海南师范大学南校区地处低纬度热带北缘, 为热带海洋性季风气候。全年分旱、雨两季, 5月至10月为雨季, 11月至次年4月为旱季; 雨季高温多雨, 旱季温暖少雨; 年均日照超过2 000 h, 年均温23.8 ℃, 年均降水量1 664 mm, 年平均蒸发量1 834 mm; 盛行东南风和东北风, 年均风速3.4 m· s^-1。地势平缓, 属滨海平原区, 地表为第四纪基性火山岩和第四系松散沉积物, 土壤为沙质壤土。校区绿地面积占45%以上, 主要包括乔灌结合的行道树绿地和乔灌草结合的花园式绿地。栽种的乔木树种主要有棕榈科、豆科、桑科等, 以棕榈科为主; 灌木与草本植物种类繁多, 主要有芸香科、蔷薇科、紫茉莉科、唇形科、锦葵科、禾本科、马鞭草科、三白草科等^[15]。研究样地(19° 59'52″-19° 59'58″ N, 110° 20'18″-110° 20'21″ E)地处海南师范大学南校区, 为花园式城市绿地, 是乔、灌、草相结合的人工植物群落; 乔木层主要有王棕(Roystonearegia)和椰子(Cocos nucifera), 以孤植为主, 覆盖度约20%; 灌木层主要有软叶刺葵(Phoenix roebelenii)、扶桑(Hibiscus rosa-sinensis)、假连翘(Duranta repens), 以丛植为主, 覆盖度约15%; 地被层主要是地毯草(Axonopus compressus)、竹节草(Chrysopogon aciculatus), 绿地植被覆盖度接近100%。布置3个监测样点, 样点间生境相似, 土壤性状比较均一, 管理措施一致。草坪绿地为自然生长, 不翻耕, 不施肥, 不喷药, 仅在旱季进行喷灌式人工浇水, 全年浇水次数视干旱情况而定, 一般为10~20次; 每年采用便携式割草机修剪4~5次, 留茬高度约5 cm; 每次修剪之后, 将杂草、落叶一起运走。样地内表层土壤(0-20 cm)基本性状见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 样地0-20 cm土壤基本概况 Table 1 The basic soil characteristics of the sampling sites (0-20 cm) 样品编号 Number 有机质 SOM/g· kg-1 全氮 TN/g· kg-1 全磷 TP/g· kg-1 全钾 TK/g· kg-1 总盐分 TS/g· kg-1 阳离子交换量 CEC/cmol· g-1 pH 1 19.19 0.81 0.31 6.72 0.37 1.24 6.92 2 18.37 0.75 0.29 6.48 0.83 1.26 7.21 3 18.68 0.76 0.30 6.61 0.52 1.26 6.94 Note: SOM, soil organic matter; TN, total nitrogen; TP, total phosphorus; TK, total potassium; TS, total salt; CEC, cation exchange capacity.

表1 样地0-20 cm土壤基本概况 Table 1 The basic soil characteristics of the sampling sites (0-20 cm)

利用开路式土壤碳通量测量系统 (LI-8100A, LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA) 测定土壤呼吸速率。在南校区花园式绿地设置3个监测点, 每个测点安置1个土壤环(内径20 cm, 高12 cm的PVC圆环)。安装土壤环时, 要尽量减少对土壤表层扰动, 并保持基座高出土壤表面3 cm; 为减少对土壤的干扰, 观测期土壤环留在原地。每次实验开始前一天, 将基座内出露地表绿色植物齐地剪掉, 并尽可能不扰动地表凋落物, 不破坏土壤结构, 以减少人为扰动对测量结果的影响。2013年11月-2014年10月每月选取晴好天气2~3 d定点连续监测土壤CO₂通量变化, 仪器的测量时间设置为2 min, 重复测量3次, 每隔0.5 h测定一次土壤CO₂通量; 同时, 利用仪器配套的土壤温度、土壤水分传感器(TDR)同步测量5 cm深度地温和0-10 cm深度土壤体积含水量, 3个监测点数据取平均值进行统计分析, 气温数据由学校气象站采集。另外, 增加一次雨天(9月7日)土壤CO₂通量监测, 从07:00持续观测到19:00, 监测项目同上。

