施肥對生長期毛竹林土壤呼吸的影響

雷海清1,2，傅懋毅1*，謝錦忠1，李正才1，張 瑋1，童 龍1，胡露云3

?

施肥對生長期毛竹林土壤呼吸的影響

雷海清，傅懋毅，謝錦忠，李正才，張 瑋，童 龍，胡露云

（1. 中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 富陽 311400；2. 浙江省亞熱帶作物研究所，浙江 溫州 325005；3. 浙江農林大學，浙江 臨安 311300）

采用Li-6400便攜式光合作用測量系統配備的Li-09土壤呼吸室，對浙江富陽地區典型北亞熱帶林區施肥的毛竹（cv）林地生長期土壤呼吸進行研究。結果表明，不同施肥處理造成土壤有機碳含量差異極顯著（P < 0.01）。施肥能有效提高土壤有機碳含量，其中施用有機肥的處理土壤有機碳含量最高；施肥能顯著提高毛竹林生長期的土壤呼吸速率，不同施肥處理造成土壤呼吸差異極顯著（P < 0.01）；施用有機肥的土壤呼吸比施無機肥的要高；不同施肥處理對的影響差異不顯著。

毛竹林；土壤呼吸；施肥

土壤呼吸（soil respiration）是影響大氣CO濃度變化的重要生態學過程之一，是全球碳循環和氣候變化研究的熱點問題之一。雖然國內外近年來對森林土壤呼吸進行大量研究，但是準確估計土壤表面CO通量仍然非常困難，主要是森林土壤呼吸受許多生物因子和環境因子的影響，如土壤溫度和水分等，但是，很多研究都忽視了土壤氮有效性對呼吸作用的影響。

施肥是人工林經營管理中廣泛應用的一項技術措施，大量的研究表明，施肥能夠促進林分生長，進而提高凈生態系統生產力；但過度施肥則可能導致林分衰退。因此，科學合理的施肥制度是林分穩產、高產的基礎。施肥除了增加林分生產力外，能夠顯著促進土壤微生物種群數量的增加，土壤酶活性的增強，進而增加土壤的碳釋放，同時施肥后林木活細根生物量下降會導致土壤呼吸速率降低，所以施肥會影響人工林生態系統通過土壤呼吸作用向大氣釋放CO的量。

毛竹（cv）是我國南方重要的森林資源，全球竹林總面積約14 000萬hm，毛竹是其中面積最大、分布最廣的竹種，具有重要的經濟和生態價值。毛竹林在調控地球系統的大氣CO濃度和氣候動態方面起著十分關鍵的作用。因此，本研究以浙江富陽地區典型北亞熱帶毛竹林為研究對象，采用美國Li-cor公司生產的Li-6400便攜式光合儀測定土壤呼吸速率，研究施肥對毛竹林土壤呼吸的影響，其結果對于預測全球氣候變化、土壤碳庫的反饋作用具有重要的意義，從而也為科學估算我國亞熱帶人工林森林土壤碳庫空間動態和人工林生態系統碳平衡研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究樣點選擇在浙江省富陽市上官鄉（119° 56′ ~ 120° 02′ E，29° 53′ ~ 30° 06′ N），丘陵地貌，地形呈馬蹄形，坐落于富春江南岸，海拔150 ~ 360 m，屬北亞熱帶季風氣候，雨量充沛，氣候溫和，年平均氣溫16.2℃，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫－14.4℃，年平均降水量1 464 mm，無霜期237 d。

1.2 試驗設置及施肥處理

2008年1月，在同一山坡中下部（海拔150 ~ 215 m，西北坡，坡度20 ~30°）的毛竹人工林內分別設置12塊20 m×20 m的樣地，樣地間距離15 ~ 20 m，立地條件和林分條件基本一致。2008－2010年每年2－9月，分2次在處理樣地內施肥（每次施全年施肥量的50%），連續3 a。施肥設4個處理，生物肥料3 000 kg/hm（氮含量7.91 g/kg，有機質含量28.22 g/kg）、復合肥750 kg/hm（N：P：K = 16：16：16）、生物肥料1 500 kg/hm＋復合肥375 kg/hm，不施肥作為對照。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤呼吸速率測定 利用美國Li-Cor公司生產的Li-6400便攜式光合作用測量系統配備Li-09土壤呼吸室測定土壤呼吸速率。2011年5月，在每塊樣地內隨機安裝6個PVC土壤呼吸環（直徑10 cm、高4 cm），以后均不移動。7月毛竹生長旺盛期，分別在上旬、中旬、下旬選擇天氣晴朗日測定土壤呼吸速率。每次4個處理共連續測定4 d，每天測一個處理的3個樣地，每次將3個樣地中所有的6個土壤呼吸環逐一測定一次，測定時間集中在每天的11:00－13:00。取每個樣地的月平均值代表該樣地呼吸值。

1.3.2 土壤溫度測定 土壤溫度采用Li-6400附帶的溫度探針測定每個樣點附近15 cm深度的土壤溫度，與測定土壤呼吸的時間同步進行。取每個樣地的月平均值代表該樣地土壤溫度值。

