不同土地利用方式下土壤呼吸空间变异的影响因素
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第 34 卷第 3 期 2013 年 3 月
环境科学 ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol． 34，No． 3 Mar． ，2013
不同土地利用方式下土壤呼吸空间变异的影响因素
陈书涛1，2 Байду номын сангаас刘巧辉1 ，胡正华1 ，刘艳1 ，任景全1 ，谢薇1
（ 1． 南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京 210044； 2． 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家 重点实验室，北京 100029） 摘要： 为研究不同土地利用方式下土壤呼吸空间变异的影响因素，进行野外观测试验，测定了土壤呼吸及相应的环境、植被、 土壤因子，分析了土壤呼吸的空间变异性及其与这些因子之间的内在联系． 结果表明，土地利用方式对土壤呼吸具有重要影 响，不同土地利用方式下，土壤呼吸存在显著性差异（ P ＜ 0. 001） ，土壤呼吸速率在 1. 82 ～ 7. 46 μmol·（ m2·s） －1 范围内，最高值 与最低值相差 5. 62 μmol·（ m2·s） －1 ． 在本研究中，土地利用方式对土壤呼吸的影响作用大于土壤温度、湿度等环境因子． 土 壤有机碳是影响土壤呼吸空间变异性的关键因子，在所有观测的生态系统中，土壤呼吸与有机碳含量之间的关系均可用幂函 数描述． 在森林生态系统中，土壤呼吸与观测地点树木胸径（ DBH） 之间的关系可用对数方程描述． 胸径大小体现了树木生长 时间的长短． 综合土壤有机碳含量（ C，% ） 、有效磷含量（ AP，g·kg －1 ） 及胸径（ DBH，cm） 这 3 个因子的模型可模拟森林土壤 呼吸（ Rs ） 92. 8% 的空间变异． 关键词： 土地利用方式； 土壤呼吸； 土壤有机碳； 植被； 温度
Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）
Abstract： In order to investigate the factors influencing the spatial variability in soil respiration under different land use regimes，field experiments were performed． Soil respiration and relevant environment，vegetation and soil factors were measured． The spatial variability in soil respiration and the relationship between soil respiration and these measured factors were investigated． Results indicated that land use regimes had significant effects on soil respiration． Soil respiration varied significantly （ P ＜ 0. 001 ） among different land use regimes． Soil respiration rates ranged from 1. 82 to 7. 46 μmol·（ m2·s） －1 ， with a difference of 5. 62 μmol·（ m2·s） －1 between the highest and lowest respiration rates． Soil organic carbon was a key factor controlling the spatial variability in soil respiration． In all ecosystems studied，the relationship between soil respiration and soil organic carbon content can be described by a power function． Soil respiration increased with the increase of soil organic carbon． In forest ecosystem，the relationship between soil respiration and diameter at breast height （ DBH） of trees can be explained by a natural logarithmic function． A model composed of soil organic carbon （ C，% ） ，available phosphorous （ AP，g·kg －1 ） and diameter at breast height （ DBH，cm） explained 92. 8% spatial variability in soil respiration for forest ecosystems． Key words： land use regimes； soil respiration； soil organic carbon； vegetation； temperature
