不同土地利用方式下的土壤CO2排放研究

1、    不同土地利用方式下的土壤co2排放研究    陳麗明摘 要：利用li-8100測定福州市大學(xué)城周邊地區(qū)不同土地利用方式下的土壤co2通量，同時(shí)測定其土壤理化性質(zhì)，利用spss 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：不同土地利用方式下，土壤co2的排放量存在差異，土壤呼吸的日差較小，不同土地利用方式中土壤呼吸速率的均值大小為：草坪（7.696mol·m-2·s-1）>苗圃（4.419mol·m-2·s-1）>甘蔗園（3.842mol·m-2·s-1）>果園（3.185

2、mol·m-2·s-1）；草坪的呼吸速率與其他三者的差異較大，說明不同的土地利用方式對土壤呼吸速率有較大的影響；影響土壤呼吸的主要因子因土地利用方式的不同而有所差異。關(guān)鍵詞：土地利用方式；土壤co2排放；福州市大學(xué)城s154.1 a 1007-7731（2014）22-34-04當(dāng)前，全球氣候變暖及其帶來的影響已經(jīng)成為科學(xué)界和公眾關(guān)注的熱點(diǎn)問題，嚴(yán)重威脅著全球生態(tài)系統(tǒng)和人類自身的生存與發(fā)展。全球陸地以有機(jī)質(zhì)形態(tài)貯存于土壤中的碳約有1.5×109g，約是全球大氣碳庫的2倍和陸地植被總碳貯量的3倍1-3。土壤自養(yǎng)微生物同化co2的速率一般遠(yuǎn)低于土壤排放co2的速率，土

3、壤co2通量表現(xiàn)為土壤向大氣釋放co2的過程，這一過程主要是土壤微生物氧化有機(jī)物和根系呼吸產(chǎn)生，另有極少一部分來自土壤動(dòng)物的呼吸和化學(xué)氧化4。通過土壤呼吸作用向大氣釋放的co2量約（68±4）×1015gc/a5，約占全球co2交換量的25%6-7，因此，土壤呼吸作用的微小變化將可能引起大氣co2濃度的明顯改變，進(jìn)而進(jìn)一步影響全球氣候的變化。其中土地利用變化引起的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)變對于全球碳循環(huán)有重要作用8，而土地利用方式是影響土壤co2排放的重要因素之一，根據(jù)houghton的估算9，全世界在1850-2000年間，由于土地利用變化而導(dǎo)致的co2釋放總量約為156 pg

4、（以c計(jì)算，1pg=1 015g）。從全球范圍來看，對土壤呼吸的研究雖然已經(jīng)涉及到農(nóng)田、草原、森林、濕地、凍原等生態(tài)系統(tǒng)5，7，10-12，目前土壤co2排放方面的研究，大多都是對特定植被類型覆蓋下的土壤（例如，森林、草地、沼澤濕地）單獨(dú)進(jìn)行研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)土壤co2排放速率與土壤溫度、土壤水分、微生物的分解、植物生理活動(dòng)等條件密切相關(guān)11，13-15。對同一地區(qū)不同土地利用方式下的co2排放也有少量的進(jìn)行對比研究，周志田10等對亞熱帶紅壤丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤co2排放規(guī)律初探，楊智杰16等對中亞熱帶山區(qū)不同土地利用方式土壤呼吸的日動(dòng)態(tài)變化，研究都表明土壤溫度、水分與co2排放速率存在著

