林火干擾對(duì)土壤呼吸的影響研究

王飛龍

摘 要：林火是森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡的重要干擾因子，與森林生態(tài)系統(tǒng)的植被類型、結(jié)構(gòu)、地表腐殖質(zhì)層和土壤理化性質(zhì)等密切相關(guān)。林火破壞了森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和碳分配格局，對(duì)土壤溫度、土壤含水量、植物根系及土壤微生物活性亦產(chǎn)生重大的影響，是導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化的重要因子?；鸶蓴_所排放的含碳?xì)怏w對(duì)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞具有重要影響，進(jìn)而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡及氣候變化，從而對(duì)土壤呼吸速率產(chǎn)生重要影響。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)土壤呼吸的研究主要集中在林木生長(zhǎng)季節(jié)，火干擾條件下非生長(zhǎng)季土壤呼吸的定量描述及影響機(jī)理對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)林火對(duì)土壤呼吸的影響具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：林火干擾；土壤呼吸；影響

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)土壤呼吸的研究開展得較晚，早期有對(duì)農(nóng)田不同土地利用方式對(duì)土壤呼吸影響的研究，近些年來(lái)的研究涉及到了森林、草原、凍原和沙漠等多種不同類型的生態(tài)系統(tǒng)，特別是對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的研究較多，研究?jī)?nèi)容由對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤通量的簡(jiǎn)單估算逐漸轉(zhuǎn)移到影響土壤呼吸的環(huán)境因素、土壤呼吸的調(diào)控機(jī)理、土壤呼吸對(duì)不同干擾因子的響應(yīng)等問(wèn)題上來(lái)，研究?jī)?nèi)容越來(lái)越豐富，研究的問(wèn)題也越來(lái)越深入。

近年來(lái)，森林、草原、凍原和沙漠等多種不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究不斷開展。有專家通過(guò)量化北方森林土壤呼吸和木質(zhì)殘?bào)w分解釋放出的CO2，得出土壤呼吸和木質(zhì)殘?bào)w分解釋放的CO2通量是北方森林生態(tài)系統(tǒng)輸入大氣圈的最主要的碳源，北方森林生態(tài)系統(tǒng)中植物根系自養(yǎng)呼吸對(duì)土壤總呼吸的貢獻(xiàn)率平均值為32%，變動(dòng)范圍為2%～60%；也有專家利用Li-Cor6400-09土壤呼吸測(cè)量系統(tǒng)對(duì)我國(guó)亞熱帶地區(qū)3種主要林型的土壤呼吸進(jìn)行了測(cè)定，得出土壤呼吸速率日變化在11：00～12：00達(dá)到峰值，1：00～3：00最?。患竟?jié)變化中，7、8月達(dá)到峰值，12月和翌年1月最小。還有專家對(duì)長(zhǎng)白山高山苔原季節(jié)性雪斑土壤呼吸對(duì)溫度的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)：從海拔2036m到2260m，積雪期土壤呼吸分別占全年的42.5%（125.4gC·m-2·a-1）和49.7%（128.7gC·m-2·a-1），升溫后，平均增加的呼吸量為22.65gC·m-2·a-1，而冬季呼吸量則減少10.81gC·m-2·a-1。有人分析了土壤性狀對(duì)沙漠逆轉(zhuǎn)過(guò)程的響應(yīng)。也有人研究了高寒草甸冬季碳排放特征及其對(duì)溫度的敏感性，得出溫度是高寒草地冬季土壤呼吸的主要控制因子，能解釋44%以上的呼吸速率變異。

