龔振平，王雪松，宋秋來，李中韜，朱　捷（.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱　50030；.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱　50086）

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不同有機(jī)質(zhì)含量土壤CO2排放季節(jié)變化規(guī)律及差異研究

龔振平1，王雪松1，宋秋來2，李中韜1，朱捷1
（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱150086）

摘要：為探究不同耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量條件下土壤CO2排放通量變化特征與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系,設(shè)計耕層土壤6個不同有機(jī)質(zhì)含量處理。通過對土壤CO2排放定位連續(xù)觀測，研究耕層土壤不同有機(jī)質(zhì)含量條件下土壤CO2排放季節(jié)變化規(guī)律，分析土壤CO2排放與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系。結(jié)果表明，土壤CO2通量呈單峰曲線季節(jié)變化，與地溫和氣溫變化一致；一次方程、二次方程和指數(shù)方程均可模擬土壤CO2通量與地溫和氣溫關(guān)系，指數(shù)方程擬合效果優(yōu)于一次方程和二次方程。土壤CO2排放最大通量、平均通量、排放總量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)呈單峰曲線變化關(guān)系，二次方程擬合效果良好；當(dāng)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為64.50、54.32、59.80 g·kg(-1)時，土壤CO2排放最大通量、土壤CO2排放平均通量、土壤CO2排放總量達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：CO2通量；耕層土壤；有機(jī)質(zhì)含量；溫度；季節(jié)變化

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤呼吸的主要碳源，不僅為微生物活動提供能量，對土壤性質(zhì)和土壤CO2排放也有重要影響[1-3]。Bazzaz等認(rèn)為，微生物種群和土壤呼吸強(qiáng)度受土壤中易分解有機(jī)質(zhì)影響，當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量、根系生物量、微生物活性增加時，土壤呼吸速度顯著增加[4]。Sikora等也指出土壤CO2排放與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)[1]。耿遠(yuǎn)波等研究表明，錫林河流域草原CO2排放通量與有機(jī)碳含量、C/N呈正相關(guān)[5]。李明峰等發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子相對穩(wěn)定情況下，土壤有機(jī)碳和全氮含量直接或間接決定草原生態(tài)系統(tǒng)CO2排放通量[6]。Wang等發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)分解在種植季對土壤CO2排放產(chǎn)生20%～50%作用，在非種植季產(chǎn)生近100%影響[7]。但Russell等認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤呼吸影響較小[8]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力基礎(chǔ)[9]，在評價土壤碳排放、土壤碳平衡等方面均需考慮土壤CO2排放與土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系，但鮮有研究報道。本試驗通過對耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量不同的農(nóng)田土壤CO2排放連續(xù)觀測，分析土壤CO2排放季節(jié)變化規(guī)律以及與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系，為農(nóng)田土壤碳排放及碳平衡研究提供參考。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2012～2014年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地進(jìn)行。其中2012年為預(yù)備試驗，2013、2014兩年連續(xù)觀測。該基地屬寒溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，無霜期140 d，≥10℃積溫2 700℃。2013年、2014年取樣期間降雨量分別為632和516 mm，各月分布情況見圖1。

1.2試驗設(shè)計

通過耕層土壤、底土和草炭土混合配成6個有機(jī)質(zhì)水平供試土壤，玉米種植1年后開始試驗取樣。6個土壤有機(jī)質(zhì)含量處理分別記為S1、S2、S3、 S4、S5、S6。其中S1、S2、S3處理土壤來自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地玉米田底土層土壤和耕層土壤，S4、S5、S6處理土壤來自玉米田耕層土壤和草炭土混合配成。土壤基礎(chǔ)肥力見表1。

圖1　試驗期間月降雨量Fig.1 Monthly rainfall during experiment

表1　供試土壤基礎(chǔ)肥力Table 1　 Soil basic fertility　(g·kg-1)

氣體取樣采用小區(qū)試驗，小區(qū)于2011年秋季挖去30 cm耕層土壤，然后填入各處理相對應(yīng)有機(jī)質(zhì)含量土壤，每個小區(qū)面積為2.6 m×1.5 m，小區(qū)間修筑有高于田面7～10 cm、寬15 cm、深40 cm磚墻隔開，種植4壟，壟矩65 cm，每個處理3次重復(fù)。

2013、2014年均種植玉米，品種為東農(nóng)253。施肥量為：尿素（N：46%）100 kg·hm-2，磷酸氫二銨（N：18%，P2O5：46%）150 kg·hm- 2，硫酸鉀（K2O：30%）150 kg·hm-2；密度：5萬株·hm-2。2013年5月2日播種，2014年4月30日播種。耕作方法：人工收獲后，秋季人工翻耕，耙平越冬，春季播種，苗期人工壟溝深松。

