桉樹人工林土壤呼吸與土壤養(yǎng)分關系研究

周建輝，魏國余，竹萬寬

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桉樹人工林土壤呼吸與土壤養(yǎng)分關系研究

周建輝1，魏國余2，竹萬寬3＊

(1. 寧夏回族自治區(qū)固原市原州區(qū)疊疊溝林場，寧夏 固原 756000；2. 廣西壯族自治區(qū)國有高峰林場，廣西 南寧 530001；3.國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

為探究桉樹人工林土壤呼吸速率與土壤養(yǎng)分含量及其化學計量比之間的關系，本文以尾葉桉、粗皮桉、托里桉、赤桉、尾巨桉5個桉樹林分及1個濕加松林分為研究對象，測定并分析土壤呼吸與土壤養(yǎng)分之間的關系。結果表明：土壤呼吸速率年均值為尾葉桉和托里桉林顯著高于其他林分，其值分別為3.57±0.41 μmol·m-2·s-1與3.72±0.20 μmol·m-2·s-1，表現(xiàn)出空間異質(zhì)性。土壤呼吸速率與土壤有機碳含量無顯著相關性。土壤呼吸極小值與表層土壤C/P和N/P表現(xiàn)出顯著正相關性。土壤呼吸與土壤化學性質(zhì)之間的相互關系表現(xiàn)并不明顯。

桉樹人工林；土壤呼吸；土壤養(yǎng)分；化學計量

土壤碳以CO2的形式從土壤向大氣圈的流動是土壤呼吸作用的結果[1]。土壤呼吸作為森林土壤碳庫主要的輸出過程之一，占森林生態(tài)系統(tǒng)碳排放的30% ~ 80%[2]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中僅次于光合作用的第二大碳循環(huán)途徑[3]。土壤呼吸作為全球碳循環(huán)的重要一環(huán)，其產(chǎn)生的微小變動可能可對全球碳循環(huán)過程產(chǎn)生顯著影響[4]。森林土壤呼吸具有很強的時間和空間異質(zhì)性，受到生物與非生物因素等的綜合影響。目前，對森林土壤呼吸影響因素的研究主要包括自然因子(土壤溫度和土壤濕度及其綜合作用、土壤因子、氣候變化、大氣CO2濃度升高、氮沉降)、生物因子(土壤微生物、植被因子)和干擾因子(火干擾、采伐、施肥、降水)[5]。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，對其元素化學性質(zhì)的研究對于理解養(yǎng)分的可獲得性以及碳、氮、磷等元素的循環(huán)和平衡機制具有重要意義[6]。土壤有機碳、氮、磷的含量會直接影響植物根系的生命活動、土壤微生物的數(shù)量、地表凋落物的分解速率以及土壤有機碳和養(yǎng)分的長期積累[7]，進而可能會引起土壤呼吸組分中3個主要組分(根呼吸、根際微生物呼吸和土壤有機質(zhì)呼吸)[8]的變異。因此，研究土壤養(yǎng)分含量及其化學計量比對土壤呼吸的影響機制，對于估算森林土壤碳通量具有重要作用。

桉樹()是三大速生樹種之一。截至2015年，我國桉樹人工林面積已達4.5 × 106hm2，是華南地區(qū)最重要的速生豐產(chǎn)樹種[9]。目前，關于桉樹人工林土壤呼吸與土壤理化性質(zhì)關系尚未見報道。本研究以雷州半島5個桉樹人工林為研究對象，對其土壤呼吸速率進行連續(xù)觀測，并測定各林分土壤有機碳、氮、磷含量，以探討桉樹林分土壤呼吸與土壤生態(tài)化學計量之間的關系特征，旨在為桉樹人工林碳通量估算提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗地概況

2 研究方法

2.1 研究方法

本研究以尾葉桉()、粗皮桉()、托里桉()、赤桉()、尾巨桉(×)5個桉樹林分及1個濕加松()林分為研究對象，樣地基本情況見表1。

2016年1月，在每個林地中分別隨機設置6個2 m × 2 m的樣方。在各樣方的對角線交叉位置設置1個內(nèi)徑20 cm，高12 cm的PVC呼吸環(huán)，將PVC呼吸環(huán)底端朝下垂直于地表插入土壤中，環(huán)頂部距離土壤表面3 cm，安裝時應盡量做到一次到位，避免反復操作造成的土壤擾動。2016年3月開始，利用美國LI-8100A Automated Soil CO2Flux System，連接20 cm呼吸氣室，在每個月中下旬選擇晴好天氣進行測定。開始測定前檢查PVC呼吸環(huán)安放是否正常，并剪除PVC環(huán)內(nèi)可見植物。每個林分每月測定1次，測定時間為8:00—18:00，測定間隔為1 h，每次測定重復3次。

表1 不同樹種林分樣地基本情況

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

2016年7月，在每個林分中隨機挖取6個土壤剖面，劃分土壤層次0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm四層進行取樣，每層約取300 g土壤樣品，用于測定土壤化學性質(zhì)。有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-容量法測定。全氮采用凱氏法。全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0對不同桉樹人工林土壤呼吸速率及土壤理化性質(zhì)進行差異分析和相關性分析，數(shù)據(jù)處理及圖表制作采用Excel 2016軟件。

