华北低山丘陵区绿豆和玉米农田土壤呼吸动态研究

不同作物覆被下的土壤呼吸研究是农田生态系统碳循环的重要研究内容.基于气体红外分析技术,2006年对华北低山丘陵区绿豆和玉米农田的土壤呼吸进行观测,并分析两种农田生态系统土壤呼吸的日动态和季节变化特征及其影响机制.结果表明,绿豆全生育期(7月15日-10月3日)的平均土壤呼吸速率为2.11 μmol·m-2·s-1,显著大于玉米的1.90μmol·m-2·s-1(P＜0.05).两种植被覆盖下的土壤呼吸均呈现明显的季节变化规律,最大值均出现在8月9日,玉米土壤呼吸的季节变化振幅大于绿豆.统计分析表明,土壤温度是绿豆和玉米生态系统土壤呼吸动态变化的主要影响因子,van't Hoff模型和Arrhenius模型模拟的决定系数均超过0.73,土壤呼吸与土壤水分的相关关系不明显.绿豆和玉米土壤呼吸的温度敏感性指数Q10分别为3.31和2.16,Arrhenius模型模拟效果略优于van't Hoff模型,玉米土壤的活化能(79.41kJ·mo1-1)大于绿豆土壤(55.72kJ·mol-1).     

不同碳氮管理措施对春玉米农田土壤呼吸的影响

基于山西省寿阳旱作试验区长期定位试验,以春玉米农田为研究对象,探讨了不同碳氮管理措施对春玉米农田土壤呼吸的影响及土壤呼吸与土壤温度的关系。结果表明:碳氮处理土壤呼吸高于无肥区,其中施用化肥105 kg·hm-2、秸秆3 000 kg·hm-2、有机肥3 000 kg·hm-2时,土壤呼吸速率最低,为2.24μmol·m-2·s-1,与无肥区差异不显著;施用化肥31 kg·hm-2、秸秆5 121 kg·hm-2、有机肥4 500 kg·hm-2时,土壤呼吸速率最高,达3.51μmol·m-2·s-1,高出无肥区72.0%。化肥、秸秆、牛粪编码值与土壤呼吸速率满足关系式y=2.2-0.1 x1+0.2 x2-0.2 x1x3+0.2 x12+0.1 x22+0.1 x32,当化肥、秸秆、牛粪用量分别为131、1 500、3 750 kg·hm-2时,土壤呼吸速率达到最小值2.075μmol·m-2·s-1,该施肥配方可为当地春玉米生产施肥管理提供参考依据。土壤呼吸与土壤温度间存在y=a Tb显著相关关系,可解释两者间变异的46.9%~81.2%,Q10变化范围为1.86~4.71。综上可知,合理的碳氮管理措施可有效控制CO2的排放,并影响土壤呼吸对土壤温度的敏感性。     

紫色土丘陵区保护性耕作下旱地土壤呼吸及影响因素

为了探讨保护性耕作对旱作农田土壤呼吸的影响,采用LI6400XT便携式光合作用测量系统自带的土壤呼吸室(6400-09)在重庆北碚西南大学试验农场对传统耕作(T,traditional farming)、垄作(R,ridge planting)、传统耕作+秸秆覆盖(TS,traditional farming+straw mulching)、垄作+秸秆覆盖(RS,ridge planting+straw mulching)、传统耕作+秸秆覆盖+秸秆速腐剂(TSD,traditional farming+straw mulching+decomposing agent)、垄作+秸秆覆盖+秸秆速腐剂(RSD,ridge planting+straw mulching+decomposing agent)6种处理下的西南紫色土丘陵区小麦/玉米/大豆套作体系中作物生长季节的土壤呼吸及其水热因子进行了测定和分析。结果表明,6种处理中土壤呼吸速率的季节变化明显,各处理日均土壤呼吸速率差异显著。其中在小麦-大豆条带,小麦土壤呼吸速率均值为1.53μmol m-2s-1,大豆土壤呼吸速率日均值为4.10μmol m-2s-1,各处理日平均土壤呼吸速率大小排序为TRTSTSDRSRSD。在空地-玉米-空地条带,玉米土壤呼吸日均值为2.56μmol m-2s-1,介于小麦和大豆土壤呼吸速率之间,各处理日平均土壤呼吸大小排序为RTRSTSRSDTSD。整个套作体系土壤呼吸总量C为1 543~2 134 g m-2,表现为TRRSTSTSDRSD。研究结果还显示土壤温度和土壤水分是影响旱地农田土壤呼吸的主要因素,二者分别解释了土壤呼吸季节变化的28.9%~53.7%和13.7%~42.0%。水热因子与土壤呼吸速率的回归分析表明,指数方程较好地模拟了土壤呼吸与10 cm土温的关系,土壤呼吸的温度敏感性指标Q10值在2.25~2.69之间;而土壤呼吸与5 cm土壤水分的关系以抛物线型函数模拟最优。土壤呼吸对土壤水分的响应阈值为14.94%。该研究为明确农田生态系统土壤呼吸变化规律及影响因素的控制机理提高参考,对估算全球碳平衡、评估区域碳源汇具有重要意义。     

