地被物載量和密實度對3種林型土壤呼吸的影響

李飛 趙彬清 周曉霞 劉婉云 胡海清 孫龍

摘要：森林火災(zāi)改變林下死地被物床層結(jié)構(gòu)，而死地被物床層結(jié)構(gòu)又通過影響地被物溫濕度和土壤理化性質(zhì)等，進而影響土壤呼吸速率。而這到底對土壤呼吸影響多大目前還說不清楚。因此，本實驗于2013年8～11月，在哈爾濱市城市林業(yè)示范基地研究了3種主要人工林型（白樺林、興安落葉松林和蒙古櫟林）死地被物層床層結(jié)構(gòu)特點，并連續(xù)監(jiān)測了不同床層結(jié)構(gòu)下，3種林型8～11月各月份土壤呼吸速率。結(jié)果表明死地被物床層結(jié)構(gòu)對土壤呼吸有顯著的影響。3種林型各載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態(tài)載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，地被可燃物載量處理對土壤呼吸影響顯著。其中白樺林9月份差異變化最顯著，蒙古櫟林8月份差異變化最顯著，興安落葉松林8月份差異變化最顯著。3種林型各密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態(tài)>全部清除地被可燃物，地被可燃物密實度處理對土壤呼吸影響顯著。其中白樺林9月份差異變化最顯著，蒙古櫟林8月份差異變化最顯著，興安落葉松林10月份差異變化最顯著。研究結(jié)果為進一步開展科學(xué)的森林地被可燃物管理以及計劃火燒對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地被物可燃物；床層結(jié)構(gòu)；土壤呼吸；載量

中圖分類號：S714

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0038-04

全面了解土壤呼吸釋放C0₂到大氣中的變化規(guī)律以及調(diào)控因子，對理解和預(yù)測未來全球氣候變化具有重要的意義。目前，在土壤呼吸調(diào)控因子方面研究的比較深刻和透徹。許多研究表明，土壤呼吸和溫度之間有明顯的相關(guān)關(guān)系，如線性關(guān)系，指數(shù)關(guān)系和Arrhenius方程等。一般認為，土壤溫度是土壤呼吸的主要調(diào)控因子；干旱半干旱地區(qū)，土壤水分往往取代土壤溫度成為土壤呼吸的主要控制因子。土壤呼吸速率與土壤濕度之間的關(guān)系也可用多種方程函數(shù)來表示，常用的有線性方程、二次方程和雙曲線方程等；此外降水，土壤有機酸、氮含量，植被類型等對土壤呼吸也有顯著地影響。死地被物層是森林土壤中最重要的一部分，它綜合影響著地被物的濕度，土壤理化性質(zhì)等。然而，地被可燃物床層結(jié)構(gòu)變化對土壤呼吸影響也是很大的，但是目前這方面關(guān)注的還很有限。研究并揭示森林采伐、集材運材、跡地清理等森林作業(yè)對土壤呼吸的影響及其作用機理，對改善人為擾動對森林生態(tài)系統(tǒng)的負面影響、減少C02釋放，提高林地生產(chǎn)力和林地更新質(zhì)量有重要理論價值和實際意義。研究表明皆伐后地被可燃物結(jié)構(gòu)改變，林地表層土壤溫度明顯升高。壓實主要造成土壤容重和機械阻力增加，土壤通氣性、持水性和滲透性降，土壤內(nèi)化學(xué)元素吸收受到限制，進而影響植物正常生長。同時壓實還降低土壤微生物活性和土壤表面CO₂釋放速率。

北方林區(qū)是我國森林火災(zāi)的多發(fā)地區(qū)，森林火災(zāi)在很大程度上改變了森林死地被物床層結(jié)構(gòu)，進而對森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能都產(chǎn)生了不同程度的影響。因此，本實驗選擇哈爾濱市城市林業(yè)示范基地的白樺（Betula platyphylla）林，興安落葉松（Larix gmelini）林，蒙古櫟（Quercus mongolica）林三種林分作為研究對象，研究人為處理條件下地被可燃物物層床層結(jié)構(gòu)對土壤呼吸速率的影響，為進一步加深理解計劃火燒后可燃物床層結(jié)構(gòu)的變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

哈爾濱城市林業(yè)示范基地位于黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)，經(jīng)緯度：45°43'463"～45°43'464"N，126°37'457"～126°7'458"E，地形平緩，土壤為地帶性黑鈣土，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534mm。本研究地點位于該區(qū)白樺（Betulaplatyphylla）林，興安落葉松（Larix gmelini）林，蒙古櫟（Quercus mongolica）林內(nèi)。

1.2 研究方法

于2013年8～11月，用LI-6400光合作用分析儀（配帶土壤呼吸室）對白樺林，興安落葉松林，蒙古櫟林進行土壤呼吸測定，兩周一次，同時測定了土壤5cm溫度。對死地被物層進行控制，8月份在3種林分內(nèi)分別進行載量調(diào)查，確定各林分內(nèi)自然狀態(tài)下地被可燃物載量。進一步依據(jù)自然狀態(tài)下森林地被物載量特征，設(shè)置為地被可燃物全部去除，地被可燃物去除50%，自然狀態(tài)下載量等3種處理模式，定期監(jiān)測土壤呼吸。同時設(shè)置樣方對林下死地被物層密實度進行處理，在3種林分內(nèi)設(shè)置自然狀態(tài)，壓實處理以及全部清除地被物等3種處理，同步檢測土壤呼吸動態(tài)變化。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

