全 文 ：第 19 卷 第 3 期
Vol. 19 No. 3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2011 年 5 月
M ay. 2011
苜蓿草地土壤呼吸及其对环境响应的研究
庞莹莹1 , 邓 波1* , 张英俊1 , 杨世超1, 马学敏1, 2 , 刘 蒙1
( 1.中国农业大学动物科技学院草业科学系, 北京 100193; 2.吉林农业大学园艺学院, 吉林 长春 130118)
摘要: 采用 LI8100 对河北沽源牧场地区3 年生苜蓿( Med icago sativ a L. )草地生长季土壤呼吸速率日动态以及季
动态进行测定,分析了土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度和大气辐射的相关性。结果表明: 苜蓿草地的土壤呼吸
日动态呈单峰曲线,各观测日的最小值分别为3. 102, 2. 071, 4. 655, 4. 52, 3. 355mol m- 2 s- 1 ,出现在每天 8: 00
- 9: 00 和 18: 00- 19: 00 之间,相对应的最大值分别是 4. 934, 3. 034, 6. 948, 5. 682, 4. 823 mo l m- 2 s- 1 , 出现在
13: 00- 16: 00之间。土壤呼吸速率日动态与 5 cm 土壤温度的相关性最大, R2的值为 0. 2722~ 0. 8214( P < 0 05) ,
与 10 cm 土壤温度有一定的相关性,与 20 cm 土壤温度相关性不大。土壤呼吸季动态呈不规则单峰曲线, 最小值
是 2. 48mol m- 2 s- 1 ,出现在 6 月 26 日,最大值是 5. 79mol m- 2 s- 1, 出现在 7 月24 日。土壤呼吸季动态
与 5, 10, 20 cm 深度的土壤温度均无相关性, 与 5, 10, 20 cm 深度土壤湿度均有极相关关系(P< 0. 01) , 与太阳辐射
无相关性。
关键词:苜蓿草地; 土壤呼吸速率;环境响应
中图分类号: S154 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2011) 03043206
Soil Respiration of Alfalfa Fields in the Agropastoral Ecotone of
Northern China and Its Environment on Responses
PANG Yingying 1 , DENG Bo1* , ZHANG Yingjun1 , YANG Shichao1 , M A Xuemin1, 2 , LIU M eng1
( 1. Department of Grassland Science , College of Animal Science and Techn ology, C hina Agriculture U nivers ity, Beijing 100193,C hina;
2. College of h ort iculture, J ilin Agricultu re University, Changchun, J ilin Provin ce 130118, China)
Abstract: Both diurnal and seasonal dynamics of soil respirat ion in thr ee year o ld alfalfa (Medicago sat iv a
L. ) f iled w ere measured using LI8100 A utomated Soil CO 2 Flux System . T he relationships betw een soil
respir at ion, soil moisture and so lar radiat ion w ere analy zed. Results indicated that the diurnal dynamics of
soil respirat ion presented a single peaked curve. T he low est value w as 3. 102, 2. 071, 4. 655, 4. 52, 3. 355
mol m- 2 s- 1appearing at 8: 00- 9: 00 or 18: 00- 19: 00 for each observed day, respectively. A nd the
highest value w as 4. 934, 3. 034, 6. 948, 5. 682, 4. 823 mo l m- 2 s- 1 appearing at 13: 00- 16: 00. Sea
sonal dynam ic of soil respirat ion show ed an irregular sing le peak w ith the minimum 2. 48 mo l m- 2 s- 1
value at June and the max imum 5. 79 mol m- 2 s- 1 value at July. T he diurnal dynamics of soil respira
t ion had a signif icant co rrelat ion to the soil temperatur es of 5cm depth and R2 values w ere 0. 2722~ 0. 8214
( P< 0. 05) . T here is no significant cor relat ion betw een the diurnal dynamics of soil respiration and the soil
temperature o f 20 cm depth ( P> 0. 05) . T he seasonal dynamics of soil r espirat ion had no significant co rre
lat ion to solar radiat ion and the soil temperature at 5, 10 and 20 cm depth ( P> 0. 05) . How ever , there w as
a signif icant corr elat ion to the soil moisture at 5, 10 and 20 cm depth ( P< 0. 01) .
