2种城市绿地土壤呼吸与温湿度关系

赵龙飞　李德生　张成芳　陈鑫童　赵亮玉

摘要：以天津市2种城市绿地国槐梨树林（GL）和国槐银杏林（GY）的土壤为研究对象，通过测定绿地生长季土壤呼吸速率，分析了土壤呼吸和土壤温度、土壤湿度之间的关系。结果表明：（1）城市绿地土壤呼吸速率的日变化多呈现单峰型，峰值于14：00—18：00出现，而在8月和10月日动态呈现非单峰型;（2）土壤呼吸速率季节动态呈现出单峰趋势，GY和GL分别在7月和8月达到土壤呼吸速率最大值，分别为2.26±0.19、2.46±0.27 μmol/（m2·s），2种城市绿地土壤呼吸均值均为2.51 μmol/（m2·s），但变幅不同;（3）城市绿地土壤呼吸速率与深度10 cm处土壤温度（T10）间的关系以二次模型拟合最好，而与深度5 cm处土壤湿度（M5）间的关系以指数模型拟合最好;（4）对土壤呼吸速率和T10、M5之间的关系进行多元线性拟合，相关系数达0.70以上，表明多元线性模型能更好地解释T10和M5对土壤呼吸的协同作用。

关键词：城市绿地;土壤呼吸;土壤温度;土壤湿度

中图分类号： S153文獻标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）19-0291-04

收稿日期：2018-07-18

基金项目：国家自然科学基金（编号：41303057）;天津市应用基础与前沿技术研究计划（编号：14JCYBJC2300）;天津市大学生创新创业训练计划（编号：201710060049）。

作者简介：赵龙飞（1993—），女，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事环境与城市生态研究。E-mail：lf_Cici@163.com。

通信作者：李德生，博士，教授，主要从事城市环境与城市生态教学及科研工作。E-mail：deshli@tjut.edu.cn。

土壤呼吸是大气CO2的主要来源和土壤碳库唯一的输出途径，是影响陆地生态碳循环和碳平衡乃至全球气候变化的一个至关重要的生物学过程[1]。城市绿地（城市中各种草地、耕地、公园绿地以及林地等）作为陆地生态系统的重要组成部分，是温室气体重要的源和汇。随着城市化面积的不断扩大，土壤碳排放越来越受到生态学家的关注[2-3]。土壤呼吸受植被类型、树种、土壤温湿度以及地形地貌等多种因素的影响[4-5]。前人对土壤呼吸的研究多集中在农业、高寒、森林等区域[5-6]，而对城市绿地生态系统进行的研究较少。因此，探明统一气候区内具有不同树种的城市绿地土壤呼吸特征及其影响因素，可为预测城市绿地生态系统土壤碳排放和不同时间尺度下城市绿地的碳源-汇功能提供有力证据，对全球气候的变化和碳平衡研究具有重要意义。

天津市城市绿化广泛使用的树种为国槐（Sophora japonica Linn.），其对城市绿地土壤碳循环具有举足轻重的作用。因此，本研究选择2种国槐的优势树种，以典型城市绿地为研究对象，利用便携式土壤碳通量全自动分析仪（ACE）测量城市绿地生态系统的土壤碳排放量及其影响因子，分析2种城市绿地环境因子与土壤呼吸的相关关系，以期为城市景观规划过程中合理布局城市绿地以及更好地探索土壤碳排放量与其影响因素间的关系提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于天津市西青区（117.132°～117.136°E、39.56°～39.64°N），该区气候为暖温带半湿润大陆性季风气候，干湿季节分明，冬、夏季长，春、秋季短，寒暑交替明显，全年平均气温为11.6 ℃，7月均温为26 ℃，全年平均无霜期为184 d，日均气温>0 ℃天数的有271 d，日均气温大于10 ℃天数的有199 d，年均降水量为584.6 mm，年内50%的降水日和75%以上的降水量集中于夏季，植物生长季为5—10月。天津市西青区总面积是545 km2，林地面积达到120.6 km2，苗圃地面积为6.9 km2，率先建设为国家级生态区，全区绿化率高达41%。2种城市绿地概况见表1。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤呼吸的测定

选择研究区面积均为20 m×40 m的国槐梨树林（GL）和国槐银杏林（GY），每个城市绿地布设3个监测点，在第1次土壤呼吸速率测定的前1 d，将钢圈（直径 30 cm，高8 cm）砸入离树干约0.5 m的土内，钢圈砸入土内 5 cm 且与土体之间无缝隙。开始试验前2 h将钢圈中植物齐根剪去，待干扰平衡后，安装便携式土壤碳通量全自动分析仪（ACE，英国ADC生物科学有限公司生产）。在2017年5—10月上旬（植物的生长初期、中期、末期）对土壤呼吸速率进行测定，土壤日呼吸速率测定时间为08：00至次日08：00，每次测定保证24 h连续监测，仪器每30 min测定1组数据，间隔 30 min 后自动监测下组数据。用于分析季节变化的数据是2种绿地当日多个时间点观测的土壤呼吸速率的平均值。