表 1 样点号 1 ～ 15 对应的生态系统受人类扰动 相对较小，这类生态系统仅有人类足迹到达或皆伐 管理，无水、肥、光、热、放 牧 等 人 为 管 理 措 施，在 本研究中称为较少扰动的生态系统； 表 1 样点号 16 ～ 30 对应的生态系统受人类扰动相对较大，有水、
肥、光、热等人为管理措施，称为扰动的生态系统， 由于江边芦苇地受长江水位和人们防洪措施的影响 很大，在本研究中也划分为扰动的生态系统． 1. 2 土壤呼吸观测
（ 1． School of Environmental Science and Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，
China； 2． State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry，Institute of Atmospheric Physics，
目前，人类活动所导致的温室气体排放量增加 是造成全球变暖的主要原因． CO2 是最主要的温室 气体，大气中 CO2 浓度升高与生态系统中碳循环过 程密切相关． 土壤呼吸是陆地生态系统中仅次于总 初级生产量的第二大碳通量，全球每年因土壤呼吸 作用 向 大 气 中 释 放 的 碳 估 算 值 约 为 75 ～ 120 Pg［1，2］，其量值高于净初级生产量． 目前，人们对生 态系统中“地上”过程的研究已相对较多，而对“地 下”过程的研究尚不透彻［3 ～ 5］． 土壤呼吸对生态系 统碳平衡具有重要影响，研究土壤呼吸作用的影响 因素对理解陆地碳循环过程具有重要意义［6］．
中图分类号： X144 文献标识码： A 文章编号： 0250-3301（ 2013） 03-1017-09
Factors Influencing the Spatial Variability in Soil Respiration Under Different
Land Use Regimes
CHEN Shu-tao1，2 ，LIU Qiao-hui1 ，HU Zheng-hua1 ，LIU Yan1 ，REN Jing-quan1 ，XIE Wei1
收稿日期： 2012-05-13； 修订日期： 2012-08-07 基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 41005088，41175136 ） ； 中国科
学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重 点实验室开放课题项目（ LAPC-KF-2010-09） 作者简介： 陈书涛（ 1978 ～ ） ，男，博士，副教授，主要研究方向为生态 系统碳氮循环与全球变化，E-mail： chenstyf@ yahoo． com． cn
本研究观测不同土地利用方式下土壤呼吸及相 关环境因子，并分析土壤呼吸空间变异性的关键影 响因素，以期为更准确地认识土壤呼吸这一重要的 碳循环过程提供理论依据．
1 材料与方法
1. 1 观测地点概况 所选的观测样地位于南京老山及紫金山、镇江
宝华山和南京市郊县的农田及蔬菜田等地点． 老 山、龙王山、紫金山等森林生态系统位于北亚热带 的北缘地区，共 30 个观测地点（ 图 1 和表 1） ，其中 老山林场为江苏省最大的林场． 本研究中所选取的 森林生态系统具有比较典型的北亚热带植被，林冠 层 主 要 树 种 有 白 栎 （ Quercus fabri L． ） 、 杜 仲 （ Eucommia ulmoidesm L． ） 、 化 香 （ Platycarya strobilacea L． ） 、马尾松 （ Pinus massoniana L． ） 、洋 槐 （ Robinia pseudoacacia L． ） 、 构 树 （ Broussonetia papyrifera L． ） ，林 下 层 主 要 有 白 檀 （ Symplocos paniculata L． ） 、山胡椒（ Lindera glauca L． ） 、茶条槭 （ Acer ginnala L． ） 等． 各森林样地的植被生长季主 要集中在 3 ～ 10 月． 老山、龙王山、紫金山树木年 龄主要分布在 10 ～ 50 a 之间，其树木主要种植于 20 世纪 50 ～ 60 年代． 各农田观测地点近几十年来一 直为农业用地，种植作物主要为冬小麦、水稻、油 菜、小青菜等． 各观测地点的土壤类型均为黄棕壤 （ 灰马肝土属） ．
