Response of soil respiration to dry-wet alternation in karst farmland

研究区位于贵州省贵阳市乌当区(26°38N，106°48′E)，属于亚热带季风气候，年平均气温为14.9 ℃，年均降水量为1 130.4 mm。该地区是喀斯特地貌发育区，碳酸盐类岩层分布广，地貌类型以山地、丘陵为主，岩石类型以石灰岩为主，土壤类型主要由黄壤、黄棕壤、石灰土组成。本研究区内土壤类型为石灰土， pH为7.21，有机碳质量分数为55.40 g·kg⁻¹，速效氮为87.36 mg·kg⁻¹，速效磷为1.87 mg·kg⁻¹。该区土壤干湿交替主要由降水事件导致。

以研究区内石灰性农田作为研究对象，采取表层土(0~20 cm) 带回实验室，放在通风状况良好、阴凉的地方风干。风干后的土壤挑出石块和可见植物残体样品，研磨，过2 mm筛备用。

试验于2022年8—9月在贵州师范学院温室大棚进行。将处理好的风干土充分混合均匀，平铺到聚氯乙烯(PVC)管底部(PVC管底部密封，高15 cm，内径10 cm，土层厚度5 cm，上部留有10 cm的空间)。根据贵阳市多年降水特征(该区以小于10 mm的降水为主)模拟2个降水量处理，分别是10和25 mm降水量，试验持续30 d (720 h)。在每个降水量处理下设置3个以10 d为降水周期的干湿循环周期，每个处理设置6个重复，其中3个重复用于测量土壤CO₂排放，另外3个重复用于同步测量土壤含水量。对用于测量土壤CO₂排放通量的PVC管，整个实验期间，只对其进行CO₂监测，不对其进行破坏性采样。采用喷壶喷洒的方式模拟降水，向土壤表面均匀喷洒蒸馏水，喷水当天记作第1 天，第11 天、第21 天分别采用相同方法向土壤表面喷洒蒸馏水。第1天喷水后至第10天喷水前记作第1个周期，第11天加水后至第20天加水前记作第2个周期，第21天加水后至第30天记作第3个周期。洒水后第1天，在不同的时间(喷水后1、2、4、6、8、12、24 h)测定土壤呼吸速率，再在第4天、第7天和第10天各测定土壤呼吸速率1次。每次测定土壤呼吸速率时，用密封盖对PVC管进行密封，形成采样气室，每次监测持续时间为15 min，分别监测罩箱内0、5、10和15 min时的CO₂浓度。在每次土壤呼吸速率监测结束后，打开密封盖，保持PVC管处于自然通风状态。土壤CO₂使用CO₂测定仪器-红外传感器(Vaisala GMP252)测定。土壤体积含水量(5 cm)用土壤温湿度速测仪(JL-19-2)测定。

CO₂排放通量利用式(1)计算：

式(1)中：F为CO₂排放通量(mg·m⁻²·h⁻¹)；M为标准状态下CO₂的摩尔质量(44 g·mol⁻¹)；H为采样箱高度 (m)；P为采样点大气压强 (kPa)；P₀和T₀分别是标准状态下的大气压强和空气绝对温度(101.325 kPa和273.15 K)；V₀是标准状态下气体摩尔体积22.41 L·mol⁻¹；T是采样时该点的温度 (K)；dc/dt是CO₂浓度随时间变化的速率。干湿交替处理CO₂累计排放量计算公式为：

式(2)中：E为CO₂累计排放量(mg·m⁻²)；F为CO₂排放通量(mg·m⁻²·h⁻¹)；i为采样次数(i=1,2$, \cdots ,n $)；t为采样时间(h)。

数据前期处理、统计分析及绘图分别用Excel 2013、SPSS 18.0和Origin 9完成。采用单因素方差分析(one-way ANOVA) 分别对不同干湿交替强度下土壤呼吸速率与土壤累计CO₂排放量的影响进行差异性检验，采用Pearson相关分析法分析土壤呼吸和土壤湿度的相关性。

2种干湿交替强度下，随着水分的施加，土壤CO₂排放通量短时间内达到最大值，随后逐渐下降(图1)。其中，25 mm降水干湿交替强度下，土壤CO₂排放通量达到最大值的时间要明显晚于10 mm降水干湿交替强度。土壤含水量变化基本与水分的施加同步，随周期性的水分施加土壤湿度呈现从大到小的趋势(图2)。

Figure 1.  Dynamics of soil CO₂ emission flux under two different intensities of wet-dry alternation

Figure 2.  Dynamics of soil moisture under two different intensities of wet-dry alternation

