全 文 ：第20卷 第4期
Vol.20 No.4
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2012年 7月
Jul. 2012
刈割耙除对草地土壤呼吸的影响
袁 飞1,赵 敏1,戎郁萍1*,白可喻2,3*
(1.中国农业大学动物科技学院,北京 100193;2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081;
3.国际生物多样性中心东亚办事处,北京 100081)
摘要:以中国北方退化天然草地为研究对象,测定草地刈割耙除处理后土壤温度、含水量和土壤呼吸,探讨土壤温
度、含水量和土壤呼吸的变化规律及对刈割耙除的响应,并利用根空斑/根排除法测定了草地根空斑呼吸,为草地
的恢复实践提供理论基础。结果表明:刈割耙除处理后草地生长季节土壤温度升高,处理组地表、地下5cm、地下
10cm、地下15cm和地下20cm平均温度达到21.39,18.55,18.29,17.94和17.44℃,高于对照组的19.85,
17.20,16.95,16.59和16.43℃,其中地表及地下15cm温度显著高于对照样地(P<0.05)。刈割耙除后草地土壤
含水量降低,处理组土壤0~10cm,10~20cm和20~30cm含水量分别达到7.33%,8.15%和8.56%,显著低于
对照样地的10.33%,10.74%和12.22%(P<0.05)。刈割耙除使8月中下旬草地土壤呼吸显著降低(P<0.05),
但对生长季其余时间的土壤呼吸无显著影响。对根空斑呼吸的研究表明,试验地土壤中根呼吸和微生物呼吸之比
为1∶3。因此,刈割耙除处理能够提高草地土壤温度,降低土壤含水量,但对7月和9月草地土壤呼吸无影响。
关键词:刈割耙除;土壤温度;土壤含水量;土壤呼吸
中图分类号:S154.4 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2012)04-0637-06
EffectofRakingonGrasslandSoilRespiration
YUANFei1,ZHAOMin1,RONGYu-ping1*,BAIKe-yu2,3*
(1.ColegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;
2.InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;
3.BiodiversityInternationalEastAsiaOffice,Beijing100081,China)
Abstract:Changesofsoiltemperature,moistureandrespirationunderrakingmanagementwereinvestiga-
tedinordertoknowhowgrasslandmanagementimpactgrasslandecosystem.Resultswereasfolows:
comparedtoCK,thesoiltemperaturesofrakingmanagementin0,5,10,15and20cmdepthwerein-
creasedandwerehigherthanthatofCK,respectively.Specificaly,thesoiltemperaturesofrakingman-
agementin0cmand15cmdepthissignificantlyhigherthanthatofCK(P<0.05).ComparedtoCK,ra-
kingmanagementdecreased0~10cm,10~20cmand20~30cmlayersoilmoistureinto7.33%,8.15%
and8.56% whichweresignificantlowerthanthatofCK(P<0.05),respectively.Thesoilrespirationof
rakingmanagementinmidandlateAugustwassignificantlowerthanthatofCK,buttherewerenosignif-
icantdifferencesfortheremaininggrowthseason.Thestudyofrootlessgaprespirationshowedthatthe
rateofrootrespirationandmicroberespirationwas1∶3.Rakingcouldincreasegrasslandsoiltempera-
ture,decreasesoilmoisture,butnotsignificantlyaffectsoilrespirationinJulyandSeptember.
