陇东典型草原不同坡向土壤呼吸对模拟降雨的短期响应

1820－1824 10/2014
草业科学
PＲATACULTUＲAL SCIENCE
31卷10期
Vol．31，No．10
DOI：10．11829\j．issn．1001-0629．2013-0729
陇东典型草原不同坡向土壤呼吸对
模拟降雨的短期响应
张秀敏，陈先江，侯扶江
（草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州730020）
摘要：降雨是影响草地土壤呼吸的关键环境之一，为研究典型草原土壤呼吸对降雨的短期响应，2012年在陇东黄
土高原开展模拟降雨试验。

结果表明，降雨对阳坡草地土壤温度的短期影响明显，对阴坡草地温度无影响。

15
和30mm降雨后，阳坡草地土壤呼吸速率急剧升高，分别是无降雨样地的9．0倍和10．3倍，且30mm降雨土壤呼
吸速率显著高于15mm降雨的草地（P＜0．05）；阴坡草地土壤呼吸速率则分别是无降雨样地的6．2倍和9．0倍。

降雨处理5h后草地的土壤呼吸速率与无降雨样地无差异。

降雨发生后，草地土壤CO2日排放量为无降雨草地
的2 3倍。

因此，在估测土壤CO2排放量时应考虑降水对土壤呼吸的激发作用，有必要依据降雨数据对结果进
行校正。

关键词：土壤呼吸速率；土壤水分；典型草原；陇东黄土高原
中图分类号：S812．1文献标识码：A文章编号：1001-0629（2014）10-1820-05*
Temporary responses of soil respiration to precipitation in simulated typical steppe on
the eastern Gansu Loess Plateau
ZHANG Xiu-min，CHEN Xian-jiang，HOU Fu-jiang
（State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems，College of Pastoral Agriculture Science and Technology，
Lanzhou University，Lanzhou730020，China）
Abstract：Precipitation is one of the key factors that influence the soil respiration．A simulated precipitation experi-ment focused on effects of precipitation on soil respiration was conducted in the steppe in southeastern Gansu Prov-ince in2012．The results showed that：soil respiration rate（Ｒs）increased sharply after15mm and30mm precipi-tation andＲs was9．0times and10．3times higher than that of no-precipitation treatment in sunny aspect．Ｒs of grassland with30mm precipitation was higher than that of with15mm precipitation significantly（P＜0．05）．In shady aspect of grassland，Ｒs increased5．2times and8．0times compared with no-precipitation treatment when precipitation was increased15mm and30mm，respectively．None significant differences ofＲs were found between precipitation and no-precipitation treatments after5hours．Soil CO
2
emissions were increased2 3times after the
precipitation．The excitation effects of precipitation onＲs should be considered when evaluating the amount of CO
2 emitted from soil．It is essential to adjust the soil CO
2
emission data based on precipitation．
Key words：soil respiration；soil moisture；steppe；Longdong Loess Plateau
Corresponding author：HOU Fu-jiang E-mail：cyhoufj@lzu．edu．cn
*收稿日期：2013-12-31接受日期：2014-04-01
基金项目：教育部创新团队项目（IＲT13019）；国家自然科学基金项目（31172249）；国家“973”项目（2014CB138706）；十二五国家科技支撑计划（2011BAD17B02-03）；兰州大学中央高校基本科研业务费项目（lzujbky-2013-80）
第一作者：张秀敏（1989-），男（土家族），湖南湘西人，在读硕士生，主要从事草地家畜互作研究。

E-mail：zhangxm12@lzu．edu．cn
通信作者：侯扶江（1971-），男，河南扶沟人，教授，博士，主要从事牧场管理研究。

E-mail：cyhoufj@lzu．edu．cn
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在全球变化研究中，对影响草地生态系统碳交换过程非生物因子（水分和温度等）作用途径和机理的研究一直备受关注［1-6］。

