不同土地利用方式下的土壤CO₂排放研究

陈丽明

摘 要：利用Li-8100测定福州市大学城周边地区不同土地利用方式下的土壤CO2通量，同时测定其土壤理化性质，利用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析。结果表明：不同土地利用方式下，土壤CO2的排放量存在差异，土壤呼吸的日差较小，不同土地利用方式中土壤呼吸速率的均值大小为：草坪（7.696μmol·m-2·s-1）>苗圃（4.419μmol·m-2·s-1）>甘蔗园（3.842μmol·m-2·s-1）>果园（3.185μmol·m-2·s-1）；草坪的呼吸速率与其他三者的差异较大，说明不同的土地利用方式对土壤呼吸速率有较大的影响；影响土壤呼吸的主要因子因土地利用方式的不同而有所差异。

关键词：土地利用方式；土壤CO2排放；福州市大学城

中图分类号 S154.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）22-34-04

当前，全球气候变暖及其带来的影响已经成为科学界和公众关注的热点问题，严重威胁着全球生态系统和人类自身的生存与发展。全球陆地以有机质形态贮存于土壤中的碳约有1.5×109g，约是全球大气碳库的2倍和陆地植被总碳贮量的3倍[1-3]。土壤自养微生物同化CO2的速率一般远低于土壤排放CO2的速率，土壤CO2通量表现为土壤向大气释放CO2的过程，这一过程主要是土壤微生物氧化有机物和根系呼吸产生，另有极少一部分来自土壤动物的呼吸和化学氧化[4]。通过土壤呼吸作用向大气释放的CO2量约（68±4）×1015gC/a[5]，约占全球CO2交换量的25%[6-7]，因此，土壤呼吸作用的微小变化将可能引起大气CO2浓度的明显改变，进而进一步影响全球气候的变化。其中土地利用变化引起的陆地生态系统类型转变对于全球碳循环有重要作用[8]，而土地利用方式是影响土壤CO2排放的重要因素之一，根据Houghton的估算[9]，全世界在1850-2000年间，由于土地利用变化而导致的CO2释放总量约为156 Pg（以c计算，1Pg=1 015g）。从全球范围来看，对土壤呼吸的研究虽然已经涉及到农田、草原、森林、湿地、冻原等生态系统[5，7，10-12]，目前土壤CO2排放方面的研究，大多都是对特定植被类型覆盖下的土壤（例如，森林、草地、沼泽湿地）单独进行研究，已经发现土壤CO2排放速率与土壤温度、土壤水分、微生物的分解、植物生理活动等条件密切相关[11，13-15]。对同一地区不同土地利用方式下的CO2排放也有少量的进行对比研究，周志田[10]等对亚热带红壤丘陵区不同土地利用方式下土壤CO2排放规律初探，杨智杰[16]等对中亚热带山区不同土地利用方式土壤呼吸的日动态变化，研究都表明土壤温度、水分与CO2排放速率存在着密切的关系[10，13]。

随着城市化进程在全球范围内迅速发展，城市作为区域系统的核心，其土地利用方式对整个区域有着导向性作用，土地利用方式的改变必将改变土壤CO2排放速率[17]。不同的土地利用方式改变了植被覆盖和土壤性质，将影响土壤呼吸作用的强度，是目前碳预算不确定性的一个重要原因[1]。而在城市化进程的背景下研究土壤呼吸变化的相对较少，因此，研究城市土壤变化及其与环境的影响关系，保证城市的可持续发展，就显得十分重要。为此，本研究选取福州市大学城地区典型的旱地（甘蔗园）、草坪、果园、苗圃，测定其土壤CO2排放量及相应的土壤理化性质，借助SPSS软件，对比分析不同土地利用方式下土壤CO2排放量，探讨各因子对土壤呼吸速率的影响，旨在为相关决策部门，特别是环境部门和国土部门提供基础数据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况 试验地位于福州市闽侯县的福州大学城周边地区。闽侯县介于北纬25°47′～26°37′，东经118°51′～119°25′，属亚热带海洋性季风气候，气候温和，雨量充沛，年降水量1 200～2 100mm，年平均气温19.5℃，日照充足，多年平均日照时数为1 959h[18]。闽侯土壤分为6个土类、17个亚类、37个土属、45个土种。全县红壤面积9.61万hm2，是占全县土地面积最大、分布最广的土壤[18]。在大学城周边地区，选择4种不同的土地利用方式，分别为旱地（甘蔗园）、草坪、果园、苗圃进行研究。旱地主要是种植食用甘蔗即竹蔗（Saccharum sinense），草坪地主要种植马尼拉草坪（Zoysia matrella），果园主要种植龙眼（Dimocarpus longan Lour），苗圃主要栽培鹅掌柴（Schefflera octophylla）、红花继木（Loropetalum chinense）、红背桂花（Excoecaria cochinchinensis Lour）等。土壤采样时间为2009年7月份，土壤样品自然风干，过2mm筛。采样点的基本信息及其土壤的理化性质见表1。

