水土保持措施對(duì)板栗林土壤呼吸的影響

葉功富，黃石德?，楊智杰，陳楨，朱洪如

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院;2.福建師范大學(xué);3.福建農(nóng)林大學(xué);4.福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院:350000，福州)

土壤的嚴(yán)重侵蝕會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)的大量損失，并降低土壤的質(zhì)量;因此，水土保持措施作為一項(xiàng)維持土壤肥力的措施在土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)被廣泛采用。然而它因改變了微地形的形態(tài)，引起土壤水分、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化［1-3］，勢(shì)必會(huì)影響土壤微生物的分解活動(dòng)，從而改變土壤呼吸速率的特征。我國(guó)存在大面積的侵蝕退化地區(qū)，據(jù)報(bào)道2005年我國(guó)水土流失面積達(dá)356萬km2，每年土壤流失總量高達(dá) 50 多億 t［4］，大量的水土保持措施被應(yīng)用，而水土保持措施的廣泛使用必然會(huì)對(duì)原先自然狀態(tài)的土壤碳排放進(jìn)程施加重大影響，從而改變其對(duì)未來全球氣候變化的反饋機(jī)制。目前，有關(guān)水土保持措施對(duì)土壤的效應(yīng)研究仍局限在土壤的結(jié)構(gòu)特征變化、土壤的水庫(kù)及碳庫(kù)效應(yīng)等方面［5-6］，對(duì)土壤碳排放及其響應(yīng)機(jī)制的相關(guān)研究涉及較少;因此，筆者選擇土壤侵蝕嚴(yán)重地區(qū)的閩西北不同類型的板栗(Castanea mollissima)林為研究對(duì)象，比較分析有無施行水土保持措施的土壤含水量、土壤呼吸季節(jié)動(dòng)態(tài)的差異，同時(shí)探討采取水土保持措施后，土壤呼吸季節(jié)動(dòng)態(tài)以及土壤溫度和濕度對(duì)土壤呼吸影響的變化情況，進(jìn)而為土壤侵蝕嚴(yán)重地區(qū)固碳減排模式的評(píng)估提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建西部長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)(E 116°18′～116°31′，N 25°33′～ 25°48′)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年均降雨量1 737 mm，年均氣溫17.5～18.8℃，平均無霜期260 d，平均日照時(shí)間1 924.6 h，≥10℃積溫為4 100～4 650℃。河田鎮(zhèn)屬河谷盆地，土壤屬山地紅壤，成土母巖屬粗晶花崗巖。土層雖然深厚，但結(jié)構(gòu)疏松，含砂量大，結(jié)構(gòu)不良，抗蝕能力差，是南方水土流失最嚴(yán)重的土壤類型。地帶性植被(常綠闊葉林)破壞殆盡，而板栗作為長(zhǎng)汀縣土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行植被恢復(fù)的重要舉措以及當(dāng)?shù)氐奶厣a(chǎn)業(yè)而被大力推廣。

本研究共選擇了4種不同類型的板栗林作為供試樣地，每公頃栽植均為390株左右。其中樣地Ⅰ和Ⅱ?yàn)?003年種植，樣地Ⅰ板栗林采用的是順坡種植，無施用任何水土保持輔助措施;而樣地Ⅱ則在種植板栗當(dāng)年，進(jìn)行梯田整地，其中梯面寬2.5～3 m，另于翌年在梯田內(nèi)側(cè)挖深寬均為30 cm的蓄水溝，外側(cè)作埂，埂高15 cm。樣地Ⅲ和Ⅳ則為1996年種植，樣地Ⅲ板栗林亦是順坡種植，無任何水土保持輔助措施，而樣地Ⅳ則在種植的當(dāng)年，進(jìn)行梯田整地，梯面寬2.5～3 m，另在翌年在梯田內(nèi)側(cè)挖深寬均為30 cm的蓄水溝，外側(cè)作埂，埂高15 cm。4個(gè)供試板栗林具體特征及土壤(0～10 cm)基本理化性質(zhì)分別如表1和表2所示。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與土壤呼吸測(cè)定

