华北平原典型冬小麦农田土壤呼吸日内变化规律
张权1, 杨大文1, 雷慧闽1, 薄宏波2, 蔡建峰2
1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084
2. 位山灌区管理处, 聊城 252000
通信作者: 杨大文, 教授, E-mail:yangdw@mail.tsinghua.edu.cn

作者简介: 张权(1985—), 男(汉), 吉林, 博士研究生。

摘要

为掌握华北平原麦田总土壤呼吸、异养呼吸和自养呼吸的日内变化规律及其控制因素,该文于2011年4月—6月开展了土壤呼吸实验,采用根系排除法,测得总土壤呼吸及其2个分量异养呼吸和自养呼吸。结果表明: 总土壤呼吸和异养呼吸呈现单峰变化规律,峰值出现在午后14:00附近,自养呼吸无明显日内变化特征。自养呼吸对总土壤呼吸的贡献率在日时间尺度上变化较小,但不同生育期的量值有微小差异。相关关系分析结果表明: 异养呼吸与空气温度具有很好相关性,好于与土壤温度的相关性,异养呼吸与空气相对湿度具有较好的负相关性。自养呼吸主要受光合作用速率控制,但在时间上滞后于光合作用速率。因此控制该地区麦田土壤呼吸日内变化的主要因素为空气温度、空气湿度和光合作用速率。

关键词: 华北平原; 冬小麦; 土壤呼吸; 异养呼吸; 自养呼吸
中图分类号:P593 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2015)01-0033-06
On the diel characteristics of soil respiration in winter wheat croplands in the North China Plain
Quan ZHANG1, Dawen YANG1, Huimin LEI1, Hongbo BO2, Jianfeng CAI2
1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Management Office of the Weishan Irrigation District, Liaocheng 252000, China
Abstract

Soil respiration in a typical wheat cropland was measured from April to June, 2011 to understand the diel variations of the total soil respiration, heterotrophic respiration, autotrophic respiration, and their corresponding controlling factors in wheat croplands in the North China Plain. The root exclusion method was used to measure total soil respiration, heterotrophic respiration and autotrophic respiration. The results showed that the total soil respiration and the heterotrophic respiration both had single peaks at around 14:00, while the autotrophic respiration did not have apparent diel characteristics. The ratio of autotrophic respiration to the total soil respiration varied little throughout the day but varied some during different growth stages. The heterotrophic respiration was more closely related to the air temperature than to the soil temperature. In addition, the heterotrophic respiration was negatively correlated to the relative humidity. The autotrophic respiration was dependent on the gross primary production with a time lag. In summary, the diel variations of soil respiration in a field were mainly dependent on the air temperature, relative humidity and photosynthesis rate.

Keyword: North China Plain; winter wheat; soil respiration; heterotrophic respiration; autotrophic respiration

土壤呼吸,作为土壤向大气释放二氧化碳( CO2)的结果,其量值在陆地生态系统与大气间碳交换中仅次于光合作用。总土壤呼吸(R S)一般分为异养呼吸(R H)和自养呼吸(R A)这2个部分[1]。其中,异养呼吸是土壤微生物新陈代谢释放的 CO2, 自养呼吸是土壤根系释放的 CO2。大气 CO2浓度升高被认为是全球气候变化的直接原因[2]。作为全球碳循环重要环节的土壤呼吸,也因此得到科学界的广泛关注[3]。其中,农业生态系统受人为因素影响较大[4], 因此其土壤呼吸也得到了广泛关注[5,6]。如何通过田间管理等来减少农田生态系统的碳排放,是科学界广泛思考的问题,而其前提则需要掌握农业生态系统土壤呼吸规律及其控制因素。

华北平原是中国主要的小麦产区,其碳收支对于区域碳循环来说至关重要。因此,已有很多关于华北平原冬小麦农田土壤呼吸特点的研究[7,8]。但已有的研究较少关注总土壤呼吸及其分量在日内变化的特征,为此,本研究于2011年4月—6月在华北平原典型小麦农业生态系统开展土壤呼吸实验,并测量该地的总土壤呼吸、异养呼吸和自养呼吸的日内变化过程并分析其变化规律和控制因素。