表1 采样点的基本信息及其土壤理化性质

[采样点＼&地理位置＼&pH＼&不同土层深度下的

有机质含量（%） ＼& 不同粒径下的机械组成（%） ＼&0～20cm＼&20～40cm＼&0.01～0.05mm＼&0.01～0.005mm＼&0.005～0.001mm＼&<0.001mm＼&甘蔗园＼&119°12′09.07"E，26°01′47.22"N＼&6.16＼&1.41＼&1.25＼&21.87＼&7.03＼&10.40＼&12.17＼&草坪＼&119°12′20.43"E，26°01′55.89"N，＼&6.76＼&1.37＼&0.65＼&20.60＼&3.63＼&6.57＼&5.67＼&果园＼&119°12′02.66"E，26°01′40.02"N＼&4.86＼&2.48＼&1.88＼&18.10＼&9.97＼&10.40＼&15.17＼&苗圃＼&119°12′51.26"E，26°01′19.70"N＼&5.01＼&2.07＼&1.57＼&32.00＼&7.84＼&17.96＼&20.50＼&]endprint

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 通过遥感影像及实地考察，在福州大学城地区选取4种典型土地利用类型：旱地（甘蔗园）、草坪、果园、苗圃。按随机取样原则，于每种土地利用类型内分别布设3个土壤呼吸测定点，用特定大小的PVC土壤环圈定，并将圈内的绿色植物齐地剪除，尽可能不扰动地表的土壤，保持土壤环在整个测定期间位置不变。土壤环全部布置完成并经过至少24h平衡后，开始土壤呼吸测定。

1.2.2 测定方法 选择连续晴好的天气，采用Li-8100土壤碳通量测定仪[19]连续24h进行测定，测定时间为3min/次，白天（08：00～18：00）观测的时间间隔为2h，夜晚（18：00～次日06：00）观测的时间间隔为3h。每次观测前进行仪器调零校准，避免零点漂移造成的误差，并使各项读数在自然状态下稳定，同时采用仪器自身配置的温度感应器测定5cm深处土层的温度、水分等要素。求取各测定点各个时段观测值的平均值，作为测定样地的土壤呼吸速率。待土壤呼吸速率测定结束后，对土壤进行分层采样（0～20cm，20～40cm），土壤机械组成采用比重计方法测定，土壤有机质采用丘林法测定，土壤pH值采用电位法测定。

1.2.3 数据处理 在SPSS 17.0软件包中对温度、水分和空气中CO2浓度因素进行双变量相关分析，计算各因子对土壤CO2排放速率的影响程度。

2 结果与讨论

2.1 不同土地利用方式的土壤呼吸速率日变化 由图1可知，4种不同土地利用方式的土壤呼吸速率存在差异，苗圃与果园呈现为单峰曲线，峰值都出现在14：00；甘蔗园的呈现为双峰曲线，峰值出现在14：00和3：00；草坪土壤呼吸速率的日变化呈振荡式变化，无明显的峰值，最大值出现在14：00，最小值出现在3：00。从整体上看，白天的土壤呼吸速率大于夜晚的呼吸速率，这与白天温度高于夜晚温度较为一致；土壤呼吸速率的波动幅度并不大，说明土壤呼吸速率的日差较小，这可能与处于夏季普遍高温有关，所以日变化特征不明显[16]。土壤呼吸速率的日差大小顺序为：苗圃>草坪>果园>甘蔗园；不同土地利用方式中土壤呼吸速率的均值大小为：草坪（7.696μmol·m-2·s-1）>苗圃（4.419μmol·m-2·s-1）>甘蔗园（3.842μmol·m-2·s-1）>果园（3.185μmol·m-2·s-1）。草坪的呼吸速率与其他三者的差异较大，分别约是苗圃和甘蔗园的2.42倍和2倍，说明不同的土地利用方式对土壤呼吸速率有较大的影响。