如图3所示：在第1个周期中，10和25 mm降水干湿交替强度下，平均土壤CO₂排放通量分别是162.62、346.28 mg·m⁻²·h⁻¹；第2个周期中2种干湿交替强度下，平均土壤CO₂排放通量分别是139.15、 144.00 mg·m⁻²·h⁻¹，比第1个周期分别降低了14.17%、58.42%；第3个周期的2种干湿交替强度下，平均土壤CO₂排放通量分别是108.85、43.54 mg·m⁻²·h⁻¹，比第1个周期分别降低了32.86%、87.43%。方差分析结果显示：10 mm降水干湿交替强度下，不同周期土壤CO₂排放通量之间差异不显著；25 mm降水干湿交替强度下，不同循环周期间土壤CO₂排放通量差异显著(P＜0.05)；第1个和第3个周期土壤CO₂排放通量在不同干湿交替强度下显著不同(P＜0.05)，而第2个周期干湿交替强度对土壤CO₂排放通量影响不显著(P＞0.05，图3)。

Figure 3.  Average soil CO₂ emission flux of three drying and rewetting cycles with two different intensities of wet-dry alternation

在整个干湿交替周期中，25 mm降水干湿交替强度的土壤CO₂累计排放量比10 mm降水干湿交替强度更多。土壤CO₂累计排放量在每个周期中都是在水分施加后先是快速增大，之后增大的趋势减缓(图4)。图5表明：在不同周期，25 mm降水干湿交替强度下，第1个周期土壤总CO₂排放量和第2个循环周期差异不显著，第1个周期和第2个周期土壤总CO₂排放量与第3个周期差异均显著(P＜0.05)。10 mm降水干湿交替强度下，不同周期土壤总CO₂排放量之间差异不显著；不同的干湿交替强度下，各周期之间土壤总CO₂排放量差异显著(P＜0.05)。

Figure 4.  Dynamics of accumulated soil carbon release under two different intensities of wet-dry alternation

Figure 5.  Total CO₂ release of three drying and rewetting cycles with two different intensities of wet-dry alternation

由表1可知：第1个和第2个干湿交替周期的土壤含水量和土壤CO₂排放通量之间有极显著的相关关系(P＜0.001)，而第3个干湿交替周期土壤含水量和土壤CO₂排放通量之间相关不显著。干湿交替多个周期作用下，土壤含水量和土壤CO₂排放通量之间的相关程度不断降低。

1958年，BIRCH^[34]最早观测到降水导致的土壤水分变化能够激发土壤呼吸，该现象被称为“Birch效应”。干旱土壤再湿润过程引起的CO₂脉冲可持续20 d以上^[35]，且土壤呼吸速率可提高5倍以上(与恒湿土壤相比)^[36]，因此，干湿交替被认为是影响土壤呼吸的重要因素^[37]。研究表明：受降水量、土壤初始含水量、降水格局、生态系统类型、干旱持续事件和干湿交替频率和强度的影响^[19]，土壤干湿交替引起的土壤碳排放可能呈现不同的变化规律。本研究结果表明：干湿交替强度显著影响土壤呼吸。2种干湿交替强度下，随着水分的施加，土壤CO₂排放通量均从较低水平逐渐达到最大值，然后再逐渐降低。这是因为随着水分的施加，土壤水分达到饱和或者积水状态，较高的土壤水分使土壤透气性变差，微生物呼吸的氧气利用受到限制^[38]。而后，随着时间的推移，土壤水分降低，土壤透气性得到改善，氧气的利用率提高，土壤CO₂排放通量迅速提高^[39]。其原因，一方面可能是干湿交替引起的空气压迫以及土壤的膨胀-收缩过程，导致土壤团聚体发生物理破坏并促使有机质暴露于微生物，最终通过加速微生物对有机质的分解而排放大量CO₂^[40−41]。另一方面在极端干旱环境下，微生物通过休眠或者细胞脱水等方式存活^[42−43]，当土壤水分增加时，微生物得到水分补给，其活性增强^[44−45]，且总量和丰度升高^[46]。

此外，2种不同强度干湿交替下不同周期土壤CO₂排放通量也具有一定的差异。在不同的周期内，25 mm降水干湿交替强度每个周期土壤CO₂排放通量差异显著，而10 mm降水干湿交替强度下的不同周期土壤CO₂排放通量差异不显著。有研究表明：土壤呼吸短时间内升高后逐渐下降的原因可能是由于经过多次的干湿交替过程中，土壤可利用有机质被消耗减少^[47]，从而影响了土壤的生物活性，使土壤呼吸下降。在没有外源有机碳输入的情况下，土壤经过反复的干湿交替后，土壤团聚体稳定性得到提高，释放有机质的能力减弱，土壤有机质释放量减少^[48]。25 mm降水干湿交替强度下，第1个周期土壤可利用有机质得到充分释放利用，而在第2个和第3个周期这种可利用有机质被消耗后不断减少，因此，该干湿交替强度下，从第1个周期到第3个周期，土壤CO₂排放通量下降趋势明显。10 mm降水干湿交替强度下，3个周期的土壤CO₂排放通量差异不显著。这有2个原因：一方面，土壤可利用有机质可能并未得到充分释放，反复的干湿交替作用下，土壤仍能释放出可利用有机质被微生物利用；另一方面，本研究所涉及的土壤类型为喀斯特地区的石灰性土壤，在10 mm降水干湿交替强度下，土壤碳酸盐溶解/沉淀过程排放的土壤CO₂占比可能较大，从而导致喀斯特地区石灰性土壤对干湿交替的响应与其他土壤类型存在一定差异，如赵蓉等^[11]研究了固沙植被区土壤呼吸对反复干湿交替的响应，表明5、10和20 mm降水3个干湿交替强度下，不同循环周期土壤CO₂排放通量均呈下降之势。

