采伐強度對大興安嶺用材林解凍初期土壤呼吸的影響1)

曾翔亮 董希斌

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤是一個巨大的碳儲存庫[1]，土壤呼吸產(chǎn)生的CO2量是化石燃料燃燒釋放CO2總量的10多倍[2]，因此，土壤呼吸作用的微小改變就能對全球碳循環(huán)造成重要影響，從而影響全球的碳平衡[3]。同時，土壤呼吸還是土壤有機質(zhì)礦化速率和異養(yǎng)代謝活性的指標(biāo)，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力[4－6]，因此，土壤呼吸往往作為用材林經(jīng)營后土壤養(yǎng)分和透氣性指標(biāo)而得到重視[7－8]。但是，以往對用材林經(jīng)營后土壤呼吸的測定絕大多數(shù)集中在生長季內(nèi)[9－10]，而對非生長季的土壤呼吸測定及其調(diào)控機制的研究非常少[11]。對于北緯35°～65°間的中高緯度地區(qū)，解凍初期雖然是植物的非生長季，但卻是影響陸地碳循環(huán)的關(guān)鍵期，因為土壤凍融交替事件往往發(fā)生在解凍初期[12]，而土壤凍融交替直接影響著有機質(zhì)的分解、養(yǎng)分有效性與動態(tài)、微生物動態(tài)等生態(tài)系統(tǒng)過程，進(jìn)而深深影響著土壤呼吸的動態(tài)過程[13]。然而，目前對于用材林擇伐后在解凍初期土壤凍融交替時期土壤呼吸的動態(tài)變化規(guī)律及其機制過程還缺乏深入的了解[14]。因此，本文以大興安嶺用材林為研究對象，通過對其進(jìn)行不同強度的采伐并在解凍初期對樣地的土壤呼吸進(jìn)行測定，探討不同采伐強度對大興安嶺用材林解凍初期土壤呼吸的影響，以期為大興安嶺用材林下一步的經(jīng)營培育方向提供理論參考，并為全球碳循環(huán)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黑龍江省新林林業(yè)局新林林場的106、107、108、109 林班內(nèi)，地處北緯 51°20'以北的大興安嶺伊勒呼里山的東北坡;該地區(qū)平均海拔高度為561 m，地勢較為平緩，坡度不超過6°;主要林分類型為興安落葉松，偶見白樺;土壤為暗棕壤且平均厚度在14 cm左右;屬于寒溫帶大陸性氣候，年平均積溫低于1600℃，年平均氣溫為－2.6℃，年平均降水量為513.9 mm，主要集中在7、8月份;8月下旬開始出現(xiàn)初霜，無霜期平均為90 d左右;全年凍結(jié)期約為7個月，結(jié)冰一般出現(xiàn)在9月下旬，終凍在4月下旬。

2 材料與方法

在大興安嶺新林林場的用材林中選取19個樣地，進(jìn)行不同強度的采伐，采伐剩余物采用堆腐法進(jìn)行處理。按照采伐強度的梯度設(shè)置原則，選取其中采伐強度差別較大的B～H 7個樣地作為研究對象進(jìn)行土壤呼吸試驗，其采伐強度分別為6.23%(B)、16.75%(C)、20.86%(D)、27.85%(E)、40.01%(F)、56.51%(G)和 67.25%(H)。另外，在采伐樣地相鄰處選擇林分和立地條件均相似的保留地作為對照樣地(A)進(jìn)行土壤呼吸試驗。

于2013年的5月中下旬，在每個樣地上均按“Z”形布點法各選擇5個觀測點進(jìn)行土壤呼吸的測定，為減小對土壤呼吸測定的干擾，每次測量時，提前24 h在觀測點安置內(nèi)徑為20 cm的PVC土壤環(huán)，使其露出地表2～3 cm，并保留土壤環(huán)內(nèi)凋落物的自然狀態(tài)。土壤呼吸的測定采用LI－8150多通道土壤碳通量自動測量系統(tǒng)，測量前，根據(jù)觀測點的地形調(diào)試好呼吸室的擺放姿態(tài)，然后以30 min為一測量周期，對觀測點進(jìn)行全天重復(fù)測量。在測定土壤呼吸的同時，分別采用與LI－8150系統(tǒng)配套的土壤溫度探頭和土壤水分傳感器測量觀測點土壤10 cm深處的土壤溫度和濕度。