1018
环境科学
34 卷
上部分净初级生产力的增加而呈线性增加的趋势， Bond-Lamberty 等［10］认为不同观测地点的土壤呼吸 随叶面积指数增大呈线性增加的趋势． Chen 等［11］ 报道在全球尺度上土壤呼吸与有机碳含量之间的关 系表现为双曲线函数． 此外，Martin 等［12］发现土壤 呼吸观测点的海拔高度可较好地代表土壤养分、水 热和植被状况，其与土壤呼吸具有线性正相关关系． 虽然人们对土壤呼吸时空变异的影响因素这一问题 已进行了大量研究［13 ～ 17］，但对于土壤呼吸空间变异 性的影响因素的认识仍存在局限性，特别是在我国 土地利用方式多样、植被覆盖种类复杂的背景下， 研究不同土地利用方式下土壤呼吸变异性的关键影 响因素显得尤为重要．
在每个观测地点设置 4 个样地，每个样地面积 为 2 m × 2 m，在每个样地中预先将测定土壤呼吸的 PVC 底座埋入土壤中． 在设置样地时，尽可能避免 选取坡度很大的区域，以避免坡度对 CO2 通量的影 响． 去除掉底座内的植物，以避免测定的土壤呼吸 中包含植物的呼吸作用． 采用土壤 CO2 通量自动测 定系统（ Licor-8100，USA） 测定土壤呼吸速率． 在野 外将土壤呼吸数据采集完毕后，将数据调入到电脑 中安装的 Licor-8100 土壤呼吸速率分析软件程序 中，进 行 回 归 分 析 以 描 述 Licor-8100 仪 器 测 定 的 CO2 浓度随时间的变异情况，得到土壤呼吸速率． 1. 3 环境因子、森林植被及土壤性质观测
每次测定土壤呼吸速率的同时观测试验地点空 气温度及 5 cm 深土壤温度、湿度 （ 体积含水量） ． 在森林试验样地选取 5 m × 10 m 森林植被观测样 方，调查树木离地面 1. 3 m 处的胸高直径（ 取 4 棵树 木的均值） 以及样方内树木棵数、树高、凋落物厚 度等指标． 取样方内 0 ～ 15 cm 深土壤和地表凋落 物，测定土壤 pH、有机碳含量、全氮含量、有效磷、 速效钾，凋落物有机碳、全氮含量等指标．
以往研究表明，土壤呼吸在空间尺度上的变异
与温度、水分条件、植被、土壤有机碳、人为管理
措施等因素有关． 通常认为，土壤温度和湿度是决 定土壤呼吸空间变异的重要因素［7，8］． 有研究表明，
植被与土壤呼吸的空间变异有密切关系，例如，陈光 水等［9］发现 中 国 森 林 土 壤 呼 吸 随 凋 落 物 质 量 和 地
环境科学 ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol． 34，No． 3 Mar． ，2013
不同土地利用方式下土壤呼吸空间变异的影响因素
陈书涛1，2 Байду номын сангаас刘巧辉1 ，胡正华1 ，刘艳1 ，任景全1 ，谢薇1
（ 1． 南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京 210044； 2． 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家 重点实验室，北京 100029） 摘要： 为研究不同土地利用方式下土壤呼吸空间变异的影响因素，进行野外观测试验，测定了土壤呼吸及相应的环境、植被、 土壤因子，分析了土壤呼吸的空间变异性及其与这些因子之间的内在联系． 结果表明，土地利用方式对土壤呼吸具有重要影 响，不同土地利用方式下，土壤呼吸存在显著性差异（ P ＜ 0. 001） ，土壤呼吸速率在 1. 82 ～ 7. 46 μmol·（ m2·s） －1 范围内，最高值 与最低值相差 5. 62 μmol·（ m2·s） －1 ． 在本研究中，土地利用方式对土壤呼吸的影响作用大于土壤温度、湿度等环境因子． 土 壤有机碳是影响土壤呼吸空间变异性的关键因子，在所有观测的生态系统中，土壤呼吸与有机碳含量之间的关系均可用幂函 数描述． 在森林生态系统中，土壤呼吸与观测地点树木胸径（ DBH） 之间的关系可用对数方程描述． 胸径大小体现了树木生长 时间的长短． 综合土壤有机碳含量（ C，% ） 、有效磷含量（ AP，g·kg －1 ） 及胸径（ DBH，cm） 这 3 个因子的模型可模拟森林土壤 呼吸（ Rs ） 92. 8% 的空间变异． 关键词： 土地利用方式； 土壤呼吸； 土壤有机碳； 植被； 温度
Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）
