大興安嶺3種林分夏季土壤呼吸的日變化1)

李 勇 劉繼明 秦世立

(大興安嶺地區營林局，加格達奇，165000)

董希斌 紀 浩 宋啟亮

(東北林業大學)

土壤呼吸作為生態系統碳循環的一個組成部分，它與生態系統生產的許多組分都有聯系，土壤呼吸在調控地球系統的大氣CO2濃度和氣候動態方面起著十分關鍵的作用。在森林生態系統中2/3的碳儲存在土壤和與之相關的泥炭層中［1］，所以開展森林土壤呼吸的研究具有重大意義。大興安嶺地區是中國緯度最高的重點林區，目前對此地區土壤呼吸的研究還未開展。Malhi［2］和 Pregitzer［3］等人的研究也表明，高緯度森林的土壤呼吸速率較低。本文即是以大興安嶺地區3種林分為研究對象，測定其夏季的土壤呼吸值，分析3種林分土壤呼吸日變化趨勢，探討影響土壤呼吸的因素，旨在為大興安嶺地區森林生態系統的研究提供科學參考。

1 研究區概況

試驗區位于大興安嶺林區加格達奇林業局翠峰林場174林班和躍進林場193林班。其中:翠峰林場為白樺萌生林和以胡枝子—黑樺、柞樹為主的天然雜木次生林;躍進林場為1992年低質林改造生長的落葉松人工林。3種林分的立地條件和林分特征見表1。翠峰林場，土壤以暗棕壤和棕色針葉林土為主;躍進林場，土壤以暗棕壤和棕色針葉林土為主。2林場土壤厚度15～30 cm，坡度多在15°以下;年平均氣溫－1.3℃，最高氣溫37.3℃，最低氣溫－45.4℃;年平均降水量500 mm。

2 實驗方法

樣地設置:于2010年6月中旬在翠峰林場和躍進林場內，分別在白樺萌生林、雜木林和落葉松人工林內隨機設置3個20 m×20 m的樣地;在每個樣地內按“之”型布設5個20 cm的PVC管，使其露出地面4～5 cm，保留其內的枯枝落葉。樣地設置完畢后，進行林分、地形以及土壤因子調查。

土壤呼吸測定:利用5通道的LI－8150土壤碳通量自動測量系統，在PVC安放24 h后進行土壤呼吸測量，連續24 h觀測每個樣地的土壤呼吸日動態。土壤溫度和濕度的觀測，采用與lI－8150相配套的溫度、濕度傳感器，測定距地表10 cm的土壤溫度和濕度。

土壤有機質和pH測定:在樣地內每個PVC管附近進行土壤取樣，每個樣點取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg帶回實驗室。土壤pH值測定——水浸，水土體積比為50∶1，用酸度計按照LY/T1239—1999規定測定。土壤有機質用油浴重鉻酸鉀氧化法按照LY/T1237—1999規定測定。

3 結果與分析

3.1 土壤呼吸的日變化

3種林分的土壤呼吸日變化明顯不同(見圖1)。雖然3種林分的土壤呼吸日變化呈單峰趨勢，但是雜木林呈現一定的波動。白樺林土壤呼吸速率最大值出現在12:00，最小值出現在6:00—8:00;落葉松人工林土壤呼吸速率最大值出現在12:00，最小值出現在23:00;雜木林土壤呼吸速率最大值出現在12:00，最小值出現在21:00—23:00。3種林分的土壤呼吸速率平均值分別為:2.13、3.47、3.43 μmol·m－2·s－1，雜木林的土壤呼吸速率最大、落葉松次之、白樺林最小。方差分析表明，3種林分的土壤呼吸速率存在顯著性差異(見表2)。

3.2 土壤呼吸對土壤溫度的敏感性

溫度是影響土壤呼吸的重要因素。土壤溫度與土壤呼吸的關系已有許多經驗模型，但土壤呼吸對溫度的響應需要擬合方程估算溫度敏性，一般采用指數方程及其敏感指數(Q10)來估測土壤溫度與土壤呼吸的關系［4－5］:y=aebt。式中:y為實驗測量的土壤呼吸速率;t為距地表下10 cm處的土壤溫度;a為0℃時的土壤呼吸速率;b為溫度反應系數。Q10的表達式為:Q10=e10b。