Keywords:Raking;Soiltemperature;Soilmoisture;Soilrespiration
草原火烧是草地管理的重要手段之一,O’Neil
等[1]、Richter等[2]和Amiro等[3]在研究火烧后草原
土壤温度的变化时发现,火烧后地表颜色变深,同时
植被、腐殖质层、有机层被部分去除,减少了由于蒸
散损失的能量,这些变化使得火烧草地土壤温度高
于未火烧区域。但是一些学者认为火烧对草地的管
理也存在着一些不利影响:Giovanniniet等[4]和Felipe
等[5]的研究发现火烧后草地土壤中的大团聚体含量
明显减少,而大团聚体的破坏使土壤中的有机碳大
量释放,并在生态过程中丧失,导致土壤呼吸的增
收稿日期:2011-11-30;修回日期:2012-05-28
基金项目:公益性行业(农业)科研专项(200903060)(201003019)资助
作者简介:袁飞(1985-),男,甘肃武威人,硕士研究生,主要从事草地管理研究,E-mail:yuanfei@cau.edu.cn;*通信作者 Authorforcor-
respondence,E-mail:rongyuping@cau.edu.cn
草 地 学 报 第20卷
强,降低土壤碳贮量;Colins[6]等和 Whelan[7]发现
火烧过程中,剧烈的高温会使一些对高温敏感的种
子失去活性,同时也会烧死一些植物的幼苗和正在
发芽的植物;另外火烧后土壤温度增加,促进了喜温
的C4 植物的生长,但对一些非禾本科的草本植物具
有一定的抑制作用,会影响群落的多样性。
由于上述不利影响的存在,刈割耙除作为火烧
处理的替代方法,近年来被国内外学者广泛研究。
Tester[8]、Foster等[9]和 Thompson[10]认为刈割耙
除与火烧一样,可以去除地表死去的生物体,增加地
表的温度,减少遮荫并促进植物生长;通过调整合适
的留茬高度,可以不破坏群落的多样性。Daniel
等[11]研究发现,刈割耙除处理过的草地植物的种子
萌发和建植与火烧处理没有明显差异,且草地植物
群落中的C4 植物、C3 植物、非禾本科草本植物、豆
科植物等的种类和数量与不处理的对照样地相比均
没有明显差异。
本研究以中国北方退化典型草原为研究对象,测
定刈割耙除处理后草地土壤温度、含水量和土壤呼
吸,探讨土壤温度、含水量和土壤呼吸的变化规律及
对刈割耙除的响应,为草地恢复实践提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
研究区域位于河北省张家口市塞北管理区的天
然草原(N41°45′~41°57′,E115°39′~115°51′,海
拔1400m)。年均气温1.4℃,≥10℃的年积温
1513.1℃,无霜期100d左右,年均降雨量297mm,
主要集中在7-9月,年均风速4.3m·s-1,年均大
风日数49d,年日照时数2930.9h,土壤以栗钙土、草
甸土为主。试验区土壤为暗栗钙土(pH7.7)。
试验区植被是典型草原,以羊草(Leymuschinen-
sis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、二裂委陵菜(Potentilla
bifurca)建群,伴生有鹅绒委陵菜(Potentillasericea)、
菊叶委陵菜(Potentillatanacetifolia)、火绒草(Leon-
topodiumleontopodiodes)、茵陈蒿(Artemisiacapillar-
ies)、艾蒿(Artemisiaviridissima)、叉枝蓼(Polygonum
tortuosum)﹑扁蓿豆(Medicagoruthenica)和华北岩黄
芪(Hedysarumgmelini)。草地植被盖度70%~
80%,高度30cm。
1.2 试验设计
刈割处理于2007-2008年春季连续2年刈割。
2009年返青前对刈割样地都进行耙除处理。刈割
使用甩绳式割草机来回刈割2次,留茬高度控制在
5cm;耙除时使用齿距4cm的耙子从4个方向各单
向耙除1次。刈割耙除处理重复4次,并设4个完
全不处理的围封草地为对照,总计8个小区。刈割
耙除样地和对照样地完全随机排列,所有小区均采
用12m×12m正方形设计,以减小边际效应。
1.3 测定方法
1.3.1 土壤呼吸速率测定 采用基于红外动态分析
法的Licor-8100土壤呼吸自动测量系统观测土壤呼
吸速率。每小区内固定3个直径20cm,高3cm的土
壤呼吸室。于测量日当天上午9:00-11:00和下午
14:00-16:00观测各样点的土壤呼吸速率,2次重
复,取平均观测值作为该日的土壤呼吸速率。
土壤呼吸从2009年7月1日开始每10d测定
1次,于8月31日结束。9月初进行土壤呼吸的全
