林地不同厚度土壤表面呼吸通量的試驗(yàn)

孟春 徐輝 屈惠蕾

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

林地不同厚度土壤表面呼吸通量的試驗(yàn)

孟春 徐輝 屈惠蕾

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

采用室內(nèi)培養(yǎng)土壤方法，運(yùn)用LI-8150測(cè)定了3次3晝夜不同厚度土壤表面呼吸通量。結(jié)果表明，隨土壤厚度的增加，各次試驗(yàn)各時(shí)間跨度呼吸通量雖呈增加的趨勢(shì)，但增加的速率相差很大，沒有呈現(xiàn)線形增加的趨勢(shì)。隨觀測(cè)時(shí)間的延續(xù)，呼吸通量增速最大值由10到20 cm厚度轉(zhuǎn)變到20到30 cm厚度。呼吸通量的增速?zèng)Q定了各層次厚度呼吸通量的貢獻(xiàn)率，各厚度呼吸貢獻(xiàn)率與呼吸通量增速的大小具有相同的表現(xiàn)形式。

土壤；厚度；呼吸通量

We used indoor incubate soil and Li-8150 to measure soil respiration flux for three times during three days and nights at different soil thickness. All experiments of each time span respiration flux was an increase trend with soil depth increase, but the increase rate varied widely with nonlinear increase. With a continuous observation time, maximum increase rate of respiration flux changed form 10-20 cm thickness to 20-30 cm thickness. Increase rate of respiration flux can determine the contribution of respiration flux at each thickness, and the contribution rate of respiration flux are with the same form.

土壤是全球碳循環(huán)的第二大碳庫(kù)[1],其釋放的CO2的變化對(duì)全球氣候變化有著重要的影響。鑒于此，人們對(duì)土壤呼吸通量[2-3]和土壤碳儲(chǔ)量[4-5]方面進(jìn)行了大量研究。在土壤呼吸通量的研究方面，主要集中在土壤表面呼吸通量的測(cè)定，而對(duì)不同厚度(或不同層次)土壤對(duì)土壤呼吸通量的貢獻(xiàn)率的研究還很有限[6-7]。而當(dāng)我們采用去除法研究各組分的呼吸通量[8-9]或采用挖去法研究不同深度土壤CO2通量[10]時(shí)，就涉及到在土壤結(jié)構(gòu)及呼吸環(huán)境發(fā)生變化后不同厚度(或?qū)哟?土壤呼吸通量的變化及其對(duì)土壤呼吸總量貢獻(xiàn)率影響的問題。為此，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，以林地土壤為樣本，排除根系的影響，研究了不同厚度礦質(zhì)土壤表面呼吸通量的變化及其對(duì)土壤呼吸總量的貢獻(xiàn)率，以期對(duì)土壤呼吸通量的實(shí)際觀測(cè)提供一個(gè)科學(xué)的參考。

1 材料與方法

1.1 土壤取樣

土壤取自于東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)白樺林。東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)位于哈爾濱市區(qū)內(nèi)馬家溝河西岸(N45°43.463′～45°43.464′，E128°37.457′～128°37.458′)，地形平緩，土壤為黑土，水分條件良好。屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫3.5 ℃，年積溫2 757 ℃，年降水量534 mm。

本次試驗(yàn)選取的土樣為該林場(chǎng)內(nèi)白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)人工林內(nèi)的土壤。林分狀況和土壤理化性質(zhì)詳見參考文獻(xiàn)[11]、[12]。于2011年6月10日，在林內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)挖取長(zhǎng)×寬×高分別為50 cm×100 cm×60 cm的土壤樣方。挖取的土壤運(yùn)至室內(nèi)后，將土壤中的根及雜物挑出后充分混合，保證土壤的均質(zhì)性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2011年6月20日將混合好的土壤分別裝入長(zhǎng)×寬×高分別為100 cm×100 cm×10 cm、100 cm×100 cm×20 cm、100 cm×100 cm×30 cm和100 cm×100 cm×40 cm的4個(gè)土壤箱中并充滿，澆少量水，待數(shù)日后入土壤高度下降后再填滿土壤，再澆少量水。如此反復(fù)幾次至土壤箱內(nèi)土壤高度穩(wěn)定后測(cè)定土壤密度為0.88 g·cm-3，非毛管孔隙度14.20%，毛管孔隙度46.70%，總孔隙度60.90%。