線路標(biāo)高由東向西快速由約580 m抬升至3 000 m左右，在跨越少量構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)后，進(jìn)入山體風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈，不良地質(zhì)體密集分布的高山峽谷構(gòu)造剝蝕中高山地貌區(qū)。區(qū)內(nèi)崩塌的發(fā)生是由其所處的特殊地質(zhì)環(huán)境決定的，是內(nèi)、外兩種地質(zhì)條件下的多因素共同作用的結(jié)果。

1.3取樣方法

靜態(tài)箱法采集CO2[10]，試驗采樣箱為有機(jī)玻璃箱（見圖2），箱體長40 cm、寬30 cm、高50 cm，箱體一側(cè)距頂部30 cm處設(shè)置三通閥采氣孔，用于連通三通閥便于收集氣體。采樣箱內(nèi)置風(fēng)扇，混勻箱內(nèi)氣體。兩壟作物間放入采樣用不銹鋼底座，底座插入土壤5 cm，底座周圍土壤插入30 cm深塑料擋板圍起，防止作物根系進(jìn)入，以排除根系呼吸干擾，取樣期間底座及插入擋板不再移動。底座上有水封槽，采樣時凹槽灌水，以隔絕室內(nèi)外氣體交換。每次采樣時將采樣箱置于底座，即開始取樣，第一次取氣記為0 min，30 min后再采集1次氣體樣品，兩次采集氣體用玻璃注射器轉(zhuǎn)移到鋁箔采樣袋中。CO2濃度應(yīng)用GXH-3010E1便攜式紅外線分析儀分析。

圖2　CO2采樣箱Fig.2 CO2sampling chamber

CO2氣體樣品采集從4月11日開始，至11月11日結(jié)束，7～8 d采集1次氣體樣品，取樣時間為每天8:30～10:00。CO2采集同時測量5、10、15、20 cm土層土壤溫度及距地面1 m處氣溫。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007和SPSS19.0數(shù)據(jù)處理分析、作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤CO2排放通量季節(jié)變化

由圖3可知，供試耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量不同的6個處理，土壤CO2排放通量均表現(xiàn)春季到夏季升高，夏季維持較高水平，秋季開始降低的單峰曲線變化。2013年各處理CO2排放通量峰值，S2出現(xiàn)在7月27日，S3、S6出現(xiàn)在8月3日，而S1、S4、S5均出現(xiàn)在8月10日；2014年各處理CO2排放通量峰值，S1和S3出現(xiàn)在6月21日，S5出現(xiàn)在6月30日，S2、S4、S6均出現(xiàn)在7月7日。土壤CO2排放通量峰值出現(xiàn)在溫度較高的7、8月份，兩年試驗變化趨勢一致。

供試的6個處理，土壤CO2排放通量與5、10、15、20 cm土層土壤溫度及氣溫變化趨勢一致，一次方程、二次方程和指數(shù)方程均擬合程度良好（見表2）。由決定系數(shù)R2可知，土壤CO2排放通量與各土層溫度及氣溫擬合均表現(xiàn)為指數(shù)方程優(yōu)于一次方程和二次方程，指數(shù)方程應(yīng)能更好說明土壤CO2排放通量和土壤溫度及氣溫之間關(guān)系。但值得一提的是，10 cm土層的S3，15 cm土層的S1、S3，20 cm土層的S1、S2、S3，指數(shù)方差R2小于二次方程R2，耕層土壤有機(jī)質(zhì)較低時二次方程模擬結(jié)果良好。指數(shù)方程下，各溫度決定系數(shù)平均值表現(xiàn)為20 cm>15 cm>10 cm>氣溫>5 cm。

2.2耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤CO2排放影響

土壤CO2排放最大通量和平均通量隨耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈單峰曲線變化趨勢（見圖4）。土壤CO2排放最大通量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量可用二次方程擬合，P<0.05，R2為0.872，擬合程度良好。方程為：y=-0.052x2+6.708x+242.222，求導(dǎo)得出當(dāng)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為64.50 g·kg-1時，土壤CO2排放最大通量達(dá)最大值。土壤CO2排放平均通量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量也可用二次方程擬合，P< 0.05，R2為0.912，擬合程度良好。方程為：y=-0.033x2+3.585x+90.701，求導(dǎo)得出當(dāng)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為54.32 g·kg-1時，土壤CO2排放平均通量達(dá)最大值。