1 实验设计与分析方法

实验地点选在山东省位山生态水文实验站(N36°39’, E116°03’), 该实验站位于位山引黄灌区[9]。该地区属于亚洲季风区,多年(1984—2007年)平均降水为532mm, 多年(1984—2007年)平均气温为+13.3℃, 主要土壤类型为粉壤土,含32%砂粒和10%粘粒。表层5cm土壤的凋萎系数、田间持水率和饱和含水率分别为10%、 33%和45%。2011年的观测表明,表层20cm土壤内有机碳质量比(SOC)为11.32g/kg, 有机氮质量比(按其中氮元素的质量计算)为1.16g/kg。

为将总土壤呼吸区分为异养呼吸和自养呼吸,本文采用简单易行的根系排除法[10]。其基本原理是: 设计对比实验,分别观测有根处理和无根处理的土壤呼吸(见图1)。有根处理的土壤呼吸为总土壤呼吸,无根处理的土壤呼吸为异养呼吸,二者之差为自养呼吸,即植物根系释放的CO2。实验具体实施方案如下: 于小麦播种前,在田内随机选取一块 4m×4m的范围,该范围内不播种,作为控制组(测量异养呼吸,图1a), 在选定范围中心安装土壤呼吸测量用的聚氯乙烯PVC扣环(内径10cm, 长 12cm), PVC扣环插入土内9cm, 其上沿高出地面3cm; 同时在附近的播种区内选择对照组(测量总土壤呼吸,图1b), 对照组的聚氯乙烯PVC安装于小麦两垄之间,安装深度与控制组相同。因为控制组无小麦枝株,因此为使得控制组样方具有与对照组样方相似的光照条件,采用遮光网对控制组进行遮荫处理。为降低空间变异性对实验产生的误差,本研究控制组和对照组各取3个重复,每个重复测量3次。测量土壤呼吸所用仪器为便携式土壤呼吸测量系统LI-8100(LI-COR Inc., Lincoln, USA), 该系统属动态气室法[3]

其他测量包括采用涡度相关系统测量净生态系统交换量(NEE), 并通过分解得到生态系统总生产量(GPP)和生态系统呼吸量(ER)[11], 其中GPP代表光合作用固定碳的总量。此外,采用标准气象站观测空气温湿度,采用2个土壤剖面分别观测5cm、 10cm、 20cm处的土壤温度[7]。2个剖面数据取平均作为测量值。以上测量项目均为自动连续测量,测量的时间步长均为30min。

本文选取小麦典型生育期开展实验,分别为拔节期(4月4日与4月9日), 抽穗期(5月1日), 开花期(5月13日), 灌浆期(5月23日)和成熟期(6月1日)。为使实验具有代表性,本研究所选6个测量日天气均为晴朗。每个测量日内,土壤呼吸的测量时间间隔为1h或2h。

2 实验结果
2.1 总土壤呼吸、异养呼吸和自养呼吸日变化规律

所选取的6个测量日内,总土壤呼吸基本呈现单峰变化特征(图2a), 峰值出现在午后14:00附近,与已有的研究13:00相近[7]。随着小麦生育期从拔节期到抽穗期,总土壤呼吸的峰值逐渐增大,在抽穗期达到季节最大,为8.0μmol/(m2·s)。此后的开花期、灌浆期和成熟期,总土壤呼吸的日内变化特征差异较小,峰值均在6.0μmol/(m2·s)附近。异养呼吸日内变化与总土壤呼吸相似,基本呈现单峰变化特征(图3b), 最大值同样出现在午后的 14:00 附近。自养呼吸不具有显著的日内变化规律(图4c), 其变化没有显著的单峰特性,这与总土壤呼吸和异养呼吸不同,但每日的最大值也出现在午后14:00附近。土壤呼吸日平均值参见表1