图1 不同土地利用方式的土壤呼吸速率的日动态变化

2.2 土壤呼吸的影响因子分析

2.2.1 土壤呼吸速率与土壤温度的关系 建立4种土地利用方式下土壤呼吸速率与同步观测的土壤5cm处的温度数据关系。由图2可以看出，4种土地利用方式土壤呼吸速率与土壤温度的峰值时间大致相同，基本上出现在12：00～16：00。这是因为土壤温度一方面通过影响植物根系呼吸和土壤微生物活动间接影响土壤CO2排放，另一方面还直接决定着土壤有机质的氧化分解速率[9]。对各个测定样地的土壤呼吸速率日动态变化量与温度作相关性分析可得出：甘蔗园、草坪和果园的土壤呼吸速率与其对应土壤温度并没有显著的相关性（依次为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与其土壤温度具有极高的显著相关性（r=0.880，p=0.001<0.05，n=10）。这主要是因为不同的土地利用方式土壤植被的不同所造成的影响，一方面植被能通过影响土壤微生物、土壤结构、土壤有机质和根呼吸等而影响土壤呼吸[20]；另一方面植被的地上部分不同，对太阳辐射的阻挡与吸收不同，照射到地面的辐射也因此而不同，从而影响土壤温度，进而使其不同的土地利用方式下土壤CO2排放量存在差异。可见，土壤温度对土壤呼吸的排放速率具有较大的影响。

2.2.2 土壤呼吸速率与水分的关系 土壤水分对土壤呼吸速率的影响主要是通过对植物和微生物的生理活动、微生物的能量供应和体内再分配、土壤的透气性和气体的扩散等调节来实现的[21]。在SPSS 17.0软件包中处理各测定样地土壤呼吸速率与对应水分的相关性分析可得出：草坪和果园的土壤呼吸速率与水分的相关性不显著（依次为r=0.408，p=0.242，n=10；r=0.548，p=0.101，n=10）；甘蔗园和苗圃的土壤呼吸速率与水分有着显著的相关性（依次为r=0.694，p=0.026，n=10；r=0.754，p=0.012，n=10）。土壤水分对土壤呼吸的影响比较复杂，实际上土壤湿度是与温度共同对土壤呼吸起作用的，在一定条件下，土壤呼吸会被降水量或土壤温度所抑制[9，17，22]。

2.2.3 土壤呼吸速率与空气中CO2的关系 对各个测定样地的土壤呼吸速率与其对应的土壤温度作相关性分析得出：甘蔗园、草坪的土壤呼吸速率与空气中CO2并没有显著的相关性（依次为r=-0.449，p=0.192，n=10；r=-0.612，p=0.060，n=10），而果园和苗圃的土壤呼吸速率与空气中的CO2有着较强的负相关性（依次为r=-0.7，p=0.024，n=10；r=-0.756，p=0.011，n=10）。大气中的CO2浓度对土壤呼吸的影响较为复杂，大气中的CO2浓度也会因时因地而有所改变。果园和苗圃的土壤呼吸速率与空气中的CO2有着较强的负相关性，这一结果是否与空气中较高的CO2浓度对土壤微生物及根系呼吸产生抑制作用，而引起土壤呼吸速率下降有关，目前还没有直接的实验数据来证明[15]。

3 结论

通过对福州大学城不同土地利用方式下土壤CO2排放规律的研究，得出了土壤CO2排放随着时间的变化规律。不同土地利用方式下土壤CO2排放存在差异，苗圃与甘蔗园呈现为单峰曲线；果园呈现为双峰曲线；草坪土壤呼吸呈振荡式变化，无明显的峰值。在夏季普遍高温时土壤呼吸的日差较小，发现土壤呼吸的影响因子因不同土地利用方式的不同而表现出的相关性也不同，这说明影响土壤呼吸的主要因子因不同的土地利用方式而有所不同，一般情况下，温度越高，土壤CO2排放的速率也就越大。4种土地利用方式的土壤CO2日动态排放速率与5cm处土壤的温度日变化曲线总体趋势类似，4种土地利用方式土壤呼吸速率与土壤温度的峰值时间大致相同。总体上影响土壤呼吸速率的最重要的因子是温度和水分。

参考文献

[1]Dixon R K，Brown S，Houghton R A.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J]. Science，1994，262：185-190.

[2]Jenkinson D S，Adams D E，Wild A.Model estimates of CO2 emission from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

[3]Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J].Bot Rev，1997，43：449-528.

[4]刘绍辉，方精云.土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响[J].生态学报，1997，17（5）：469-476.