土壤呼吸的温度敏感系数Q₁₀的计算公式为^[16]:Q₁₀=e^10b。b为温度敏感系数, 是土壤呼吸速率与土壤温度指数模型(R_s=ae^bT)中的拟合常数, R_s为土壤呼吸速率, a为拟合常数, T为土壤温度。土壤微生物适宜的温度范围一般为16~30 ℃, 结合土壤温度数据, 分别计算旱季(日最高土壤温度< 30 ℃)、雨季(日最高土壤温度> 30 ℃)以及全年Q₁₀。

利用LI-COR提供的数据处理软件和Micrsoft Excel 2007、SPSS 21.0等软件对采集的数据进行分析处理。

2.1.1 草坪绿地土壤CO₂通量日变化特征 土壤CO₂通量日变化基本呈单峰曲线, 但也存在不规则的波动。选取2013年11月-2014年10月观测期间的1月5日-1月7日、9月26日-9月28日连续3 d的观测值为旱季、雨季土壤CO₂通量日变化的代表时段。观测之前天气晴好, 至少连续5 d没有降雨。旱季(1月5日-1月7日)与雨季(9月26日-9月28日)晴天的土壤CO₂通量日变化趋势呈现出白天高于夜晚的单峰曲线(图1)。1月5日-1月7日土壤CO₂通量日峰值出现在10:00-16:00, 谷值出现在00:30-04:00; 最低值出现在1月6日02:30前后, 为1.08 μ mol· (m²· s)^-1, 而最高值出现在1月6日的10:00, 为1.62 μ mol· (m²· s)^-1。9月26日-9月28日土壤CO₂通量日峰值出现在09:00-11:30, 谷值出现在21:00-次日00:00; 最低值出现在9月29日00:00前后, 为2.12 μ mol· (m²· s)^-1, 而最高值出现在9月26日09:00, 为3.36 μ mol· (m²· s)^-1。可见, 旱季土壤CO₂通量到达峰值、谷值的时间较雨季有一定的滞后性, 且数值也较低。

图1

Fig. 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 海口城市草坪绿地土壤CO2通量日变化特征Fig. 1 Diurnal variations of soil respiration rate at a urban lawn in Haikou

雨季日平均土壤CO₂通量明显高于旱季。旱季(1月5日-1月7日)土壤CO₂通量日均值1.27 μ mol· (m²· s)^-1; 雨季(9月26日-9月28日)土壤CO₂通量日均值2.58 μ mol· (m²· s)^-1; 雨季土壤CO₂通量日均值约为旱季的两倍。原因在于雨季土壤温度较高, 水分也较充足, 植物根系呼吸作用增强及土壤微生物活性较高的缘故; 而旱季则相反。

2.1.2 草坪绿地土壤CO₂通量年变化特征 草坪绿地年内土壤CO₂通量变化过程呈雨季高于旱季的不规则单峰曲线(图2)。年内不同月份土壤CO₂通量的日平均值波动较大, 最低值出现在12月, 为0.86 μ mol· (m²· s)^-1; 峰值出现在6月份, 为4.27 μ mol· (m²· s)^-1, 峰值约为峰谷的5倍。随着月均温度的下降, 土壤CO₂通量呈现逐渐减小趋势; 由于土壤CO₂通量还受降水、土壤性状等多种环境因子的影响, 不同月份的土壤CO₂通量波动较大; 同时, 雨季昼夜温差、土壤性状等变化均大于旱季, 致使雨季土壤CO₂通量变幅较旱季明显。

图2

Fig. 2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 海口城市草坪绿地土壤CO2通量年内变化特征Fig. 2 The monthly variations of soil respiration rate at a urban lawn in Haikou

2.2.1 土壤CO₂通量与大气温度之间的关系 城市草坪绿地土壤CO₂通量随着大气温度的上升而增加, 可用指数回归模型表示(图3)。草坪绿地月均土壤CO₂通量(y)与月均大气温度(x)之间的回归分析结果为y=0.309e^0.078x(P=0.000, R²=0.823), 二者极显著相关。

