桉樹人工林夏冬兩季土壤呼吸晝夜變化

唐慶蘭，鄧紫宇，任世奇，楊中寧，朱俊華，張 宇

(1. 廣西林業(yè)科學(xué)研究院 廣西吳圩森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站 國家林業(yè)局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530002；2. 廣西國有七坡林場，廣西 南寧530011；3. 廣西國有大桂山林場，廣西 賀州 542800)

桉樹人工林夏冬兩季土壤呼吸晝夜變化

唐慶蘭1，鄧紫宇1，任世奇1，楊中寧2，朱俊華3，張 宇3

(1. 廣西林業(yè)科學(xué)研究院 廣西吳圩森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站 國家林業(yè)局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530002；2. 廣西國有七坡林場，廣西 南寧530011；3. 廣西國有大桂山林場，廣西 賀州 542800)

采用LI-COR公司生產(chǎn)的LI-8100土壤碳通量測量系統(tǒng)，測定了廣西桉樹萌芽林土壤呼吸晝夜變化特征。結(jié)果表明，桉樹萌芽林土壤呼吸速率晝夜變化明顯，基本為單峰型曲線，呼吸速率最強(qiáng)時(shí)間出現(xiàn)在下午或傍晚，在14:00—18:00之間，呼吸速率最弱時(shí)間出現(xiàn)在凌晨3:00—6:00之間；夏季的土壤呼吸速率明顯高于冬季；在一個(gè)晝夜間桉樹萌芽林土壤呼吸速率隨10 cm土壤溫度的升高而增強(qiáng)，不同的季節(jié)范圍內(nèi)土壤呼吸速率也隨土壤溫度的升高而增加，土壤呼吸速率與10 cm土壤溫度呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系或線性相關(guān)關(guān)系；桉樹萌芽林10 cm土壤含水率對(duì)土壤呼吸速率無明顯影響。

土壤呼吸；桉樹；晝夜變化；人工林

森林土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳儲(chǔ)存庫，占全球土壤碳庫的73%[1]。森林土壤中的碳通過土壤呼吸向大氣釋放CO2，因此，森林土壤呼吸微小的變化都會(huì)影響大氣中CO2的含量[2]。土壤呼吸是指土壤釋放CO2的過程，由土壤微生物、植物根系以及土壤動(dòng)物呼吸和土壤中含碳物質(zhì)化學(xué)氧化等過程組成[3-4]。土壤呼吸作用是一個(gè)復(fù)雜的過程，受氣溫、土壤溫度、土壤含水量、凋落物、土壤C/N含量、植被類型、根系生物量和土壤動(dòng)物等因素影響[5]。

桉樹(Eucalyptus)是全球速生豐產(chǎn)林發(fā)展的重要樹種[6]，近年來，我國南方桉樹人工林面積劇增，在我國南方森林面積中比例不斷增加，在森林土壤碳輸出過程中發(fā)揮著重要作用。對(duì)桉樹人工林土壤呼吸研究的報(bào)道不多[7-8]，尾巨桉(E. urophylla × E. grandis)無性系林地土壤呼吸的研究尚未見報(bào)道。本文以尾巨桉無性系萌芽林為研究對(duì)象，研究其土壤呼吸的晝夜變化規(guī)律，分析土壤溫度和水分對(duì)土壤呼吸的影響，為南方桉樹無性系人工林碳輸出的研究提供土壤呼吸資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地為3年生的尾巨桉萌芽林，位于廣西吳圩森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站內(nèi)，地理位置為107°59′ ～ 108°18′ E，22°28′ ～ 22°46′ N。站區(qū)以丘陵地貌為主，坡度5° ～ 25°，平均坡度15°。屬南亞熱帶氣候，全年日照時(shí)數(shù)在1 800 h以上，太陽輻射量在105 ～ 110 kal·cm-2·a-1，全年平均氣溫在21 ～ 22℃，活動(dòng)積溫7 500℃。全年降雨量1 200 ～ 1 300 mm，相對(duì)濕度為79%左右。土壤以磚紅壤為主，有少量紫色土和棕色石灰土，平均含沙量23%，砂頁巖母質(zhì)。土層1 m左右，土壤酸度高，土壤肥力中等。桉樹林郁閉度約為0.7，林下灌草蓋度為100%。林下常見灌木有桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)、野牡丹(Melastoma candidum)、越南懸鉤子(Rubus cochinchinensis)、崗松(Baeckea frutescens)、杜莖山(Maesa japonica)、鹽膚木(Rhus chinensis)、余甘子(Phyllanthi fructus)、毛果算盤子(Glochidion eriocarpum)等，草本有鐵芒箕(Gleichenia linearis)、弓果黍(Cyrtococcum patens)、華南鱗蓋蕨(Microlepia hancei)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)、半邊旗(Pteris semipinnata)、金茅(Eulalia speciosa)、野香茅(Cymbopogon goeringii)、畫眉草(Eragrostis pilosa)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測定