由圖2可知，供試6個處理，土壤CO2排放通量與取樣時間用二次方程擬合效果良好，方程見表3。由表2方程積分可知試驗期間土壤CO2排放總量（見圖5），土壤CO2排放總量隨耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈單峰曲線變化趨勢。土壤CO2排放總量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量同樣可用二次方程擬合，P< 0.05，R2為0.937，擬合程度良好。方程為：y= -1.348x2+161.209x+5 089.316，求導(dǎo)得出當(dāng)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為59.80 g·kg-1時，土壤CO2排放總量最大。

圖3　土壤CO2排放通量季節(jié)變化Fig.3 Seasonal viriation of soil CO2emission flux

表2　土壤CO2排放通量與溫度方程擬合Table 2 Soil CO2flux and temperature equation fitting

續(xù)表

圖4　土壤CO2排放通量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系Fig.4 Relationship between soil CO2emission and topsoil organic matter content

表3　土壤CO2排放通量與取樣時間回歸方程Table 3 Soil CO2flux and sampling time equation fitting

圖5　土壤CO2排放總量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系Fig.5 Relationship between soil CO2total emissions andtopsoil organic matter content

3　討　論

3.1土壤CO2排放季節(jié)變化

宋秋來等通過對東北黑土區(qū)旱作農(nóng)田土壤CO2排放定位連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤CO2排放通量隨季節(jié)呈單峰曲線變化，地溫季節(jié)變化與土壤CO2排放通量季節(jié)變化規(guī)律一致[10]。孟凡喬等研究華北高產(chǎn)農(nóng)田不同耕作方式下土壤呼吸發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤呼吸量有明顯季節(jié)變化規(guī)律，且其變化趨勢與地溫變化一致[11]。葉功富等研究不同林齡木麻黃人工林土壤呼吸，得出土壤呼吸速率季節(jié)變化呈單峰曲線變化規(guī)律[12]。本試驗供試6個處理，土壤CO2排放通量均是呈春季到夏季升高，夏季維持較高水平，秋季開始降低的單峰曲線變化，與前人研究結(jié)論一致。對于排放峰值時間，葉功富等認(rèn)為峰值出現(xiàn)在6、7月[12]，宋秋來等[10]、孟凡喬等[11]認(rèn)為峰值出現(xiàn)在7月，嚴(yán)俊霞等認(rèn)為夏玉米農(nóng)田土壤呼吸速率盛夏秋初較高，最大值出現(xiàn)在8月[13]。本試驗結(jié)果顯示峰值主要出現(xiàn)在7、8月?？梢娕欧欧逯抵饕霈F(xiàn)在一年中溫度較高的月份，但由于各地區(qū)不同地理條件差異，具體時間不同。

3.2溫度對土壤CO2排放影響

溫度是影響土壤呼吸的主要因子[14-15]，主要通過影響微生物、根生物量及根際活動，對土壤CO2排放產(chǎn)生作用，二者間具有明顯相關(guān)關(guān)系[16-17]。本試驗中土壤CO2排放通量與溫度作回歸分析，一次方程、二次方程和指數(shù)方程均可較好模擬二者關(guān)系，但指數(shù)方程決定系數(shù)（R2）明顯高于一次方程和二次方程，與宋秋來等[10]、張宇等[18]結(jié)論一致，指數(shù)方程能更好表達(dá)農(nóng)田土壤（土體）CO2排放與土壤溫度關(guān)系。對于不同土層溫度與土壤CO2通量指數(shù)方程擬合結(jié)果比較，研究結(jié)果不一致。張宇等試驗表明，指數(shù)方程相應(yīng)R2表現(xiàn)為翻耕條件下土壤CO2排放通量10 cm地溫模擬優(yōu)于5 cm和20 cm模擬值；旋耕、免耕條件下土壤CO2排放通量20 cm土層地溫模擬優(yōu)于5 cm和10 cm模擬值[18]；金亮等研究發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸速率與氣溫、5 cm和10 cm土溫3個指標(biāo)均有較好指數(shù)關(guān)系，5 cm土溫擬合度最好[19]。本試驗中，土壤CO2排放通量與溫度擬合方程，指數(shù)方程優(yōu)于一次方程和二次方程，但也存在10 cm土層的S3，15 cm土層的S1、S3，20 cm土層的S1、S2、S3，指數(shù)方差R2小于二次方程R2。土壤CO2排放通量與溫度擬合指數(shù)方程R2各處理平均值大小順序為：20 cm土層>15 cm土層>10 cm土層>氣溫> 5 cm土層，20 cm土層土壤溫度能更好解釋農(nóng)田土壤CO2排放，與較深土層溫度穩(wěn)定不易受外界環(huán)境影響有關(guān)，5 cm土壤溫度波動性最大、擬合度最差。