[5]李兆富，宫宪国，杨青，等.湿地土壤CO2通量研究进展[J].生态学杂志，2002，21（6）：47-50.

[6]Raich J W，Potyer C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Gibol Biogeoehem Cycles，1995，9：23-36.

[7]刘允芬，欧阳化，张宪洲，等.青藏高原农田生态系统碳平衡[J].土壤学报，2002，39（5）：636-642.

[8]Post W M，Kwon K C. Soil carbon sequestration and land use change：processes and potential[J].Global Change Biology，2000，6：317-327.

[9]Houghton R A. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000[J].Tellus，2003，55B：378-390.

[10]周志田，成升魁，刘允芬，等.中国亚热带红壤丘陵区不同土地方式下土壤CO2排放规律初探[J].资源科学，2002，24（2）：83-87.

[11]尉海东，马祥庆.中亚热带3种主要人工林的土壤呼吸动态[J].福建农林大学学报，2006，35（3）：272-277.

[12]孙 轶，魏 品，吴钢，等.长白山高山冻原土壤呼吸及其影响因子分析[J].生态学杂志，2005，24（6）：603-606.

[13]Seiko Osozawa and Shuichiha segawa，Diel and seasonal changes in carbon dioxide concentration and flux in an andisol[J].Soil Science，1995，160（2）：117-124.

[14]卢妍，宋长春，王毅勇，等.植物对沼泽湿地生态系统CO2和CH4排放的影响[J].西北植物学报，2007，27（11）：2306-2313

[15]张慧东，周梅，赵鹏武，等.寒温带兴安落叶松林土壤呼吸特征[J].林业科技，2008，44（9）：142-145.

[16]杨智杰，陈光水，黄石德，等.中亚热带山区不同土地利用方式土壤呼吸的日动态变化[J].亚热带资源与环境学报，2009，4（2）：39-46

[17]朱鹤健.土壤学与地理学交叉研究[M].北京：科学出版社，2006.

[18]福建省闽侯县地方志编纂委员闽侯县志[M].北京：方志出版社，2001，12

[19]赵广东，王兵，杨晶，等.LI-8100开路式土壤碳通量测量系统及其应用[J].气象科技，2005，33（4）：363-366.

[20]刘惠，赵平，林永标，等.华南丘陵不同土地利用方式下土壤呼吸[J].生态学杂志，2007，26（12）：2012-2027.

[21]Irvine J，Law B E.Contrasting soil respiration in young and old-growth ponderosa pine forests[J].Global Change Biology，2002，8（12）：1183—1193.

[22]王小国，朱波，王艳强，等.不同土地利用方式下土壤呼吸及其温度敏感性[J].生态学报，2007，27（5）：1960-1968.

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参考文献

[1]Dixon R K，Brown S，Houghton R A.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J]. Science，1994，262：185-190.

[2]Jenkinson D S，Adams D E，Wild A.Model estimates of CO2 emission from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

[3]Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J].Bot Rev，1997，43：449-528.

[4]刘绍辉，方精云.土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响[J].生态学报，1997，17（5）：469-476.

[5]李兆富，宫宪国，杨青，等.湿地土壤CO2通量研究进展[J].生态学杂志，2002，21（6）：47-50.

[6]Raich J W，Potyer C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Gibol Biogeoehem Cycles，1995，9：23-36.

[7]刘允芬，欧阳化，张宪洲，等.青藏高原农田生态系统碳平衡[J].土壤学报，2002，39（5）：636-642.

[8]Post W M，Kwon K C. Soil carbon sequestration and land use change：processes and potential[J].Global Change Biology，2000，6：317-327.

[9]Houghton R A. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000[J].Tellus，2003，55B：378-390.

[10]周志田，成升魁，刘允芬，等.中国亚热带红壤丘陵区不同土地方式下土壤CO2排放规律初探[J].资源科学，2002，24（2）：83-87.

[11]尉海东，马祥庆.中亚热带3种主要人工林的土壤呼吸动态[J].福建农林大学学报，2006，35（3）：272-277.

[12]孙 轶，魏 品，吴钢，等.长白山高山冻原土壤呼吸及其影响因子分析[J].生态学杂志，2005，24（6）：603-606.

[13]Seiko Osozawa and Shuichiha segawa，Diel and seasonal changes in carbon dioxide concentration and flux in an andisol[J].Soil Science，1995，160（2）：117-124.