Key words: Alfalfa fields; Soil respir at ion r ate; Environment response
近年来,化石燃料的大量利用、热带森林的大面
积砍伐、草原荒漠化面积的增大以及土地利用方式
的改变使得大气中 CO 2的浓度急剧上升, 进而导致
全球气温升高, 冰川融化,海平面上升。面对环境变
迁以及可能带来的严重后果,通过人类社会的共同
努力,将大气中 CO2的含量稳定在某个水平上已是
当务之急。
植被在陆地生态系统碳循环中发挥着重要作
收稿日期: 20110107;修回日期: 20110323
基金项目:农业部公益性行业(农业)项目( nyhyzx07 022) ;农业部现代产业技术体系资助
作者简介:庞莹莹( 1988 ) ,女,河南人,硕士研究生,主要从事人工草地碳循环方面的研究, Email: pangyingyin g521@ 126. com ; * 通讯作
者 Author for correspondence, Email: dengbo67@ cau. edu. cn
第 3期 庞莹莹等:苜蓿草地土壤呼吸及其对环境响应的研究
用,植物通过光合作用固定大气中的CO 2 ,通过地表
凋落物、根系周转和根系分泌物将光合产物分配给
土壤,又通过植物自身呼吸和土壤呼吸作用释放
CO 2 , 其中土壤呼吸是最主要的释放方式,也是陆地
生态系统碳循环最重要的环节 [ 1]。土壤呼吸是由植
物根系、土壤微生物和土壤动物共同参与的生物过
程,所以影响植物根系、土壤微生物和土壤动物的因
素都将影响土壤呼吸作用。这些因素主要包括环境
条件土壤温度、土壤含水量等[ 2]。我国天然草地面
积退化严重,已不能满足现代畜牧业生产的要求, 人
工草地的种植面积越来越大, 其中, 紫花苜蓿
(Medicago sat iva L. )是所栽培的人工草地中最主
要的豆科牧草。
河北省张家口市塞北管理区, 位于农牧交错带
的西北段,是阻挡西、北部沙漠向东、南入侵的生态
屏障[ 3] 。有关该地区天然草地的碳通量的报道较
多[ 4, 5] , 而鲜见人工草地碳通量等方面的研究报
道[ 6]。所以在此地区开展苜蓿人工草地土壤呼吸的
研究,对于了解人工草地生态系统对全球碳循环的
作用具有重要意义, 并为苜蓿人工草地的合理化
管理提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 试验地自然概况
试验地位于内蒙古锡林郭勒草原南缘, 隶属于
河北省张家口市塞北管理区, N4142~ 4157,
E11532~ 11547, 平均海拔 1400 m。气候特点
为:冬季寒冷少雪,春季干旱多风,夏季炎热少雨,秋
季晴朗凉爽,属大陆性季风气候区。光照充足, 昼夜
温差大。年均温 1. 4 , 10 年积温 1513. 1 ,无
霜期100 d左右,年均降水量297 mm ,主要集中在7
- 9月,年均风速 4. 3 m s- 1 , 年均大风时间49 d,
年日照时间 2930. 9 h,土壤以栗钙土、草甸土为主。
1. 2 试验材料
以紫花苜蓿人工草地为研究对象,苜蓿品种为阿
尔冈金( Algonquin) ,种植年限为第 3年(产量最高) ,
行距为 15 cm,样地面积为 12 m 10 m,生长期不进
行刈割。试验地土壤基本理化性质如表 1所示。
表 1 样地表层 5 cm土壤的基本理化性质
T able 1 P roper ties of topsoil in the sample site
全 N T otal N
g kg- 1
全 P Total P
g kg- 1
全 K T otal K
g kg- 1
土壤有机碳 SOC
g kg- 1
容重 BD
g cm- 3
2. 101 0. 204 21. 757 21. 641 1. 180
1. 3 测定项目与研究方法
1. 3. 1 土壤呼吸测定 土壤呼吸速率的测定采用
开路式土壤碳通量测量系统, 测定仪器型号为 LI