表1 供試毛竹林地土壤基本理化性質

1.3.3 土壤樣品采集和測定 2007年7月，對每個樣方內土壤采用直徑2 cm、長15 cm的土壤取樣鉆，取0 ~ 10 cm的土壤樣品100 g，每個樣方取3個樣，帶回實驗室，測定土壤pH（水浸提—酸度計法LY/T1239-1999）、有機質（重鉻酸鉀氧化—外加熱法LY/T 1237-1999）、全氮（硫酸—混合加速劑消煮—擴散法LY/T1228-1999）、速效鉀（CHCOONH浸提—火焰光度法LY/T1236-1999）、有效磷（NHF-HCL）浸提—鉬銻抗比色法LY/T 1233-1999）。結果見表1。2011年7月，用同樣的方法采集土壤樣品，測定土壤有機質（重鉻酸鉀氧化—外加熱法LY/T1237-1999）。

1.3.4值計算 運用來表示土壤呼吸對溫度變化響應的敏感程度，計算公式如下：

=e¹⁰

式中，代表土壤溫度為0℃時的土壤呼吸速率，為土壤呼吸與溫度間指數模型中的溫度反應系數。

1.4 數據分析

采用SPSS 13.0 for Windows統計分析軟件的回歸（Regression）分析中的曲線估計（Curve Estimation）中指數回歸（Exponential）分析土壤溫度和土壤呼吸的關系；對不同施肥處理土壤有機碳含量、土壤呼吸和進行ANOVA分析，并在0.05顯著水平上進行LSD法多重比較；在Excel軟件中繪制相關圖表。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤有機碳含量的影響

不同施肥處理對土壤有機碳含量的影響見圖1。由圖1可知，不同施肥處理造成土壤有機碳含量差異極顯著（P < 0.01）。施用有機肥的土壤有機碳含量最高，達到29.68 g/kg，其次為施用有機肥＋無機肥的處理，為26.54 g/kg，施用無機肥的為21.66 g/kg，都比對照的17.18 g/kg要高。

圖1 不同施肥處理對土壤有機碳的影響

Figure 1 Effect of different fertilization treatment on organic carbon content

2.2 不同施肥處理對土壤呼吸速率的影響

不同施肥處理對土壤呼吸速率的影響見圖2。由圖2可知，不同施肥處理造成土壤呼吸差異極顯著（P < 0.01）。施用有機肥的土壤呼吸速率最高，達到5.62 μmolCO/（m·s），其次為施用有機肥＋無機肥處理，為5.03 μmol CO/（m·s），施用無機肥的為4.35 μmol CO/（m·s），都比對照的3.42 μmol CO/（m·s）要高。

圖2 不同施肥處理對土壤呼吸的影響

Figure 2 Effect of different fertilization treatment on soil respiration

2.3 不同施肥處理對的影響

由圖3可知，不同施肥處理對的影響差異不顯著，各個施肥處理的值都集中在1.12 ~ 1.14。

圖3 不同施肥處理對Q10的影響

Figure 3 Effect of different fertilization treatment on

3 結論與討論

3.1 不同施肥處理對土壤有機碳含量的影響

大部分的研究都表明，施肥會改變土壤的有機碳含量。在河南封丘的輕質黃潮土上采用玉米—小麥輪作的種植模式進行施肥實驗，結果表明，以有機肥或以化肥形式配合施用N、P、K不但可以極大提高土壤生產力，而且有益于增加土壤有機碳儲量，并且有機肥對土壤有機碳含量的提高作用顯著高于化肥。在云南元謀荒漠生態系統定位觀測站對干熱河谷生態恢復區印楝、新銀合歡和大葉相思純林進行施肥，研究結果施肥處理的土壤碳含量明顯高于對照，并且有機—無機配施的土壤有機碳含量高于單施氮、磷肥的處理。本研究首次以毛竹林為研究對象，采用連續三年施肥，結果與前人研究結果一致，不同施肥處理造成土壤有機碳含量差異極顯著（P < 0.01）。施肥能有效提高土壤有機碳含量，施用有機肥的處理土壤有機碳含量最高。

3.2 不同施肥處理對土壤呼吸速率的影響

土壤呼吸對施肥的響應因肥料類型、施肥數量和研究地點條件的不同變化極大。在北卡落來納州中部的一個森林中、德國的一個溫帶森林中、俄羅斯的松樹林中、挪威的云杉林中和明尼蘇達洲的一個草原上，施肥都增加了土壤呼吸。在河南封丘的玉米—小麥輪作的種植模式上的施肥試驗表明施用有機肥土壤年呼吸總量顯著高于其它處理。安徽省滁州市紅琊山林場麻櫟人工林的施肥實驗表明，不同處理林分的土壤總呼吸速率和異養呼吸速率隨著施肥量增加呈遞增趨勢，施肥量為0.45 kg/株，樣地土壤總呼吸速率和異養呼吸速率較對照樣地分別增加了48.9%和38.6%。但在東北林業大學帽兒山林場對水曲柳和落葉松開展的施肥試驗結果卻是施肥導致林分土壤平均呼吸速率顯著降低，與對照（不施肥）相比，水曲柳降低25.8%，落葉松降低34.9%。本研究結果表明，施肥能顯著提高毛竹林生長期的土壤呼吸速率，不同施肥處理造成土壤呼吸速率差異極顯著（P < 0.01）。施用有機肥的土壤呼吸速率比施無機肥的要高。

