全球变暖已引起了人们的广泛关注，全球变暖主要与温室气体排放有关，CO₂是最主要的温室气体，CO₂在大气中的浓度与全球碳循环过程密切相关. 森林是陆地生态系统中最大的碳库，森林生态系统的碳平衡将直接影响全球碳平衡^[1]. 土壤呼吸是森林生态系统碳通量中的重要组分，在不考虑土壤动物活动、 化学氧化等因素的条件下，土壤总呼吸可较简化地划分为异养呼吸和自养呼吸组分^{[2, 3]}.

以往人们在土壤总呼吸组分的区分领域进行了大量研究，例如：张艳等^[4]的研究表明，自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率为54.3%，略高于土壤异养呼吸的贡献率(45.7%)； Epron等^[5]认为，自养呼吸在土壤总呼吸中占主导地位，自养呼吸组分占土壤总呼吸的比例为60%； Hgberg等^[6]的研究表明，自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率为52%~56%； 汪金松等^[7]报道，油松人工林异养呼吸对土壤总呼吸的贡献率为79.8%，异养呼吸在土壤总呼吸中占主导地位. 然而，从现有资料看，人们大多针对土壤总呼吸的组分区分这一议题进行一年或一个生长季的研究^{[8, 9, 10, 11, 12, 13]}，而关于多年长期连续观测的试验数据则非常鲜见. 土壤总呼吸中的不同组分在不同的年份可能呈现出不同的变异规律，其变异可能受气象要素、 植被因素的制约，研究土壤呼吸组分的长期动态有助于从机制上阐明土壤碳循环的内在机制，针对土壤呼吸的组分进行多年的长期定位观测对于了解在多年尺度上森林生态系统碳平衡具有重要意义.

本研究以北亚热带北缘的森林生态系统为对象，进行了4 a的野外观测试验，通过分析土壤呼吸中异养、 自养组分比例和环境因子对土壤呼吸组分的影响，以期为研究森林生态系统碳循环研究提供基础参考资料和理论支撑. 1 材料与方法 1.1 试验地点概况

本研究地点位于南京市北郊的龙王山森林，试验地坐标为118°42′E、 32°11′N，海拔69 m. 该地区位于北亚热带北缘，气候类型为亚热带湿润季风气候，具有四季分明、 雨量充沛、 气候温和的特点. 该地区多年平均气温为15.5℃，月最低气温(2.4℃)出现于1月，月最高气温(27.8℃)出现于7月. 该试验地多年平均降水量1062.3 mm，月最低降水量(24.4 mm)和月最高降水量(193.4 mm)分别出现于12月和7月. 在本试验阶段，当地日降水量的动态变化如图 1所示. 样地植被郁闭度为0.9，林冠层树种主要有白栎(Quercus fabri L.)、 化香(Platycarya strobilacea L.)、 构树(Broussonetia papyrifera L.)、 马尾松(Pinus massoniana L.)等植物，草本层有苔草(Carex spp. L.)、 天门冬(Asparagus cochinchinensis L.)、 繁缕(Stellaria media L.)等植物. 样地植被生长季为3~10月.

图 1

Fig. 1

图 1 试验阶段(2010-03~2014-02)的日降水量 Fig. 1 Daily precipitation during the experimental period (from March 2010 to February 2014)

采用随机区组试验研究样地土壤呼吸及异养呼吸. 在试验地设置4个区组(4个重复)，每个区组中包含断根处理和不断根处理，每个试验小区的面积为1 m × 1 m. 于野外观测土壤呼吸1个月前进行断根处理，断根时间为2010年2月，植物根系经历了冬季后尚未开始生长，此时断根效果较好. 另外，断根后一个月后挖出断根小区土壤，可见大部分根系已经死亡，断根后一个月是小区内植物根系死亡的主要时间段. 在每个断根小区周围挖深度为30 cm的壕沟，使小区外的植物根系不能进入到小区内^[14]. 该森林研究样地土层厚度为40~60 cm，土壤中根系的主要分布深度为0~7 cm，有研究表明，在土层相对较浅的情况下沟深30 cm能较好地排除小区内的根系^{[15, 16]}. 将断根小区内的地上植物全部剪除，并定期去除新生长出的植物，以保证断根小区内测定的呼吸作用不包括植物的呼吸. 在不断根小区内，仅去除测定土壤呼吸的底座内的植物. 在上述试验设计下，不断根和断根小区内测定的呼吸作用分别为土壤呼吸和异养呼吸，将土壤呼吸减异养呼吸可得自养呼吸(即植物的根呼吸). 1.3 土壤呼吸及环境因子测定