土壤呼吸（CO2排放）是草地生态系统土壤和大气间碳交换的主要途径，并影响着土壤碳库的周转速度［7］。

因此，研究草地土壤呼吸规律及环境因子对其作用机制对于深入理解草地土壤碳循环过程具有重要意义［8］。

降水是天然草地土壤水分的最主要来源。

土壤水分在短期内因降水而迅速增加，影响草地土壤物理和生化过程，导致土壤呼吸的“喷发”效应，即使少量的降雨也会如此［4，8-10］，在干旱和半干旱地区尤为明显［11］。

降雨激发的土壤呼吸增量可以占到年土壤呼吸总量的16% 21%［12］。

陇东黄土高原独特的丘陵沟壑地貌使得该地区草地坡向各异，势必造成草地降水和热量分配不均，可能会影响草地土壤呼吸速率，而且土壤呼吸测定通常在晴天进行，对降雨后该地区草地土壤呼吸作用变化的研究则鲜见于报道。

本研究旨在分析典型草原土壤呼吸对短期降雨的响应，以期对估测或修正地区草地CO2排放量提供借鉴和参考。

1材料与方法
1．1研究区概况
研究区位于甘肃省环县甜水镇大良洼村兰州大学环县草地农业试验站（37．14ʎN、106．84ʎE），海拔1650m，年均气温7．1ħ，年平均降水量359．3 mm，60%以上降水集中在7－9月，且年际和季节变幅均较大。

草地类型属微温微干典型草原类［13］。

1．2样地选择和试验设计
选择2001年封育草地，有东北（阴坡）和西南（阳坡）两个坡向，坡度均为30ʎ。

在阴坡和阳坡样地各设置9个0．5mˑ0．5m 样方，作为模拟降雨区域。

共设3个降雨梯度，0（CK）、15和30mm，各梯度设3次重复。

试验前期收集足够雨水，用于模拟降雨试验。

试验开始前24 h，每个样方中心固定一个PVC基座（高5cm，直径10cm），用于测定土壤呼吸速率（SoilＲespiration，Ｒs）。

北京时间2012年10月11日08：30开始测定各样方中的Ｒs，于09：00前测定完毕。

09：00开始统一在各样方按降雨梯度均匀、缓慢喷洒雨水，0、15和30mm梯度对应样方分别喷洒0、3．75和7．00L 雨水。

喷洒雨水后0．5、2、5、9、12、24和30h时测定Ｒs，每时间点Ｒs连续测定3次。

同步测定各样点5cm土壤含水量和土壤温度。

1．3测定方法
用Li-6400便携式分析系统（Li-cor，Lincoln，NE，USA）的土壤呼吸室测定土壤呼吸速率。

TDＲ（TＲIME-T3，Germany）测定土壤含水量。

热电偶（Li-6400TC，Lincoln，NE，USA）测定土壤温度。

1．4数据分析
不同降雨处理下土壤呼吸速率、土壤温度和土壤水分的差异性采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）。

土壤呼吸速率与土壤含水量用指数方程回归。

同一降水处理下阴坡与阳坡土壤呼吸量差异用t检验完成。

所有数据分析基于SPSS18．0（SPSS，Chicago，IL，USA）。

2结果
2．1土壤温度
阳坡温度较阴坡平均高约2．9ħ（图1）。

在阳坡，两降雨处理间土壤温度无显著差异（P＞0．05），喷洒雨水5h后模拟降雨处理和对照土壤温度无差异。

模拟降雨对阴坡土壤温度影响不明显。

2．2土壤水分
阴坡草地土壤含水量始终高于阳坡草地（图2）。

降水处理后阴坡和阳坡的土壤含水量均显著高于对照（P＜0．05）。

阳坡草地土壤含水量在模拟降雨5h后差异消失（P＞0．05），阴坡草地土壤含水量则在0．5h后差异消失。

2．3土壤呼吸变化
模拟降雨后阴坡和阳坡草地土壤呼吸速率均倍增（图4）。

阳坡草地15和30mm降雨后30min，土壤呼吸速率分别是对照样地的9．0倍和10．3倍，30mm降雨土壤呼吸显著高于15mm降雨（P＜0．05）。

降雨2 h后，15和30mm处理草地土壤呼吸速率均为0．2mg CO
2
·m－2·s－1，为无降雨样地的3．5倍，此后两个降雨处理土壤呼吸速率无显著差异（P＞0．05）。

