不同坡位下紅錐人工林的土壤呼吸特征

鄭 威，譚一波，唐 潔，何 峰

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530001；2.湖南省林業(yè)科學(xué)研究院，湖南 長沙 410004；3.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530001）

不同坡位下紅錐人工林的土壤呼吸特征

鄭 威1，3，譚一波1，3，唐 潔2，何 峰1，3

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530001；2.湖南省林業(yè)科學(xué)研究院，湖南 長沙 410004；3.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530001）

坡位的差異會引起許多土壤微環(huán)境等因子改變，存在影響土壤呼吸的可能。研究以桂東紅錐人工林為對象，測定2013年6月至2014年5月間不同坡位下土壤呼吸動態(tài)，并對其控制因子進(jìn)行分析。結(jié)果如下：不同坡位下紅錐人工林的土壤呼吸均存在明顯的季節(jié)動態(tài)，表現(xiàn)為夏高冬低；紅錐人工林土壤呼吸呈現(xiàn)出隨坡位升高而增加的趨勢，中、上坡位分別高出下坡位8.54%、12.99%。土壤有機(jī)碳、全氮隨坡度升高而減少，但坡位間無顯著差異；土壤呼吸主要受土壤溫度所控制，土壤濕度與土壤呼吸間無顯著相關(guān)性。坡位間土壤呼吸的差異的主要原因在于所接受光照時長的差異所引起。

紅錐林人工林；坡位；土壤呼吸動態(tài)；廣西東部

土壤呼吸是土壤排放CO2至大氣的過程，包含根系呼吸、微生物呼吸（植物殘體分解；土壤有機(jī)物分解）和CaCO3釋放CO2[1]，為第二大陸地碳通量[2]，在全球碳循環(huán)過程有著重要地位。土壤呼吸主要受土壤溫度、濕度[3]、pH值[4]、養(yǎng)分含量[5]和降雨特征[6]等環(huán)境因子的影響，此外，還包括植被類型、地形因素等。

地形因素可以通過影響土壤微氣候環(huán)境、理化性質(zhì)、地下碳輸入等因子改變植被生長、微生物量[7]，所以土壤呼吸往往表現(xiàn)出強(qiáng)烈的土壤異質(zhì)性。坡位作為一個重要的地形因子，主要應(yīng)用在土壤侵蝕研究中。坡位的差異會對土壤含水量、土壤有機(jī)碳、土壤全氮等產(chǎn)生顯著影響[7]，引起植被分布格局的不同[8]、植物根系適應(yīng)性差異[9]以及土壤微生物量的改變[10]，這些因子差異存在直接或間接影響土壤呼吸的可能性。因此，在進(jìn)行森林的土壤CO2排放量的測算時，需考慮其地形因素的影響。

紅錐Castanopsis hystrix是亞熱帶優(yōu)良的鄉(xiāng)土闊葉樹種，在廣西、廣東、云南和福建均有分布，具有適應(yīng)廣、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)良特性，可作為廣泛推廣的造林樹種。研究選擇廣西玉林市的紅錐人工林為對象，開展了不同坡位下土壤呼吸的測定，探究地形對土壤呼吸的影響及機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西玉林市容縣境內(nèi)的玉林市林科所（22°48′～ 22°51′N、110°33′～ 110°37′E）， 屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為21.5 ℃，極端最高溫度39.4 ℃，極端最低溫度-2.3 ℃，≥10℃的年積溫400～8 100 ℃，年平均日照在1 800 h以上，年均降雨量1 462～1 847.7 mm，無霜期350～359 d。林地平均海拔約210 m，平均坡度約35°，土壤以砂頁巖發(fā)育而成的赤紅壤、紅壤為主，土層平均厚度在80 cm以上，土壤pH 4.6～5.2。所選人工林為2002年種植，平均胸徑為9.7 cm，樹高9.5 m，郁閉度0.4。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗方案

2013年6月，在林分所處坡面的上、中、下坡位設(shè)置試驗樣地，每一坡位設(shè)置4塊10×10 m重復(fù)樣方，對其中林木進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查灌、草蓋度、多樣性等指標(biāo)。

在每個樣方內(nèi)隨機(jī)選擇3個樣點分別安放PVC環(huán)（Φ21 cm×H8 cm），環(huán)插入土壤4 cm左右，測量期間環(huán)不再移動。測定頻率為每月1次，時間為2013年6月～2014年5月。土壤呼吸的晝夜動態(tài)測定選擇在7月份進(jìn)行，在上、中、下旬各選擇一天進(jìn)行，測定間隔為2 h。采用LI-8100進(jìn)行土壤呼吸測定。測定每個樣點土壤呼吸速率的同時，采用Li-8100-201 Omega、Li-8100-202同步測定5 cm處土壤溫度、濕度（后文中簡稱為土壤溫度、土壤濕度）。

