高頻觀測(cè)的土壤異養(yǎng)呼吸晝夜變化

劉小飛，陳仕東，熊德成，林偉盛，林廷武，林成芳，楊玉盛

(1．福建省濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州350007;2．福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350007)

森林土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤中最大的碳庫(kù)，約占全球土壤碳庫(kù)的3/4，在全球C循環(huán)中起至關(guān)重要作用［1］。土壤異養(yǎng)呼吸 (Heterotrophic respiration，Rh)是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)損失的主要途徑。土壤異養(yǎng)呼吸是指土壤在微生物參與下的礦化過(guò)程，主要包括根際微生物呼吸、礦質(zhì)土壤呼吸 (無(wú)根土壤)和枯枝落葉層呼吸，由于土壤動(dòng)物呼吸量不大，因此森林生態(tài)系統(tǒng)的異養(yǎng)呼吸主要表現(xiàn)為礦質(zhì)土壤呼吸［2-4］。土壤異養(yǎng)呼吸具有高度的空間變異性，在全球范圍內(nèi)，異養(yǎng)呼吸所占總呼吸的比例為7%～83%，其中在熱帶和溫帶 (30%～83%)森林生態(tài)系統(tǒng)中所占比例高于寒帶地區(qū) (7% ～50%)［5-6］;同時(shí)異養(yǎng)呼吸在時(shí)間尺度上 (晝夜、季節(jié)和年際)也具有高度的變異性［6-11］。許多研究表明異養(yǎng)呼吸的晝夜變化與土壤溫度呈指數(shù)相關(guān)，然而最近通過(guò)大量的高頻率自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)呼吸出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，而且與土壤溫度無(wú)顯著相關(guān)［8，12-13］，但如果晝夜變化和滯后現(xiàn)象無(wú)法得到合理解釋?zhuān)敲锤鶕?jù)所得結(jié)果推算的土壤呼吸速率誤差可能高達(dá)60%［14］。

目前土壤呼吸年通量推算都建立在每月觀測(cè)數(shù)次 (1～4次)代表當(dāng)月平均值的基礎(chǔ)上，通過(guò)累加求得當(dāng)年土壤呼吸年通量。此外，觀測(cè)過(guò)程中無(wú)法達(dá)到時(shí)間和空間上的同步，進(jìn)一步加大了土壤異養(yǎng)呼吸觀測(cè)值在時(shí)空上的變異，而長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)能夠全天候，不間斷、高頻 (每半小時(shí)測(cè)定1次)地進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，能夠真實(shí)地反映土壤異養(yǎng)呼吸的晝夜變化及其對(duì)干濕交替的瞬時(shí)響應(yīng)。因此，本研究以米櫧次生林為對(duì)照，選取2種不同更新方式 (人促更新、人工造林)為研究對(duì)象，采用LI-8100A土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，探討不同更新方式初期土壤異養(yǎng)呼吸晝夜變化模式及其對(duì)環(huán)境因子瞬時(shí)變化的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建師范大學(xué)大武夷山常綠闊葉林野外定位站三明觀測(cè)點(diǎn) (26°19'N，117°36'E)。平均海拔300 m，平均坡度27.5°～35°，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫19.1℃，年均降雨量1 749 mm(主要集中在3—8月份)，年均蒸發(fā)量1 585 mm，相對(duì)濕度81%。土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

米櫧次生林由米櫧天然林1976年經(jīng)過(guò)強(qiáng)度擇伐后封山育林演替形成。2011年12月米櫧次生林皆伐后，在采伐跡地上分別采取人促更新 (保留采伐剩余物、不煉山)和人工造林 (煉山)2種方式，同時(shí)以原有次生林為對(duì)照。2012年5月，在3種處理內(nèi)上、中、下各布設(shè)3個(gè)1 m×1 m壕溝，每個(gè)壕溝內(nèi)布置1個(gè)內(nèi)徑為20 cm、高10 cm的PVC土壤環(huán)，將PVC土壤環(huán)插入土中7～8 cm深處。土壤異養(yǎng)呼吸測(cè)定采用Li-8100A(美國(guó)，基因公司)土壤CO2通量全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定，土壤異養(yǎng)呼吸測(cè)定頻率為每半個(gè)小時(shí)測(cè)定1次，全天24 h不間斷測(cè)定。在測(cè)定異養(yǎng)呼吸速率的同時(shí)，應(yīng)用Li-8100A配套的土壤溫濕度傳感器測(cè)定土壤5 cm深處的溫度和體積含水量。觀測(cè)時(shí)間從2013年8月1—31日。在2013年8月觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)月土壤異養(yǎng)呼吸晝夜變化模式基本相同，而且8月27日土壤異養(yǎng)呼吸平均值與8月平均值接近 (數(shù)據(jù)未給出)，本研究選取2013年8月27日作為參考。另外由于9月25—26日持續(xù)降雨后，27日開(kāi)始天晴，土壤異養(yǎng)呼吸出現(xiàn)1個(gè)峰值。因此，本文選擇2013年9月27日結(jié)果進(jìn)行報(bào)道。