将直径20 cm的土壤呼吸底座(PVC材质)预先埋入土壤中，采用Li-8100便携式土壤碳通量观测系统(Licor公司，美国)测定不同小区的土壤呼吸速率. 测定土壤呼吸的频率为每周测定一次. 于每个采样日上午的08:00~10:00 时间段内测定不同小区的呼吸速率. 在每个底座上测定土壤呼吸的过程总计3 min，土壤呼吸仪每秒钟记录一次土壤呼吸罩内的CO₂浓度，其时间间隔为1 s，每轮总计180个观测值. 土壤呼吸罩内的CO₂浓度随时间的延长而逐渐增大，根据在不同时间点测定的土壤呼吸罩内的CO₂浓度与时间进行回归，可计算得到土壤呼吸速率的量值. 在不断根小区测定的即为土壤呼吸，在断根小区测定的即为异养呼吸. 在测定土壤呼吸的同时，采用Li-8100附属配置的温度、 湿度探头测定5 cm深度的土壤温度、 土壤湿度(体积含水量). 1.4 统计分析

采用EXCEL 2003软件制作断根和不断根小区的土壤温度、 土壤湿度、 土壤呼吸速率的动态变化图，采用SPSS 16.0软件中的方差分析模块分析不同年份间土壤呼吸速率及异养呼吸速率的差异. 采用EXCEL 2003软件得到异养呼吸速率与土壤呼吸速率关系的线性回归方程，并制作异养呼吸占土壤呼吸的比例与日期的回归关系图，以及异养呼吸占土壤呼吸的比例与土壤温度、 土壤湿度的回归关系图. 采用EXCEL 2003软件分析土壤呼吸中异养组分和自养组分与土壤温度的回归关系.

2 结果与分析 2.1 土壤温度、土壤湿度、土壤呼吸速率的季节变异

2010-03~2014-02，土壤温度表现出明显的季节变异性，其变化趋势与当地气温一致，而土壤湿度与温度的变异规律不一致[图 2(a)、 2(b)]. 不断根小区对应的土壤温度的变异范围为3.8~33.8℃，断根小区对应的土壤温度的变异范围为3.1~34.0℃[图 2(a)]. t检验结果表明，不断根与断根小区的土壤温度无显著差异，两小区的土壤湿度亦无显著差异. 不断根和断根小区的土壤湿度具有相同的季节变异规律，最高土壤湿度出现在2010年8月[图 2(b)]. 如图 2(c)所示，土壤呼吸速率具有明显的季节变异规律，其变异与土壤温度的季节动态一致，呈现出从冬季到夏季逐渐升高的趋势. 在不同年份，夏季出现土壤呼吸速率或异养呼吸速率峰值的时间点存在差异，2010、 2011、 2012、 2013年土壤呼吸速率峰值分别出现在7月、 7月、 8月、 7月，而这4 a异养呼吸速率峰值分别出现在7月、 7月、 7月、 9月. 在观测阶段内，不断根小区土壤呼吸速率的变异范围在0.37~7.32 μmol ·(m² ·s)^-1，而断根小区异养呼吸速率的变异范围为0.19~5.62 μmol ·(m² ·s)^-1，不断根小区的土壤呼吸速率量值明显高于断根小区的异养呼吸速率量值.

图 2

Fig. 2

图中误差线为标准误差(SE) 图 2 土壤温度(Ts)、 土壤湿度(Ws)、 土壤呼吸速率(Rs)及异养呼吸速率(Rh)的季节变化 Fig. 2 Seasonal variability in soil temperature (Ts),soil moisture (Ws),soil respiration (Rs) and heterotrophic respiration (Rh)

不同年份土壤呼吸速率及异养呼吸速率的年平均值之间无显著差异(P>0.05)，在2010-03~2014-02期间，平均土壤呼吸速率为(2.59±0.48) μmol ·(m² ·s)^-1，平均异养呼吸速率为(1.74±0.28) μmol ·(m² ·s)^-1，两者的差值为自养呼吸速率的量值，即(0.85±0.28) μmol ·(m² ·s)^-1(图 3). 2010-03~2011-02、 2011-03~2012-02、 2012-03~2013-02、 2013-03~2014-02期间平均土壤呼吸速率分别为(2.67±0.32)、 (2.24±0.24)、 (2.58±0.33)、 (2.71±0.40) μmol ·(m² ·s)^-1，同期平均异养呼吸速率分别为(1.87±0.17)、 (1.63±0.11)、 (1.74±0.22)、 (1.65±0.28) μmol ·(m² ·s)^-1.