1.2.2 土壤指标的测定

在监测土壤呼吸速率的同时，利用便携式土壤碳通量自动分析仪（ACE）自身携带的温度、湿度探头测定深度为10 cm处土壤的温度（T10）和5 cm处土壤的湿度（M5）。

1.3 数据处理与分析

试验数据用Excel整理后，采用SPSS 21软件分析土壤呼吸速率与土壤温湿度的相关性，显著性差异水平设定为0.05，并用Origin 9.64进行绘图。

2 结果与分析

2.1 2种城市绿地环境因子的变化

2种城市绿地的T10生长季变化趋势基本相同，呈现出明显的单峰趋势;T10均于7月达到最高水平，之后逐渐下降（图1-A）。GL和GY的T10变化范围分别为19.9～28.5、17.2～27.5 ℃，生长季的平均T10分别为23.8、23.0 ℃，GL>GY，但两者差异不显著（图1-B）。

2种城市绿地M5生长季变化趋势差异性明显，GY的M5在5、6、10月明显比GL高，且GY的M5在5月和8月较高，呈现双峰动态趋势;而GL的M5在8月最高，之后持续下降，为单峰趋势（图2），GL、GY的M5变化范围分别为19.6%～49.4%、32.6%～51.7%，M5的均值GY>GL。

2.2 2种城市绿地土壤呼吸速率特性

2.2.1 2种城市绿地土壤呼吸速率的日变化

从图3可知，2种城市绿地土壤呼吸速率日动态变化具有明显的季节性。天津市城市绿地土壤呼吸速率日变化主要表现为：在未受干扰月份[GL（5-7月、9月）、GY（6-10月）]，土壤呼吸速率日动态均呈单峰型，且土壤呼吸速率的最小值均出现在 02：00—11：00，最大值出现在14：00—18：00;而在8、10月，GL土壤呼吸速率动态变化较为紊乱且无明显规律，但日间土壤呼吸速率明显高于夜间;在温度最低的5月，GY土壤呼吸速率在0 μmol/（m2·s）附近变化。整个生长季土壤呼吸速率日变化幅度除5月份为GL>GY外，6—10月日变化幅度均为GY>GL，且日变化幅度均表现为日间大于夜间。显著分析显示，GL和GY土壤呼吸速率日变化在5、7、9、10月差异显著（P<0.05），而在6、8月差异不显著。

2.2.2 2种城市绿地土壤呼吸速率的季节变化

2种城市绿地土壤呼吸速率季节变化呈现出单峰变化趋势（图4）。5月份，气温较低同时T10也较低，导致GL和GY植物生长缓慢且土壤中微生物活动不够活跃，因此土壤呼吸速率较低，5月GY较高的M5也导致该点土壤呼吸速率值几乎为零。6—7月，随着外界气温的逐渐升高，土壤温度也较大地提高，在此期间，绿地植物生长旺盛且微生物活跃，土壤中根系和微生物呼吸强烈，2种城市绿地土壤呼吸速率快速上升。GY土壤呼吸速率在7月达到最大值，为（2.26±0.19） μmol/（m2·s），而GL土壤呼吸速率最大值则出现于8月，为（2.46±0.27） μmol/（m2·s），9月土壤呼吸速率逐渐下降。2种城市绿地整个生长季土壤呼吸速率变化范围为0.01～2.46 μmol/（m2·s），且2种城市绿地间土壤呼吸速率的季节变化差异不明显。

2.3 土壤温湿度对土壤呼吸的影响

为了进一步探讨城市绿地土壤呼吸与土壤温度、湿度的关系，国内外的学者利用线性方程、二次方程和指数方程的模型等多种方法拟合。本研究将T10、M5和土壤呼吸速率进行模型拟合，筛选出拟合度最佳的方程，即R2最大的曲线模型。由表2可以看出，二次曲线方程对土壤呼吸速率与T10之间关系解释最好，但GL生长季土壤呼吸速率与T10之间的相关关系不显著，而GY土壤呼吸速率与T10极显著相关。指数曲线方程能更好地解释2种城市绿地土壤呼吸速率与M5之间的关系。

