土壤呼吸是全球陆地碳循环中的重要环节之一，是土壤碳素向大气输出的重要途径^[1]，土壤碳库的较小变动即会显著改变大气中CO₂浓度和土壤碳沉积速率^[2]。因此，以土壤呼吸为主体的土壤碳排放过程成为引起气候变化的重要因素之一^[3]。在全球气候变化背景下，区域降水格局在水气循环的驱动下发生了深刻的变化^[4]，在世界范围内频繁发生短时间区域性极端气候事件^[5-7]，气温升高伴随的降水格局改变在干旱半干旱地区尤为明显，因此，探讨降水对陆地生态系统土壤呼吸短期的影响，再进一步探讨其影响机制，对准确地评估全球碳收支具有重要的意义^[8]。

降水对土壤呼吸的影响目前已受到广泛的关注，有研究认为在热带沙漠地区土壤遭受不连续的、阵发性的降水，会对土壤微生物产生激发作用^[9]，夏季发生于半干旱地区的阵发式降水能够强烈地激发土壤中CO₂的释放量^[10]，降水能够迅速改变干旱区生态系统土壤碳平衡状况^[11]，降水引起的干湿交替对农田土壤“Birch 效应”的影响机制^[12]以及模拟降雨研究也有所开展^[13-15]，但目前在干旱半干旱区开展模拟降水对土壤呼吸影响的研究较少，将不同土壤间进行对比研究的报道更少，因此本研究以从野外采集的湿地原状土和农田原状土为研究材料，进行模拟降雨试验，利用LI-8100A 测定土壤呼吸，探索不同降雨量下土壤呼吸的响应特征，探讨土壤温度对土壤呼吸的影响，以加深对干旱半干旱生态系统土壤碳循环控制的机制理解。

试验土壤来自新疆巴音布鲁克草原天鹅湖湿地及新疆阜康农田原状土，在野外采用直径为30 cm 的PVC 管进行原位原状土柱样品采集，将PVC 管垂直砸入土壤中，保障土柱内样品不受干扰，样品采集深度为0耀30 cm，湿地原状土植被为苔草（Carex tris-tachya）和早熟禾（Poa pratensis），土壤类型为草甸土，农田土壤类型为灰漠土，作物为棉花。

根据半干旱区降雨量全年约200~400 mm，模拟雨强（20 mm·min^-1）相同条件下，降雨量对土壤呼吸的影响。每种类型土柱分3 个处理组：无降水组（对照）；降雨量为10 mm组；降雨量为20 mm组。每处理3 个重复。模拟时间为2015 年5 月，气温10~16 ℃，风力3~4 级东南风，晴。将原状土柱在室外自然状态放置30 d，测定初始含水量，两种土壤初始含水量在10%~15%范围之间。湿地土壤pH 值为6.90，有机碳含量为90.85 g·kg^-1，容重0.59 g·cm^-3；农田土壤pH值为8.85，有机碳含量为8.28 g·kg^-1，容重1.25 g·cm^-3。采用便携式人工模拟降雨器模拟降雨，有效降雨高度为2 m，有效降雨面积为1 600 cm²，该装置可以调节降雨强度及雨滴大小，在正式试验前先进行预实验，调整好降雨器参数后进行正式试验。

LI-8100土壤碳通量自动测量系统（LI-COR，Lincoln，USA）对CO₂排放进行监测，监测时间从9:00开始至23:00，每2 h监测1次。地温用地温仪测定。土壤pH 值用酸度计测定；土壤有机质采用重铬酸钾法测定；土壤容重用环刀法测定；土壤水分用烘干法测定。

CO₂累计排放量计算:

式中：E 代表累积土壤CO₂累积排放量（mol·m^-2）；F代表土壤CO₂ 排放通量（μmol·m^-2·h^-1）；i 代表采样次数；t 代表采样时间（h）。实验数据利用MicrosoftExcel 2013 作图，用SPSS 17.0 进行显著性分析（P＜0.01）。

模拟降雨结束后，不同降雨量对湿地土壤CO₂排放影响不同，由图 1 可知，在降雨后0.5 h 测定（9:00左右）湿地土壤CO₂排放速率，降雨量10 mm 处理组的CO₂排放量高于其他两组。湿地土壤无降水组（对照）、10 mm 组和20 mm 组CO₂平均排放速率分别为1.69±0.23、3.63±0.39 μmol·m^-2·s^-1和3.30±0.24 μmol·m^-2·s^-1，降雨激发了湿地土壤CO₂排放速率（P＜0.01）。对照组CO₂排放速率曲线变幅不大。降雨10 mm 组土壤CO₂ 排放速率峰值出现在模拟降雨后9:00 左右，为4.38 μmol·m^-2·s^-1，而降雨20 mm 组土壤CO₂排放速率峰值出现在19:00 左右，值为3.77 μmol·m^-2·s^-1。10 mm 和20 mm 两降雨量处理下对土壤呼吸速率影响无显著差异（P＜0.01）。

图 1　降雨后湿地土壤CO2排放速率日变化特征 Figure 1　Variation of wetland soil CO2 emissions after precipitation

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农田土壤在模拟降雨中，由图 2 可知，降雨量增加可以增加土壤CO₂ 排放速率，农田土壤无降水组（对照）、10 mm 组和20 mm 组CO₂ 平均排放速率分别为1.02±0.14、1.27±0.16 μmol·m^-2·s^-1 和1.21±0.15μmol·m^-2·s^-1，降雨使农田土壤CO₂ 排放率增加，但影响不显著（P＜0.01）。农田土壤无降水组（对照）与20mm 组CO₂排放曲线变化较为一致，为双峰曲线，两个峰值出现在大约13:00 和19:00，分别为1.17、1.32μmol·m^-2·s^-1和1.23、1.48 μmol·m^-2·s^-1。10 mm组CO₂排放曲线也为双峰，一个是9:00，值为1.42 μmol·m^-2·s^-1，另一个在19:00，值为1.58 μmol·m^-2·s^-1。