在4種不同類型的板栗林樣地內(nèi)，分別設(shè)立1塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，按隨機(jī)取樣原則，于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)分別布設(shè)5個(gè)土壤呼吸觀測(cè)點(diǎn)。在每個(gè)土壤呼吸觀測(cè)點(diǎn)上將自制的內(nèi)徑為20.4 cm，高為7.5 cm的PVC環(huán)敲入土壤中，其中PVC環(huán)插入土壤約4 cm，保留環(huán)內(nèi)的土壤表層枯落物，同時(shí)齊地剪去地面植被。測(cè)量在埋設(shè)PVC環(huán)24 h后開始，并保持PVC環(huán)在整個(gè)測(cè)定期間位置不變［7］。土壤呼吸速率采用Li-8100土壤CO2測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定。于2009年3月開始，在每月下旬選擇晴朗無風(fēng)天氣，于09:00—11:00期間觀測(cè)1次(謝錦升等［8］研究表明09:00—11:00測(cè)得的土壤呼吸速率與土壤呼吸1 d的均值接近)，連續(xù)重復(fù)觀測(cè)3 d，取3 d的平均值作為該月土壤呼吸速率值，土壤呼吸的測(cè)定至2010年9月結(jié)束。利用Li-8100附帶的土壤溫度探頭測(cè)定5 cm深土壤溫度。在測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，在各土壤呼吸觀測(cè)點(diǎn)附近隨機(jī)打土鉆，取樣深度為0～5 cm，用小鋁盒取土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室，采用烘干法測(cè)定土壤含水量。

表1 4個(gè)供試板栗林試驗(yàn)地的基本概況Tab．1 Basic status of sample plots in four Castanea mollissima plantations

表2 4個(gè)供試板栗林試驗(yàn)地土壤(0～10 cm)基本理化性質(zhì)Tab．2 Physical and chemical properties of soil in four Castanea mollissima plantations

2.2 數(shù)據(jù)分析

所有的統(tǒng)計(jì)分析都在SPSS13.0軟件中進(jìn)行，用One-Way ANOVA檢驗(yàn)土壤含水量、土壤呼吸在有無采取水土保持措施的差異性，用非線性回歸方程回歸檢驗(yàn)土壤呼吸與土壤溫度以及土壤溫、濕度間的相關(guān)性。所有統(tǒng)計(jì)的顯著性水平均為P=0.05。用Excel 2003軟件作圖。

土壤呼吸溫度響應(yīng)用Q10方程［9］進(jìn)行模擬。

式中:Rs為土壤呼吸速率(soil respiration rate)，μmol/(m2·s);R10為土壤溫度為10℃時(shí)土壤呼吸速率，亦稱為參考呼吸(reference respiration)，μmol/(m2·s);t為5 cm處土壤溫度，℃;Q10為土壤呼吸的溫度敏感性指數(shù)(temperature sensitivity index)，即溫度每升高10℃土壤呼吸速率變化的比率。

溫度和濕度對(duì)土壤呼吸的綜合作用采用雙因素模型

式中:W為0～5 cm土壤含水量，%;a、b、c為模型參數(shù)［10］。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)土壤水分的影響

如圖1所示，順坡種植的樣地Ⅰ土壤含水量在8.29% ～23.29%之間，平均含水量為14.48%;采取水土保持措施后，樣地Ⅱ土壤含水量在9.03% ～26.01%之間，平均含水量為17.15%，僅比樣地Ⅰ有一定程度的增加，但未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)。1996年順坡種植的樣地Ⅲ土壤含水量在9.57%～25.73%之間，平均含水量為16.79%，與樣地Ⅰ和樣地Ⅱ無顯著差異(P＞0.05);采取水土保持措施后，樣地Ⅳ的土壤含水量有顯著增加(P＜0.05)，其含水量在10.59%～29.27%之間，平均含水量達(dá)到20.20%。試驗(yàn)結(jié)果表明，采取水土保持措施后，樣地的土壤水分狀況得到一定程度的改善，尤其隨著采取水土保持措施年限的延長(zhǎng)，其對(duì)土壤水分時(shí)空分布影響更為顯著。