于2011年7月3日在每個(gè)土壤箱的土壤上安置觀測(cè)土壤表面呼吸通量的PVC環(huán)，并將LI-8150的4個(gè)長(zhǎng)期觀測(cè)氣室安置在土壤環(huán)上，在整個(gè)觀測(cè)期間保持氣室不動(dòng)。同時(shí)在每個(gè)土壤箱的土壤中插入土壤溫度和濕度傳感器，深度至土壤表面下5 cm。

分別于2011年7月5日11時(shí)40分至7月8日11時(shí)20分(一晝夜)、8月20日9時(shí)30分至8月23日7時(shí)30分(二晝夜)、11月20日11時(shí)30分至11月23日11時(shí)20分(三晝夜)進(jìn)行3次3晝夜土壤表面呼吸通量的連續(xù)觀測(cè)，同時(shí)測(cè)定土壤表面下5 cm處溫度和濕度。呼吸通量及土壤表面下5 cm處溫度和濕度每隔30 min測(cè)定1次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

由于連續(xù)觀測(cè)中每時(shí)刻觀測(cè)的呼吸通量及土壤表面下5 cm處溫度和濕度有很大的隨機(jī)性，所以，取每次觀測(cè)中連續(xù)12 h觀測(cè)的呼吸通量及土壤表面下5 cm處溫度和濕度的平均值作為一組試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)值，即每晝夜取得4組試驗(yàn)觀測(cè)值。

以一晝夜、二晝夜和三晝夜為時(shí)間跨度，分別取3次試驗(yàn)10、20、30和40 cm土壤厚度的試驗(yàn)數(shù)值，進(jìn)行土壤表面呼吸通量與土壤表面下5 cm處溫度和濕度擬合分析，建立線形擬合模型。

由于各土壤箱土壤含水率存在些許差異，為準(zhǔn)確分析土壤表面呼吸通量，根據(jù)上面建立的線性擬合模型，以每次觀測(cè)的土壤表面下5 cm處平均溫度和濕度為參數(shù)，計(jì)算出各時(shí)間跨度下土壤表面呼吸通量，以此來分析土壤表面呼吸通量與土壤厚度的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤表面呼吸通量與土壤表面下5 cm處溫度和濕度的擬合模型

土壤溫度和濕度是影響土壤表面呼吸通量的兩個(gè)重要因素。從擬合模型看，不論時(shí)間跨度是多少，各厚度土壤表面呼吸通量與土壤表面下5 cm處溫度和濕度相關(guān)性很高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.896以上(表1)，表明通過室內(nèi)培養(yǎng)的土壤，其表面呼吸排放通量與土壤表面下5 cm處溫度和濕度仍呈現(xiàn)出與室外自然狀態(tài)的土壤一致的關(guān)系。因此，經(jīng)室內(nèi)培養(yǎng)觀測(cè)土壤表面呼吸通量的方法是可行的。

表1 土壤表面CO2排放通量(Jg)與土壤表面下5 cm處溫度(T)和濕度(W)擬合模型

時(shí)間跨度土壤厚度/cm模 型R2一晝夜10Jg=1.694W+0.004T0.89620Jg=-0.8420W+0.080T0.98030Jg=-3.335W+0.077T0.99640Jg=-8.273W+0.117T0.967二晝夜10Jg=1.422W+0.006T0.90920Jg=-7.185W+0.069T0.96930Jg=-4.152W+0.084T0.99440Jg=-7.792W+0.111T0.971三晝夜10Jg=1.171W+0.008T0.92120Jg=-5.763W+0.058T0.95130Jg=-3.911W+0.080T0.99340Jg=-7.632W+0.109T0.977