Abstract： In order to investigate the factors influencing the spatial variability in soil respiration under different land use regimes，field experiments were performed． Soil respiration and relevant environment，vegetation and soil factors were measured． The spatial variability in soil respiration and the relationship between soil respiration and these measured factors were investigated． Results indicated that land use regimes had significant effects on soil respiration． Soil respiration varied significantly （ P ＜ 0. 001 ） among different land use regimes． Soil respiration rates ranged from 1. 82 to 7. 46 μmol·（ m2·s） －1 ， with a difference of 5. 62 μmol·（ m2·s） －1 between the highest and lowest respiration rates． Soil organic carbon was a key factor controlling the spatial variability in soil respiration． In all ecosystems studied，the relationship between soil respiration and soil organic carbon content can be described by a power function． Soil respiration increased with the increase of soil organic carbon． In forest ecosystem，the relationship between soil respiration and diameter at breast height （ DBH） of trees can be explained by a natural logarithmic function． A model composed of soil organic carbon （ C，% ） ，available phosphorous （ AP，g·kg －1 ） and diameter at breast height （ DBH，cm） explained 92. 8% spatial variability in soil respiration for forest ecosystems． Key words： land use regimes； soil respiration； soil organic carbon； vegetation； temperature
表 1 样点号 1 ～ 15 对应的生态系统受人类扰动 相对较小，这类生态系统仅有人类足迹到达或皆伐 管理，无水、肥、光、热、放 牧 等 人 为 管 理 措 施，在 本研究中称为较少扰动的生态系统； 表 1 样点号 16 ～ 30 对应的生态系统受人类扰动相对较大，有水、
肥、光、热等人为管理措施，称为扰动的生态系统， 由于江边芦苇地受长江水位和人们防洪措施的影响 很大，在本研究中也划分为扰动的生态系统． 1. 2 土壤呼吸观测
（ 1． School of Environmental Science and Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，
China； 2． State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry，Institute of Atmospheric Physics，
目前，人类活动所导致的温室气体排放量增加 是造成全球变暖的主要原因． CO2 是最主要的温室 气体，大气中 CO2 浓度升高与生态系统中碳循环过 程密切相关． 土壤呼吸是陆地生态系统中仅次于总 初级生产量的第二大碳通量，全球每年因土壤呼吸 作用 向 大 气 中 释 放 的 碳 估 算 值 约 为 75 ～ 120 Pg［1，2］，其量值高于净初级生产量． 目前，人们对生 态系统中“地上”过程的研究已相对较多，而对“地 下”过程的研究尚不透彻［3 ～ 5］． 土壤呼吸对生态系 统碳平衡具有重要影响，研究土壤呼吸作用的影响 因素对理解陆地碳循环过程具有重要意义［6］．
中图分类号： X144 文献标识码： A 文章编号： 0250-3301（ 2013） 03-1017-09
Factors Influencing the Spatial Variability in Soil Respiration Under Different