图 3

Fig. 3

图中误差线为标准误差(SE) 图 3 不同年份土壤呼吸速率(Rs)及异养呼吸速率(Rh)的平均值 Fig. 3 Mean values of soil respiration (Rs) and heterotrophic respiration (Rh) in different years

将土壤呼吸中的异养组分与土壤呼吸速率进行线性回归，两者之间的关系可用比例函数方程y=0.659x(x、 y分别为土壤呼吸速率和异养呼吸速率)描述(图 4)，土壤呼吸速率可以决定81.5%的异养呼吸速率的变异. 根据图 4中的比例函数可得，异养呼吸占土壤呼吸的比例为65.9%，自养呼吸占土壤呼吸的比例为34.1%，异养呼吸是土壤呼吸的主要组成部分.

图 4

Fig. 4

图 4 异养呼吸速率(Rh)与土壤呼吸速率(Rs)的关系 Fig. 4 Relationship between heterotrophic respiration (Rh) and soil respiration (Rs)

异养呼吸占土壤呼吸的比例在30.5%~99.1%之间变异，大部分最高值出现在冬季，冬季自养呼吸作用较弱，异养呼吸与土壤呼吸非常接近； 大部分最低值出现在夏季，此时处于植物的旺盛生长阶段，自养呼吸占土壤呼吸的比例相对较高(图 5). 自养呼吸占土壤呼吸的比例与日期之间的关系可用线性方程描述(图 5). 在2010-03~2014-02观测阶段内，异养呼吸占土壤呼吸的比例随观测日期而变化，随着观测时间的延长，异养呼吸占土壤呼吸的比例呈线性下降趋势(图 5). 于2013-05测定的土壤有机碳结果表明，断根小区的有机碳含量为(50.3±3.9) g ·kg^-1，而不断根小区的有机碳含量为(65.5±2.1) g ·kg^-1，前者比后者的有机碳含量显著降低(P<0.001)，断根造成了土壤有机碳的迅速流失，由此可能导致了异养呼吸占土壤呼吸比例的下降. 进一步的分析表明，异养呼吸占土壤呼吸的比例与土壤温度的相关性不显著，但随着土壤湿度的增大而增大(图 6).

图 5

Fig. 5

图 5 异养呼吸占土壤呼吸的比例(Rh/Rs)与日期的关系 Fig. 5 Relationship between the ratio of heterotrophic respiration to soil respiration (Rh/Rs) and date

图 6

Fig. 6

图 6 异养呼吸占土壤呼吸的比例(Rh/Rs)与土壤温度或湿度的关系 Fig. 6 Relationship between the ratio of heterotrophic respiration to soil respiration (Rh/Rs) and soil temperature or moisture

异养呼吸和自养呼吸组分的季节变异主要受土壤温度的影响，异养呼吸速率和自养呼吸速率均随土壤温度的升高而增大. 异养呼吸速率和自养呼吸速率与温度之间的关系均可用指数方程拟合，4 a观测期间，土壤温度可以解释70.3%(R²=0.703)的异养呼吸速率的变异以及52.7%(R²=0.527)的自养呼吸速率的变异(图 7). 根据指数回归方程可计算得到异养呼吸和自养呼吸的温度敏感系数Q₁₀值(即温度每升高10℃，呼吸速率变为原来的倍数)分别为2.44和3.05，这表明在同等的增温范围内，自养呼吸比异养呼吸的升高速度更快. 由图 7还可看出，当土壤温度为零时，基础异养呼吸速率和基础自养呼吸速率分别为0.281 μmol ·(m² ·s)^-1和0.085 μmol ·(m² ·s)^-1，前者显著高于后者，这也进一步说明异养呼吸在土壤呼吸中占主导地位.