8100( LICOR, Linco ln, NE, USA)。在样地内随
机设 6个重复。在测定时,提前 1~ 2 d将测定基座
( Soil collar)嵌入土壤中。基座为直径 20 cm,高 12
cm 的聚氯乙烯圆柱体,嵌入土中约 8 cm。经过 24
h的平衡后,土壤呼吸速率会恢复到基座放置前的
水平,从而避免了由于安置气室对土壤扰动而造成
的短时期内呼吸速率的波动。日动态的测定日期分
别为 2010年 6月 7日、6月 26日、7月 14日、8月 3
日、8月 22日, 时间为每天 8: 00- 19: 00,每小时测
定一次。季节动态的测定日期为 2010年 6月 4 日
至 8月22日,每 10 d测定一次,时间为每天的 9: 00
- 10: 00之间。
1. 3. 2 其他数据的观测 在每次测定土壤呼吸时,
同时测定 5, 10和 20 cm 土层土壤含水量和土壤温
度,其中土壤含水量采用烘干法测定,土壤温度为相
应地温计的读数, 每小时读一次。太阳辐射为气象
站自动记录的数据,气象站位于试验地内。
1. 4 数据统计分析
试验数据采用 Excel及 SPSS 17. 0统计软件,
分析土壤呼吸速率以及与温度、水分和太阳辐射的
相关性。
2 结果与分析
2. 1 苜蓿地土壤呼吸的日动态
图 1 给出了 2010 年苜蓿的生长季节 ( 6 月 7
日、6月 26日、7月 14日、8月 3日、8月 22日)的土
壤呼吸日变化规律,观测从 8: 00- 19: 00, 每小时一
次,共 11次。其结果可以看出: 生长季节各观测日
的苜蓿土壤呼吸速率日动态呈单峰曲线变化。土壤
呼吸速率最大值出现在 13: 00- 16: 00之间,最小值
出现在 8: 00- 9: 00和 18: 00- 19: 00之间。各观测
日的土壤呼吸速率最大值分别是 4. 934, 3. 034,
6 948, 5. 682, 4. 823 mol m- 2 s- 1 , 相对应的最
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草 地 学 报 第 19卷
小值分别是 3. 102, 2. 071, 4. 655, 4. 52, 3. 355 mol
m- 2 s- 1。
图 1 苜蓿地土壤呼吸日动态变化
Fig . 1 Diurnal dynamics o f so il respiration in alfalfa field
2. 2 苜蓿地土壤呼吸的季动态
由图 2可以看出,苜蓿土壤呼吸的季动态变化
总体呈上升趋势,在 6月份呈下降趋势, 7月和 8月
呈上升趋势。土壤呼吸速率的最大值出现在 7 月
24日,达到 5. 79 mol m- 2 s- 1 ,最小值出现在 6
月 26日, 为 2. 48 mol m- 2 s- 1 , 差值可达 3. 31
mol m- 2 s- 1。
图 2 苜蓿地土壤呼吸季动态变化
Fig . 2 Seasonal dynam ics o f soil respirat ion in alfalfa field
2. 3 苜蓿地土壤呼吸日动态与土壤温度的关系
由图 3 和表 2可知, 土壤呼吸速率与不同深度
的土壤温度都可以用指数方程来表示。在苜蓿的整
个生长季中,土壤温度与土壤呼吸的相关系数( R2 )
也不尽相同,其中,与 5 cm 土壤温度的相关系数 R2
最大, 6月 7日达到显著水平( P< 0. 05) , 7月 14日
不显著,其余( 6月 26日、8月 22日、8月 3日)均达
到极显著水平( P< 0. 01)。随着土壤深度的增加,
10 cm 土壤温度 R 2变小, 但也表现一定的相关性, 6
月 26日达到极显著水平( P< 0. 01) , 其余均不显
著。20 cm 土壤温度的 R2更小,均不显著。并且当
土壤湿度较小时, R2明显较大, 6月 26日 5 cm 土壤
湿度为 0. 0225, R 2达到 0. 821,说明土壤温度与土壤