3.3 不同施肥處理對的影響

很少有研究涉及到施肥對的影響，對水曲柳和落葉松的研究結果表明，施肥處理并沒有引起兩個樹種林分內土壤呼吸溫度系數的改變。本研究結果同樣認為，施肥對土壤呼吸溫度的敏感性的影響不顯著。

[1] Jenkinson D S, Adams D E and wild A. Model estimates of CO2 emissions from soil in response to global warming[J]. Nature, 1991（351）: 304－306.

[2] 陳全勝，李凌浩，韓興國. 水分對土壤呼吸的影響及機理[J]. 生態學報，2003，23（5）：974－978.

[3] 王義東，王輝民，馬澤清，等. 土壤呼吸對降雨響應的研究進展[J]. 植物生態學報，2010，34（5）：601－610.

[4] Schlesinger W H, Andrews J A. Soil respiration and the global carbon cycle[J]. Biogeochem，2000（48）：7－20.

[5] Haynes B E, Gower S T. Belowground carbon allocation in unfertilized and fertilized red pine plantations in northern Wisconsin[J]. Tree Physiol, 1995（15）：317－325.

[6] Fox T R. Sustained productivity in intensively managed forest plantation[J]. For Ecol Manag，2000（138）：87－202.

[7] 賈丙瑞，周廣勝，王鳳玉，等. 放牧與圍欄羊草草原生態系統土壤呼吸作用比較[J]. 應用生態學報，2004，15（9）：1 611－1 615.

[8] 上官周平，劉文兆. 旱作農田冬小麥水肥耦合增產效應[J]. 水土保持研究，1999，6（1）：103－106.

[9] Boone R D, Nadel hoffer K J, Ganary J D,. Roots exerr a strong influence on the temperature sensitivity of soil respiration[J]. Nature，1998（396）：570－572.

[10] 孟磊，丁維新，蔡祖聰，等，長期定量施肥對土壤有機碳儲量和土壤呼吸影響[J]. 地球科學進展，2005，20（6）：687－692

[11] 唐國勇，李昆，張昌順. 施肥對干熱河谷生態恢復區林木生長及土壤碳氮含量的影響[J]. 水土保持學報，2009，23（4）：185－189

[12] Gallardo A，Schlesinger W H. Factors limiting microbial biomass in the mineral soil and forest floor of a warm-temperate forest[J]. Soil Biol Biochem，1994（26）：1 409－1 415.

[13] Brumme R, Beese F. Effects of liming and nitrogen fertilization on emission of COand NO form a temperate forest[J]. J Geoph Res, 1992（97）：12 851－12 858.

[14] Repnevskaya M A. Liberation of COfrom soil in the pine stands of the Kola Peninsula[J]. Soviet Soil Sci，1967（68）：1 067－1 072.

[15] Borken W, Xu Y J. Site and temporal variation of soil respiration in European beech, Norway spruce, and Scots pine forests[J]. Glob Chang Biol,2002（8）：1 205－1 216.

[16] Craine J M, Wedin D A, Reich P B. Grassland species effects on soil COflux track the effects of elevated COand nitrogen[J]. New Phytol,2001（150）：425－434.

[17] 葛樂，成向榮，段溪，等. 施肥對麻櫟人工林碳密度及休眠期土壤呼吸的影響[J]. 生態學雜志，2012，31（2）：248－253.

[18] 賈淑霞，王政權，梅搖莉，等. 施肥對落葉松和水曲柳人工林土壤呼吸的影響[J]. 植物生態學報，2007，31（3）：372－379.

Effect of Fertilization on Soil Respiration invarStand

LEI Hai-qing，FU Mao-Yi，XIE Jin-zhong，LI Zheng-Cai， ZHANG Wei，TONG Long，HU Lu-yun

（）

Effect of fertilization on soil respiration instands in Fuyang, Zhejiang province was determined by Licor-6400 photosynthesis System with Li-09 soil respiration chamber. The result showed that organic carbon content in the tested soil had great differences among different treatments(P<0.01), Fertilization could increase organic carbon content in bamboo soil, especially in that fertilized with organic manure. The results also demonstrated that fertilization could evidently increase soil respiration rate. There had significant difference among different fertilization (P<0.01), but no significant difference of Q.

bamboo forest; soil respiration; fertilization

1001-3776（2012）04-0020-04

S714.8

A

2012-01-08；

2012-05-05

浙江省重大科技項目（2008C02001-1）；浙江省自然科學基金項目（Y12C030045）；浙江省農科院科技創新能力提升工程項目“提高碳匯潛力的造林模式研究與示范”

雷海清（1977－），女，云南曲靖人，工程師，博士，從事森林資源可持續經營和管理研究；*通訊作者。