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 海口草坪绿地土壤CO2通量与大气温度和土壤温度的指数回归Fig. 3 Exponential regressions between soil respiration rate and temperature of air and soil

2.2.2 草坪绿地土壤CO₂通量与土壤温度(5 cm)之间的关系 指数模型较好地反映土壤CO₂通量与5 cm土壤温度之间的关系(图3)。草地每0.5 h的土壤CO₂通量(y)与土壤温度(x)之间回归分析结果为y=0.248e^0.083x (P=0.000, R²= 0.797, N=300), 二者极显著相关。

Q₁₀是衡量土壤CO₂释放对温度敏感性的重要指标, Q₁₀越高表明土壤呼吸速率对温度的依赖性越大。海口热带草地全年土壤温度为16.2~33.8 ℃, 在土壤生物正常活动的范围(< 35 ℃)之内。旱季(日最高土壤温度< 30 ℃)Q₁₀约为2.48, 雨季(日最高土壤温度> 30 ℃)Q₁₀为1.44, 全年Q₁₀为2.29。

2.2.3 草坪绿地土壤CO₂通量的环境因子影响比较 为研究各环境因子对土壤CO₂通量的影响, 利用SPSS 21.0对采集的数据进行统计分析(每月选取1 d, 07:00-19:00, 每0.5 h采集一个平均值, 共计300组数据)。土壤CO₂通量与土壤温度、大气温度和土壤体积含水量的Pearson相关系数分别为0.845、0.877和-0.112, 双侧检验显著性水平分别为0.000、0.000和0.054。可见, 土壤CO₂通量与大气温度、5 cm深土壤温度之间极显著相关, 而与土壤体积含水量相关性不显著。偏相关分析是剔除了其它相关因子的影响, 能够真实地反映各环境因子与土壤CO₂通量之间关系; 结果表明, 土壤CO₂通量与大气温度呈极显著正相关, 与5 cm深土壤温度呈显著正相关, 而与0-10 cm土壤体积含水量相关性不显著(表2)。

温度之间呈极显著的相关, 而与土壤体积含水量相关性不显著。偏相关分析是剔除了其他相关因子的影响, 能够真实地反映各环境因子与土壤CO₂通量之间关系; 结果表明, 土壤CO₂通量与大气温度呈极显著正相关, 与5 cm深土壤温度呈显著正相关, 而与0-10 cm土壤体积含水量相关性不显著(表2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 土壤CO2通量与影响因子的Pearson相关系数与偏相关系数(N=300) Table 2 Pearson correlation and partial correlation coefficient between soil respiration rate and its influence factors (N=300) 因变量 Dependent variable 项目 Item 自变量Independent variable 土壤温度 Soil temperature 大气温度 Air temperature 土壤体积含水量 Volumetric water content 土壤CO2通量 Soil CO2 flux Pearson相关系数Pearson coefficient 0.845* * 0.877* * -0.112 显著性(双侧)Sig.(bilateral) 0.000 0.000 0.054 偏相关系数Partial coefficient 0.127* 0.428* * 0.028 显著性(双侧)Sig.(bilateral) 0.029 0.000 0.631 Note:* and * * indicate significant correlation at the 0.05 and 0.01 level, respectively. 注:* 和* * 分别表示显著(P< 0.05)和极显著(P< 0.01)相关。

表2 土壤CO2通量与影响因子的Pearson相关系数与偏相关系数(N=300) Table 2 Pearson correlation and partial correlation coefficient between soil respiration rate and its influence factors (N=300)