生物炭对干旱区绿洲农田土壤呼吸的影响

为探究不同粒径秸秆生物炭添加对绿洲农田土壤CO2排放及Q10的影响,以新疆典型绿洲农田土壤灰漠土为供试材料,采用室内土柱培养的方法,研究添加＞5、1～5、0.25～1和＜0.25mm共4种粒径棉花秸秆生物炭和葡萄藤生物炭对农田土壤CO2释放的影响。结果表明：（1）试验周期内（0～85d）,添加生物炭处理土壤呼吸速率呈先增加后降低的趋势,前10d土壤呼吸增速较高;添加生物炭的土壤呼吸速率（1.27μmol·m-2·s-1）高于不添加生物炭的对照处理（1.01μmol·m-2·s-1）,棉花秸秆生物炭处理土壤呼吸速率（1.43μmol·m-2·s-1）高于添加葡萄藤生物炭处理（1.08μmol·m-2·s-1）。培养期内土壤CO2累积过程符合一级反应动力学方程,生物炭添加改变了土壤CO2潜在排放量、周转速率和半周转期。（2）添加棉花秸秆和葡萄藤两种生物炭处理与土壤CO2累积排放量（y）分别符合y=7.51x+88.53和y=2.68x+75.85的线性关系（x为生物炭粒径）。（3）添加生物炭处理土壤呼吸速率与空气温度和土壤温度显著相关,棉花秸秆生物炭处理土壤呼吸速率与温度的相关性高于葡萄藤生物炭处理,土壤温度敏感系数随粒径的减小而增加。综合土壤呼吸速率和温度敏感系数考虑,建议绿洲农田施用1～5mm中等粒径生物炭。     

稻-油轮作农田油菜生长季土壤呼吸作用及其影响因素分析

本文以西南地区稻-油轮作农田为研究对象,于2009年11月—2010年4月油菜生长期间采用静态暗箱法进行了土壤呼吸速率的观测,通过选择植株生长处、株间及行间3个样点研究土壤呼吸速率的时间变化及空间异质性,综合分析了土壤温度、土壤湿度、根系生物量、土壤有机碳以及C/N对土壤呼吸作用的影响。结果表明,油菜季土壤呼吸速率的日变化为单峰型,最大值出现在下午15:00。土壤呼吸速率的季节变化显著,呈现为先降低后升高的变化趋势,最低值出现在2010年1月。在植株尺度上,土壤呼吸作用存在明显的空间异质性,较高的土壤呼吸速率通常出现在靠近油菜植株的地方,表现为:植株生长处(336.71 mg·m-2·h-1)>株间(248.48 mg·m-2·h-1)>行间(141.77 mg·m-2·h-1)。土壤呼吸作用中根呼吸作用所占比例的季节变化呈单峰型,表现为生长初期小于生长中期和后期。在整个油菜生长季,根呼吸对土壤呼吸的贡献为25.78%~72.61%,平均为51.03%。土壤呼吸速率受多个环境因子的影响,与地表温度呈显著指数关系,与根系生物量呈显著线性关系,与土壤微生物生物量碳、易氧化有机碳及颗粒有机碳存在显著或极显著正相关。     

