大气CO2体积分数升高环境温度与土壤水分对农田土壤呼吸的影响

生态环境2008,17(3):[e-mail]基金项目：国家973项目(CCDMCTE-2002CB412502)；国家自然科学基金重点基金项目(40231003；40110817)；河南科技大学博士基金(09001266)；省基金(BK2006252)作者简介：寇太记（1975－），男，讲师，博士研究生，主要从事土壤化学与环境保护及碳氮循环研究。E-mail:[e-mail]*通讯作者收稿日期：2007-12-26大气CO2体积分数升高环境温度与土壤水分对农田土壤呼吸的影响寇太记1,2,朱建国2*,谢祖彬2,刘钢2,曾青21.河南科技大学农学院，河南洛阳471003；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008摘要：植物-土壤生态系统土壤呼吸与温度、水分环境因子的关系对评价目前大气CO2浓度持续升高背景下陆地生态系统土壤碳库的变化趋势具有重要意义。依托FACE（freeaircarbondioxideenrichment）技术平台，利用阻断根法，采用LI-6400红外气体分析仪(IRGA)-田间原位测定的方法，研究了大气CO2体积分数升高对稻(OryzasativaL.)/麦(TriticumaestivumL.)轮作制中麦田的土壤呼吸、基础土壤呼吸和呼吸主要影响因子，分析了大气CO2体积分数升高后温度与水分对土壤呼吸的影响。结果表明，在整个测定期间，土壤呼吸与基础土壤呼吸速率呈明显的季节变化，与气温和土壤温度季节变化趋势基本一致，呼吸速率与温度具有显著的相关性，是影响土壤呼吸的控制性因素；呼吸速率与土壤含水量无显著的相关性，土壤水分是研究区麦田土壤CO2排放的非限制性因素，且温度与土壤含水量间的交互效应对土壤呼吸的影响不显著。基础土壤呼吸比作物下的土壤呼吸更易受温度影响，土壤温度比气温能更好地解释土壤CO2排放的季节性变化。而CO2体积分数增加降低了温度与呼吸速率间的相关系数和Q10，表明温度对土壤CO2排放的影响程度下降。但高CO2体积分数环境中植物-土壤生态系统的土壤呼吸对温度增加敏感性的降低，有利于减缓土壤碳分解损失的速度。结果有助于评价未来高CO2体积分数气候变暖背景下植物-土壤系统下的农田生态系统土壤碳的固定潜力。关键词：CO2浓度升高；土壤呼吸；基础土壤呼吸；温度；土壤水分；农田中图分类号：S161；X171文献标识码：A文章编号：1672-2175（2008）03-0950-07目前大气中CO2等温室气体浓度持续增加对陆地生态系统的影响令社会各界关注[1]。土壤呼吸作为表征土壤中异养微生物和植物根系进行生命活动的标志[2]，既是全球碳循环的一个重要组成部分[3]，也是土壤碳库的主要输出途径和大气CO2重要的源[4]。尽管国内外已开展了开放式环境中CO2体积分数升高对农田生态系统土壤呼吸的研究[5-9],但在植物-土壤系统中，土壤呼吸受植物类型、植物生长状况、植物生长阶段控制[10]，土壤呼吸直接或间接地受两大环境因子--温度和水分的控制[11]。目前水热因子对于不同时间尺度土壤呼吸影响的机理及其模型研究较少，是限制当前准确评估碳收支的重要因素之一。随着大气CO2体积分数升高，水热等环境因子对土壤呼吸控制程度的研究偏少，尤其农田生态系统几乎没有报道。估测土壤中CO2的释放量，确定其与环境因子和人类活动的关系，既对估算生物学过程在生态系统碳收支中的作用非常关键[2]，又对评测陆地生态系统在全球碳循环中的功能和地位也有着极其重要的意义。农田生态系统是受人为影响最大的陆地生态系统，稻(OryzasativaL.)-麦(TriticumaestivumL.)轮作是我国重要的水旱轮作农田生态系统，研究高CO2体积分数下稻-麦农田的土壤呼吸及主要影响因素，对于了解未来气候条件下环境因子对中国农田系统土壤呼吸的影响和确定农田系统的源、汇功能有重要意义。