在每個樣方中隨機(jī)采取3處土壤樣品，采樣深度0～20 cm，測定有機(jī)碳碳、全氮和pH值，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，有機(jī)質(zhì)至有機(jī)碳換算系數(shù)按1.9；全氮采用半微量凱氏定氮法；pH值采用電位法測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定。

1.2.3 數(shù)值計算與分析

采用單因素方差分析和LSD多重比較檢驗不同坡位間土壤呼吸、溫度、濕度的差異性，分析將土壤呼吸速率余弦化以滿足齊次性。采Sigmaplot軟件作圖。采用指數(shù)方程擬合土壤呼吸與溫度的關(guān)系：R=αexp(bT) ，R為土壤呼吸，α是土壤溫度為0 ℃時的土壤呼吸速率，b為溫度反應(yīng)系數(shù)[26]。在同一測定日，重復(fù)測定的土壤溫度、濕度差異極小，此時土壤呼吸變異并非土壤溫度、濕度引起，因此采用土壤溫度、濕度和土壤呼吸的均值進(jìn)行分析。土壤呼吸溫度敏感性采用Q10值：Q10=exp(10b)[27]，b同上式。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析用SPSS13.0軟件，用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸季節(jié)動態(tài)

紅錐人工林不同坡位的土壤呼吸呈現(xiàn)出相似的季節(jié)動態(tài)，表現(xiàn)為夏季高、冬季低，最大值出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在11月。在2013年5月～9月間，不同坡位間的土壤呼吸差異較小，2013年10月后，坡位間土壤呼吸差異明顯。從土壤呼吸的年均值來看，下、中、上坡位分別為3.89±0.03 μmolCO2m-2·s-1，4.22±0.03 μmolCO2m-2·s-1，4.39±0.03 μmolCO2m-2·s-1， 中、 上 坡 位 分 別 高 出 下 坡 位8.54%、12.99%，紅錐人工林土壤呼吸呈現(xiàn)出隨坡位升高而增加的趨勢，但坡位間無顯著性差異。

圖1 不同坡位的土壤呼吸季節(jié)動態(tài)Fig.1 Seasonal trends of soil respiration rates in different slope positions

不同坡位下土壤溫度的季節(jié)動態(tài)為夏高冬低，但在各月份坡位間的土壤呼吸速率值差別很小。各坡位的土壤濕度在2014年3月出現(xiàn)峰值，但在全年來看，其表現(xiàn)平緩，波動較小。下、中、高坡位的土壤濕度年均值分別為0.24±0.00 m3·m-3、0.23±0.00 m3·m-3、0.23±0.00 m3·m-3，坡位間不存在差異。

2.2 不同坡位土壤養(yǎng)分、植被屬性

紅錐林土壤pH值表現(xiàn)出隨坡位升高而增大的趨勢，但坡位間無顯著差異。有機(jī)碳、全氮含量隨坡位升高而減?。挥糸]度在各坡位表現(xiàn)相同，均為0.3；胸徑呈現(xiàn)為中坡位＞下坡位＞上坡位，但統(tǒng)計分析表明，各指標(biāo)在坡位間均無顯著差異。

圖2 不同坡位的土壤溫度、土壤濕度的季節(jié)動態(tài)Fig.2 Seasonal trends of soil temperature and soil moisture at 5 cm depth in different slope positions

表1 不同坡位下紅錐林土壤養(yǎng)分、植被屬性Table 1 Contents of soil nutrition and vegetation attributes in different slope positions

2.3 土壤呼吸與土壤溫度、濕度的關(guān)系

各坡位土壤溫度與土壤呼吸間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)范圍為0.610～0.914（P＜0.001）（表2）。采用單因素指數(shù)模型進(jìn)行回歸分析可得各處理5 cm處土壤溫度與土壤呼吸的指數(shù)回歸方程（圖3），土壤溫度解釋了土壤呼吸速率的39.05%～81.81%。下坡位的土壤溫度、土壤濕度與土壤呼吸無顯著相關(guān)性。

Q10值是土壤溫度每變化10℃時土壤呼吸的變化值，反應(yīng)了土壤呼吸隨土壤溫度變化的敏感性，通過上文所建立的指數(shù)方程可計算得到。下、中、上坡位林分的土壤呼吸Q10值分別為1.96、1.34、1.30，下坡位要高于中、上坡位。