天日动态监测。5月初在对照小区内设置根空斑样
地,将直径1m,深30cm的草地土壤挖出,筛去所
有植物和根系然后回填入原位置,并安装土壤呼吸
室,重复3次。9月14日对刈割耙除、对照和根空
斑样地进行土壤呼吸测定。
1.3.2 土壤温度测定 采用曲管地温计测定土壤
5,10,15和20cm温度,最高温度计和最低温度计
测定地表最高和最低温度。在土壤中挖一个长40
cm,宽25~30cm的坑,坑的长边大致由东向西,坑
的北面垂直,南面倾斜。沿坑的北壁逐渐加深,使其
与地面成一定的距离(5,10,15,20cm),并且将温度
计的球部嵌入坑中。温度计与地表成45°角,读数
时按着从5cm到20cm的顺序。于每天温度最低
和最高的07:00和14:00进行测定。将最低最高温
度表的球部放到地表,方向为由东向西,测定时间从
6月份开始。
1.3.3 土壤含水量的测定 每次测定土壤呼吸的
同时,用土钻法在测定小区内进行蛇形取样,深度为
0~30cm,用铝盒烘干法测定土壤含水量。
1.4 数据分析
用SPSS17.0进行单因子方差分析(one-way
ANOVA)检验刈割耙除对土壤温度、含水量和土壤
呼吸影响的显著性,多重比较采用LSD法。
2 结果与分析
2.1 刈割耙除对土壤温度的影响
由表1可知,土壤不同深度的温度变化规律相
836
第4期 袁飞等:刈割耙除对草地土壤呼吸的影响
似,刈割耙除处理和对照组地表温度都高于地下各
层的温度,同一处理土壤不同深度的温度由大到小
依次为:地表土壤温度、5cm、10cm、15cm和20cm
土层温度。与对照样地相比,刈割耙除样地土壤温
度相对较高,其中地表温度和15cm土层温度显著
高于对照样地对应深度的土壤温度(P<0.05),但
其余各层土壤温度之间没有显著差异。刈割耙除能
够提高土壤各层温度。
表1 不同处理下土壤平均温度(n=20)
Table1 Averagesoiltemperature
indifferenttreatments(n=20) ℃
处理
Treatments
刈割样地
Raking
对照样地
CK
土壤深度
Soildepth/cm
0 21.39±3.98b 19.85±3.85a
5 18.55±2.55ab 17.20±2.54a
10 18.29±2.32ab 16.95±2.28a
15 17.94±2.12b 16.59±2.12a
20 17.44±2.13ab 16.43±1.98a
注:同一行中肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同
Note:Differentsmallettersinthesamerowindicatesignificant
differenceatthe0.05level,thesameasbelow
2.2 刈割耙除对土壤含水量的影响
如图1和图2所示,土壤不同深度含水量的变
化趋势基本一致,均随降水量变化而变化,7月下旬
和8月上旬是生长季土壤含水量的高峰期,8月中
旬以后土壤水分逐步下降,到8月中下旬降至生长
季最低值然后缓慢升高。不同处理间,0~10cm土
壤含水量的最大值出现在7月27日,刈割耙除和对
照处理土壤含水量分别为13.96%和15.95%,不同
处理间差异显著(P<0.05);10~20cm土壤含水量
最大值出现在8月4日,刈割耙除和对照处理土壤
含水量依次为12.56%和16.63%;20~30cm土壤
含水量依次为12.52%和17.74%。随土壤深度的
增加,土壤含水量随季节的波动幅度越来越小,并且
不同处理间的差异越来越小。不同处理之间,即刈
割样地土壤含水量随季节波动的幅度比对照样地要
大;在生长季中期,刈割样地土壤水分增长较快,生
长季末期土壤水分下降也较快,这与刈割样地地表
植被盖度低,土壤裸露较多有关。相同处理中,随土
壤深度的增加,土壤含水量升高,但是差异不显著。
与对照处理相比,刈割耙除降低了土壤各层含
水量(表2),刈割样地各深度含水量均低于对照样
地,但只有20~30cm土层含水量(8.56%)与对照
样地(12.22%)的差异达到显著水平(P<0.05)。
图1 生长季降水分布
Fig.1 Precipitationingrowingseason
2.3 刈割耙除对土壤呼吸的影响
2.3.1 土壤呼吸季节动态 生长季节观测期内,
土壤呼吸整体呈现先增强再减弱的变化规律(图
3)。7月初呼吸强度较低,7月中旬开始呼吸强度
大幅提高,直到8月上旬土壤呼吸强度达到最高
峰,然后逐渐下降,在8月底回到7月初的水平。
监测期内土壤呼吸最旺盛的时期是8月上旬,所
有处理平均呼吸强度达到5.07μmol·m-2·s-1,
土壤呼吸强度最低的时期是7月上旬,所有处理平