图 2　降雨后农田土壤CO2排放速率日变化特征 Figure 2　Variation of farmland soil CO2 emissionsafter precipitation

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由图 3 可以得出湿地不同处理组的CO₂ 日累积排放量均大于农田土壤，呈极显著差异（P＜0.01）。在不同降水量情况下，湿地土壤降雨10 mm 组和20 mm组与对照CO₂日累积排放量呈极显著差异（P＜0.01）。农田土壤与湿地土壤在不同降雨处理后CO₂日累积排放量规律一样，但降雨量对CO₂日累积排放量影响差异不显著（P＜0.01）。

不同大写字母代表不同降雨处理差异极显著（P＜0.01） 图 3　不同降雨量下土壤日累积CO2排放量 Figure 3　CO2 emissions in soils after precipitation

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降雨结束后，由图 4~图 5 可知，土壤地表温度变化幅度在15.0~21.2 ℃之间，平均为18.65 ℃；土壤5 cm 地温变幅在18.0~25.0 ℃之间，平均为20.29 ℃；土壤5 cm地温比地表温度平均高1.64 ℃。湿地土壤CO₂排放与土壤温度出现最高值时间并不一致，而农田土壤与土壤温度出现最高值时间较一致。经相关性分析（表 1）可知，农田降雨10 mm 组CO₂排放速率与地表温度和5 cm 地温相关性极显著（P＜0.01），其他湿地和农田各处理与地温均为不显著相关。

图 4　湿地土壤地温日变化特征 Figure 4　Variation of temperature in wetland soil after precipitation

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图 5　农田土壤地温日变化特征 Figure 5　Variation of temperature in farmland soil after precipitation

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表 1　地温与CO₂排放速率的相关性分析 Table 1　The relationship between CO₂ emissions and soil temperature

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干湿循环对土壤碳库的影响以及土壤碳库与全球气候变化因子（温度、湿度等）之间的反馈关系，决定了未来大气CO₂ 浓度，是目前研究的热点。土壤CO₂排放量与土壤理化性质、温度及微生物活性均有一定联系^[16]。据研究报道，干湿交替会对土壤的团聚体造成破坏，而团聚体的破坏能够释放物理保护的有机质，使受物理保护的有机质被分解，释放出大量的活性有机碳氮，加速有机质的分解和矿化，进而增加CO₂等温室气体的排放^[17]。本研究中两种土柱起始含水量较低，为10%~15%，处于干燥状态，降雨导致湿地土壤CO₂释放速率显著增加（P＜0.01），而农田土壤CO₂释放速率无显著差异。含水量是主导土壤呼吸的主要因素，然而，两者初始含水量无显著差异，但两者土壤有机碳含量差异明显，湿地土壤有机碳含量为90.85 g·kg^-1，而农田土壤有机碳含量为8.28 g·kg^-1，两者相差10 倍以上，可见，在初始含水量一致情况下，土壤有机碳，特别是活性有机碳含量越高，降雨引起的激发效应越大。也就是说降雨量增加多，有机碳土壤短期碳损高，而对于低有机碳土壤（西北干旱区贫瘠土壤），土壤短期碳损影响不明显。

降水对土壤呼吸的影响存在激发效应^[18]，尤其是旱地在同样降水幅度下，释放的CO₂通量增加更多，这与我们的研究结果恰恰相反。本研究中，农田和湿地土壤降水可以增加CO₂排放量，然而降雨量由10mm 增加至20 mm，CO₂ 的排放量并未增加，反而减少，虽未构成显著差异，但可能说明降水量的增加，也会对土壤CO₂排放有抑制的作用。根据有关报道，在干湿交替下，湿润会对土壤呼吸速率产生明显的激发效应^[19]，但降水后，水在土壤中不断渗入，会填充土壤的孔隙，从而抑制土壤呼吸^[20]，反而会降低CO₂ 排放量。Riutta 等^[21]研究还发现，水对湿地沼泽土壤呼吸的影响存在一个阈值，当湿地水位达到该阈值时，土壤CO₂排放量会达到观测期内的最大值，而超过该阈值时则对CO₂排放量没有明显影响或存在一定的抑制效应。本研究中10 mm 降雨量处理产生的CO₂排放量要高于20 mm 组，虽未构成显著差异（P＜0.01），但不排除有水分阈值存在的可能，这还需要进一步开展试验去印证，尤其是在降雨强度、频度、土壤内部结构及化学性质等方面开展相应研究，深入探讨其内在的作用机制。

降雨导致湿地土壤CO₂释放速率显著增加（P＜0.01），而农田土壤无显著差异。在其含水量无明显差异下，湿地不同降雨处理组的CO₂排放量均大于农田组，湿地土壤CO₂日累积排放量降水10 mm 组＞降水20 mm组>对照组，土壤有机碳高的湿地土壤随降雨量增加，土壤短期碳损失高，而对低有机碳土壤（西北干旱区贫瘠土壤）短期碳损失影响不显著。降雨后农田土壤降水10 mm 组CO₂ 排放与地表温度和5 cm地温相关性极显著（P＜0.01），其他各处理均未呈现显著相关。