大興安嶺低質(zhì)林誘導(dǎo)改造后土壤呼吸影響因子1)

紀 浩 董希斌 李芝茹

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，隨著全球氣候的變暖，土壤呼吸已經(jīng)成為各國科學家研究的熱點［1－2］。土壤呼吸速率是土壤肥力、土壤微生物活性和土壤透氣性的指標，影響著土壤物理、化學和生物學性質(zhì)，反映了土壤生物活性和土壤物質(zhì)代謝的強度［3］。此外，從小氣候?qū)W角度看，土壤釋放的CO2改變了近地面的微氣象條件，為植物下部冠層提供了更豐富的碳源［4］。因此土壤呼吸研究對全球碳循環(huán)和森林土地高效利用有著深遠的意義。土壤呼吸除受生物因子和非生物因子共同作用外，同時還受人為活動對林地土壤的干擾和土地利用方式改變的影響［5－6］。Lytle 等［7］在福羅里達州北部濕地松人工林內(nèi)，將林地皆伐后和未干擾對照樣地相比土壤呼吸速率增大。O’Neill等［8］在阿拉斯加內(nèi)陸研究了黑皮云杉林、白皮云杉林和白楊樹林在火燒之后與對照樣地相比土壤CO2通量顯著降低。王國兵等［9］研究表明，天然次生櫟林、馬尾松人工林、毛竹林、板栗經(jīng)濟林和農(nóng)田5種土地利用類型的土壤呼吸速率與土壤微生物量、土壤溫度、土壤全鈣質(zhì)量分數(shù)、土壤全磷質(zhì)量分數(shù)以及土壤碳氮比有顯著相關(guān)關(guān)系。但目前針對大興安嶺地區(qū)低質(zhì)林林分不同誘導(dǎo)改造后土壤呼吸影響因子的研究還沒有。本研究以大興安嶺地區(qū)低質(zhì)林不同誘導(dǎo)改造后的林地為研究對象，探討低質(zhì)林林分不同誘導(dǎo)改造后土壤呼吸變化影響因子，以期為全球碳“源與匯”的研究和制定高效低質(zhì)林改造模式提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

該試驗區(qū)設(shè)在黑龍江省大興安嶺翠峰施業(yè)區(qū)174林班內(nèi)，位于翠峰至古里公路12～14 km北側(cè)。該地區(qū)地勢平緩，立地條件好，海拔370～420 m。氣候?qū)俸疁貛Т箨懶约撅L氣候區(qū)，年均氣溫－1.4℃，最低氣溫－45.4℃，最高氣溫37.3℃，≥10℃積溫1806℃;年均降水量500 mm，多集中于6、7、8月;年均蒸發(fā)量1151.5 mm，年均日照時數(shù)2653.8 h，無霜期103～121 d。土壤為棕森土，土壤厚度15～30 cm，成土母質(zhì)為酸性母巖風化物，土壤肥沃。

2 研究方法

樣地設(shè)置:翠峰施業(yè)區(qū)174林班是以胡枝子—黑樺、柞樹為主的天然闊葉次生林，將試驗區(qū)分別進行6、10、14、18 m帶寬順山皆伐改造，在不同皆伐帶上均種植西伯利亞紅松(Pinus koraiensis)。在每條改造帶內(nèi)和未干擾對照樣地上按“S”型選取5個觀測點，并埋入內(nèi)徑為20 cm的 PVC土壤環(huán)，保留PVC土壤環(huán)內(nèi)凋落物的自然狀態(tài)。待測量完畢后，進行地形以土壤因子及枯落物因子的調(diào)查。

土壤呼吸測定:采用LI－8150多通道土壤碳通量自動測量系統(tǒng)測定土壤表面CO2通量，以60 min為一測量周期，全天重復(fù)測量24次。同步測量同一水平線上不同帶寬PVC內(nèi)土壤呼吸速率，每條水平線上的觀測點連續(xù)觀測3 d，從8月2日到8月16日共觀測15 d。采用LI－8150配套的土壤溫度和濕度傳感器測定距地表10 cm處的土壤溫度和濕度。

土壤理化性質(zhì)和枯落物的測定:測量完畢后，取PVC土壤環(huán)內(nèi)未分解層和半分解層枯落物，在每個取樣點取土壤剖面為0～10 cm的土壤，土壤樣本經(jīng)實驗室風干后進行分析。土壤物理性質(zhì)用容積100 cm3的環(huán)刀在0～40 cm土層采取土樣，重復(fù)3次，將土壤樣本帶回實驗室測定分析。土壤含水量用酒精燃燒法測定，用環(huán)刀法測定土壤容重和其它土壤物理性質(zhì)。土壤pH值采用V(水)∶V(土)=50∶1，用酸度計測定;土壤有機質(zhì)采用油浴重絡(luò)酸鉀氧化法;水解性氮采用堿解擴散法測定;有效磷采用氫氧化鈉浸提—鉬銻抗比色法測定;速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定。以上分析方法見森林土壤分析方法［10］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤呼吸速率分析