表1 3種林分立地條件和林分特征

圖1 3種林分土壤呼吸日變化

表2 3種林分土壤呼吸速率方差分析

表3 3種林分土壤呼吸和土壤溫度的關系

由表3可見，得到的3種林分的Q10值以雜木林的最大，其次為落葉松人工林，白樺林最小。說明天然次生林的土壤呼吸對溫度敏感性要好于落葉松人工林。Shushi Peng等［6］估計中國針闊葉混交林的 Q10為 2.78±0.96;Keith 等［7］認為，溫度高于 10 ℃時 Q10為1.4，低于10 ℃時為3.1;劉紹輝等［8］根據文獻計算了全球尺度下溫度對森林土壤呼吸的影響，得到的Q10值為1.57。3種林分的Q10高于全球平均水平。彭家中等［9］研究在全球變暖影響下，低溫地區土壤有機質的分解速率高于高溫地區。大興安嶺地區屬于寒冷地區，有機碳向大氣中的釋放量增多。

3.3 影響土壤呼吸的主要因素

土壤溫度、土壤濕度、土壤有機質、pH和氣候因子是影響土壤呼吸的主要因素［10－11］，其中氣候因素在短期內的變化不明顯，所以土壤溫度、土壤濕度、土壤有機質和pH是影響土壤呼吸的重要因素［12］。根據實驗測得數據，分析土壤呼吸與其影響因素的相關性，并建立土壤呼吸的多因素回歸方程(見表4和表5)。

由表4可見，3種林分的土壤呼吸與土壤溫度、土壤濕度、有機質和pH具有良好的相關性。其中雜木林的相關性最好。由建立的土壤呼吸的多因素標準化回歸方程(見表5)看出，白樺林、雜木林和落葉松人工林中，4種因素的變化可分別解釋土壤呼吸變化的47.1%、64.5%和52.6%，雜木林的相關系數最大。根據標準化方程的系數可知，對于白樺林，土壤溫度的系數最大，說明在白樺林中土壤溫度是導致土壤呼吸變化的主要因素，依次得出，雜木林為土壤濕度，落葉松人工林中為土壤有機質。說明在不同的生態系統條件下，影響土壤呼吸變化的主要因素也不相同。

表4 土壤呼吸與其影響因素的相關性

表5 土壤呼吸與其影響因素的標準化回歸方程

4 結論與討論

天然林采伐后形成萌生的次生林或營造林后，植被組成、土壤性質等發生變化，從而導致土壤呼吸發生變化［13］。本文研究結果表明:3種林分的土壤呼吸呈單峰曲線但變化趨勢不明顯，這可能由于實驗樣地位于高緯度地帶，土壤溫度、濕度等因素的日變化趨勢不明顯所致。通過方差分析3種林分的土壤呼吸呈現明顯差異，其中雜木林的土壤呼吸速率最大，落葉松次之，白樺林最小;落葉松人工林的土壤呼吸速率低于雜木林，高于白樺萌生林，這可能由于根呼吸速率和枯落物層呼吸速率不同所致。落葉松枯落物的分解速率低于闊葉樹［14］，被子植物的根呼吸速率高于裸子植物［15］，這些都導致落葉松人工林的土壤呼吸速率低于雜木林。但是，落葉松人工林的呼吸速率高于白樺萌生林，這可能是因為落葉松人工林林下層的蓋度較大，使其枯落物的含量增加所致。

Q10是反映土壤呼吸對土壤溫度敏感性的指標。本文得到的白樺林、雜木林和落葉松人工林3種林分的Q10值分別為2.65、3.19 和2.94。該地區的 Q10值低于全球平均水平。雜木林的生態系統穩定性最好;落葉松人工林由于其林下的植被比白樺萌生林豐富，所以其穩定性好于白樺林。這些是導致雜木林的Q10值大于落葉松人工林、落葉松人工林高于白樺林的主要原因。

本文分析了土壤溫度、土壤濕度、有機質和pH對土壤呼吸的影響，得到土壤呼吸的多元回歸方程。從方程可知，不同林分影響土壤呼吸的因素呈現差異，白樺林中土壤溫度是導致土壤呼吸變化的主要因素，雜木林為土壤濕度，落葉松人工林中為土壤有機質。這說明在不同的生態系統中影響土壤呼吸的主要因素不同。

本文分析了生長季節3種林分土壤呼吸日變化趨勢以及影響土壤呼吸變化的因素。得到大興安嶺地區土壤呼吸的日變化趨勢和土壤呼吸多因素回歸方程。但是，大興安嶺為中國高緯度地區，其土壤呼吸的季節變化趨勢以及其他因素對土壤呼吸的影響應需近一步研究。

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