均为1.36μmol·m-2·s-1。
土壤呼吸整体呈现先增强后减弱的变化规律,
是由于土壤温度和土壤水分在7月底达到整个生长
季的最高水平,而土壤呼吸和土壤温度、水分成正相
关关系,因此这一时期土壤呼吸大幅增加。7月下
旬和8月上旬是试验地区生长季中温度和水分条件
最好的时期,此时是草地植物生长的旺盛期,也是草
地微生物的活跃期,土壤呼吸在这个时期也达到生
长季中最大值。从8月中旬开始当地气温受降水的
影响开始下降,降水能增强土壤呼吸但低温却减少
了植物根系和微生物的活动,因此土壤呼吸开始缓
慢下降,到8月底每次降水都会大幅降低气温和地
表温度,此时土壤呼吸出现大幅下降。
2.3.2 土壤呼吸的日动态 9月上旬连续5d没有
降水时分别对刈割样地和对照样地进行了9:00—
17:00的土壤呼吸日动态监测。
如图4所示,刈割样地土壤呼吸从上午9:00开
始减弱,至11:00到达白天呼吸值的最低点1.52
μmol·m-2·s-1,之后呼吸强度开始增强,直至下
午15:00-16:00时达到白天呼吸值的最高点1.87
μmol·m-2·s-1,之后呼吸强度开始迅速下降。对
照样地土壤呼吸从上午9:00开始减弱,到11:00到
达白天呼吸值的最低点1.36μmol·m-2·s-1,之
后呼吸强度增强,中午13:00时达到白天呼吸值的
936
草 地 学 报 第20卷
图2 不同深度土层含水量
Fig.2 Soilmoistureindifferentsoildepth
注:A:0~10cm土层,B:10~20cm土层,C:20~30cm土层
Note:A:soildepthat0~10cm,B:10~20cm,C:20~30cm
表2 刈割耙除对土壤含水量的影响(n=9)
Table2 Averagesoilmoistureof
rakingtreatmentandCK(n=9) %
处理
Treatments
刈割样地
Raking
对照样地
CK
土壤深度
Soildepth/cm
0~10 7.33±3.57ab 10.33±3.35b
10~20 8.15±2.9ab 10.74±3.69b
20~30 8.56±2.5a 12.22±3.48b
图3 不同处理土壤呼吸速率的变化
Fig.3 Soilrespirationratesofdifferenttreatments
最高点1.78μmol·m-2·s-1,之后呼吸强度开始
缓慢下降。
刈割样地土壤呼吸在上午10:00-11:00比上
午9:00时稍低,可能是清晨草地中的湿度比上午略
大,而草地呼吸主要的影响因素之一是土壤湿度,下
午才达到一天呼吸的最高值是因为下午地温是一天
中最高的时段。对照样地土壤呼吸从上午9:00开
始下降到11:00时达到白天呼吸值的最低点,这与
刈割处理表现相同;11:00以后呼吸强度上升,中午
13:00达到白天呼吸值的最高点,可能是因为天然草
地由于地表盖度高,草层高度在20cm以上,导致气
温对地温的影响减弱,中午13:00地温达到了一天
的最高值。
2.3.3 刈割耙除对土壤呼吸速率的影响 如表3
所示,7月上旬和中旬,刈割样地土壤呼吸速率分别
为1.29和1.28μmol·m-2·s-1,对照样地土壤呼
吸速率分别为1.04和1.13μmol·m-2·s-1,尽管
前者在数值上较后者为高,但差异并不显著。7月
下旬到8月上旬,刈割样地和对照样地土壤呼吸都
大幅增加,刈割样地土壤呼吸速率最高达到5.08
μmol·m-2·s-1;对照样地最高达到5.16μmol·m-2·s-1,
但两者土壤呼吸强度间的差异并不显著。
8月中旬,刈割耙除样地和对照样地土壤呼吸
均开始迅速下降,但刈割耙除样地较对照样地下降
为快,两者分别下降至2.75和4.21μmol·m-2·s-1,
刈割耙除样地土壤呼吸速率显著低于对照样地
(P<0.05)。8月下旬,土壤呼吸仍呈现下降趋势,
但刈割耙除样地土壤呼吸速度下降速度放缓,下降
046
第4期 袁飞等:刈割耙除对草地土壤呼吸的影响
幅度小于对照样地,两者分别达到1.09和1.72
μmol·m-2·s-1,但刈割耙除样地土壤呼吸速率仍显
著低于对照样地(P<0.05)。9月上旬,刈割耙除样地
土壤呼吸速率略有上升达到1.64μmol·m-2·s-1,
而对照样地则较8月下旬仍呈降低趋势,降至1.57
μmol·m-2·s-1,但两者呼吸速率间差异不显著。
图4 土壤呼吸速率的日动态
Fig.4 Dailydynamicsofsoilrespirationrate
表3 刈割耙除对土壤呼吸速率的影响(n=6)
Table3 SoilrespirationofrakingtreatmentandCK(n=6)
处理
Treatments
土壤呼吸强度Soilrespiration/μmol·m-2·s-1