湿度共同影响土壤呼吸速率。
2. 4 苜蓿地土壤呼吸季动态与土壤温度、土壤湿度
以及太阳辐射的关系
由图 4、图 5、图 6和表 3可知,土壤呼吸季动态
与不同深度的土壤温度的相关系数分别是 0. 164,
0. 009和 0. 002,相关性极小,均不显著,而且随着土
壤深度的增加相关性变小。土壤呼吸季动态与土壤
湿度的相关系数分别是 0. 784, 0. 781 和 0. 867, 相
关性极大,均为极显著正相关关系( P< 0. 01) ,并且
与 20 cm 土壤湿度的相关性最大。土壤呼吸季动态
与太阳辐射的相关系为 0. 174,相关性不显著。
3 讨论与结论
3. 1 苜蓿地土壤呼吸日动态和季动态
本研究表明, 农牧交错带 3龄苜蓿地土壤呼吸
有明显的日动态和季节动态变化,其中,日动态呈单
峰曲线变化, 最大值出现在 13: 00- 16: 00之间,这
与杨晶[ 7] 、李红生 [ 8]的研究结果一致。季动态呈不
规则单峰曲线变化, 这与当地的气候条件有关系,
2010年的生长季中, 6月炎热少雨, 气候干旱, 5 cm
土壤湿度达到 2. 25% ,苜蓿处于极度干旱状态, 土
壤呼吸速率较小; 7月和 8月雨水较多,同时温度较
高,土壤呼吸速率较大。本研究中,苜蓿整个生长季
中土壤呼吸速率的变化范围是 2. 07~ 6. 948 mo l
m- 2 s- 1 ,与国内外一些天然草地的研究结果相
比值偏大, 与农田生态系统相比偏小。有研究表
明[ 9 ] :东北羊草( L eymus chinensi s )草原为 146 g C
m- 2 a- 1 ( 0. 386 mol m- 2 s- 1 ) ,内蒙古羊草
草原为 187 g C m- 2 a- 1 ( 0. 494 mol m- 2
s- 1 ) ,青藏高原高寒草甸为 235 g C m- 2 a- 1
( 0 621 mo l m- 2 s- 1 )。杜睿[ 4] 在内蒙古半干
旱草原研究表明, 天然羊草地的土壤呼吸速率为
1 2~ 6. 2 g C m- 2 d- 1 ( 1. 157~ 5. 980 mo l
m
- 2 s- 1 ) , 李凌浩[ 5] 在锡林河流域研究了在羊草
草原群落生长季的土壤呼吸速率为 490. 7~ 2278. 9
mg CO 2 m- 2 d- 1 ( 0 473~ 2. 198 mo l m- 2
s- 1 ) , 国外研究表明[ 10] ,温带草地群落土壤呼吸量
在 132~ 830 g C m- 2 a- 1 ( 0. 349~ 2. 193 mo l
m- 2 s- 1 )之间,热带草地群落变动在 470~ 900
g C m- 2 a- 1 ( 1 242~ 2. 378 mo l m- 2 s- 1 )
之间,牛灵安 [11] 在河北曲周试验站的研究表明,玉米
434
第 3期 庞莹莹等:苜蓿草地土壤呼吸及其对环境响应的研究
表 2 苜蓿地土壤呼吸日动态与土壤温度的关系及相关性方程
T able 2 Diurnal dynamics o f soil respirat ion, so il temperatur e and co rr elation equation
日期
Date
土壤深度
Soil depth, cm
土壤湿度
Soil moistu re, %
P
相关系数
R 2
相关性方程
C or relat ion equation
6月 7日 Ju ne 7th 5 5. 791 0. 023 0. 458 y= 2. 5489e0. 0189x
10 10. 817 0. 159 0. 226 y= 2. 8152e0. 0179x
20 11. 938 0. 558 0. 051 y= 2. 994e0. 0172x
6月 26日 June 26th 5 2. 247 0. 000 0. 821 y= 1. 6116e0. 0149x
10 4. 474 0. 001 0. 709 y= 1. 493e0. 0203x