圖1 不同板栗林樣地土壤含水量的月動(dòng)態(tài)Fig．1 Monthly dynamic of soil water contents in different Castanea mollissima plantations

3.2 對(duì)土壤溫度季節(jié)動(dòng)態(tài)變化的影響

水土保持措施的施用對(duì)板栗林土壤溫度季節(jié)變化動(dòng)態(tài)無明顯影響，如圖2所示，無論是否采取水保措施以及施用年限的不同，4個(gè)板栗林樣地的土壤溫度均呈明顯的單峰曲線變化，從3月開始逐漸升高，5—6月間4個(gè)板栗林的土壤呼吸速率值先后達(dá)到其最大值。之后逐漸降低，12月—翌年1月達(dá)到最低值，爾后又逐漸升高。如圖2所示，樣地Ⅰ、Ⅱ觀測(cè)期間土壤平均溫度分別為21.81和22.63℃，無顯著差異(P＞0.05)。樣地Ⅲ、Ⅳ觀測(cè)期間土壤平均溫度差異更小，分別為22.64和22.36℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，水土保持措施的施用對(duì)土壤溫度的影響有限。

3.3 對(duì)土壤呼吸季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，水土保持措施的施用對(duì)板栗林土壤呼吸季節(jié)變化動(dòng)態(tài)無明顯影響，如圖3所示，無論是否采取水土保持措施以及施用年限的不同，4個(gè)板栗林樣地的土壤呼吸速率均呈明顯的單峰曲線變化，從3月開始逐漸升高，5—6月間4個(gè)板栗林的土壤呼吸速率值先后達(dá)到其最大值。之后逐漸降低，12月—翌年1月達(dá)到最低值，爾后又逐漸升高。樣地Ⅰ、Ⅱ觀測(cè)期間土壤呼吸的平均速率分別為4.012 和 3.241 μmol/(m2·s)，但仍未達(dá)到顯著差異(P＞0.05);樣地Ⅲ、Ⅳ測(cè)定期間土壤呼吸的平均速率差異更小，分別為3.804和4.062 μmol/(m2·s)。變化幅度(最大值與最小值之差除以平均值)以樣地Ⅰ最大(186.51%)，其次為樣地Ⅱ(161.42%)，樣地Ⅲ最小(134.90%)。

圖3 不同板栗林樣地土壤呼吸速率的月動(dòng)態(tài)Fig．3 Monthly dynamic of soil respiration rates in different Castanea mollissima plantations

3.4 土壤呼吸速率與土壤溫、濕度的關(guān)系

3.4.1 與土壤溫度的關(guān)系 參考呼吸R10和溫度敏感性指數(shù)Q10是反映土壤呼吸溫度依賴性的2個(gè)重要變量［9］。在樣地Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ中，土壤溫度能夠解釋土壤呼吸速率變化的50.6% ～57.3%(表3)，而在樣地Ⅳ中，土壤溫度則能解釋土壤呼吸速率變化的83.7%。順坡種植樣地Ⅰ、Ⅲ的R10分別為1.718和1.595 μmol/(m2·s);采取水土保持措施后，樣地Ⅱ、Ⅳ的參考呼吸R10均表現(xiàn)為一定程度的降低，但未達(dá)到顯著水平(P＞0.05)，分別為1.092和1.324 μmol/(m2·s)。順坡種植樣地Ⅰ、Ⅲ的 Q10分別為1.927和1.899，采取水土保持措施后，Q10均表現(xiàn)為略為增加，樣地Ⅱ和樣地Ⅳ的Q10分別為2.194和2.293。

3.4.2 土壤溫度和土壤濕度對(duì)土壤呼吸的綜合影響 由表4可知，在4種不同的板栗園類型中，土壤溫度和濕度綜合能解釋土壤呼吸速率變化的70.4%～90.7%，用土壤溫度和土壤濕度的雙因素模型顯然要優(yōu)于土壤溫度的單因素模型。其中順坡種植的樣地Ⅰ和樣地Ⅲ，土壤溫濕度分別能解釋土壤呼吸速率變化的70.4%和82.1%，而采取水土保持措施后，土壤溫濕度對(duì)土壤呼吸速率的變化施加更大的影響，樣地Ⅱ和樣地Ⅳ，土壤溫濕度分別能解釋土壤溫濕度分別能解釋土壤呼吸速率變化的72.9%和90.7%。