5、密切的關(guān)系10，13。隨著城市化進(jìn)程在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，城市作為區(qū)域系統(tǒng)的核心，其土地利用方式對整個(gè)區(qū)域有著導(dǎo)向性作用，土地利用方式的改變必將改變土壤co2排放速率17。不同的土地利用方式改變了植被覆蓋和土壤性質(zhì)，將影響土壤呼吸作用的強(qiáng)度，是目前碳預(yù)算不確定性的一個(gè)重要原因1。而在城市化進(jìn)程的背景下研究土壤呼吸變化的相對較少，因此，研究城市土壤變化及其與環(huán)境的影響關(guān)系，保證城市的可持續(xù)發(fā)展，就顯得十分重要。為此，本研究選取福州市大學(xué)城地區(qū)典型的旱地（甘蔗園）、草坪、果園、苗圃，測定其土壤co2排放量及相應(yīng)的土壤理化性質(zhì)，借助spss軟件，對比分析不同土地利用方式下土壤co2排放量，探討各因子

6、對土壤呼吸速率的影響，旨在為相關(guān)決策部門，特別是環(huán)境部門和國土部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1 研究區(qū)概況和研究方法1.1 研究區(qū)概況 試驗(yàn)地位于福州市閩侯縣的福州大學(xué)城周邊地區(qū)。閩侯縣介于北緯25°4726°37，東經(jīng)118°51119°25，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，年降水量1 2002 100mm，年平均氣溫19.5，日照充足，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 959h18。閩侯土壤分為6個(gè)土類、17個(gè)亞類、37個(gè)土屬、45個(gè)土種。全縣紅壤面積9.61萬hm2，是占全縣土地面積最大、分布最廣的土壤18。在大學(xué)城周邊地區(qū)，選擇4種不同的土地利用方式，分別為

7、旱地（甘蔗園）、草坪、果園、苗圃進(jìn)行研究。旱地主要是種植食用甘蔗即竹蔗（saccharum sinense），草坪地主要種植馬尼拉草坪（zoysia matrella），果園主要種植龍眼（dimocarpus longan lour），苗圃主要栽培鵝掌柴（schefflera octophylla）、紅花繼木（loropetalum chinense）、紅背桂花（excoecaria cochinchinensis lour）等。土壤采樣時(shí)間為2009年7月份，土壤樣品自然風(fēng)干，過2mm篩。采樣點(diǎn)的基本信息及其土壤的理化性質(zhì)見表1。表1 采樣點(diǎn)的基本信息及其土壤理化性質(zhì)采樣點(diǎn)&地理位置

8、&ph&不同土層深度下的有機(jī)質(zhì)含量（%） & 不同粒徑下的機(jī)械組成（%） &020cm&2040cm&0.010.05mm&0.010.005mm&0.0050.001mm&<0.001mm&甘蔗園&119°1209.07"e，26°0147.22"n&6.16&1.41&1.25&21.87&7.03&10.40&12.17&草坪&119°1220.43"e，26

9、76;0155.89"n，&6.76&1.37&0.65&20.60&3.63&6.57&5.67&果園&119°1202.66"e，26°0140.02"n&4.86&2.48&1.88&18.10&9.97&10.40&15.17&苗圃&119°1251.26"e，26°0119.70"n&5.01&2.07&1.57&32.0

10、0&7.84&17.96&20.50& 1.2 研究方法1.2.1 樣地設(shè)置 通過遙感影像及實(shí)地考察，在福州大學(xué)城地區(qū)選取4種典型土地利用類型：旱地（甘蔗園）、草坪、果園、苗圃。按隨機(jī)取樣原則，于每種土地利用類型內(nèi)分別布設(shè)3個(gè)土壤呼吸測定點(diǎn)，用特定大小的pvc土壤環(huán)圈定，并將圈內(nèi)的綠色植物齊地剪除，盡可能不擾動(dòng)地表的土壤，保持土壤環(huán)在整個(gè)測定期間位置不變。土壤環(huán)全部布置完成并經(jīng)過至少24h平衡后，開始土壤呼吸測定。1.2.2 測定方法 選擇連續(xù)晴好的天氣，采用li-8100土壤碳通量測定儀19連續(xù)24h進(jìn)行測定，測定時(shí)間為3min/次，白天（08：0018：00