本研究依托中国FACE(Free-AirCO2Enrichment)稻-麦轮作平台，连续两季在冬小麦作物全生育期对比研究了不同CO2体积分数环境下的土壤呼吸和水热因子，探讨高CO2体积分数下水热条件对土壤呼吸的控制程度变化，为进一步探讨不同时间尺度环境因子对土壤呼吸作用的效应和建立更完善的土壤呼吸作用模型，为预测未来大气环境条件下，农田土壤呼吸在农田生态系统碳收支中的作用提供参数，为碳循环的可能变化提供科学依据。1材料与方法1.1研究区概况中国FACE试验平台位于江苏省江都市马凌良种场(119o42'0E,32o35'5)。平台运行系统已有详述[12]。年均降水量980mm左右，年均蒸发量1100mm，年平均温度14.9℃，年日照时间2100h，年寇太记等：大气CO2体积分数升高环境温度与土壤水分对农田土壤呼吸的影响951无霜期220d。土壤类型为下位砂姜土(中国土壤分类)；耕作方式为水稻-冬小麦轮作。供试土壤理化性质为：含有机碳18.4g·kg-1，全N1.45g·kg-1，全P0.63g·kg-1，全K14.0g·kg-1，速效P10.1mg·kg-1，速效K70.5mg·kg-1，砂粒(2~0.02mm)578.4g·kg-1，粉粒(0.02~0.002mm)285.1g·kg-1，粘粒(0.002mm)136.5g·kg-1，容重1.16g·cm-3，pH7.2。1.2田间试验设计1.2.1处理设置试验采用裂区设计，CO2体积分数为主处理，N肥水平为副处理。CO2体积分数分FACE(570µl·L-1)和Ambient(370µl·L-1)，氮肥分HN(225kg·hm-2)和LN(112.5kg·hm-2)，共FACE-HN(FHN)，FACE-LN(FLN)，Ambient-HN(AHN)，Ambient-LN(ALN)4个处理，3次重复，磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)施用量各75kg·hm-2，氮肥为尿素，磷、钾肥为复混肥(15-15-15)。其中氮肥分3次施用，分别在播种前、拔节、孕穗期按(5∶1∶4)的比例施用，磷钾肥一次性在播种前施入。每个圈每个处理内随机选择长期固定监测点各3个，测定总土壤呼吸和基础土壤呼吸，共计各36个点位。1.2.2测定点位布置在刚播种小麦的田间，分别在FHN,FLN,AHN和ALN处理中，把用PVC材料制成的塑料环(高4cm，内直径12.0cm)垂直压入作物行间土中3cm，露出地面1cm(不影响根系在土壤中的生长和穿透)，用来测定土壤呼吸；同时用不锈钢制成的上下开口圆环(高20cm、内直径12.0cm)，紧贴塑料环垂直砸入土中，露出地表1cm，因根系很难透过距土表约15cm的犁底层，钢环内土壤不受根系干扰，用来测定基础土壤呼吸，该方法见文献[13]。1.2.3测定时间与测定方法冬小麦(扬麦-14)于每年11月中旬播种，于次年6月上旬收割，行距20cm，225万株·hm-2。从小麦播种后第3天开始测定至小麦收割，其中在拔节-灌浆期间，每5d测1次，其它时间每10d测1次(降雨顺延)。2004—2005季(04—05)和2005—2006季(05—06)各测了22次和27次。土壤呼吸和基础土壤呼吸用便携式红外气体分析仪(LI6400-09,LI-COR,Inc.)田间原位测定,具体测定见文献[7,8,14]。测定时用直接与仪器相连的温度探针测定土壤10cm处的土温,同时测定环外土壤含水量(MPM-160Bmoistureprobemeter)。1.3数据收集与分析(1)呼吸速率和10cm处的土温由LI6400-09土壤红外气体分析仪直接输出。(2)土壤呼吸与温度关系函数拟合、Q10的计算:①土壤呼吸与温度用指数模型拟合[4,15,16]y=aekTy是土壤呼吸速率(µmol·m-2·s-1)，Q10为温度效应系数，a是0℃时的呼吸速率，k是温度反应系数，T是气温或土壤温度(℃)；②温度每增加10℃时土壤呼吸速率增加的倍数Q10用下式计算：Q10=aek(T+10)/aekT=e10kk是温度反应系数，数值源于式①。