2013年6—8月、12月及2014年1—2月，每個(gè)月下旬進(jìn)行測定，設(shè)置3個(gè)20 m × 20 m的樣地，樣地內(nèi)按“之”字形設(shè)置5個(gè)樣點(diǎn)，共15個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)至少距離樹根部1.5 m。第一次測定前，提前3 d在每個(gè)樣點(diǎn)用內(nèi)徑20 cm的PVC環(huán)打入土層7 cm，露出地面3 cm，待PVC環(huán)與土壤接觸緊密后，采用LI-8100土壤呼吸測定系統(tǒng)進(jìn)行測定。每個(gè)月下旬選擇晴天或多云的天氣進(jìn)行一個(gè)晝夜的測定(白天間隔2 h測定一次，晚上間隔3 h測定一次)[7,9]。測定土壤呼吸的同時(shí)使用LI-8100自帶的溫度探針和濕度探針同步測定土壤表層 10 cm的溫度和濕度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣地取 5個(gè)樣點(diǎn)測定平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 桉樹萌芽林土壤呼吸晝夜變化規(guī)律

從圖1可知，桉樹萌芽林春季和冬季土壤呼吸晝夜變化趨勢基本一致。土壤呼吸速率晝夜變化曲線基本都為單峰型，呼吸速率最強(qiáng)時(shí)間出現(xiàn)在下午或傍晚，在14:00—18:00間，呼吸速率最弱時(shí)間出現(xiàn)在凌晨3:00—6:00間。一般情況下，土壤呼吸速率從上午8:00開始逐漸增強(qiáng)，在下午到達(dá)最高值后又開始逐漸下降。但不同的季節(jié)、不同的天氣情況，土壤呼吸速率變化存在一定的波動(dòng)性，如8月份呼吸速率從18:00的最大值4.52 μmol·m-2·s-1降至21:00的 3.02 μmol·m-2·s-1，到凌晨時(shí)刻又上升至 3.89 μmol·m-2·s-1。

夏季土壤呼吸日均值明顯高于冬季，夏季6—8月平均土壤呼吸速率分別為2.46 μmol·m-2·s-1、3.01 μmol·m-2·s-1、3.48 μmol·m-2·s-1；冬季12月、1—2月平均土壤呼吸速率分別為1.91 μmol·m-2·s-1、1.04 μmol·m-2·s-1、1.22 μmol·m-2·s-1。7月土壤呼吸晝夜變幅最大，最高呼吸速率值比最低的高 1.99 μmol·m-2·s-1，2月土壤呼吸晝夜變幅最小，最高呼吸速率值比最低的高0.29 μmol·m-2·s-1。

2.2 桉樹萌芽林土壤呼吸晝夜動(dòng)態(tài)與土壤溫度變化關(guān)系

土壤溫度是影響土壤呼吸的主要因子之一，土壤溫度的變化可以解釋大部分土壤呼吸速率的變化[10]。

從圖1可知，桉樹萌芽林土壤呼吸速率晝夜變化趨勢與10 cm土壤溫度晝夜變化的趨勢具有較高的相似性，為單峰型。土壤溫度最高出現(xiàn)在下午14:00—18:00，最低出現(xiàn)在早上6:00—8:00。夏季 6—8月土壤溫度平均分別為 26.15℃、27.14℃、27.19℃，冬季12月、1—2月土壤溫度平均分別為15.33℃、12.57℃、16.70℃。

圖1 桉樹人工林土壤呼吸與10 cm土壤溫度日變化

土壤呼吸速率在一個(gè)晝夜間隨土壤溫度的升高而增強(qiáng)。不同的季節(jié)范圍內(nèi)，土壤呼吸速率也隨土壤溫度的升高而增加。在測定時(shí)間范圍內(nèi)，8月土壤呼吸速率值最大，平均值為3.48 μmol·m-2·s-1，相對(duì)應(yīng)，8月 10 cm土壤溫度值也最高，平均為27.19℃；1月土壤呼吸速率值最低，平均值為1.04 μmol·m-2·s-1，此時(shí)相對(duì)應(yīng)的10 cm土壤溫度值也最低，僅為12.57℃。

相關(guān)研究表明，土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率R的影響通常用指數(shù)模型或線性模型來表示[8,11]，進(jìn)一步分析土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與 10 cm土壤溫度存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，指數(shù)相關(guān)關(guān)系中R2達(dá)到0.744(P＜0.001)，線性相關(guān)關(guān)系中R2達(dá)到0.704(P＜0.001) (圖2)。