比較不同帶寬誘導(dǎo)改造后土壤呼吸數(shù)據(jù)可知(見表1)，所有誘導(dǎo)改造方式與對照樣地相比土壤呼吸速率均有不同程度的升高，表現(xiàn)為18 m帶寬誘導(dǎo)改造林地 6.51 μmol·m－2·s－1＞10 m 帶寬誘導(dǎo)改造林地 5.33 μmol·m－2·s－1＞14 m 帶寬誘導(dǎo)改造林地5.26 μmol·m－2·s－1＞6 m 帶寬誘導(dǎo)改造林地3.53 μmol·m－2·s－1＞對照樣地 3.12 μmol·m－2·s－1。經(jīng)LSD多重檢驗表明，隨著帶寬的加大土壤呼吸速率都有不同程度的升高(14 m帶寬除外)，且所有誘導(dǎo)改造方式土壤呼吸速率均與對照樣地有顯著差異(p＜0.05)。除10 m帶寬和14 m帶寬方差分析不顯著外(p＞0.05)，所有誘導(dǎo)改造方式兩兩LSD檢驗均有顯著差異。說明不同帶寬皆伐誘導(dǎo)改造后對土壤呼吸速率有顯著的影響，這與郭輝等［11］研究小興安嶺不同帶寬皆伐后土壤呼吸速率無顯著差異的結(jié)果有所差異，其主要原因是本實驗是在種植西伯利亞紅松誘導(dǎo)改造后測量的，說明西伯利亞紅松林下的微環(huán)境對土壤呼吸速率的大小有顯著的影響。

表1 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤呼吸速率的比較

3.2 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤物理性質(zhì)對土壤呼吸速率的影響

闊葉次生林在不同帶寬誘導(dǎo)改造后，與對照樣地相比，土壤密度均有不同程度的升高(18 m帶寬除外)，但方差分析不顯著(p＞0.05)，見表2。土壤最大持水量、毛管持水量、總孔隙度和毛管孔隙度與對照樣地相比均有下降的趨勢。各個土壤物理指標與同一誘導(dǎo)改造條件下的土壤呼吸速率分別做Spearman相關(guān)性檢驗，除18 m帶寬外，其余誘導(dǎo)改造方式土壤密度與土壤呼吸速率均有顯著負相關(guān)性(p＜0.05)，這與 Bouma［12］和 Silver［13］的研究結(jié)果相一致。6 m帶寬土壤最大持水量和18 m帶寬土壤總孔隙度與土壤呼吸速率有顯著的正相關(guān)外，其余物理量均未通過Spearman相關(guān)性檢驗(p＞0.05)。

3.3 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤化學性質(zhì)、枯落物對土壤呼吸速率的影響

闊葉次生林在不同帶寬誘導(dǎo)改造后，與對照樣地相比，土壤有機質(zhì)有不同程度的降低，但土壤水解氮、速效鉀的質(zhì)量分數(shù)均有不同程度的升高。不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤有機質(zhì)、水解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)均有不同程度的差異性(p＜0.05，見表3)。在Spearman相關(guān)性檢驗中，不同帶寬誘導(dǎo)改造后土壤有機質(zhì)與土壤呼吸速率表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性的規(guī)律(除10 m帶寬外)，其余的指標與土壤呼吸速率無顯著的規(guī)律。與對照樣地相比，枯落物質(zhì)量均有所減少，同時半分解層枯落物的多少與土壤呼吸速率也表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性(p＜0.05)。

表2 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤物理性質(zhì)與土壤呼吸速率

表3 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤化學性質(zhì)、枯落物與土壤呼吸速率

3.4 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系

本文采用指數(shù)模型y=aebt模擬土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系，模型中:y為實驗所測的土壤呼吸速率;t為土壤的溫度;a為0℃時土壤呼吸速率值;b為溫度反應(yīng)系數(shù)。由圖1可知，隨著皆伐帶寬的增加土壤呼吸速率與土壤溫度的相關(guān)性有不同程度的升高，其相關(guān)系數(shù)分別為60.14%、65.36%、78.31%、81.03%、68.38%。Q10是衡量土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)，Q10的表達式為:Q10=e10b。根據(jù)指數(shù)模型可得，6 m帶寬、10 m帶寬、14 m帶寬、18 m帶寬和對照樣地 Q10值分別為:3.72、1.09、2.77、4.31、2.58。皆伐帶寬為18 m的西伯利亞紅松林下的土壤呼吸速率對距地表下10 cm的土壤溫度敏感性最強，而皆伐帶寬為10 m誘導(dǎo)改造林土壤溫度敏感性最弱。