图 7

Fig. 7

图 7 4 a期间异养呼吸速率(Rh)及自养呼吸速率(Ra)与土壤温度的关系 Fig. 7 Relationship between heterotrophic respiration (Rh) and soil temperature, and between autotrophic respiration (Ra) and soil temperature during the four years

在不同年份，异养呼吸和自养呼吸的基础呼吸速率存在差异(图 8、 表 1)，2010-03~2011-02基础异养呼吸速率在4 a中最高，为0.391 μmol ·(m² ·s)^-1； 2012-03~2013-02基础自养呼吸速率在4 a中最高，为0.108 μmol ·(m² ·s)^-1. 异养呼吸和自养呼吸的Q₁₀值存在年际间差异. 2010-03~2011-02、 2011-03~2012-02、 2012-03~2013-02、 2013-03~2014-02期间异养呼吸的Q₁₀值分别为2.35、 2.85、 2.64、 2.50，而同期自养呼吸的Q₁₀值分别为2.94、 4.33、 2.68、 2.80(图 8、 表 1). 2012-03~2013-02期间，异养呼吸和自养呼吸的Q₁₀值在4 a的观测期间最高.

图 8

Fig. 8

图 8 不同年份异养呼吸速率(Rh)及自养呼吸速率(Ra)与土壤温度的关系 Fig. 8 Relationship between heterotrophic respiration (Rh) and soil temperature, and between autotrophic respiration (Ra) and soil temperature in different years

表 1(Table 1)

表 1 不同年份异养呼吸速率及自养呼吸速率与温度的回归方程参数 1) Table 1 Parameters for the relationship between heterotrophic respiration and soil temperature,and between autotrophic respiration and soil temperature during different measurement years 年份 Rh Ra a b R2 P Q10 a b R2 P Q10 2010-03~2011-02 0.391 0.0854 0.754 <0.001 2.35 0.106 0.1078 0.592 <0.001 2.94 2011-03~2012-03 0.221 0.1049 0.943 <0.001 2.85 0.037 0.1465 0.744 <0.001 4.33 2012-03~2013-04 0.267 0.0971 0.668 <0.001 2.64 0.108 0.0984 0.346 <0.001 2.68 2013-03~2014-05 0.202 0.0916 0.764 <0.001 2.50 0.101 0.1030 0.574 <0.001 2.80 1)表中参数a、 b为图 8中指数回归方程y=aebx的参数,其中,x、 y分别代表温度和呼吸速率; R2为决定系数； P值为回归显著性指标； Q10=e10b

表 1 不同年份异养呼吸速率及自养呼吸速率与温度的回归方程参数 1) Table 1 Parameters for the relationship between heterotrophic respiration and soil temperature,and between autotrophic respiration and soil temperature during different measurement years

针对异养呼吸与自养呼吸对土壤呼吸的贡献率，国内外学者进行了大量研究. Wang等^[17]通过大样本分析指出，全球森林异养呼吸占土壤呼吸的比例在10.3%~94.0%之间变异. 本研究中，就4a观测期间的平均值而言，异养呼吸占土壤呼吸的比例为65.9%，这一结果符合Raich等^[18]对于异养呼吸占土壤呼吸比例为70%的假定. 本研究中，4a观测阶段内异养呼吸和自养呼吸对土壤呼吸的贡献率分别为65.9%和34.1%. 这一研究结果与在我国不同森林生态系统中的观测结果非常接近，例如：颜学佳等^[19]对兴安落叶松土壤呼吸组分的观测结果表明异养呼吸对土壤呼吸的贡献率为63％，自养呼吸对土壤呼吸的贡献率为37％，前者大大高于后者； 卢华正等^[20]在西双版纳热带季节雨林和橡胶林中测得自养呼吸的贡献率分别为29％和42％； 王小国等^[21]在四川人工桤木和柏木混交林中测得异养呼吸占土壤呼吸的百分比为59%. 在我国大部分森林生态系统中测定的结果均表明异养呼吸对土壤呼吸的贡献率大于自养呼吸.

在本研究中，断根3a后测定的土壤有机碳结果表明，断根小区的有机碳含量高于不断根小区的有机碳含量，当断根处理与不断根处理除了存在根系与否之外，在土壤主要理化性质尤其是土壤呼吸底物方面也存在显著差异的时候，此时计算得到两个处理之间土壤呼吸的差值可能会比实际值偏大，然而，由于异养呼吸中的主要贡献者为凋落物分解所释放出的CO^[22]₂，因而土壤呼吸底物差异所造成的断根和不断根小区呼吸速率的相对变化可能会被部分抵消或缓冲. 3.2 不同土壤呼吸组分的影响因素