表3 不同板栗林土壤呼吸速率溫度模型參數(shù)Tab．3 Parameters of temperature models for soil respiration rate in different Castanea mollissima plantations

表4 不同板栗林土壤呼吸速率溫濕度模型參數(shù)Tab．4 Parameters of temperature and moisture models for soil respiration in different Castanea mollissima plantations

4 結(jié)論與討論

4.1 水土保持措施對(duì)土壤水分的影響

水土保持措施可以通過整地、溝埂的修筑引起微地形的變化，人為創(chuàng)造具有積水能力的“小水庫(kù)”，將水分臨時(shí)積蓄，以期達(dá)到時(shí)空調(diào)控水分的目的［3］。本研究結(jié)果表明水土保持措施的施行，對(duì)樣地土壤水分的改善起到一定的作用，尤其隨著水保措施施用年限的延長(zhǎng)，其對(duì)土壤水分時(shí)空分配影響更為顯著。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果類似，例如:劉娜娜［11］研究黃土高原地區(qū)梯田水土保持措施下的土壤水分效應(yīng)時(shí)，認(rèn)為在培肥條件好的梯田，隨著梯田施用年限的延長(zhǎng)，其表土的持水能力也得到增強(qiáng);曲繼宗等［12］也得出梯田的儲(chǔ)水性能及水分利用率隨著耕種年限的延長(zhǎng)而增強(qiáng)的結(jié)論。

4.2 土壤呼吸對(duì)水土保持措施的響應(yīng)

研究表明，水土保持措施的施用對(duì)板栗林土壤呼吸季節(jié)動(dòng)態(tài)無明顯影響。水土保持措施的施用會(huì)改變土壤的水、熱環(huán)境，將已發(fā)育和未發(fā)育的土壤層次擾亂，使生土與熟土層混合，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、水分和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等發(fā)生改變［5］，勢(shì)必會(huì)影響土壤呼吸速率情況。本研究中樣地Ⅰ和Ⅲ的參考呼吸R10分別為1.718 和 1.595 μmol/(m2·s);而采取水土保持措施后，樣地Ⅱ和Ⅳ的R10均表現(xiàn)為一定程度的降低，分別為 1.092 和 1.324 μmol/(m2·s)。本研究表明水土保持措施對(duì)參考呼吸R10有一定程度的影響:本研究中的樣地Ⅱ和Ⅳ由于水土保持措施的施用，受到降水侵蝕造成的土壤擾動(dòng)的影響較少，在較低的溫度下，土壤微生物的代謝活動(dòng)劇減，活性減弱，逐漸進(jìn)入休眠狀態(tài)［13］，故樣地Ⅱ和Ⅳ有較低的土壤呼吸速率;而樣地Ⅰ和Ⅲ由于未采取水土保持措施，降水的擊濺侵蝕加劇表層土壤的擾動(dòng)，促進(jìn)表層土壤CO2的釋放，因此在較低的土壤溫度下，仍具有較高的土壤呼吸速率。

Q10是檢驗(yàn)土壤呼吸溫度依賴性的重要指標(biāo)，被廣泛作為一個(gè)土壤呼吸溫度的敏感性因子，它反映了包含不同土壤微生物群落、根系及凋落物分解的溫度敏感性，受到微生物群落類型、凋落物輸入和根生物量等多因素的影響［14］。樣地Ⅰ和Ⅲ的溫度敏感性指數(shù)Q10分別為1.927和1.899，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)水土保持措施的施用，其土壤呼吸的溫度敏感性有所增加。尤其是隨著施用年限的延長(zhǎng)，趨勢(shì)更為明顯，樣地Ⅳ土壤呼吸的溫度敏感性Q10為2.293。這可能主要是由于采取水土保持措施的樣地Ⅱ和Ⅳ，土壤水分環(huán)境的改善，間接調(diào)節(jié)了土壤碳和養(yǎng)分的可利用狀況，從而促進(jìn)了不同土壤微生物區(qū)系和植物根系的生長(zhǎng)［15］，使其有較高的溫度敏感性指數(shù)。