土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸速率均有影响，尤其是在植物生长季最为明显，为进一步探讨土壤温度和湿度对土壤呼吸速率的协同影响，对土壤呼吸速率和土壤温度、湿度之间的关系进行多元线性拟合，结果（表3）显示，多元线性曲线能更好地解释土壤呼吸与土壤温度和土壤湿度之间的关系。

2.4 2种城市绿地对土壤呼吸的影響

GL和GY生长季土壤呼吸速率具有明显的季节性变化（图4），呈现出单峰变化趋势。由表4可知，5—10月GL和GY的土壤呼吸速率平均值分别为（1.51±0.20）、（1.51±0.18） μmol/（m2·s），变化范围以及变化幅度（土壤呼吸速率最大值与最小值之差）分别为0.81～2.46 μmol/（m2·s），1.45  μmol/（m2·s）和0.01～2.26 μmol/（m2·s），2.25 μmol/（m2·s）。这表明土壤呼吸速率受到生物因子影响随着季节的变化而变化，因此土壤呼吸速率呈现明显的季节性变化规律。此外，城市绿地中植物的凋落物数量及分解率、土壤中根系和微生物呼吸、土壤状况均会影响土壤呼吸。

3 讨论与结论

本研究中，2种城市绿地土壤呼吸速率日动态呈现出非单峰型和单峰型2种变化趋势。土壤呼吸未受干扰时呈现出单峰型，这与陈骥等的研究结果[5]一致。在土壤温度较低和土壤湿度出现极端现象的影响下，土壤呼吸速率动态变化较为紊乱且无明显规律，呈现非单峰型[5，7]。本研究中，未受干扰月份的土壤呼吸峰值于14：00—18：00出现。这主要因为土壤碳排放量的日动态规律主要受到日气温变化影响，研究表明，土壤呼吸的日变化和气温、地表的温度呈显著相关性[8]，1 d中外界温度在 14：00 达到最高值，但土壤呼吸的最大值有时会出现滞后现象，这主要因为此时土壤温度并未出现与气温一致的高峰值，而是滞后于气温[9]。土壤呼吸对土壤温度响应速度较快，因此在该时段呼吸速率出现最大值。5月土壤呼吸速率日变化幅度为GL>GY，6—10月日变化幅度总体表现为GY>GL，这可能受到绿地郁闭度和林下植被覆被率的影响，GL郁闭度较低，日间光照通过林间空隙照射到地表，导致GL日间地表土壤温度变化幅度小，使得土壤微生物活动和根系呼吸在日间的变化幅度较低，因此土壤呼吸速率的日变化幅度较小。2种城市绿地土壤呼吸速率日变化幅度均为日间大于夜间，这是因为日间温度较高，土壤根系呼吸和微生物活动都较活跃[10-11]。5—10月，2种城市绿地土壤呼吸速率随季节变化均呈现出单峰的变化趋势，其变化主要受土壤温度和湿度的影响，这与前人的研究结果[12]一致。植物生长初期，气温和T10均较低，使土壤微生物活动受限，GL和GY植物生长缓慢导致土壤呼吸速率较低，且GY的M5较高导致其5月份土壤呼吸速率几乎为零。植物生长中期，较高的气温与土壤温度导致绿地植物生长旺盛和微生物活动活跃，土壤中根系和微生物呼吸强烈，2种城市绿地土壤呼吸速率快速上升，GY和GL分别在7月和8月达到呼吸速率最大值[13-14]。植物生长季2种城市绿地土壤呼吸均值相等，但整个生长季变化幅度不同。

许多研究表明，温度是土壤呼吸速率的主要影响因素之一[15-16]，但本研究中GL土壤呼吸速率与T10无显著相关性，而与M5显著相关，其原因可能是生长季GL的土壤温度不再是土壤呼吸速率的限制因素，而水分则对其影响显著[17]。GY土壤呼吸速率与土壤温度和湿度显著相关，受到土壤温度和湿度的同时影响，这与Frank等的研究结果[18]一致。通常情况下，土壤温度和土壤湿度相互影响，并共同影响土壤呼吸强度[18-19]，尤其在植物生长季最为明显。为更好地解释土壤温度和土壤水分对土壤呼吸的协同作用，对土壤呼吸速率和土壤温度、湿度之间的关系进行多元线性拟合，相关系数达到0.70以上。这表明多元线性模型能更好地解释土壤呼吸速率与土壤温度和土壤湿度之间的关系，也表明T10和M5是影响天津市城市绿地生长季土壤呼吸的主要环境因素。

土壤呼吸速率不仅仅是植物根系和土壤微生物生命活动的体现，还是全球生态系统功能上的重要过程[20]，通过对城市生态系统土壤呼吸速率及与之相关的环境因子的测定，能够为全球变暖背景下气候变化和全球碳循环研究提供科学依据。

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