图2 6个测量日内总土壤呼吸变化过程

图3 6个测量日内异养呼吸变化过程

图4 6个测量日内自养呼吸变化过程

表1 土壤呼吸日平均值(μmol·m-2·s-1)

自养呼吸对总土壤呼吸的贡献率是描述土壤呼吸来源的重要参数。图5表明,除4月9日自养呼吸贡献率浮动较大外,其他测量日的自养呼吸贡献率在日内基本保持不变,但不同生育期自养呼吸的日内贡献率量值有微小差异。6个测量日的自养呼吸平均贡献率为34%、 38%、 42%、 33%、 29%和28%, 在抽穗期达到峰值。

图5 6个测量日内自养呼吸贡献率变化过程

2.2 土壤呼吸日变化的控制因素

异养呼吸的决定因素是土壤微生物的新陈代谢速率,因此温度是控制异养呼吸的主要因素。本研究首先分析温度对土壤呼吸的影响。采用通用的van’t Hoff模型[12], 即 RH= aexp( bT), 其中 a b为拟合参数, T为温度。选用的温度包括空气温度( Tair)以及5cm、 10cm和20cm处土壤温度 Ts5 Ts10 Ts20相关关系拟合确定性系数( R2)见表2

表2 van’t Hoff模型拟合确定性系数( R2)

结果表明,异养呼吸与空气温度的相关关系较好,好于其与各层土壤温度相关性。4月4日的异养呼吸与温度相关性普遍较差,可能是当日测量存在较大误差。异养呼吸与空气相对湿度 rh存在较好的负相关关系[13], 见图6

图6 6个测量日内异养呼吸与空气湿度相关关系

自养呼吸来源于植物根系的新陈代谢,因此源于光合作用提供的有机质,故很多研究表明自养呼吸与光合作用存在较好的正相关关系[14,15]。但光合作用积累的有机质运输到植物根系需要一定时间,同时植物根系释放的碳到达地表也需要一定时间,因此自养呼吸通常滞后于光合作用速率[14]

本研究通过相关关系分析发现,在6个测量日内,自养呼吸分别与其1h、 2h、 3h、 4.5h、 4h和 2h 前的GPP有最好的相关性,其对应的相关关系见图7, 因此可以认为土壤呼吸分别滞后GPP相应的时间。进一步表明滞后时间受作物高度影响,这与先前的研究结果一致[16]。因此从拔节期到开花期,滞后时间逐渐升高。开花期后该滞后时间下降可能受实验误差以及相关关系分析不确定性的影响。在日内尺度上,自养呼吸与空气温度、土壤温度和相对湿度均无显著相关性(数据未列出)。

图7 6个测量日内自养呼吸与GPP相关关系

3 结论

本文通过在华北平原典型麦田内开展的土壤呼吸实验,探讨了华北平原麦田土壤呼吸日内变化规律。研究结果表明: 冬小麦田间总土壤呼吸与异养呼吸日内呈现单峰变化特性,其峰值均出现在午后14:00附近,自养呼吸变化规律不甚明显。从季节变化来看,总土壤呼吸、异养呼吸和自养呼吸的最大值均出现在小麦抽穗期,表明土壤呼吸与作物物候具有紧密联系。自养呼吸对总土壤呼吸的贡献率在日内比较稳定,无明显的变化趋势,但在不同生育期量值有微小差别。日内尺度上,空气温度和相对湿度是控制异养呼吸的主要因素,光合作用是控制自养呼吸的主要因素,但土壤呼吸滞后于光合作用速率。因此,综合异养呼吸和自养呼吸的控制因素,控制该地区麦田土壤呼吸日内变化的主要因素为空气温度、空气湿度和光合作用。本研究为模拟华北平原典型小麦农田土壤呼吸提供必要的知识储备。

The authors have declared that no competing interests exist.

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