黔中喀斯特地区不同林型春季土壤呼吸研究

采用LI-6400便携式光合测定系统及土壤呼吸叶室6400-09对黔中喀斯特地区5种林型的土壤呼吸速率进行了测定和分析.结果表明,土壤呼吸速率日动态均呈单峰型;马尾松林土壤呼吸速率的昼夜变化值比阔叶林平均高0.91 CO2 μmol/(m2·s),其中凋落物部分平均高1.50 CO2 μmol/(m2·s);呼吸速率日均值为马尾松林(4.41 μmol/m2·s)>柏木林(3.55 μmol/m2·s)>阔叶林(3.49 μmol/m2·s)>灌木林(3.32 μmol/m2·s)>针阔混交林(3.05 μmol/m2·s);呼吸速率日极差与El呼吸速率平均值的比值为马尾松林(40.56%)>灌木林(23.91%)>针阔混交林(23.29%)>阔叶林(18.46%)>柏木林(13.70%);凋落物占土壤呼吸速率的比重为马尾松林>针阔混交林>灌木林>柏木林>阔叶林;土壤呼吸速率与5 cm土温关联较大;土壤湿度与土壤呼吸速率值呈负相关.     

模拟酸雨对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影响

为研究模拟酸雨对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影响,在农田进行随机区组试验,布设4个区组,每块区组随机设置4个模拟酸雨处理,分别为去离子水A1（pH=6.7）、A2（pH=4.0）、A3（pH=3.0）、A4（pH=2.0）。采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统对不同酸雨强度的冬小麦-大豆轮作农田进行土壤呼吸速率观测,并采用气压过程分离技术（BaPS）测定不同酸雨处理的土壤CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率。试验结果表明,冬小麦田各处理间土壤呼吸速率无显著差异（P〉0.05）;大豆田高强度模拟酸雨A4处理明显抑制了土壤呼吸作用（P〈0.05）。就冬小麦-大豆轮作生长季而言,各处理土壤呼吸速率无显著差异（P〉0.05）,其平均土壤呼吸速率分别为（2.26±0.11）、（2.31±0.20）、（1.91±0.09）、（2.03±0.17）μmol·m-2·s-1。冬小麦田A1、A3、A4处理间土壤CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率均无显著性差异（P〉0.05）。高强度模拟酸雨抑制了大豆田土壤CO2产生速率;大豆田A1、A3、A4处理的硝化速率测定均值分别为（191.6±36.1）、（261.6±36.3）μg·kg-1·h-1和（255.2±45.1）μg·kg-1·h-1,这3个处理的反硝化速率均值分别为（172.8±19.8）、（216.0±45.7）μg·kg-·1h-1和（216.3±44.6）μg·kg-·1h-1。研究表明,模拟酸雨强度升高未显著影响冬小麦田土壤呼吸、硝化和反硝化作用;高强度模拟酸雨（pH=2.0）降低了大豆田土壤呼吸速率和CO2产生速率,但对土壤硝化和反硝化作用有促进作用。     

模拟增温增雨对克氏针茅草原土壤呼吸的影响

利用开顶式生长室（OTC）于2011年7-9月和2012年5-9月两个植物生长季在以克氏针茅（Stipa krylovii）为主要建群种的典型草原进行模拟增温和增雨的控制试验,以探讨增温和增雨及其交互作用对内蒙古克氏针茅（S.krylovii）草原土壤呼吸的影响。结果表明：（1）土壤呼吸速率日内变化和逐日变化均呈单峰曲线趋势,全天15：00达到最高值（2.26μmol·m-2·s-1）,生长季8月初达到最高值（5.51μmol·m-2·s-1）。9：00-11：00土壤呼吸速率能较好代表全天24h均值。（2）与对照相比,增温1.91℃使土壤呼吸速率降低19.0%,且白天降幅大于夜间。增雨20%使土壤呼吸速率较对照增加18.6%。而增温增雨（气温增加1.64℃,降雨量增加20%）处理下,土壤呼吸速率较对照增加13.0%。（3）土壤呼吸速率与土壤含水量、土壤温度均具有显著相关关系。约79%的土壤呼吸速率是由土壤温度和土壤含水量共同决定的,其中以土壤含水量为主（R2=0.797,P〈0.001）。气温升高使土壤含水量降低,间接导致土壤呼吸速率下降。研究结果可为典型草原科学应对气候变化和草地畜牧业可持续发展提供依据。     