圖2 土壤呼吸速率和10 cm土壤溫度的關(guān)系散點(diǎn)

2.3 桉樹萌芽林土壤呼吸晝夜變化與土壤水分的關(guān)系

土壤水分在一定范圍內(nèi)，對(duì)土壤呼吸速率的影響很小，但當(dāng)土壤水分成為脅迫因子時(shí)，特別是在干旱或半干旱地區(qū)，對(duì)土壤呼吸速率影響明顯增大，甚至取代土壤溫度，成為土壤呼吸的主要控制因子[12]。

從圖3可知，10 cm土壤含水率相對(duì)穩(wěn)定，在一個(gè)晝夜間波動(dòng)很小，相同的季節(jié)內(nèi)變化也不大。土壤含水率相對(duì)較高，冬季土壤含水率也高于20%，但夏季土壤含水率明顯高于冬季。

與圖1進(jìn)行對(duì)比，在一個(gè)晝夜間，土壤含水率變化很小，對(duì)土壤呼吸速率的變化未發(fā)現(xiàn)明顯的影響，說明土壤水分未形成脅迫因子。

圖3 土壤含水率日變化

3 結(jié)論

(1) 桉樹萌芽林土壤呼吸速率晝夜變化曲線基本為單峰型，呼吸速率最強(qiáng)時(shí)間出現(xiàn)在下午或傍晚，在14:00—18:00間，呼吸速率最弱時(shí)間出現(xiàn)在凌晨3:00—6:00間，與土壤溫度的晝夜變化具有相似性。夏季的土壤呼吸速率明顯高于冬季。

(2) 影響土壤呼吸的因子主要有土壤溫度、土壤水分、凋落物、土壤微生物植物細(xì)根量、地面溫度和濕度等，其中土壤溫度是影響土壤呼吸的主要因子，土壤呼吸速率隨溫度變化的指數(shù)方程能解釋土壤呼吸的絕大部分變化[12]，研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率與10 cm土壤溫度呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，指數(shù)相關(guān)關(guān)系和線性相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù) R2均在 0.7以上，這與唐燕飛[13]分析櫟林和松林土壤呼吸與地下5 ～ 15 cm土壤溫度存在顯著相關(guān)性的結(jié)果一致。

(3) 桉樹萌芽林10 cm土壤含水率在同一季節(jié)里變化不大，且土壤含水率相對(duì)較高，冬季土壤含水率在35%左右，冬季土壤含水率在22%左右，對(duì)土壤呼吸速率未發(fā)現(xiàn)明顯影響。土壤水分對(duì)土壤呼吸的影響是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，要了解土壤水分對(duì)土壤呼吸的影響，需要進(jìn)一步觀測和分析。

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Diurnal Patterns of Soil Respiration under Eucalyptus Plantations in Summer and W inter

TANG Qing-lan1, DENG Zi-yu1, REN Shi-qi1, YANG Zhong-ning2, ZHU Jun-hua3, ZHANG Yu3
(1. Guangxi Forestry Research Institute, Wuxu Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi, Key Laboratory of Central South Fast-growing Timber Cultivation of Forestry Ministry of China, Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation, Nanning 530002, Guangxi, China; 2.Guangxi Qipo Forest Farm, Nanning 530225, Guangxi, China; 3. Guangxi Daguishan Forest Farm, Hezhou 542800, Guangxi, China)

Soil carbon flux measurements were undertaken using a LI-COR LI-8100 device to measure soil respiration in coppiced Eucalyptus plantations in Guangxi. The results showed that there were significant variations in the soil respiration rates under Eucalyptus coppice plantations during a single day and between days. Soil respiration rates showed a single peak w ith the maximum respiration rates appearing during the period 14:00 to 18:00 pm, and the minimum appearing during the period 3:00 to 6:00 am. Respiration rates were higher in summer than in w inter. The respiration rates increased w ith increased soil temperatures at 10 cm depth. The soil respiration rates also increased w ith increased soil temperatures at 10 cm depth in different seasons. The respiration rates exhibited exponential relationships or linear relationships w ith the soil temperature at 10 cm depth. Soil moisture at 10cm depth had little influence on soil respiration rate.

soil respiration; Eucalyptus; diurnal variation; plantations

S714

A

2014-09-02

廣西科技廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(林科〔2012〕19號(hào))

唐慶蘭(1980— )，女，高級(jí)工程師，主要從事桉樹遺傳改良與栽培技術(shù)研究.E-mail:tangqinglan_2004@126.com