圖1 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤溫度與土壤呼吸的影響曲線

本文采用二次多項式模擬土壤呼吸速率與土壤含水量的關(guān)系，所有不同帶寬誘導(dǎo)改造林的相關(guān)性均好于對照樣地，其相關(guān)系數(shù)分別為81.50%、75.02%、68.73%、72.08%、53.787%(見圖 2)。無論什么改造方式都體現(xiàn)出隨著土壤含水量的升高土壤呼吸速率逐漸升高，但達到一定臨界值后土壤呼吸速率呈現(xiàn)出下降的趨勢，而不同誘導(dǎo)改造林這一臨界值不同。

圖2 不同帶寬誘導(dǎo)改造土壤含水量與土壤呼吸的影響曲線

4 結(jié)論與討論

森林土壤的擾動和利用方式的改變影響著土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤的養(yǎng)分含量，同時也影響著土壤微生物多樣性，進而影響著土壤呼吸速率［14－15］。所有不同帶寬誘導(dǎo)改造林土壤呼吸速率均高于對照樣地，與對照樣地相比，6 m帶寬誘導(dǎo)改造林、10 m帶寬誘導(dǎo)改造林、14 m帶寬誘導(dǎo)改造林、18 m帶寬誘導(dǎo)改造林分別高出 13.14%、70.83%、68.59%、108.65%。林地微環(huán)境、土壤理化性質(zhì)和枯落物的產(chǎn)量調(diào)控著微生物的、生物量和反硝化作用，同時也影響著植物根系的生長量，進而影響土壤呼吸速率［16］。林地在受到干擾的情況下，微環(huán)境的改變從而使得土壤呼吸速率增加。

大興安嶺地區(qū)闊葉低質(zhì)林經(jīng)過不同帶寬皆伐并種植西伯利亞紅松后，與對照樣地相比，土壤容重有不同程度的升高，而土壤最大持水量、毛管持水量、總孔隙度和毛管孔隙度均有下降的趨勢，這與劉美爽等［17］研究小興安嶺低質(zhì)林采伐改造后土壤物理性質(zhì)的變化規(guī)律相似。在各土壤物理指標與同一誘導(dǎo)改造條件下的土壤呼吸速率做Spearman相關(guān)性檢驗中，土壤密度與土壤呼吸速率均有顯著負相關(guān)性(p＜0.05)。這是因為土壤的物理質(zhì)地影響著土壤CO2的傳輸，土壤密度越小，土壤CO2通過充氣孔隙的擴散更為自由。在不同帶寬誘導(dǎo)改造后土壤有機質(zhì)、水解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)均有不同程度的差異性，說明森林土地利用方式的改變對土壤的化學性質(zhì)有著顯著的影響。土壤呼吸速率與土壤有機質(zhì)含量、半分解層枯落物質(zhì)量表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，這是因為枯落物和有機質(zhì)的多少影響著微生物群落的生物量，而微生物群落的呼吸是土壤呼吸的主要來源之一［18］。Raich等［19］研究了森林生態(tài)系統(tǒng)中，年土壤呼吸速率與地上部分凋落物產(chǎn)量呈正相關(guān)性，初級生產(chǎn)提供了驅(qū)動土壤代謝活動的有機燃料。

Q10是衡量土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)，不同帶寬土壤呼吸速率對土壤溫度的敏感程度不同，這是因為經(jīng)過誘導(dǎo)改造后不同帶寬林分引起周圍微環(huán)境的改變，而土壤溫度對土壤有機物分解、根系呼吸、土壤微生物等活動有著顯著影響［20］。在一定范圍內(nèi)土壤含水量的升高使得土壤呼吸速率逐漸升高，但在水分脅迫下的情況下土壤呼吸速率出現(xiàn)降低，不同的帶寬土壤呼吸速率下降拐點不同。

本文分析了大興安嶺地區(qū)闊葉低質(zhì)林在不同帶寬皆伐并種植西伯利亞紅松后土壤理化性質(zhì)、枯落物質(zhì)量、土壤溫度、土壤濕度這些因子對土壤呼吸的影響。但土壤呼吸速率的大小受多因子的交互影響，這些因子對土壤呼吸速率影響到底有多大還需要在以后的研究中進行更深入的研究探討。

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