3.3土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤CO2排放影響

土壤活性有機(jī)碳是微生物生長的速效基質(zhì)，含量直接影響土壤微生物活性[20]，約80%土壤呼吸來源于活性組分分解[21]，溶解性有機(jī)碳、微生物量碳與土壤呼吸相關(guān)[22-23]，研究發(fā)現(xiàn)土壤溶解性有機(jī)碳與CO2排放動態(tài)無顯著相關(guān)關(guān)系[24]。農(nóng)業(yè)土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳6%～36%[25]。

本試驗中，土壤CO2排放通量和總量隨耕層土壤有機(jī)質(zhì)升高呈單峰曲線變化，二次方程擬合效果良好。CO2排放最大通量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量擬合方程為Ymax=-0.052x2+6.708x+242.222，當(dāng)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為64.50 g·kg-1時土壤CO2排放最大通量最大。CO2排放平均通量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量擬合方程為Yave=-0.033x2+3.585x+ 90.701，當(dāng)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為54.32 g·kg-1時土壤CO2排放平均通量最大。CO2排放總量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量擬合方程為Ysum=-1.348x2+ 161.209x+5 089.316，當(dāng)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為59.80 g·kg-1時土壤CO2排放總量最大。結(jié)合試驗結(jié)果，低有機(jī)質(zhì)下隨有機(jī)質(zhì)含量升高，土壤CO2排放總量升高，與秦越等研究結(jié)果一致[24]。但土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定水平時，本試驗情況下土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)59.80 g·kg-1時，土壤CO2排放總量有降低趨勢。

4　結(jié)論

a.供試耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量不同的6個處理，土壤CO2排放通量具有明顯季節(jié)變化趨勢，具體表現(xiàn)為春季到夏季升高，夏季維持較高水平，秋季降低單峰曲線變化。

b.氣溫和地溫與土壤CO2排放通量顯著相關(guān)，一次方程、二次方程和指數(shù)方程均可擬合，指數(shù)方程擬合效果最好。20 cm深度地溫可更好解釋土壤CO2排放通量變化。

c.土壤CO2排放通量和試驗期間排放總量與耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)含量較低時，隨土壤有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤CO2排放通量和排放總量明顯增加，當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量分別達(dá)到64.50、54.32、59.80 g·kg-1時，土壤CO2排放最大通量、平均通量、排放總量達(dá)最大值，而后不再隨土壤有機(jī)質(zhì)含量增加而增加。

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Study on seasonal variation of soil carbon dioxide emissions under different contents of soil organic matter

GONG Zhenping1,WANG Xuesong1,SONG Qiulai2,LI Zhongtao1,ZHU Jie1(1.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.Institute of Crop Tillage and Cultivation,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China)

Abstract:In order to explore the variation of soil carbon dioxide fluxes under the condition of different topsoil organic matter and the relationship between soil carbon dioxide emissions and the content of soil organic matter,six levels of organic matter treatments was designed.The law of soil carbon dioxide emissions' seasonal viriation and the effects of the topsoil organic matter content were explored by investigating the soil carbon dioxide emissions with different level of topsoil organic matter,and continually monitoring at fixed sample plots,and then the relationship among soil carbon dioxide emissions and the topsoil organic matter content was analysed.The results showed that soil carbon dioxide emission flux had obvious seasonal,showing a single peak curve.It was same as ground temperature and air temperature's seasonal variation.Linear equation,quadratic equation and exponential equation could simulate the relationship between soil carbon dioxide flux and temperature.The exponential equation was better than the linear equation and quadratic equation.The relation ofbook=32,ebook=37topsoil organic matter content to soil carbon dioxide emission maximum flux,soil carbon dioxide emission average flux,soil carbon dioxide total emissions were expressed in a single curve,and quadratic equation fit with good results.Soil carbon dioxide emission maximum flux,soil carbon dioxide average flux,soil carbon dioxide total emissions reached the maximum with topsoil organic matter content of 64.50,54.32 and 59.80 g·kg(-1),respectively.

Key words:soil carbon dioxide flux; topsoil; organic matter content; temperature; seasonal viriation

作者簡介：龔振平（1966-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為作物生理與保護(hù)性耕作。E-mail:gzpyx2004@163.com

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2015BAD23B05）

收稿日期：2015-07-27

中圖分類號：X196

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）03-0031-07