實地測量完畢后，在實驗室用與LI－8150配套的軟件File Viewer v3.0.0將測得的土壤呼吸數(shù)據(jù)打開，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正等預(yù)處理后，導(dǎo)入Excel2010和SPSS17.0進(jìn)行計算和處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同采伐強度對解凍初期土壤呼吸日變化的影響

以樣地F(采伐強度為40.01%)為例分析經(jīng)過不同強度采伐后解凍初期土壤呼吸的日變化特征(如圖1)。樣地F解凍初期土壤呼吸的日變化在總體上表現(xiàn)為雙峰曲線，其在13:00左右出現(xiàn)一個較小的峰值，但其最大的峰值(4.8 μmol·m－2·s－1)出現(xiàn)在19:00左右;在22:00～次日08:00期間，解凍初期土壤呼吸的速率均相對較低，但其最小值出現(xiàn)在02:00 左右，為 2.04 μmol·m－2·s－1，僅為最大值的42.5%;解凍初期土壤呼吸的日平均值為 3.02 μmol·m－2·s－1，其日變化幅度為 2.76 μmol·m－2·s－1。

圖1 樣地F的解凍初期土壤呼吸日變化

為更好的分析不同采伐強度對樣地解凍初期土壤呼吸的影響，現(xiàn)將各樣地解凍初期土壤呼吸的峰值出現(xiàn)時間、日平均值、日最大值、日最小值以及日變化幅度整理出來如表1所示。

表1 不同采伐強度后解凍初期土壤日呼吸的比較

由表1可知，各采伐樣地解凍初期土壤呼吸的峰值幾乎都出現(xiàn)在19:00左右，其中樣地B的峰值出現(xiàn)時間(14:00)相對較早，而對照樣地A的峰值則出現(xiàn)在00:00左右，晚于各采伐樣地;各采伐樣地解凍初期土壤日呼吸最大值為 2.47～5.08 μmol·m－2·s－1，均不同程度的低于對照樣地 A(5.19 μmol·m－2·s－1);對照樣地A解凍初期土壤日呼吸的最小值為 3.08 μmol·m－2·s－1，高于各采伐樣地，其中樣地 G 的日最小值最小，僅為 1.08 μmol·m－2·s－1;各采伐樣地解凍初期土壤呼吸的日變化幅度為1.39～3.48 μmol·m－2·s－1，其中樣地 B、D、F 和 H 的日變化幅度高于對照樣地 A(2.11 μmol·m－2·s－1);對照樣地A的解凍初期土壤呼吸日平均值最高，達(dá)到了4.06 μmol·m－2·s－1，而樣地 G 的土壤呼吸日平均值最低，僅為 1.77 μmol·m－2·s－1，解凍初期土壤呼吸日平均值變化的總體趨勢是:當(dāng)采伐強度較低時，隨采伐強度增加而升高，而當(dāng)采伐強度較高時，隨采伐強度增加而降低。

3.2 不同采伐強度下土壤溫度對解凍初期土壤呼吸的影響

本研究采用Van’t Hoff提出的指數(shù)模型，及溫度敏感指數(shù)Q10來描述各樣地解凍初期土壤呼吸，與土壤溫度之間的關(guān)系[15]，模型表達(dá)式如下:

其中，RS為土壤呼吸速率，μmol·m－2·s－1;T 為土壤距地表10 cm處的溫度，℃;Q10為溫度敏感指數(shù);a，b為待定參數(shù)。

以樣地F(采伐強度為40.01%)為例分析經(jīng)過不同強度采伐后土壤溫度對解凍初期土壤呼吸的影響。由樣地F土壤溫度的日變化曲線(如圖2)可知，土壤溫度的最大值出現(xiàn)18:00左右，最小值出現(xiàn)在07:30左右。與圖1進(jìn)行比較，可知其變化趨勢與解凍初期土壤呼吸的日變化趨勢總體上比較吻合。

圖2 樣地F的土壤溫度日變化

將樣地F解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系用散點圖描繪出來，然后用指數(shù)模型對其進(jìn)行擬合，得到其擬合模型:

為更好地分析比較不同強度采伐后土壤溫度對解凍初期土壤呼吸的影響，將各樣地的土壤日平均溫度、擬合模型、R2以及Q10整理出來(見表2)，結(jié)果顯示采伐強度對土壤溫度的影響存在波動，各采伐樣地土壤日平均溫度的波動范圍為3.049～5.098℃，均不同程度低于對照樣地A(6.074℃)，這可能是因為采伐移走了一部分地上生物量，導(dǎo)致林地夜晚的蓄溫能力下降;各樣地的相關(guān)系數(shù)為0.318～0.766，說明解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性比較顯著，其中對照樣地A的相關(guān)系數(shù)為0.421，略高于樣地 E(0.346)和樣地 H(0.318)，而樣地 D 的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到了0.766，說明僅土壤溫度就能解釋樣地D解凍初期土壤呼吸的76.6%;在溫度敏感指數(shù)Q10方面，各采伐樣地的Q10為1.099～1.292，均高于對照樣地(1.052)。

3.3 不同采伐強度下土壤濕度對解凍初期土壤呼吸的影響

本研究中測定的土壤濕度為體積含水率，即單位土壤總體積中水分所占的體積分?jǐn)?shù)，以樣地F(采伐強度為40.01%)為例，將樣地F的土壤溫度隨時間變化的測量值用曲線描繪出來(如圖3)，可知其最大值出現(xiàn)在15:00左右，最小值出現(xiàn)在04:30～10:00，但其日變化幅度僅為0.935%。與圖1進(jìn)行比較，其變化趨勢與解凍初期土壤呼吸的日變化趨勢總體上吻合度較低。

表2 不同強度采伐后解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系

為了更好地分析比較各樣地解凍初期土壤呼吸與土壤濕度的關(guān)系，本研究采用多種模型對二者進(jìn)行擬合，但均發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性不是很顯著，如當(dāng)采用二次多項式模型和線性模型對其進(jìn)行擬合時，分別得到相關(guān)系數(shù)，同時對各樣地的土壤濕度日平均值和日變化幅度進(jìn)行整理，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，經(jīng)過不同強度的采伐后，各采伐樣地的土壤日平均濕度均有所升高(樣地C除外);各采伐樣地土壤濕度的日變化幅度為0.131%～0.935%，除樣地F外，均不同程度的低于對照樣地A(0.599%);二次多項式模型稍優(yōu)于線性模型，但兩模型中各樣地的相關(guān)系數(shù)均在0.316以下，說明解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性不顯著，即土壤濕度對解凍初期土壤呼吸的影響很小。