2.2.4 大气降水对土壤CO₂通量的影响 与晴天相比, 雨天草地土壤CO₂通量变化过程更复杂, 变幅也显著增大(图4)。2014年9月7日早晨天阴, 10:00左右小雨, 14:00左右降雨强度加大, 一直持续到晚上22:00左右, 降雨总量达到100 mm。土壤水分随着降雨强度增加逐渐增多, 从20.4%增加到43.3%, 而土壤温度从29.2 ℃逐渐降到27.2 ℃。与此对应的是土壤CO₂通量不断升高, 到14:30达到最高值, 由降雨前的3.27升高到20.76 μ mol· (m²· s)^-1, 土壤呼吸速率增加了6倍多, 对应的土壤体积含水量、土壤温度分别为35.7%、28.7 ℃。随着降雨的持续, 土壤CO₂通量逐步降低, 到19:00左右降至1.43 μ mol· (m²· s)^-1, 降幅93%, 而表层0-10 cm处的土壤体积含水量上升到43.3%, 土温下降至27.2 ℃。可能因为持续降水入渗对土壤空气的挤出作用, 使土壤呼吸急剧增加; 而当降雨超过一定阈值, 土壤含水量升高甚至饱和, 降水对土壤呼吸产生抑制作用。

图4

Fig. 4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 9月7日降水过程土壤CO2通量、土壤温度、土壤水分的变化Fig. 4 Variations of soil respiration rate, soil temperature and soil volumetric water content during a rainfall process in 7th September

热带草地土壤CO₂通量日均值介于0.64 ~4.99 μ mol· (m²· s)^-1, 在各种陆地生态系统类型中处于较高水平。热带草地土壤CO₂通量值不仅高于亚热带城郊草坪绿地^[8], 也高于有机碳含量较多的高山草甸土壤CO₂通量值^[17]; 但其年内最大值比Michael等^[18]在安大略湖北部测得的草地生态系统年内最大值要低[5.70 μ mol· (m²· s)^-1)], 也略低于温带苜蓿(Medicago sativa)草地土壤呼吸^[19]。土壤水分充足, 土壤呼吸随温度升高而增加; 土壤水分不足, 干旱胁迫降低土壤呼吸, 而灌溉则会显著增加旱季土壤呼吸^[20]。尽管海口草地的土壤有机质含量较低, 但因地处热带, 光照强、温度高, 沙壤土透气性好, 土壤含水量较高, 故土壤呼吸较为旺盛。随着城市用地以及城市绿地面积快速扩张, 采取措施降低城市绿地土壤CO₂通量值, 对缓解城市热岛效应以及应对气候变化具有重要意义, 因而需要给予更多关注。

热带海口城市草坪绿地全年Q₁₀为2.29, 高于Bekku等^[21]的研究结果(热带Q₁₀为2.1), 也略高于同纬度的季节雨林和橡胶林土壤呼吸的Q₁₀值(2.16和2.18)^[22], 这可能与本研究区雨季降水较多, 旱季喷灌式人工浇水, 全年土壤水分含量较高有关。已有研究表明, 土壤呼吸对温度的敏感性随土壤水分的增加而增大, 即Q₁₀随着土壤水分的升高而上升^{[23, 24, 25]}。

较小强度降雨对土壤CO₂通量变化较小; 随着降雨强度加大, 持续时间延长, 土壤CO₂通量急剧增加^[26]; 而当土壤水分含量较高时, 降雨则抑制土壤CO₂释放速率^{[27, 28, 29]}。土壤呼吸对降雨的响应是一个尚未十分清楚的生物地球化学过程, 降雨可能会增加或抑制土壤CO₂通量。因此, 需要开展不同时间尺度上土壤CO₂通量与土壤性状、土壤微生物、大气环境等多要素综合研究, 才能区别降雨入渗带来的置换效应与降雨改变底物供应的激发效应, 才能进一步阐明土壤呼吸对降雨的响应机制。

1)热带城市草地土壤CO₂通量日、年变化多呈单峰曲线。土壤CO₂通量日峰值一般出现在09:00-16:00, 雨季土壤CO₂通量到达峰值时间较旱季要早; 6月份日均土壤CO₂通量最高, 12月份最低。

2)温度是热带城市绿地土壤CO₂通量较高的主要原因及其变化的关键影响因子。土壤CO₂通量变化与温度呈显著的正相关关系, 而与土壤体积含水量之间的相关性不显著。

3)降雨对热带城市绿地土壤CO₂通量存在挤出或抑制作用。强度较小的降雨对土壤CO₂通量变化影响较小, 强度较大的降雨可导致土壤CO₂通量短时间大幅增加, 而持续降雨则使土壤CO₂通量受到抑制。