黄土区夏闲期土壤呼吸变化特征及其影响因素

本文以1984年设立在黄土旱塬区长期田间定位试验为平台,于2009年采用动态密闭气室法(Li-8100,USA),监测了不同施肥措施下旱地冬麦种植系统中休闲期(7月至9月)土壤呼吸、10cm土层的温度和含水量变化,研究了休闲期土壤呼吸变化特征及其与环境因子的关系。结果表明:黄土旱塬农田休闲期土壤呼吸速率变化剧烈,最大值为5.05μmol m-2s-1,最小值为0.06μmol m-2s-1,平均值为2.00μmol m-2s-1,变异系数为116.5%;整个休闲期不同施肥处理的土壤呼吸速率大小为:化肥有机肥配施处理(NMP)有机肥处理(M)化肥氮磷处理(NP)化肥氮处理(N)和不施肥处理(CK);2009年7月7日至9月11日间NPM、M、NP、N和CK处理土壤CO2-C排放量分别为2.0、1.6、1.2、0.8和0.8 Mg hm-2;土壤呼吸与土壤水分为极显著抛物线关系(p0.01),可解释55%以上的土壤呼吸变异性;土壤呼吸与土壤温度呈显著线性相关(p0.01),但仅能解释呼吸作用变异性的19%~39%;土壤呼吸对耕作的响应强度与微生物量碳极显著线性正相关(p0.01),与土壤有机碳显著线性正相关(p0.05),与全氮、可溶性碳无明显关系(p0.05);降雨对土壤呼吸的促进或抑制主要取决于降雨前的土壤水分状况。长期水分亏缺降雨,降雨可明显促进土壤呼吸,而土壤水分充足时,降雨抑制土壤呼吸,其影响大小与土壤有机碳、全氮、土壤可溶性碳和微生物量碳密切相关。休闲期土壤呼吸受土壤水分、土壤干湿变化、土壤温度、翻耕及土壤有机碳水平等因素的影响。     

色季拉山4种林型土壤呼吸及其影响因子

土壤碳是森林生态系统最大的碳库,是其森林生态系统碳循环的极其重要组分。森林土壤呼吸时陆地生态系统土壤呼吸的重要组成部分,其动态变化对全球碳平衡有着重要的影响,然而目前对藏东南地区森林土壤呼吸的研究还比较薄弱。为探讨不同林型土壤呼吸差异及其影响因子,采用Li-8100便携式土壤呼吸测定仪,研究了藏东南色季拉山4种原始森林生态系统(高山灌丛AS、方枝柏SS、杜鹃RF、急尖长苞冷杉AGSF)的土壤碳动态。结果表明:(1)藏东南色季拉山寒温带森林土壤呼吸具有明显的日变化和季节变化。在日变化方面,CO2的排放通量存在明显的日变化规律,排放通量在白天16:00左右最高,最低值出现在凌晨6:00左右,一天内土壤呼吸作用均呈单峰型曲线变化。季节变化方面,CO2排放的通量的季节变化趋势表现为6月份随着天气转暖和植被生长土壤呼吸作用逐渐增大,7月份气温最高时土壤呼吸作用也达到最大值随后,9月份气温逐渐下降,土壤呼吸作用也逐渐降低。(2)4种森林类型的土壤呼吸速率在植物生长季内与土壤表层(10 cm)土壤温度均呈不同程度的正相关,而与土壤含水量的相关性较弱。土壤温度是决定藏东南色季拉山土壤呼季节变化的主要因子。该研究为明确森林生态系统土壤呼吸变化规律及其影响因素的控制提供参考,同时对估算地区碳平衡、评估区域碳源汇具有重要意义。     

Freezing as a means of preserving samples in soil respiration studies

Summary Freezing was investigated as a means of preserving samples in soil respiration studies. Concentrations of CO₂ in the headspaces of incubation bottles before and after freezing, and respiration rates derived from fresh or frozen samples were not significantly different over periods of up to 30 days. Freezing permits many samples to be assayed for respiratory activity at one time, increases the accuracy of the incubation period and defers the need to analyse headspace concentrations of CO₂ until it is convenient.     