11、）觀測的時(shí)間間隔為2h，夜晚（18：00次日06：00）觀測的時(shí)間間隔為3h。每次觀測前進(jìn)行儀器調(diào)零校準(zhǔn)，避免零點(diǎn)漂移造成的誤差，并使各項(xiàng)讀數(shù)在自然狀態(tài)下穩(wěn)定，同時(shí)采用儀器自身配置的溫度感應(yīng)器測定5cm深處土層的溫度、水分等要素。求取各測定點(diǎn)各個(gè)時(shí)段觀測值的平均值，作為測定樣地的土壤呼吸速率。待土壤呼吸速率測定結(jié)束后，對土壤進(jìn)行分層采樣（020cm，2040cm），土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)方法測定，土壤有機(jī)質(zhì)采用丘林法測定，土壤ph值采用電位法測定。1.2.3 數(shù)據(jù)處理 在spss 17.0軟件包中對溫度、水分和空氣中co2濃度因素進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，計(jì)算各因子對土壤co2排放速率的影響程度。2

12、 結(jié)果與討論2.1 不同土地利用方式的土壤呼吸速率日變化 由圖1可知，4種不同土地利用方式的土壤呼吸速率存在差異，苗圃與果園呈現(xiàn)為單峰曲線，峰值都出現(xiàn)在14：00；甘蔗園的呈現(xiàn)為雙峰曲線，峰值出現(xiàn)在14：00和3：00；草坪土壤呼吸速率的日變化呈振蕩式變化，無明顯的峰值，最大值出現(xiàn)在14：00，最小值出現(xiàn)在3：00。從整體上看，白天的土壤呼吸速率大于夜晚的呼吸速率，這與白天溫度高于夜晚溫度較為一致；土壤呼吸速率的波動(dòng)幅度并不大，說明土壤呼吸速率的日差較小，這可能與處于夏季普遍高溫有關(guān)，所以日變化特征不明顯16。土壤呼吸速率的日差大小順序?yàn)椋好缙?gt;草坪>果園>甘蔗園；不同土地利

13、用方式中土壤呼吸速率的均值大小為：草坪（7.696mol·m-2·s-1）>苗圃（4.419mol·m-2·s-1）>甘蔗園（3.842mol·m-2·s-1）>果園（3.185mol·m-2·s-1）。草坪的呼吸速率與其他三者的差異較大，分別約是苗圃和甘蔗園的2.42倍和2倍，說明不同的土地利用方式對土壤呼吸速率有較大的影響。圖1 不同土地利用方式的土壤呼吸速率的日動(dòng)態(tài)變化2.2 土壤呼吸的影響因子分析2.2.1 土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系 建立4種土地利用方式下土壤呼吸速率與同步觀測的土壤5

14、cm處的溫度數(shù)據(jù)關(guān)系。由圖2可以看出，4種土地利用方式土壤呼吸速率與土壤溫度的峰值時(shí)間大致相同，基本上出現(xiàn)在12：0016：00。這是因?yàn)橥寥罍囟纫环矫嫱ㄟ^影響植物根系呼吸和土壤微生物活動(dòng)間接影響土壤co2排放，另一方面還直接決定著土壤有機(jī)質(zhì)的氧化分解速率9。對各個(gè)測定樣地的土壤呼吸速率日動(dòng)態(tài)變化量與溫度作相關(guān)性分析可得出：甘蔗園、草坪和果園的土壤呼吸速率與其對應(yīng)土壤溫度并沒有顯著的相關(guān)性（依次為r=0.582，p=0.078>0.05，n=10；r=0.622，p=0.055>0.05，n=10；r=0.563，p=0.09>0.05，n=10）；而苗圃的土壤呼吸速率與其土