干湿交替强度显著影响土壤CO₂累计排放量。25 mm降水干湿交替强度的土壤CO₂累计排放量明显比10 mm降水干湿交替强度大。土壤从干旱状态到湿润后，土壤团聚体等结构被破坏，增加了土壤中有机质，土壤微生物消耗更多氧气，排放出更多的CO₂^[49]。这种增加的可利用有机质和干湿交替强度有关。在较强的干湿交替强度下，土壤释放的可利用有机质可能更多。同时，施加较少的水分时，不能使水分渗入到土壤内部，土壤水分很容易被蒸发，下层土壤并没有水分渗入，土壤环境变化较小，大部分土壤微生物依然处于休眠状态，使得土壤CO₂累计排放量较小；水分施加量增大时，可以使下层土壤有更多的水分渗入，土壤环境发生较大变化，打破了土壤微生物的休眠状态，使得微生物更加活跃^[50]。另外，本研究的土壤类型为喀斯特地区的石灰性土壤。近年的研究结果表明：土壤无机碳对土壤CO₂排放具有一定的贡献^[28−32]，增加土壤湿度通常会导致碳酸盐排放的CO₂增加^[51−53]。这种现象可以通过2个主要途径解释：首先，增加土壤湿度会促进有机碳的矿化并减少CO₂的扩散^[54−55]，从而导致土壤中CO₂浓度的增加，可能进一步促使碳酸盐系统的溶解/沉淀过程发生^{[53, 56]}。其次，土壤湿度本身会推动碳酸盐与CO₂之间的平衡反应^{[52−53, 56]}。

土壤含水量是影响土壤呼吸的另一个重要非生物因子，对土壤呼吸影响相当复杂。土壤含水量既可以直接影响根和微生物呼吸，也可以通过影响土壤物理特性等其他环境因子间接影响土壤呼吸速率。关于土壤呼吸和土壤湿度的关系，不同的研究者在自己特定的条件下得出完全不同的结论。有研究发现：土壤呼吸和土壤含水量有着显著的相关关系^[57−59]，但也有研究指出：土壤呼吸和土壤湿度相关关系不显著^[60−62]。本研究中，第1个和第2个干湿交替周期的土壤含水量和土壤CO₂排放通量的相关关系显著，第3个周期，土壤含水量和土壤呼吸之间的相关关系不显著，整体上表现出随干湿交替过程的发生，土壤含水量和土壤呼吸之间的相关关系减弱。原因可能是，第1个周期，土壤从最开始的干旱状态变湿润，短期之内土壤团聚体遭受破坏，土壤中与土壤水分条件密切相关的可利用有机质增加^[40−41]。同时，水分条件也可以对微生物的代谢活动产生影响，如水分的变化迅速改变了微生物生长速率^[63]。随着多次干湿交替的进行，土壤团聚体的稳定性不断增强，土壤微生物活性降低^[64]，从而减弱了土壤含水量变化对土壤呼吸的影响，致使土壤呼吸和土壤湿度的相关性不断变弱。

①干湿交替强度显著影响土壤呼吸。2种干湿交替强度下，随着水分的施加，土壤CO₂排放通量较短时间内达到最大值，然后再逐渐降低。在不同周期内，10 mm降水干湿交替强度下，不同周期土壤CO₂排放通量之间差异不显著；25 mm降水干湿交替强度下，不同周期土壤CO₂排放通量之间差异显著。第1个和第3个周期土壤CO₂排放通量在不同干湿交替强度下显著不同，而第2个周期表现出干湿交替强度对土壤CO₂排放通量影响不显著。②2种干湿交替强度对土壤CO₂累计排放量影响显著 。在整个干湿交替循环过程中，25 mm降水干湿交替强度的土壤CO₂累计排放量比10 mm降水干湿交替强度多。在不同周期，25 mm降水干湿交替强度下，第1个周期土壤总CO₂排放量和第2个周期差异不显著，与第3个周期土壤总CO₂排放量差异显著，10 mm降水干湿交替强度下不同周期土壤总CO₂排放量之间差异不显著。不同的干湿交替强度下，各周期之间土壤总CO₂排放量差异显著。③干湿交替多个周期作用下，土壤含水量和土壤CO₂排放通量之间的相关程度不断降低。