本試驗采用Microsoft Excel 2003對數(shù)據(jù)進行處理，并用SPSS16.0對結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地被可燃物床層結(jié)構(gòu)的量化

本次試驗對死地被物層床層結(jié)構(gòu)量化主要考慮地被物載量和密實度2個指標。研究中通過前期測定進行死地被物層載量和密實度梯度設(shè)置。自然狀態(tài)下死地被可燃物床層量化見表1。

2.2 3種林型地被可燃物載量對土壤呼吸的影響

根據(jù)野外測得的數(shù)據(jù)分析得出，白樺林8～11月份3種載量處理模式下土壤呼吸動態(tài)變化如圖1所示。自然狀態(tài)載量處理下土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率達最大值為6.59μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%處理下土壤呼吸速率先升高后降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為3.17μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除處理下土壤呼吸速率一直降低，8月份土壤呼吸速率達最大值為2.31μmol/㎡·s。3種載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態(tài)載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中9月份和10月份不同處理導(dǎo)致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

蒙古櫟林8～11月份3種載量處理模式下土壤呼吸動態(tài)變化如圖2所示。自然狀態(tài)載量處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達最小值為3.42μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達最小值為2.37μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除處理下土壤呼吸速率先持平后下降，10月份土壤呼吸速率持平為1.90μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為1.21μmol/㎡·s。3種載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態(tài)載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中8月份不同處理導(dǎo)致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

興安落葉松林8月N11月份3種載量處理模式下土壤呼吸動態(tài)變化如圖3所示。自然狀態(tài)載量處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，8月份土壤呼吸速率達最大值為4.64μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為1.56μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率達最大值為2.36μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為1.28μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率達最大值為1.20μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為0.67μmol/㎡·s。3種載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態(tài)載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中8月份和10月份不同處理導(dǎo)致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

3種林型各載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態(tài)載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，可以認為地被可燃物載量處理對土壤呼吸影響顯著。

2.3 3種林型地被可燃物密實度對土壤呼吸的影響

根據(jù)野外測得的數(shù)據(jù)分析得出，白樺林8～11月份3種密實度處理模式下土壤呼吸動態(tài)變化如圖4所示。壓實處理下土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率達到最大值為6.86μmol/㎡·s。自然狀態(tài)處理下土壤呼吸速率先升高后降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為4.00μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物處理下土壤呼吸速率一直降低，8月份土壤呼吸速率達到最大值為1.41μmol/㎡·s。除8月份壓實處理下土壤呼吸速率略低于自然狀態(tài)下土壤呼吸速率外，其他各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態(tài)>全部清除地被可燃物，其中9月份和10月份不同密實度處理導(dǎo)致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

蒙古櫟林8月～11月份3種密實度處理模式下土壤呼吸動態(tài)變化如圖5所示。壓實處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達到最小值為2.10μmol/㎡·s。自然狀態(tài)處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達到最小值為1.34μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達到最小值為1.11μmol/㎡·s₀3種密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態(tài)>全部清除地被可燃物，其中8月份和11月份不同密實度處理導(dǎo)致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

興安落葉松林8月～11月份3種密實度處理模式下土壤呼吸動態(tài)變化如圖6所示。壓實處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為3.70 μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達到最小值為1.65μmol/㎡·s。自然狀態(tài)處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為2.41μmol/㎡.s，9月份土壤呼吸速率達到最小值為1.40μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，8月份土壤呼吸速率達到最大值為1.81μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達到最小值為0.79μmol/㎡·s。3種密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態(tài)>全部清除地被可燃物，其中10月份不同密實度處理導(dǎo)致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

3種林型各密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態(tài)>全部清除地被可燃物，可以認為地被可燃物密實度處理對土壤呼吸影響顯著。

3 結(jié)論與討論

白樺林8月～11月份土壤呼吸速率先升高后降低，蒙古櫟林8月～11月份土壤呼吸速率先降低后升高，興安落葉松林8月～11月份土壤呼吸速率先降低后升高再降低。3種林型相似溫濕度變化下土壤呼吸變化趨勢明顯不同，說明溫度、濕度及其相互作用與土壤呼吸速率變化相關(guān)性擬合不好。本文認為導(dǎo)致不同林型土壤呼吸與各自土壤溫濕度關(guān)系不夠密切的原因在于實驗林場的人為干擾較強烈和受城市效應(yīng)的影響，使得其他影響因素在土壤呼吸測定中成為主要影響因素，從而影響了土壤呼吸與土壤溫濕度的相關(guān)性。

但3種林型各載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態(tài)載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，可以認為地被可燃物載量處理對土壤呼吸影響顯著。土壤表層凋落物的聚集會使土壤表層釋放CO₂量增加。3種林型各密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態(tài)>全部清除地被可燃物，地被可燃物密實度處理對土壤呼吸影響顯著。有研究表明，壓實使土壤生產(chǎn)力大大下降，土壤呼吸產(chǎn)生的CO₂不能及時釋放出來。本文認為壓實處理監(jiān)測得出數(shù)據(jù)與相關(guān)研究出現(xiàn)差異的原因在于壓實程度的不一致，較輕微程度的凋落物壓實處理有助于土壤呼吸CO₂的釋放。