表2 土壤呼吸與土壤溫度、土壤濕度間的相關(guān)分析?Table 2 Correlations of temperature and humidity at 0.05 meter with soil CO2 flux rates

圖3 土壤呼吸與5 cm處土壤溫度的關(guān)系Fig 3 Relationships between soil respiration and soil temperature at 5 cm depth

3 討 論

土壤溫度、濕度是土壤呼吸的主要控制因子[11]，季節(jié)變化引起的土壤溫度變化成為土壤呼吸存在季節(jié)動態(tài)的主要因素。在同一研究地，不同坡位間土壤溫度差異極小，因此，各坡位土壤呼吸存在相似的季節(jié)動態(tài)特征。

紅錐林土壤呼吸年均值達(dá)3.89～4.39 μmol CO2m-2·s-1，高于南亞熱帶鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林（3.12 μmol CO2m-2·s-1）[12]，在同類研究中處于較高水平，原因可能在于研究林分林齡較小，生命活動旺盛引起。

在部分測定日，坡位間土壤呼吸存在顯著差異，年均值則表現(xiàn)出隨坡位升高而增加的趨勢，這種變異主要是由土壤溫度外的其他因子所引起。土壤碳、氮元素是植物根系生長維持、地下微生物代謝的重要基礎(chǔ)，本研究中有機(jī)碳、全氮含量隨坡位升高而減小，可能原因在于土壤呼吸隨坡位升高而增大，較高土壤呼吸將消耗更多的土壤碳、氮?？梢约僭O(shè)引起坡位間土壤呼吸差異的原因在于光照強(qiáng)度、時長的不同。低坡位處于谷底，對面山峰對太陽輻射的遮擋會降低低坡位植物的生命活動，在太陽輻射角較小的寒冷季節(jié)，這種遮擋作用尤為明顯，本研究中，坡位間土壤呼吸的差異主要表現(xiàn)在10月～3月間，支持了上述假設(shè)。

土壤溫度與土壤呼吸間存在顯著指數(shù)關(guān)系，與在不同區(qū)域、生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)論一致[13-16]。土壤濕度也是土壤呼吸的重要控制因子，土壤濕度過高、過低均會抑制土壤呼吸[17-18]，但研究區(qū)所處桂東地區(qū)，降雨豐富且季節(jié)分布均勻，土壤濕度波動較小，此時，土壤濕度對土壤呼吸影響較小。上坡位的土壤Q10值要高于中、低坡位，原因可能也在于光照時長的減小引起的植被生命活動的減少，使其在同樣土壤溫度下土壤呼吸波動較小。

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Soil respiration characteristics in different slope position inCastanopsis hystrixMiq. plantations

ZHENG Wei1,3, TAN Yi-bo1,3, TANG Jie2, HE Feng1,3
(1. Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530001, Guangxi, China; 2. Hunan Forestry Research Institute, Changsha 410004,Hunan, China; 3.Guangxi Key Lab. of Superior Timber Trees Resouce Cultivation, Nangning 530001, Guangxi, China)

The differences among different slope positions caused many changes to soil environment, and may affect soil respiration.The soil respiration dynamics have been measured in different slope positions inCastanopsis hystrixMiq. plantations in eastern Guangxi from June 2013 to May 2014. The control factors to the soil respiration have also been analyzed. The results as follow: the soil respiration rates in three slope positions all had an obvious seasonal change, i.e. was higher in summer and lower in winter; Soil respiration rates increased with the growing of slope position, soil respiration rates in middle slope and top slope were higher 8.54% and 12.99% than in bottom slope; Soil organic carbon and total nitrogen decreased with the rise of slope position, but there was no signif i cant difference between the slope position; Soil respiration was mainly controlled by soil temperature, there was no signif i cant correlation between soil moisture and soil respiration; The main reason of soil respiration differences between slope position was caused by the differences that different slope position soils had accepted soil light duration.

Castanopsis hystrixplantation; slope position; soil respiration dynamics; eastern Guangxi Zhuang Autonomous Region

S714

A

1673-923X(2015)06-0011-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.003

2014-04-11

廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室開放課題（12A0404）；廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室自主課題（12B0402）

鄭 威，博士；E-mail：zhengwei8686@163.com

鄭 威,譚一波,唐 潔,等. 不同坡位下紅錐人工林的土壤呼吸特征[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(6):11-14.

[本文編校：吳 彬]