤呼吸影响远大
于农田，人类活动应尽量避免对退耕人工林的过度
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