注：一晝夜指2011年7月5日11時(shí)40分至7月8日11時(shí)20分；二晝夜指8月20日9時(shí)30分至8月23日7時(shí)30分；三晝夜指11月20日11時(shí)30分至11月23日11時(shí)20分。

2.2 土壤表面呼吸通量與土壤厚度的關(guān)系

分別取每次試驗(yàn)一晝夜、二晝夜和三晝夜土壤表面下5 cm處的平均溫度和濕度(見表2)，代入表1中各土壤厚度的擬合模型中，得每次觀測(cè)一晝夜、二晝夜和三晝夜各厚度土壤表面呼吸通量的計(jì)算值，其散點(diǎn)及趨勢(shì)線見圖1。

表2 土壤表面下5 cm處的平均溫度和濕度

注：一晝夜指2011年7月5日11時(shí)40分至7月8日11時(shí)20分；二晝夜指8月20日9時(shí)30分至8月23日7時(shí)30分；三晝夜指11月20日11時(shí)30分至11月23日11時(shí)20分。

圖1 各厚度土壤表面CO2排放通量

2.2.1 各厚度呼吸通量變化

對(duì)于10cm厚度，一至三晝夜度各次試驗(yàn)呼吸通量差別不大(圖1)。試驗(yàn)I、試驗(yàn)II和試驗(yàn)III呼吸通量分別介于0.26～0.32、0.25～0.35和0.24～0.34 μmol·m2·s-1之間。隨時(shí)間跨度的增加，各次試驗(yàn)呼吸通量均略有增加。

對(duì)于20～40 cm厚度，一至三晝夜各次試驗(yàn)呼吸通量差別也不大(圖1)，但均表現(xiàn)出相同時(shí)間跨度下呼吸通量觀測(cè)值試驗(yàn)I最大，試驗(yàn)II次之，試驗(yàn)III最小。試驗(yàn)I、試驗(yàn)II和試驗(yàn)III在20、30和40 cm厚度的呼吸通量分別介于1.05～1.29、0.62～0.69和0.33～0.55 μmol·m-2·s-1，1.70～1.81、1.37～1.43和0.94～1.02 μmol·m-2·s-1，2.19～2.28、1.56～1.61和1.01～1.23 μmol·m-2·s-1之間。各次試驗(yàn)相同厚度呼吸通量均表現(xiàn)隨時(shí)間跨度的增加而減小。

2.2.2 各厚度呼吸通量增加速率

隨土壤厚度的增加，一至三晝夜各次試驗(yàn)呼吸通量均呈增加的趨勢(shì)(圖1)，但增加的速率不同。

對(duì)于試驗(yàn)I，10到20 cm增加較快，一至三晝夜分別增加396%、293%和228%。20到30 cm和30到40 cm增速變緩，一至三晝夜分別為：34%和31%、59%和20%、72%和24%。

對(duì)于試驗(yàn)II和試驗(yàn)III的一晝夜，10到20 cm增速較快，分別為102%和129%。20到30 cm和30到40 cm增速變緩，分別為：98%和17%、85%和20%。

對(duì)于試驗(yàn)II與試驗(yàn)III的二晝夜和三晝夜，20到30 cm增加最快，分別為130%和137%、129%和184%。10到20 cm分別為77%和72%、72%和17%。30到40 cm分別為9%和7%、13%和7%。

一至三晝夜各次試驗(yàn)呼吸通量增加速率最小的，均為30到40 cm。

2.2.3 各厚度呼吸通量貢獻(xiàn)率

對(duì)于試驗(yàn)I，20 cm厚度貢獻(xiàn)率最大，但隨時(shí)間跨度的增加，貢獻(xiàn)率逐漸較小(圖2)，一至三晝夜貢獻(xiàn)率分別為45%、39%和34%。10、30和40 cm一至三晝夜貢獻(xiàn)率分別為：11%、13%和14%，19%、31%和32%，25%、34%和20%。