20 4. 628 0. 046 0. 375 y= 1. 3331e0. 0273x
7月 14日 July 14th 5 15. 862 0. 087 0. 272 y= 3. 4399e0. 0219x
10 17. 123 0. 666 0. 016 y= 4. 9808e0. 0067x
20 17. 230 0. 464 0. 074 y= 9. 0523e- 0. 0218x
8月 3日 Augus t 3rd 5 17. 015 0. 009 0. 569 y= 4. 0384e0. 0123x
10 17. 303 0. 081 0. 313 y= 4. 2341e0. 0112x
20 15. 852 0. 416 0. 082 = 4. 5009e0. 0091x
8月 22日 Augus t 22nd 5 14. 119 0. 001 0. 770 y= 2. 7883e0. 0168x
10 14. 346 0. 087 0. 305 y= 3. 3615e0. 0095x
20 11. 727 0. 168 0. 213 y= 2. 9089e0. 0209x
( Zea may s )的土壤呼吸速率为 6. 19~ 22. 52 gCO 2
m- 2 d- 1 ( 1. 682~ 5. 92 mo l m - 2 s- 1 )。本
研究结果偏大, 根据推测可能是因为苜蓿为多年生
直根系草本植物,根系较发达。另外还可能是在播
种苜蓿时,土壤为耕作土, 所以土壤空隙大,土壤呼
吸速率较大。
435
草 地 学 报 第 19卷
图 6 苜蓿地土壤呼吸季动态与太阳辐射的关系
Fig . 6 Seasona l dynamics of soil respir ation
and atmospheric r adiat ion
3. 2 苜蓿地土壤呼吸日动态与不同深度土壤温度
的关系
土壤呼吸速率与温度之间的关系用指数关系表
示是最普遍的, 其常见表达式为 Rs = aebT , 其中 Rs
为土壤呼吸, a为当温度为 0时的截距, b 为土壤呼
吸对温度的敏感系数, T 为土壤温度[ 12]。本试验结
果分析表明,苜蓿草地各层土壤温度与土壤呼吸呈
指数相关关系,并且与 5 cm土层温度的 R2值最高,
6月 26日 R 2值达到 0. 821,这与一些研究者[ 13, 14, 15]
得出的土壤呼吸与 5 cm 土壤温度关系最显著的结
果一致。土壤温度和土壤湿度是土壤呼吸的主要限
制因子[ 16, 17] ,并且土壤水分在一定范围内(田间持
水量和萎蔫系数之间)时,土壤湿度对土壤呼吸速率
没有显著影响[ 2] ,土壤含水量不是土壤呼吸的主要
限制因子;只有当土壤含水量接近田间持水量或萎
表 3 苜蓿地土壤呼吸季动态与土壤温度、土壤湿度以及太阳辐射的关系及相关性方程
T able 3 Soil temperature, soil moistur e, solar r adiat ion, seasonal dynamics of soil r espir ation and co rr elation equat ion
土壤深度
Soil depth
P
相关系数
R 2
相关性方程
C or relat ion equation
土壤温度 Soil tem perature, 5 cm 0. 413 0. 164 y= 10. 612e- 0.0394x
10 cm 0. 873 0. 002 y= 4. 7505e- 0.0042x
20 cm 0. 928 0. 009 y= 5. 1794e- 0.0091x
土壤湿度 RH , % 5 cm 0. 001 0. 784 y= 2. 7466e4. 3739x
10 cm 0. 001 0. 781 y= 2. 5212e4. 1673x
20 cm 0. 000 0. 867 y= 2. 3261e4. 7736x
太阳辐射 Solar radiat ion, J M - 2 0. 265 0. 174 y= 0. 0006x+ 0. 8173