在本研究中观测到土壤呼吸的异养和自养组分具有不同的温度敏感性，异养呼吸和自养呼吸的Q₁₀值在分别为2.44和3.05，自养组分具有更高的Q₁₀值，这一研究结果与以往大多数研究结果一致^{[17, 20, 21, 23]}，但与Bond-Lamberty等^[16]的研究结果相反，其认为，高纬度土壤有机质中的难分解组分可能会对温度具有更高的响应度，这可能会导致异养呼吸比自养呼吸的Q₁₀值相对更高. 实际上，在大多数情况下，自养呼吸的碳源直接来自光合作用固定的碳，光合作用固定的碳可通过树干向下传输，有研究表明，光合作用固定的碳转化为根呼吸的碳需要几天时间，并且白天根呼吸利用光合作用固定的碳的模式和夜间可能也存在差异^{[24, 25, 26]}，在无外界环境因子胁迫的条件下，来自光合作用固定的碳更容易被根系自身的呼吸作用消耗^{[27, 28]}. 另外，在野外条件下观测得到的自养呼吸实际上包含了从冬季到夏季植物生长所导致的逐渐增加的呼吸量，因而自养呼吸对温度升高的响应程度会更高^{[17, 29, 30]}. 与以往研究相比，本研究不仅发现异养呼吸与自养呼吸的Q₁₀值存在差异，还发现不同年份测定的土壤呼吸Q₁₀值存在年际间差异(图 8)，2012-03~2013-02期间异养呼吸和自养呼吸的Q₁₀值非常接近，说明此期间两个土壤呼吸组分对温度的响应规律几乎是相同的. 2011-03~2012-02期间自养呼吸的Q₁₀值比异养呼吸高1.48，其差异在4 a的观测期间是最高的.

本研究中，在2010-03~2014-02观测阶段内，异养呼吸占土壤呼吸的比例呈线性下降趋势(图 5). 其主要的原因为：不断根小区除了原有土壤有机质和凋落物分解释放出的CO₂还有死亡根系和根际分泌物分解所释放出的CO₂，而断根小区没有了死亡根系和根际分泌物的碳输入，异养呼吸的碳源主要为原有土壤有机质和凋落物. 由此可见，死亡根系和根际分泌物的碳输入对于异养呼吸而言具有重要作用，随着断根小区有机质的逐渐减少，异养呼吸占土壤呼吸的比例也逐渐降低.

本研究中，土壤呼吸的不同组分与土壤湿度的关系不明显，土壤湿度通常在干旱生态系统中或干旱胁迫时会表现出对自养及异养呼吸产生较强影响^{[31, 32, 33]}，由于本研究中未出现持续干旱胁迫，因而土壤呼吸与土壤湿度的相关性不明显. 值得注意的是，异养呼吸占土壤呼吸的比例随着土壤湿度的增大而增大(图 6). 其可能的原因为：自养呼吸取决于根生物量的大小及活性，与土壤湿度的关系不明显，而异养呼吸的大小受干旱胁迫的制约，当土壤湿度增大时，异养呼吸量增大，且超过了土壤呼吸增大的幅度，继而造成了异养呼吸占土壤呼吸的比例增大. Wang等^[17]的大样本分析结果也表明：在降水量较高(大于1000 mm)时自养呼吸与降水量之间无显著相关性，但在一个比较宽泛的范围内(无论降水量是否小于1000 mm)，异养呼吸与降水量之间的关系均可用线性方程拟合.

4 结论

(1)不断根小区的异养呼吸速率和断根小区的土壤呼吸速率均具有明显的季节变异规律，不断根小区的土壤呼吸速率量值明显高于断根小区的异养呼吸速率量值. 不同年份观测的土壤呼吸速率的年平均值之间无显著差异，各年份异养呼吸速率的年平均值之间亦无显著差异.

(2)土壤呼吸中的异养组分与土壤呼吸之间的关系可用比例函数方程拟合，异养呼吸占土壤呼吸的比例为65.9%，自养呼吸占土壤呼吸的比例为34.1%，异养呼吸是土壤呼吸的主要组成部分.

(3)随着观测时间的延长，异养呼吸占土壤呼吸的比例呈线性下降趋势.

(4)异养呼吸速率和自养呼吸速率与土壤温度之间的关系均可用指数方程拟合，异养呼吸的温度敏感系数Q₁₀值低于自养呼吸的Q₁₀值.

致谢： 感谢南京信息工程大学的张寒、 任景全在野外样品采集和分析中给予的帮助.