7-1 7-13 7-23 8-4 8-11 8-24 9-10
刈割耙除样地 Raking 1.29±0.2a 1.04±0.21a 3.92±0.34a 5.08±0.41a 2.75±0.2a 1.09±0.15a 1.64±0.17a
对照样地CK 1.28±0.07a 1.13±0.13a 3.71±0.53a 5.16±0.22a 4.21±0.51b 1.72±0.34b 1.57±0.16a
2.3.4 根空斑土壤呼吸速率 9月14日对刈割耙
除样地、对照样地和根空斑样地进行土壤呼吸测定,
呼吸速率由大到小依次为对照样地、刈割样地和根
空斑地。其中刈割样地土壤呼吸速率为 1.41
μmol·m-2·s-1,对照样地为1.58μmol·m-2·s-1;
而根空斑地呼吸速率1.19μmol·m-2·s-1,显著
低于刈割样地和对照样地(P<0.05);但刈割耙除
样地和对照样地间没有显著差异。根空斑不含有植
物根系,没有大粒径团聚体,因此测得的碳通量仅是
土壤微生物的呼吸量。从表4中可以得出根空斑呼
吸大约只有一般天然草地呼吸的75%。可以估算试
验地土壤中根呼吸和微生物呼吸比值约为1∶3。
表4 根空斑的土壤呼吸速率(n=6)
Table4 Soilrespirationofrootlessgap(n=6)
处理
Treatments
土壤呼吸强度
Soilrespiration/μmol·m-2·s-1
刈割样地 Raking 1.41±0.2b
对照样地CK 1.58±0.17b
根空斑 Rootgap 1.19±0.09a
3 讨论
3.1 土壤温度对刈割耙除的响应
刈割利用会对草地温度产生直接或间接的影
响,温度的变化又会对土壤微生物呼吸产生影响,进
而影响草地土壤呼吸。O’Neil 等[1]在研究火烧对
土壤温度的影响时,发现火烧草地土壤温度明显高
于未火烧区域,其认为对草地进行火烧后,草地表面
大量生物质以及腐殖质层被烧掉,使土壤大面积裸
露,地表颜色变深,由植被冠层带来的遮荫效果被移
除,使得表层土壤得到更多的能量是火烧地土壤温
度升高的原因。本研究中,采用刈割耙除措施,草地
表面大量生物物质以及部分腐殖质在耙除过程中被
带走,同时由于刈割,植被根冠层带来的遮蔽效果也
被移除,其结果与火烧处理相似,因此能够使处理后
的土壤温度有所提高。但同火烧对土壤温度的提高
相比,刈割耙除对土壤温度的提高幅度不大,可能是
刈割耙除虽然去除了地表的大量枯黄生物质,使植
物地表盖度降低,但对腐殖质层的影响程度较火烧
要小,且并未使地表颜色有显著变化,最终使得土壤
吸收的能量远没有火烧处理吸收的多,因此刈割耙
除温度升高幅度较小。
3.2 土壤含水量对刈割耙除的响应
土壤含水量影响着植物根和土壤微生物的生理
过程,水分胁迫会导致植物代谢减慢以及微生物休
眠,Bowden认为含水量过低会直接导致土壤呼吸
146
草 地 学 报 第20卷
受到限制[12],尤其对于干旱土壤,土壤含水量对土
壤呼吸强度的影响更为显著[13]。本研究中7月中
旬土壤呼吸迅速增加,认为与土壤含水量及温度的
升高相关。刈割耙除导致土壤含水量下降,也是导
致7月下旬和8月上旬生长旺盛期刈割耙除样地土
壤呼吸相对对照样地提升不显著的重要原因。
3.3 土壤呼吸对刈割耙除的响应
刈割耙除样地土壤呼吸速率的变化规律明显不
同于对照样地,这说明刈割耙除对草地土壤呼吸速
率产生了影响[14]。本研究中刈割耙除后的土壤呼
吸速率虽有提高,但与对照间的差异并未达到显著
水平,这与Gordon等[15]的研究结果不同。分析认
为可能是刈割耙除导致土壤含水量降低,微生物活
动减弱,CO2 释放量相应减少,进而影响了土壤的
呼吸速率。
3.4 根呼吸与土壤呼吸的关系
根呼吸是土壤呼吸的重要组成部分,一般认为
根呼吸占土壤碳通量的50%左右。然而,从10%~
90%不等[16],由于草地植物根生物量相对较小,草
地生态系统根呼吸比一般比例要偏低一些。本研究
采用根空斑/根排除法测得根呼吸占对照样地土壤
呼吸的25%,Cocking[17]用埋在地下的塑料桶种植
松树,研究结果表明根呼吸对土壤呼吸的贡献率为
54%~78%。Thierron等[18]认为根空斑的制作中
土壤结构、土壤温度和土壤湿度的改变会对根空斑
法测定根呼吸比例造成影响,导致根呼吸比例比真
实值结果偏大。
4 结论
刈割耙除处理能够提高草地土壤温度,降低土壤
含水量,显著降低10~20cm土层含水量,但刈割耙
除处理对7月和9月草地土壤呼吸无显著影响。
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(责任编辑 李美娟)
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