對(duì)于試驗(yàn)II和試驗(yàn)III，各厚度貢獻(xiàn)率顯出相同的變化趨勢(shì)，即30 cm厚貢獻(xiàn)率最大，40 cm厚貢獻(xiàn)率最小。試驗(yàn)II和試驗(yàn)III中，30 cm厚度一至三晝夜貢獻(xiàn)率分別為42%和38%、52%和54%、50%和60%；試驗(yàn)II中，40 cm厚度一至三晝夜貢獻(xiàn)率分別為：15%、8%和12%，試驗(yàn)III中，40 cm厚度一至三晝夜貢獻(xiàn)率分別為：17%、7%和7%。試驗(yàn)II的10和20 cm一至三晝夜貢獻(xiàn)率分別為：21%、22%和22%，22%、18%和16%。試驗(yàn)III的10和20 cm一至三晝夜貢獻(xiàn)率分別為：20%、23%和28%，25%、16%和5%。

圖2 不同土壤厚度呼吸通量貢獻(xiàn)率比較

3 結(jié)論與討論

由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果，試驗(yàn)土樣結(jié)構(gòu)單一、無根系及動(dòng)物的影響，因此，可以忽略根呼吸和動(dòng)物呼吸的影響，僅存在土壤微生物呼吸。

在土壤穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成的同時(shí)，土壤微生物群落也逐步形成并隨時(shí)間的延續(xù)保持穩(wěn)定。在這一過程中，土壤微生物呼吸通量經(jīng)若干小時(shí)的持續(xù)升高后下降[13]，再經(jīng)若干時(shí)間后保持一定的穩(wěn)定性。因此，表現(xiàn)在20～40 cm呼吸通量上，即呈現(xiàn)出相同時(shí)間跨度下呼吸通量觀測(cè)值試驗(yàn)I最大、試驗(yàn)II次之、試驗(yàn)III最小的觀測(cè)結(jié)果。而10 cm由于土層很薄，受土氣交換的直接作用，土壤內(nèi)部氣體很難保持較大的CO2通量，各次試驗(yàn)呼吸通量觀測(cè)值較小，且隨時(shí)間跨度的增加，呼吸通量略有增加。

一般認(rèn)為，土壤呼吸通量隨深度的增加而增加[6]，這是由于在一定深度內(nèi)(0～60 cm)土壤CO2通量與土壤微生物含量具有一定的正相關(guān)性[14]。在野外觀測(cè)條件下，這種增加一般為非線性的[15-18]。在土壤均質(zhì)的條件下，是否應(yīng)呈線性增加的形態(tài)。本次試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，隨土壤厚度的增加，各次試驗(yàn)各時(shí)間跨度呼吸通量雖呈增加的趨勢(shì)，但增加的速率相差很大，沒有呈現(xiàn)線形增加的形態(tài)。將3次試驗(yàn)按時(shí)間序列分析的結(jié)果是，隨觀測(cè)時(shí)間的延續(xù)，試驗(yàn)I至試驗(yàn)III土壤呼吸通量在10到20 cm的增速由開始時(shí)的最大值逐漸變小，至試驗(yàn)II和試驗(yàn)III二晝夜和三晝夜的20 cm到30 cm增速最大。這與土壤結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定、20～30 cm土壤微生物活性強(qiáng)有關(guān)。而30 cm～40 cm增速最低，表明該層次由于土壤內(nèi)CO2通量過高，可能抑制了微生物活性，使呼吸通量增速降低。

呼吸通量的增速?zèng)Q定了各層次厚度呼吸通量的貢獻(xiàn)率，因此，各厚度呼吸貢獻(xiàn)率與呼吸通量增速的大小具有相同的表現(xiàn)形式。

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Surface Respiration Flux at Different Forest Soil Thickness

Meng Chun, Xu Hui, Qu Huilei(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(2)：59-62.

Soil; Thickness; Respiration flux

孟春，男，1964年5月，森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，副教授。E-mail:504973901@qq.com。

2014年4月20日。

S718.51+6

責(zé)任編輯：潘 華。