降雨5 8h，降雨处理与对照土壤呼吸速率无显著差异。

阴坡草地15和30mm降雨后30min和2h，草地土壤呼吸速率分别是无降雨草地的6．2倍、9．0倍和2．3倍、3．3倍，且降雨30mm草地的土壤呼吸速率均显著高于降雨15mm草地。

降雨后5h，3
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图1
模拟降雨后土壤温度变化
Fig．1
Variation of soil temperature after simulated precipitation experiment
注：不同小写字母表示同一测定时间不同降雨量间差异显著（P ＜0．05）。

图2、
4同。

Note ：Different lower case letters for the same measuring time mean significant difference among three precipitation treatments at 0．05level．The same in Fig．2and Fig．
4．
图2
模拟降雨后土壤含水量变化
Fig．2
Variation of soil moisture after simulated precipitation
experiment
图3
土壤含水量与土壤呼吸速率的关系
Fig．3
Ｒelationships between soil respiration and soil moisture
2
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图4
模拟降雨后土壤呼吸速率变化
Fig．4
Variation of soil respiration a fter simulated precipitation experiment
个处理草地土壤呼吸速率表现为降雨30mm ＞降雨15mm ＞无降雨。

阳坡和阴坡草地土壤呼吸速率与土壤含水量显著正相关（P ＜0．05），指数方程可较好地表示两者关系（图3）。

2．4土壤CO 2排放量
降雨后，阳坡草地土壤CO 2日排放量显著高于阴坡草地（P ＜0．05），且降雨显著提高草地土壤CO 2日排放量（表1）。

降雨处理的阳坡和阴坡草
表1不同坡向草地降雨后土壤CO 2日排放量估算Table 1
Estimating the daily amount of CO 2emitted from
soil of the two aspects grassland after precipitation
kg ·hm －2·d －1
坡向Aspect 降雨量Precipitation
15mm
30mm
阳坡Sunny
28．60ʃ0．39b 72．33ʃ0．89a 74．69ʃ0．77a
阴坡Shady 24．58ʃ0．32c 48．82ʃ0．32b 66．48ʃ0．63a
Sig．
＊
＊
＊
注：*表示同一降水处理下阴坡和阳坡草地土壤呼吸量差异显著（P ＜0．05）；同行不同小写字母表示相同坡向不同降水处理间差异显著（P ＜0．05）。

Note ：*means differences of soil respiration between sunny and shady aspect were significant for the same precipitation treatment at 0．05level．Different lower case letters within the same row for the same aspect show significant difference among different precipitation treatments at 0．05lev-el．
地土壤CO 2日排放量是对照的两倍以上。

阴坡草
地，降雨量30mm 的土壤CO 2日排放量显著高于15mm 降雨；阳坡草地，两降雨处理间土壤CO 2日排放量无显著差异（P ＞0．05）。

3
讨论与结论
土壤含水量和温度是影响土壤呼吸速率重要的环境因子。

因测定季节、植被类型等因素的不同，土壤呼吸与土壤温度表现出线形关系、二次方程关系
和指数关系等［14］。

本研究中，土壤水分与土壤呼吸表现出很好的正相关关系，说明在半干旱区草地，降雨后土壤水分在短期内会成为影响土壤呼吸的关键因子。

土壤呼吸受降雨强度、降雨持续时间和降雨间
隔等因素影响
［15-16］。

Nordon 等［17］在美国灌丛草地研究发现，降雨可迅速提升土壤呼吸速率，这种提
升效果会持续1周。

本研究中，降雨会在短期内极大地提升草地的土壤呼吸速率。

在短期内，阳坡草地降雨后较无降雨草地每天多排放CO 2超过43．73kg ·hm －2，而阴坡草地多排放CO 2超过24．24kg ·hm －2。

其可能原因除降雨使得微生物活性和
无机碳分解速度提高外［18］，可能也与黄土质地疏松、多孔隙和良好的通透性有关。

因此，在估测土壤
CO 2排放量时应考虑降雨对土壤呼吸的激发作用，有必要依据降雨数据对结果进行校正。

3
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（责任编辑武艳培檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼殥
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