蔫系数时,土壤温度和土壤水分才共同起作用 [ 18]。
本研究中试验地属于半干旱地区,当土壤水分特别
低时,微生物的呼吸和根系呼吸受到限制,所以土壤
呼吸速率特别低。此时, 土壤水分是主要限制因子。
当土壤水分达到 14%以上时, 土壤温度成为主要限
制因子。
3. 3 苜蓿地土壤呼吸季动态与土壤温度、土壤湿度
和太阳辐射的关系
本研究中,苜蓿地土壤呼吸季动态与土壤温度
无相关性( P> 0. 05) , 而与土壤湿度呈极显著相关
关系( P< 0. 01) ,这是因为本地区属于半干旱地区,
而土壤水分不仅影响根系呼吸和微生物呼吸,同时
还影响 CO 2在土壤中的传输,尤其在土壤水分成为
436
第 3期 庞莹莹等:苜蓿草地土壤呼吸及其对环境响应的研究
胁迫因子时, 可能取代温度成为主要控制因子 [ 19]。
而且土壤呼吸速率在一定范围内随土壤湿度的增大
而增加,在接近田间持水量的一定范围内时, 土壤呼
吸量最高,在接近饱和或永久萎蔫含水量时, 土壤呼
吸作用停滞[ 20] 。大气辐射在一定程度上也影响土
壤呼吸,但本研究中差异无显著相关性,说明在河北
农牧交错带地区太阳辐射不是苜蓿土壤呼吸速率的
主要影响因子。另外, 土壤质地、土壤 C/ N、土壤有
机质、风速、降水等非生物因素,生物量、凋落物、叶
面积指数等生物因子以及人类活动等多种因素均会
对土壤呼吸速率有所影响 [ 8] , 因此分析土壤呼吸的
动态变化时,需要尽量多的考虑这些因子的单个或
综合作用。
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(责任编辑 刘云霞)
草地学报稿件格式要求
1.摘要中必须包括目的、材料、方法、结果以及结论共 5 个部分。中英文摘要尽量压缩在 300 字以内。
2.摘要中第一次出现的物种名称必须给出拉丁文。拉丁文书写格式要求科(含科)以上是正体,属、种是斜体, 命名
人是正体。如: 甜高粱( S orghum saccharatum Moench)是禾本科( G ramineae)植物。
3.英文标题中的每个实词头字母大写。作者姓名的英文格式要求为, 三个字的: L I Meijuan, 两个字的: L I Ping, 复
姓的: OUYANG Huijing。
4.中英文关键词均要用分号隔开, 英文关键词每个词组的第一个单词头字母大写; 多位作者之间要用逗号隔开。
5.基金项目出现多个时用分号隔开即可。
6.作者简介中要包括出生年, 性别,民族(汉族可以省略) , 籍贯(到市一级) ,学历, 职位,研究方向/从事内容, 邮箱。
7.文章中单位格式使用负次幂, 例如: g kg- 1 , 粒 m- 2等。
8.文章中数字和单位之间要保留一定的空隙, 例如 2 cm, 5 g 等, 但%和 除外。
9.显著性检验值 P要求大写并且斜体, 即: P < 0. 05, 或 P< 0. 01.
10. 图横纵坐标以及图注要给出英文或拉丁文对照;表中内容(除大段文字描述外)要给出英文对照或拉丁文对照。
11.文章中年代、年份、月份、时段等直接用 - 连接, 如 70- 80 年代, 2000- 2005年 , 8- 12 月, 7: 20- 9: 20 等; 数值
范围之间要用 ~ 来连接, 如 20~ 30 g, 10~ 20 cm 等。
12. 参考文献只列出与本文有关的近期主要文献,未公开发表的不能引用。文献采用顺序编码制著录, 文中按其出
现先后顺序用阿拉伯数字连续排序, 视具体情况将序号作为上角标, 或作为语句的组成部分。如: 李刚[ 1~ 3] 做了大量
; 按文献[ 8]提供的。文后则按其在文中的序号顺序排列。专著[ M ] ;期刊[ J] ;论文集[ C] ; 报纸 [ N ] ; 学位
论文[ D] ; 专利[ P] ;标准[ S]。
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