圖3 樣地F的土壤濕度日變化

表3 不同強度采伐后解凍初期土壤呼吸與土壤濕度的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

解凍初期土壤解凍過程是東北森林土壤呼吸整年內(nèi)變化的一個轉(zhuǎn)折時期[14]，而森林采伐作業(yè)可導(dǎo)致植被組成、生物多樣性、土壤微生物活性以及土壤理化特性等發(fā)生變化，并進(jìn)一步引起土壤呼吸的改變[16－17]。本文以大興安嶺用材林為研究對象，對不同強度采伐后用材林的解凍初期土壤呼吸進(jìn)行測定，結(jié)果表明，采伐強度對解凍初期土壤呼吸有比較明顯的影響，這與沈微和郭輝等[18－19]的研究結(jié)果類似。雖然采伐強度對解凍初期土壤呼吸的影響存在微弱波動，但其總體趨勢是:當(dāng)采伐強度較低時，隨采伐強度增加而升高，而當(dāng)采伐強度較高時，隨采伐強度增加而降低。這可能是因為在采伐強度較低時，隨著采伐強度增加，林地內(nèi)的采伐剩余物隨之增加，為土壤呼吸提供的呼吸底物也相應(yīng)增加，因此土壤呼吸速率升高;而當(dāng)采伐強度達(dá)到一定程度時，呼吸底物已經(jīng)不是土壤呼吸的限制因子，此時，過高的采伐強度卻會造成林內(nèi)的微氣候發(fā)生較大改變，同時由于采伐時人畜的頻繁行走，使土壤被壓實，不利于林地內(nèi)的土壤呼吸，因此，土壤呼吸速率會出現(xiàn)下降。而對照樣地A的解凍初期土壤呼吸之所以高于各采伐樣地，可能是因為對照樣地A的土壤溫度高于各采伐樣地導(dǎo)致的。

各采伐樣地的土壤溫度均不同程度的低于對照樣地，說明采伐對土壤溫度存在影響，但采伐強度對大興安嶺用材林土壤溫度的影響存在波動，這與郭輝等[19]的研究結(jié)果存在差異，可能是因為樣地的立地條件、林相和土壤呼吸測定季節(jié)等不同造成的。本研究采用指數(shù)模型對各樣地的解凍初期土壤呼吸與土壤溫度進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示各樣地的相關(guān)系數(shù)為0.318～0.766，說明解凍初期土壤呼吸與土壤溫度存在比較顯著的相關(guān)性，這與以往大多數(shù)研究結(jié)果相同，其機理可能是因為土壤溫度可以直接影響酶的活性和土壤生物，并且可以通過影響底物供應(yīng)和氧氣運輸間接影響土壤呼吸[20]。溫度敏感指數(shù)Q10是描述土壤呼吸與土壤溫度關(guān)系的一個重要指標(biāo)，本研究中各采伐樣地的 Q10為 1.099～1.292，均高于對照樣地A(1.052)，說明各采伐樣地解凍初期土壤呼吸對土壤溫度變化的敏感程度要高于對照樣地A;以往的研究結(jié)果一般都認(rèn)為當(dāng)土壤平均溫度高于 20 ℃時，林地土壤呼吸 Q10值在 1.28～1.81，而當(dāng)土壤平均溫度低于20℃時，Q10值在2.0以上，且Q10會隨緯度的增加而升高[21]，但本研究中的各樣地的Q10卻低于2.0，這與以往的研究結(jié)果存在很大差異，其原因可能是解凍初期時土壤凍融交替會抑制酶的活性，也可能與試驗樣地的立地條件、林相、采伐方式以及植被的自身生理活動等有關(guān)，但其具體原因還需進(jìn)一步的研究。

在不同的研究中，土壤濕度與土壤呼吸之間的關(guān)系往往不一致，即使在相似的立地條件下，不同植被類型土壤濕度對土壤呼吸的影響也不一樣[22]。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過不同強度的采伐后，各采伐樣地的土壤日平均濕度均有所升高(樣地C除外)，可能是因為采伐后，林間出現(xiàn)的空隙增加，直達(dá)地表的雨雪增多，解凍初期融化后導(dǎo)致土壤濕度增加。本研究中，不論是對照樣地還是各采伐樣地，采用多種模型進(jìn)行擬合，結(jié)果均表明解凍初期土壤呼吸與土壤濕度的相關(guān)性不顯著，這可能是因為大興安嶺的解凍初期氣溫較低，植物剛處于發(fā)芽狀態(tài)，土壤蒸發(fā)、植物蒸騰作用等都很微弱，導(dǎo)致土壤濕度的日變化幅度很小(＜1%)，微弱的土壤濕度改變很難對解凍初期土壤呼吸造成明顯的影響。

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