Land Use Regimes
CHEN Shu-tao1，2 ，LIU Qiao-hui1 ，HU Zheng-hua1 ，LIU Yan1 ，REN Jing-quan1 ，XIE Wei1
收稿日期： 2012-05-13； 修订日期： 2012-08-07 基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 41005088，41175136 ） ； 中国科
学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重 点实验室开放课题项目（ LAPC-KF-2010-09） 作者简介： 陈书涛（ 1978 ～ ） ，男，博士，副教授，主要研究方向为生态 系统碳氮循环与全球变化，E-mail： chenstyf@ yahoo． com． cn
本研究观测不同土地利用方式下土壤呼吸及相 关环境因子，并分析土壤呼吸空间变异性的关键影 响因素，以期为更准确地认识土壤呼吸这一重要的 碳循环过程提供理论依据．
1 材料与方法
1. 1 观测地点概况 所选的观测样地位于南京老山及紫金山、镇江
宝华山和南京市郊县的农田及蔬菜田等地点． 老 山、龙王山、紫金山等森林生态系统位于北亚热带 的北缘地区，共 30 个观测地点（ 图 1 和表 1） ，其中 老山林场为江苏省最大的林场． 本研究中所选取的 森林生态系统具有比较典型的北亚热带植被，林冠 层 主 要 树 种 有 白 栎 （ Quercus fabri L． ） 、 杜 仲 （ Eucommia ulmoidesm L． ） 、 化 香 （ Platycarya strobilacea L． ） 、马尾松 （ Pinus massoniana L． ） 、洋 槐 （ Robinia pseudoacacia L． ） 、 构 树 （ Broussonetia papyrifera L． ） ，林 下 层 主 要 有 白 檀 （ Symplocos paniculata L． ） 、山胡椒（ Lindera glauca L． ） 、茶条槭 （ Acer ginnala L． ） 等． 各森林样地的植被生长季主 要集中在 3 ～ 10 月． 老山、龙王山、紫金山树木年 龄主要分布在 10 ～ 50 a 之间，其树木主要种植于 20 世纪 50 ～ 60 年代． 各农田观测地点近几十年来一 直为农业用地，种植作物主要为冬小麦、水稻、油 菜、小青菜等． 各观测地点的土壤类型均为黄棕壤 （ 灰马肝土属） ．
1018
环境科学
34 卷
上部分净初级生产力的增加而呈线性增加的趋势， Bond-Lamberty 等［10］认为不同观测地点的土壤呼吸 随叶面积指数增大呈线性增加的趋势． Chen 等［11］ 报道在全球尺度上土壤呼吸与有机碳含量之间的关 系表现为双曲线函数． 此外，Martin 等［12］发现土壤 呼吸观测点的海拔高度可较好地代表土壤养分、水 热和植被状况，其与土壤呼吸具有线性正相关关系． 虽然人们对土壤呼吸时空变异的影响因素这一问题 已进行了大量研究［13 ～ 17］，但对于土壤呼吸空间变异 性的影响因素的认识仍存在局限性，特别是在我国 土地利用方式多样、植被覆盖种类复杂的背景下， 研究不同土地利用方式下土壤呼吸变异性的关键影 响因素显得尤为重要．
在每个观测地点设置 4 个样地，每个样地面积 为 2 m × 2 m，在每个样地中预先将测定土壤呼吸的 PVC 底座埋入土壤中． 在设置样地时，尽可能避免 选取坡度很大的区域，以避免坡度对 CO2 通量的影 响． 去除掉底座内的植物，以避免测定的土壤呼吸 中包含植物的呼吸作用． 采用土壤 CO2 通量自动测 定系统（ Licor-8100，USA） 测定土壤呼吸速率． 在野 外将土壤呼吸数据采集完毕后，将数据调入到电脑 中安装的 Licor-8100 土壤呼吸速率分析软件程序 中，进 行 回 归 分 析 以 描 述 Licor-8100 仪 器 测 定 的 CO2 浓度随时间的变异情况，得到土壤呼吸速率． 1. 3 环境因子、森林植被及土壤性质观测
每次测定土壤呼吸速率的同时观测试验地点空 气温度及 5 cm 深土壤温度、湿度 （ 体积含水量） ． 在森林试验样地选取 5 m × 10 m 森林植被观测样 方，调查树木离地面 1. 3 m 处的胸高直径（ 取 4 棵树 木的均值） 以及样方内树木棵数、树高、凋落物厚 度等指标． 取样方内 0 ～ 15 cm 深土壤和地表凋落 物，测定土壤 pH、有机碳含量、全氮含量、有效磷、 速效钾，凋落物有机碳、全氮含量等指标．
以往研究表明，土壤呼吸在空间尺度上的变异
与温度、水分条件、植被、土壤有机碳、人为管理
措施等因素有关． 通常认为，土壤温度和湿度是决 定土壤呼吸空间变异的重要因素［7，8］． 有研究表明，
植被与土壤呼吸的空间变异有密切关系，例如，陈光 水等［9］发现 中 国 森 林 土 壤 呼 吸 随 凋 落 物 质 量 和 地