15、壤溫度具有極高的顯著相關(guān)性（r=0.880，p=0.001<0.05，n=10）。這主要是因?yàn)椴煌耐恋乩梅绞酵寥乐脖坏牟煌斐傻挠绊?，一方面植被能通過影響土壤微生物、土壤結(jié)構(gòu)、土壤有機(jī)質(zhì)和根呼吸等而影響土壤呼吸20；另一方面植被的地上部分不同，對太陽輻射的阻擋與吸收不同，照射到地面的輻射也因此而不同，從而影響土壤溫度，進(jìn)而使其不同的土地利用方式下土壤co2排放量存在差異。可見，土壤溫度對土壤呼吸的排放速率具有較大的影響。2.2.2 土壤呼吸速率與水分的關(guān)系 土壤水分對土壤呼吸速率的影響主要是通過對植物和微生物的生理活動(dòng)、微生物的能量供應(yīng)和體內(nèi)再分配、土壤的透氣性和氣體的擴(kuò)散等調(diào)節(jié)來

16、實(shí)現(xiàn)的21。在spss 17.0軟件包中處理各測定樣地土壤呼吸速率與對應(yīng)水分的相關(guān)性分析可得出：草坪和果園的土壤呼吸速率與水分的相關(guān)性不顯著（依次為r=0.408，p=0.242，n=10；r=0.548，p=0.101，n=10）；甘蔗園和苗圃的土壤呼吸速率與水分有著顯著的相關(guān)性（依次為r=0.694，p=0.026，n=10；r=0.754，p=0.012，n=10）。土壤水分對土壤呼吸的影響比較復(fù)雜，實(shí)際上土壤濕度是與溫度共同對土壤呼吸起作用的，在一定條件下，土壤呼吸會(huì)被降水量或土壤溫度所抑制9，17，22。2.2.3 土壤呼吸速率與空氣中co2的關(guān)系 對各個(gè)測定樣地的土壤呼吸速率與其對

17、應(yīng)的土壤溫度作相關(guān)性分析得出：甘蔗園、草坪的土壤呼吸速率與空氣中co2并沒有顯著的相關(guān)性（依次為r=-0.449，p=0.192，n=10；r=-0.612，p=0.060，n=10），而果園和苗圃的土壤呼吸速率與空氣中的co2有著較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（依次為r=-0.7，p=0.024，n=10；r=-0.756，p=0.011，n=10）。大氣中的co2濃度對土壤呼吸的影響較為復(fù)雜，大氣中的co2濃度也會(huì)因時(shí)因地而有所改變。果園和苗圃的土壤呼吸速率與空氣中的co2有著較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，這一結(jié)果是否與空氣中較高的co2濃度對土壤微生物及根系呼吸產(chǎn)生抑制作用，而引起土壤呼吸速率下降有關(guān)，目前還沒有直接

18、的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來證明15。3 結(jié)論通過對福州大學(xué)城不同土地利用方式下土壤co2排放規(guī)律的研究，得出了土壤co2排放隨著時(shí)間的變化規(guī)律。不同土地利用方式下土壤co2排放存在差異，苗圃與甘蔗園呈現(xiàn)為單峰曲線；果園呈現(xiàn)為雙峰曲線；草坪土壤呼吸呈振蕩式變化，無明顯的峰值。在夏季普遍高溫時(shí)土壤呼吸的日差較小，發(fā)現(xiàn)土壤呼吸的影響因子因不同土地利用方式的不同而表現(xiàn)出的相關(guān)性也不同，這說明影響土壤呼吸的主要因子因不同的土地利用方式而有所不同，一般情況下，溫度越高，土壤co2排放的速率也就越大。4種土地利用方式的土壤co2日動(dòng)態(tài)排放速率與5cm處土壤的溫度日變化曲線總體趨勢類似，4種土地利用方式土壤呼吸速率與土壤溫

19、度的峰值時(shí)間大致相同?？傮w上影響土壤呼吸速率的最重要的因子是溫度和水分。 參考文獻(xiàn)1dixon r k，brown s，houghton r a.carbon pools and flux of global forest ecosystemsj. science，1994，262：185-190.2jenkinson d s，adams d e，wild a.model estimates of co2 emission from soil in response to global warmingj.nature，1991，351：304-306.3singh j s，gupta s r.

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