腾格里沙漠植被重建对土壤呼吸的影响

植被重建是防止和控制沙漠化的有效措施之一。为探讨腾格里沙漠植被重建对土壤呼吸的影响,利用Li-6400-09土壤呼吸室于2007年观测了1989年建立的植被重建区和流沙区土壤呼吸差异,并采用根系隔离法区分了植被重建区的土壤基础呼吸和根际呼吸。结果表明,植被重建18a显著影响了该区土壤CO2的释放过程,总土壤呼吸速率由流沙区的CO20.107±0.008μmolm-2s-1显著增加到植被区CO20.483±0.033μmolm-2s-1,而且出现了较为明显的季节波动。植被重建不但导致根际呼吸速率增加,而且影响了土壤基础呼吸速率。此外,植被重建区灌木的缀块状分布格局和养分的空间异质性导致了土壤呼吸的空间差异。     

长期施肥对冬小麦/夏玉米轮作下土壤呼吸及其组分的影响

为阐明施肥对农田土壤呼吸的影响,于2002年6月至2003年6月在河南封丘潮土上进行的长期试验地上测定了玉米/冬小麦轮作系统下的土壤呼吸,分析了土壤呼吸与土壤水分和温度的关系,并利用统计分析方法研究了土壤呼吸各组分的贡献。土壤呼吸变化与作物生长发育规律一致,施肥通过影响作物的生长发育而对土壤呼吸产生影响。不同作物生长期,根际呼吸、土壤原有机质以及前作根茬和有机肥中碳对土壤呼吸的贡献不同。玉米期土壤有机质、根际呼吸、前作根茬和有机肥中的碳对土壤呼吸的平均贡献率分别为70.19%、19.43%和10.37%;而小麦生长期则分别为23.75%、62.26%和14.11%。由于不同施肥处理的作物生长量、土壤有机质含量以及前作根茬和有机肥施入而进入的有机碳量不同,造成土壤呼吸个体上存在着较大差异。土壤有机质的消耗主要发生在玉米生长阶段。     

The contribution of plant roots to CO2 fluxes from organic soils

The CO₂ released in soil respiration is formed from organic matter which differs in age and stability, ranging from soluble root exudates to more persistent plant remains. The contribution of roots, a relatively fast component of soil cycling, was studied in three experiments. (1) Willows were grown in a greenhouse and CO₂ fluxes from the substrate soil (milled peat) and from control peat were measured. (2) CO₂ fluxes from various peatland sites were measured at control points and points where the roots were severed from the plants. (3) CO₂ fluxes in cultivated grassland established on peatland were measured in grassy subsites and in subsites where the growth of grass was prevented by regular tilling. The root-derived respiration followed the typical annual phenology of the vegetation, being at its maximum in the middle and late summer. All the experiments gave similar results, root-derived respiration accounting for 35–45% of total soil respiration in the middle and late summer at sites with an abundant vegetation. The root-derived respiration from the virgin peatland sites correlated well with the tree biomass, and also partly with the understorey vegetation, but in the drained sites the root effect was greater, even in the presence of less understorey vegetation than at virgin subsites.     

Substantial rewetting phenomena on soil respiration can be observed at low water availability

Although metabolic activity of soil organisms is determined by water accessibility, little attention was given to rewetting with different water potentials. Rapid water potential increase induced a respiration pulse in organic layers in laboratory experiments and significant effects could be observed when soil below −6300 hPa was rewetted.     