[14]卢妍，宋长春，王毅勇，等.植物对沼泽湿地生态系统CO2和CH4排放的影响[J].西北植物学报，2007，27（11）：2306-2313

[15]张慧东，周梅，赵鹏武，等.寒温带兴安落叶松林土壤呼吸特征[J].林业科技，2008，44（9）：142-145.

[16]杨智杰，陈光水，黄石德，等.中亚热带山区不同土地利用方式土壤呼吸的日动态变化[J].亚热带资源与环境学报，2009，4（2）：39-46

[17]朱鹤健.土壤学与地理学交叉研究[M].北京：科学出版社，2006.

[18]福建省闽侯县地方志编纂委员闽侯县志[M].北京：方志出版社，2001，12

[19]赵广东，王兵，杨晶，等.LI-8100开路式土壤碳通量测量系统及其应用[J].气象科技，2005，33（4）：363-366.

[20]刘惠，赵平，林永标，等.华南丘陵不同土地利用方式下土壤呼吸[J].生态学杂志，2007，26（12）：2012-2027.

[21]Irvine J，Law B E.Contrasting soil respiration in young and old-growth ponderosa pine forests[J].Global Change Biology，2002，8（12）：1183—1193.

[22]王小国，朱波，王艳强，等.不同土地利用方式下土壤呼吸及其温度敏感性[J].生态学报，2007，27（5）：1960-1968.

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参考文献

[1]Dixon R K，Brown S，Houghton R A.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J]. Science，1994，262：185-190.

[2]Jenkinson D S，Adams D E，Wild A.Model estimates of CO2 emission from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

[3]Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J].Bot Rev，1997，43：449-528.

[4]刘绍辉，方精云.土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响[J].生态学报，1997，17（5）：469-476.

[5]李兆富，宫宪国，杨青，等.湿地土壤CO2通量研究进展[J].生态学杂志，2002，21（6）：47-50.

[6]Raich J W，Potyer C S. Global patterns of carbon dioxide emissions from soils[J].Gibol Biogeoehem Cycles，1995，9：23-36.

[7]刘允芬，欧阳化，张宪洲，等.青藏高原农田生态系统碳平衡[J].土壤学报，2002，39（5）：636-642.

[8]Post W M，Kwon K C. Soil carbon sequestration and land use change：processes and potential[J].Global Change Biology，2000，6：317-327.

[9]Houghton R A. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850-2000[J].Tellus，2003，55B：378-390.

[10]周志田，成升魁，刘允芬，等.中国亚热带红壤丘陵区不同土地方式下土壤CO2排放规律初探[J].资源科学，2002，24（2）：83-87.

[11]尉海东，马祥庆.中亚热带3种主要人工林的土壤呼吸动态[J].福建农林大学学报，2006，35（3）：272-277.

[12]孙 轶，魏 品，吴钢，等.长白山高山冻原土壤呼吸及其影响因子分析[J].生态学杂志，2005，24（6）：603-606.

[13]Seiko Osozawa and Shuichiha segawa，Diel and seasonal changes in carbon dioxide concentration and flux in an andisol[J].Soil Science，1995，160（2）：117-124.

[14]卢妍，宋长春，王毅勇，等.植物对沼泽湿地生态系统CO2和CH4排放的影响[J].西北植物学报，2007，27（11）：2306-2313

[15]张慧东，周梅，赵鹏武，等.寒温带兴安落叶松林土壤呼吸特征[J].林业科技，2008，44（9）：142-145.

[16]杨智杰，陈光水，黄石德，等.中亚热带山区不同土地利用方式土壤呼吸的日动态变化[J].亚热带资源与环境学报，2009，4（2）：39-46

[17]朱鹤健.土壤学与地理学交叉研究[M].北京：科学出版社，2006.

[18]福建省闽侯县地方志编纂委员闽侯县志[M].北京：方志出版社，2001，12

[19]赵广东，王兵，杨晶，等.LI-8100开路式土壤碳通量测量系统及其应用[J].气象科技，2005，33（4）：363-366.

[20]刘惠，赵平，林永标，等.华南丘陵不同土地利用方式下土壤呼吸[J].生态学杂志，2007，26（12）：2012-2027.

[21]Irvine J，Law B E.Contrasting soil respiration in young and old-growth ponderosa pine forests[J].Global Change Biology，2002，8（12）：1183—1193.

[22]王小国，朱波，王艳强，等.不同土地利用方式下土壤呼吸及其温度敏感性[J].生态学报，2007，27（5）：1960-1968.

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