2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)外對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的研究較早，但主要針對(duì)農(nóng)田土壤系統(tǒng)，土壤呼吸用于評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤中生物的活動(dòng)，然而其他類型生態(tài)系統(tǒng)的研究出現(xiàn)的較晚，主要集中在科技發(fā)達(dá)的歐洲和北美國(guó)家。目前，國(guó)外對(duì)土壤呼吸有了較多的研究，營(yíng)林措施：采伐、灌溉、放牧等，溫室效應(yīng)、大氣CO2濃度升高、N沉降等。有專家研究發(fā)現(xiàn)對(duì)樹木進(jìn)行環(huán)割處理的1～2個(gè)月內(nèi)，土壤呼吸速率迅速下降約50%。也有專家在美國(guó)大平原的草地中進(jìn)行刈割和遮蔭處理的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，刈割和遮蔭處理使土壤呼吸在一周內(nèi)降低了近70%。還有專家研究表明在23℃時(shí)土壤微生物呼吸速率最大。在根呼吸方面，當(dāng)土壤溫度較低時(shí)，土壤呼吸速率主要受生物化學(xué)反應(yīng)的限制，根呼吸也是隨著溫度的升高呈指數(shù)增加，而當(dāng)溫度較高時(shí)，那些主要依賴擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)拇x底物和代謝產(chǎn)物（如糖類、O2、CO2等）就成了限制土壤呼吸速率的主要因子，有關(guān)土壤呼吸各組分所占的比例的研究表明，林木根系呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率大約為5%～90%，主要集中在40%～60%，其他主要為土壤中異養(yǎng)微生物的呼吸作用對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)，這種巨大的差異與森林類型、林木生長(zhǎng)階段、測(cè)定季節(jié)、測(cè)定時(shí)間、測(cè)定方法等密切相關(guān)，在北方森林生態(tài)系統(tǒng)中植物根系呼吸占土壤呼吸的50%～93%，溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)中占33%～62%，熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中所占的比例較低。土壤呼吸速率對(duì)全球變化背景下的響應(yīng)也成為國(guó)外有關(guān)土壤呼吸研究的熱點(diǎn)，CO2濃度升高后會(huì)促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）和根系生物量的增加，根系生物量的增加必然導(dǎo)致根系自養(yǎng)呼吸量的提高，同時(shí)，NPP的增加亦導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)儲(chǔ)量的增加，從而使土壤呼吸碳排放增加，有專家研究分析得出，高濃度CO2使植物地下部分生物量增加了31.6%，細(xì)根生物量增加了96%，同時(shí)使細(xì)根周轉(zhuǎn)率增加，但在總的細(xì)根呼吸升高的同時(shí)，高濃度CO2可以導(dǎo)致單位根呼吸速率下降，這通常與細(xì)根氮含量的降低及儲(chǔ)存的碳含量的增加有關(guān)。

3 火燒研究狀況

1997年有專家采用密閉式靜態(tài)氣室法測(cè)定了不同歷史時(shí)期火燒樣地的土壤呼吸，測(cè)定的林型為落葉松林，土壤類型為沙壤土。重度火燒樣地內(nèi)林木全部燒死，凋落物與地表植物全部燒光，其他一些草本和灌木植物已開始更新；中度火燒樣地內(nèi)林木部分燒死，凋落物與地表植物全部燒光；輕度火燒樣地內(nèi)林木受影響不大，凋落物與地表植物部分燒光。研究結(jié)果表明：重度火燒樣地的土壤呼吸<中度火燒樣地的土壤呼吸<對(duì)照樣地的土壤呼吸，其土壤呼吸速率分別為：1.07～1.5μmol·m-2·s-1、2.25μmol·m-2·s-1和4.16～4.2μmol·m-2·s-1，且林木根系對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)要大于其他植物、微生物及土壤動(dòng)物對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)，林木根系對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率在50%以上。有專家在我國(guó)大興安嶺地區(qū)利用Li-Cor8100土壤呼吸測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不同強(qiáng)度火干擾對(duì)大興安嶺落葉松林土壤呼吸的影響也得到相同的結(jié)論：在植物生長(zhǎng)季節(jié)，土壤呼吸速率隨著火燒強(qiáng)度的增大而減小，過(guò)火樣地土壤呼吸速率平均值（3.25～4.36μmol·m-2·s-1）均小于對(duì)照樣地（5.13μmol·m-2·s-1），自養(yǎng)呼吸生長(zhǎng)季平均值則呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，過(guò)火樣地（0.46～1.39μmol·m-2·s-1）同樣均小于對(duì)照樣地（1.59μmol·m-2·s-1）。

國(guó)外有專家采用微氣象法，研究了加拿大西部火干擾對(duì)北方森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中土壤呼吸的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：火干擾使森林生態(tài)系統(tǒng)在恢復(fù)過(guò)程中土壤呼吸速率降低，在火后10～30年土壤呼吸速率恢復(fù)到火干擾前的水平。也有專家采用同樣的方法，在估算Alaska火燒跡地CO2釋放量時(shí)也發(fā)現(xiàn)，森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力隨著火燒強(qiáng)度的增加而降低，火燒樣地的固碳能力小于未經(jīng)火燒對(duì)照樣地。

還有專家采用密閉式動(dòng)態(tài)氣室法利用土壤呼吸測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定了火災(zāi)后典型草原、森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、土壤呼吸速率及微生物生物量，分析結(jié)果表明：在火干擾影響下，不同樣地土壤呼吸速率差異較大，輕度火干擾下土壤呼吸速率要大于重度火干擾下的土壤呼吸速率，原因?yàn)榇罅康奶荚诨馃^(guò)程中流失，大約有20%的凈初級(jí)生產(chǎn)力以CO2的形式釋放到大氣中，導(dǎo)致火燒后土壤呼吸速率減小。

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