(3)土壤水分含量计算WFPS=(1-ρb/ρS)×100%WFPS为土壤最大含水量(%)，ρb为土壤容重(1.16g·cm-3)，ρs为土壤密度(2.65g·cm-3)。f=θ/WPFSf为土壤含水量占土壤最大含水量的比例，θ为土壤含水量(%)，WPFS为土壤最大含水量(%)。数据通过SPSS11.5统计软件，土壤呼吸与温度和土壤水分之间的关系采用Univariate、LSD方法进行统计分析。2结果与分析2.1土壤呼吸与温度、土壤水分的季节变化连续两季冬小麦生长期间，土壤呼吸速率季节变化的总体趋势是播种后到越冬期，呼吸速率呈下降趋势，从返青期至孕穗抽穗期呼吸速率增加，此后至成熟期均呈下降趋势；基础土壤呼吸速率季节变化的总体趋势在小麦孕穗抽穗期前与土壤呼吸速率一致，此后仍呈增加趋势至小麦成熟收割。土壤呼吸速率除冬小麦生长后期外与对应的气温和土温的动态变化大体一致，基础土壤呼吸速率与温度的动态变化趋向一致，二者均与对应的水分动态变化不一致(图1)。所有处理全生长季日均土壤呼吸速率在04—05季为0.73~5.93µmol·m-2·s-1，05—06季为0.55~5.37µmol·m-2·s-1；日均基础土壤呼吸速率在04—05季为0.27~4.43µmol·m-2·s-1，05—06季为0.45~4.54µmol·m-2·s-1；04—05季土壤呼吸和基础土壤呼吸的季节动态随温度和水分的变化呈明显的单峰特征曲线，05—06季在生长后期表现为不规律的多峰波动曲线。连续两季FHN的土壤呼吸最大值分别为5.93、5.37µmol·m-2·s-1，FLN为4.99、5.18µmol·m-2·s-1，AHN为5.26、5.07µmol·m-2·s-1，ALN为4.91、4.43µmol·m-2·s-1；均出现在小麦出苗后150d左右，大约在4月下旬，此时气温与10cm深土温均未达到最大(实验期间最高值出现在6月初)。各处理最低值均在越冬期，此时气温与土温均达到最低点，但土壤水分在全实验期间相对较高，在3月中旬达到最大水分含量。952生态环境第17卷第3期（2008年5月）2.2温度和土壤水分因素与土壤呼吸的相关性通常水热因子是影响土壤呼吸作用的重要因素[4,17]。在忽略CO2体积分数或施氮水平差异后，基于04—05季的88组和05—06季的108组土壤、基础土壤呼吸速率与气温、土温和土壤水分数据，就土壤呼吸作用与环境因子的单因子关系做了皮尔逊相关分析列于表1。分析表明，两连续小麦生长季麦田基础土壤呼吸、土壤呼吸与单一环境因子的相关性表现出相似的趋势。气温和10cm深土温同土壤呼吸速率均呈极显著相关，而土壤水分与基础土壤、土壤呼吸速率均未达到显著相关水平；依据相关分析知，环境因子对土壤呼吸的影响程度由大到小依次为：土温，气温，土壤水分，表明在冬小麦生长季土壤温度与大气温度对土壤呼吸作用的影响程度最大；针对气温、土温和土壤水分三因素进行主成分统计分析发现，两季中均只有温度因素是影响呼吸速率的主要因素，04—05季温度能解释呼吸速率变异的88%和05—06季为92%，土壤水分因素解释呼吸速率变化的程度较小，可能与全生长季中土壤水分的波动不大或不足以因水分的波动而引起土壤呼吸急剧变化。从较长时间尺度内，空气温度与土壤温度在一定范围内的变化趋势一致，前者的变化会引起后者相应变化，且后者具有滞后性、变化幅度与频率均远低于前者。两季研究中，土温与基础土壤呼吸或土壤呼吸的相关程度均最大，土温的季节变化能解释基础土壤呼吸或土壤呼吸的季节变化趋势的80%以上。这主要是由于土壤温度直接影响植物根系和微生物的活性，调控土壤呼吸和基础土壤呼吸，成为土壤呼吸的主要制约因子。2.3温度对土壤呼吸的影响连续两季实验期间，尽管气温和10cm深土温具有类似变化趋势，但变幅有差异。04—05季气温、