本研究發(fā)現(xiàn)采取水土保持措施后，土壤溫度和土壤濕度對(duì)土壤呼吸速率的影響有一定程度的增強(qiáng)。這主要是由于采取水土保持措施后，改善了土壤的水分狀況、結(jié)構(gòu)及土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，充足的水分和適宜的土壤結(jié)構(gòu)，將給土壤微生物的分解提供一個(gè)更為良好的生存環(huán)境，使土壤呼吸對(duì)非生物因素(主要指溫度和濕度)的響應(yīng)變得更為顯著。

從本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度較低時(shí)，采取水土保持措施的樣地明顯有更低的土壤呼吸速率(有較低的R10)，這是否表明水土保持措施的施用減少冬季土壤碳排放，從而有利于土壤的固碳作用?同時(shí)研究中發(fā)現(xiàn)采取水土保持措施土壤的溫度敏感性有所增加，然而在未來氣候變暖的可能場(chǎng)景下，采取水土保持措施的溫度敏感性如何變化，是否會(huì)在高溫下表現(xiàn)出自適應(yīng)的機(jī)制，原先在低溫下因采取水土保持措施土壤所固定的那部分碳是否會(huì)被重新釋放出來，以及不同組分土壤呼吸對(duì)采取水土保持措施的響應(yīng)是否存在差別?這些問題都有待于今后深入研究。

［1］ 康玲玲，王云璋，劉雪，等.水土保持措施對(duì)土壤化學(xué)特性的影響［J］.水土保持通報(bào)，2003，23(1):52-55

［2］ 張玉斌，曹寧，許曉鴻，等.吉林省低山丘陵區(qū)水土保持措施對(duì)土壤顆粒組成和速效養(yǎng)分影響分析［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25(20):287-291

［3］ 趙世偉，劉娜娜，蘇靜，等.黃土高原水土保持措施對(duì)侵蝕土壤發(fā)育的效應(yīng)［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2006，4(6):5-12

［4］ 解振華.國(guó)家環(huán)境安全戰(zhàn)略報(bào)告［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005

［5］ 劉娜娜.黃土高原水土保持措施的土壤環(huán)境效應(yīng)研究［D］.陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006:1-13

［6］ 謝錦升，楊玉盛，陳光水，等.嚴(yán)重侵蝕紅壤封禁管理后土壤性質(zhì)的變化［J］.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22(3):236-239

［7］ Wang C K，Bond-Lamberty B，Gower S T.Soil surface CO2flux in a boreal black spruce fire chronosequence［J］.Journal of Geophysical Research，2002，107:8224-8231

［8］ 謝錦升，楊智杰，曾宏達(dá)，等.侵蝕紅壤植被恢復(fù)過程中土壤呼吸與土壤性質(zhì)的關(guān)系［J］.福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29(4):320-325

［9］ Janssens I，Pilegaard K.Large seasonal changes in Q10of soil respiration in a beech forest［J］.Global Change Biology，2003，9:911-918

［10］王光軍，田大倫，閆文德，等.馬尾松土壤呼吸對(duì)去除和添加凋落物處理的響應(yīng)［J］.林業(yè)科學(xué)，2009，45(1):27-30

［11］劉娜娜.黃土高原水土保持措施的土壤環(huán)境效應(yīng)研究［D］.陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006:35-42

［12］曲繼宗，陳乃政，郭玉記.新修梯田作物土壤水分動(dòng)態(tài)研究［J］.山西水土保持科技，1991(4):8-11

［13］劉穎，韓士杰.長(zhǎng)白山四種森林土壤呼吸的影響因素［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18(3):1061-1065

［14］ Hashimoto S.Q10values of soil respiration in Japanese forests［J］.Journal Forest Research，2005，10:409-413

［15］王國(guó)兵，阮宏華，唐燕飛，等.北亞熱帶次生櫟林與火炬松人工林土壤微生物生物量碳的季節(jié)動(dòng)態(tài)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19(1):37-42