2 結(jié)果與討論

從圖1可知，次生林 (圖1a)土壤異養(yǎng)呼吸速率與土壤5 cm溫度的晝夜變化不一致，異養(yǎng)呼吸日平均速率為2.89 μmol·m－2·s－1，變化范圍為2.58 ～3.25 μmol·m－2·s－1，在9:00—11:00 時(shí)間段內(nèi)，4次觀測(cè)的土壤呼吸速率分別為2.76、2.87、2.86和2.78 μmol·m－2·s－1，與日平均值接近。此外，在觀測(cè)期間 (8月1日—8月31日)內(nèi)，每天9:00—11:00平均值與當(dāng)天日平均值只高估2.19%～6.84%。因此次生林內(nèi)采用9:00—11:00時(shí)間段內(nèi)異養(yǎng)呼吸速率代表當(dāng)天日平均值可信度較高。

人促更新 (圖1b)土壤異養(yǎng)呼吸速率和土壤5 cm溫度晝夜變化較大，其中土壤溫度波動(dòng)范圍為24.65 ～36.70 ℃。土壤異養(yǎng)呼吸日平均速率為 2.02 μmol·m－2·s－1，變化范圍為 1.84 ～2.41 μmol·m－2·s－1。在9:00—11:00時(shí)間段內(nèi)，觀測(cè)的土壤呼吸速率分別為1.85、1.84、1.94和2.08 μmol·m－2·s－1，采用此時(shí)段內(nèi)速率代表當(dāng)天平均值約低估3.9% ～8.9%。而在整個(gè)觀測(cè)期間內(nèi) (31天)，每天9:00—11:00平均值比當(dāng)天平均值低1.1% ～15.8%。因此，在人促更新初期，9:00—11:00時(shí)間段內(nèi)異養(yǎng)呼吸速率并不能代表的當(dāng)天日平均值。

人工造林 (圖1c)土壤異養(yǎng)呼吸速率和土壤溫度晝夜變化均較激烈，土壤溫度變化范圍為26.53～35.15 ℃。土壤異養(yǎng)呼吸日平均速率為2.80 μmol·m－2·s－1，變化范圍為2.24 ～4.12 μmol·m－2·s－1。在9:00—11:00時(shí)間段內(nèi)，4次觀測(cè)的土壤呼吸速率分別為3.55、3.63、3.98和4.12 μmol·m－2·s－1，分別比日平均值高26.7%、29.6%、42.1%和47.1%。在整個(gè)觀測(cè)期間，每天9:00—11:00時(shí)間段平均值比當(dāng)天日平均值高7.8%～38.5%。因此，在幼林地采用9:00—11:00時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)結(jié)果推算當(dāng)月碳排放量將大大高估異養(yǎng)呼吸的排放量。

圖1 不同森林更新方式土壤異養(yǎng)呼吸晝夜變化及瞬時(shí)響應(yīng)模式Figure1 Diel patterns of autotrophic and high moment in difference of forest regeneration

高頻率自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)在時(shí)間上精度較高，能夠快速、準(zhǔn)確、真實(shí)地反映土壤異養(yǎng)呼吸對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)。2013年9月27日觀測(cè)結(jié)果表明，在溫度不是受限制因子時(shí)，土壤含水量瞬時(shí)的增加或降低，異養(yǎng)呼吸能迅速作出響應(yīng)。次生林內(nèi) (圖1d)土壤溫度和含水量變化均較小 (約8%)，異養(yǎng)呼吸無(wú)顯著變化;人促更新 (圖1e)土壤含水量3 h內(nèi)從21.78%增加到25.62%，異養(yǎng)呼吸速率從3.31 μmol·m－2·s－1下降到2.72 μmol·m－2·s－1，下降17.8%。但人工造林 (圖1f)異養(yǎng)呼吸速率在3 小時(shí)內(nèi)從 1.93 μmol·m－2·s－1上升到 3.37 μmol·m－2·s－1，增加 74.6%。因此利用高頻率自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)能夠捕捉利用手動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)中難以發(fā)現(xiàn)的峰值時(shí)刻，這種響應(yīng)非常迅速 (分鐘到小時(shí))但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng) (影響從幾小時(shí)到幾天)。

3 小結(jié)

在土壤溫度波動(dòng)較小的次生林內(nèi)能準(zhǔn)確代表當(dāng)天的日平均值，而人促更新初期采用9:00—11:00觀測(cè)結(jié)果來(lái)計(jì)算，日平均值將低估3.9%～8.9%，但在人工造林地初期日平均值將高估26.7%～47.1%。所以，采用9:00—11:00時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)值代表日平均值并不適用于所有的森林類(lèi)型土壤，特別是更新初期幼林地將大大高估土壤碳排放量。采用高頻率自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)所觀測(cè)到的峰值及其持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短將嚴(yán)重影響土壤呼吸碳排放量的外推精度。因此，采用高頻率自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)將大大提高森林土壤排放量進(jìn)行估算精度，為進(jìn)一步完善土壤碳計(jì)算模型精度提供參考依據(jù)。

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