Influence of polychlorinated biphenyls on microbial biomass and its activity in grassland soil

Microbial biomass content, soil respiration and biomass specific respiration rate were measured in two parts of an area polluted by a municipal waste incinerator [polychlorinated biphenyls (PCBs) from combustion processes]. The soils in the studied parts differed significantly only in their levels of PCBs. The concentration of PCBs found in a control plot (4.4 ng g^-1 soil) can be regarded as a background value while the polluted plot contained an increased amount of PCBs (14.0 ng g^-1 soil). A significantly lower microbial biomass (decreased by 23%, based on the chloroform-fumigation extraction technique) and a lower specific respiration rate (decreased by 14%) were observed in the polluted plot in comparison with the control plot at the end of experimental period (1992–1994). Furthermore, a lower ability of microorganisms in the polluted plot to convert available C_org into new biomass was found in laboratory incubations with glucose-amended samples.     

乙草胺对土壤微生物数量及土壤呼吸的影响

通过室内瓶培养试验,研究了不同浓度(0.3、3、30μgkg-1干土)乙草胺对土壤呼吸、土壤细菌、放线菌和真菌数量的影响,结果表明乙草胺在培养初期促进土壤呼吸强度,之后土壤呼吸强度恢复到对照水平,甚至有降低的趋势;对细菌数量有先增长后抑制的趋势;对放线菌数量具有促进-抑制-恢复的趋势;对土壤真菌数量具有先抑制-恢复-促进的趋势。其研究结果为合理施用乙草胺提供理论依据。     

Understory plants can make substantial contributions to soil respiration: Evidence from two subtropical plantations

Although the importance of understory plants for ecosystem function and processes has been increasingly recognized, the contribution of understory root respiration to soil respiration in forest ecosystems has seldom been studied. In this experiment, we quantified understory root respiration in two subtropical Eucalyptus plantations (2-year-old and 24-year-old). When Eucalyptus was not girdled, understory root respiration accounted for 16% and 36% of total soil respiration in the young and old plantation, respectively. However, the percentages of understory root respiration to total soil respiration were 30% and 11% in the young and old plantation when Eucalyptus was girdled, respectively. We propose that understory root respiration can be substantial in subtropical forests and should be considered in ecosystem carbon budget.     

磺胺类兽药对土壤生化功能及氮素的影响

研究了磺胺类药物对土壤呼吸作用、硝化作用、氨化作用、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮及全氮的影响。结果表明,相对较低浓度药物残留(10 mg/kg土)对土壤呼吸作用的影响呈现"激活-抑制"循环的规律,而相对较高浓度药物残留(50 mg/kg土)对土壤呼吸作用的影响则呈现"抑制-激活-抑制"的规律,因此,磺胺类药物残留会抑制土壤呼吸作用。相对较低浓度药物残留(10 mg/kg土)对土壤硝化作用、氨化作用呈现"激活-恢复"的规律,而相对较高浓度药物残留(50 mg/kg土)对土壤硝化作用、氨化作用则一直呈现"激活"的状态,因此,磺胺类药物残留会刺激土壤的硝化作用与氨化作用。土壤氮素是生物圈内氮循环的重要指标,磺胺类药物残留对土壤氮素有一定的抑制作用,若长期保持着较高残留水平,则会破坏土壤的氮循环。     

Influence of the water regime on denitrification and aerobic respiration in soil

Summary The influence of soil moisture on denitrification and aerobic respiration was studied in a mull rendzina soil. N₂O formation did not occur below –30 kPa matric water potential (_m), above 0.28 air-filled porosity (a) and below 0.55 fractional water saturation (_v/PV volumetric water content/total pore volume). Half maximum rates of N₂O production and O₂ consumption were obtained between _m = –1.2 and –12 kPa,a = 0.05 and 0.23, and _v/PV = 0.63 and 0.92. No oxygen consumption was measured at _v/PC 1.17. O₂ uptake and denitrification occurred simultaneously arounda = 0.10 (at _m = –10 kPa and _v/PV = 0.81) at mean rates of 3.5 µl O₂ and 0.3 µl N₂ h^–1g^–1 soil. Undisturbed, field-moist soil saturated with nitrate solution showed constant consumption and production rates, respectively, of 0.6 µl O and 0.22 µl N₂O h^–1g^–1 soil, whereas the rates of air-dried remoistened soil were at least 10 times these values. The highest rates obtained in remoistened soil amended with glucose and nitrate were 130 µl O₂ and 27 µl N₂O h^–1g^–1 soil.