3 結果與分析

3.1 土壤呼吸速率年均值差異特征

從圖1可知，土壤呼吸速率年均值為尾葉桉林(3.57±0.41 μmol·m-2·s-1)和托里桉林(3.72±0.20 μmol·m-2·s-1)顯著高于其他林分(<0.05)，其兩者之間無顯著差異(>0.05)，其他林分之間亦無顯著差異(>0.05)。尾葉桉林土壤呼吸變異程度高于其他林分，赤桉林土壤呼吸變異程度最低。

圖1 不同桉樹林分土壤呼吸速率年均值

3.2 土壤有機碳、氮、磷含量及其化學計量比差異特征

由表2可知，表層土壤有機碳含量表現(xiàn)為：托里桉林顯著大于尾葉桉、粗皮桉、赤桉和濕加松林，尾巨桉林顯著大于尾葉桉林(<0.05)，其他林分間差異不顯著(>0.05)；10 ~ 20 cm土層有機碳含量在不同林分中無明顯差異；20 ~ 40 cm土層托里桉林顯著大于尾葉桉和尾巨桉林(<0.05)，其他均表現(xiàn)為差異不顯著(>0.05)；40 ~ 60 cm土層托里桉林顯著大于尾葉桉、尾巨桉和濕加松林，粗皮桉林顯著大于尾葉桉林(<0.05)，其他均表現(xiàn)為差異不顯著(<0.05)。尾葉桉、粗皮桉、托里桉、赤桉、尾巨桉和濕加松林0 ~ 60 cm土壤全氮含量分別為1.32、1.44、1.83、1.46、1.52和1.43 g?kg-1，6個林分土壤全氮含量隨土層深度加深的變化與有機碳相似，即隨著土層加深而減小。表層土壤的全氮含量表現(xiàn)為：托里桉和尾巨桉林均顯著大于尾葉桉和粗皮桉林(<0.05)，其他均表現(xiàn)為差異不顯著(>0.05)；10 ~ 20和20 ~ 40 cm各林分間均表現(xiàn)為無顯著性差異(>0.05)；40 ~ 60 cm土層粗皮桉和托里桉林均顯著大于尾巨桉和濕加松林(<0.05)，其他表現(xiàn)為無顯著性差異(>0.05)。

尾葉桉、粗皮桉、托里桉、赤桉、尾巨桉和濕加松林0 ~ 60 cm土壤全磷含量分別0.63、0.74、0.71、0.68、0.88和0.84 g?kg-1，土層之間全磷含量規(guī)律不明顯。表層土壤全磷含量表現(xiàn)為：尾巨桉和濕加松林顯著大于其他林分，粗皮桉顯著大于尾葉桉、托里桉和赤桉(<0.05)，其他均表現(xiàn)為無顯著性差異(>0.05)；10 ~ 20 cm土層尾巨桉和濕加松林顯著大于尾葉桉和赤桉林(<0.05)，其他均表現(xiàn)為無顯著性差異(>0.05)；20 ~ 40 cm土層粗皮桉、尾巨桉和濕加松林均顯著大于尾葉桉林(<0.05)，其他均表現(xiàn)為差異不顯著(>0.05)；40 ~ 60 cm除尾巨桉和濕加松林顯著大于其他林分外均無顯著差異。6個林分C/N化學計量比自表層而下無明顯的變化規(guī)律，主要原因是腐殖質(zhì)層養(yǎng)分的分解釋放及植被根系吸收利用程度不同。有機碳、氮、磷的化學計量比方差分析結果表明，C/N除40 ~ 60 cm土層尾葉桉林顯著小于其他林分外，其他土層林分間均無顯著差異。表層土壤C/P表現(xiàn)為：托里桉林顯著小于其他林分，10 ~ 20 cm土層赤桉顯著大于尾巨桉和濕加松林，20 ~ 40 cm土層托里桉顯著大于尾巨桉和濕加松林，40 ~ 60 cm土層粗皮桉和托里桉顯著大于尾葉桉、尾巨桉和濕加松林(<0.05)，其他均表現(xiàn)為無顯著性差異(>0.05)；表層土壤N/P表現(xiàn)為：托里桉顯著大于粗皮桉和濕加松林，10-20 cm土層各林分間無明顯差異，20 ~ 40 cm土層尾葉桉和托里桉林顯著大于尾巨桉林，40 ~ 60 cm土層粗皮桉和托里桉林顯著大于尾巨桉和濕加松林(<0.05)，其他均表現(xiàn)為無明顯差異(>0.05)。

3.3 土壤呼吸速率與土壤養(yǎng)分含量及其化學計量比的相關關系

對土壤呼吸速率和不同層次土壤養(yǎng)分含量及其化學計量比進行相關性分析(表3)可知，土壤呼吸速率與土壤有機碳、全磷含量及C/N均無顯著相關(>0.05)。20 ~ 40 cm土層土壤呼吸速率極小值與全氮含量呈顯著正相關(<0.05)，均值和極大值與N/P呈顯著正相關。0 ~ 10 cm土層土壤呼吸速率極小值與C/P和N/P均呈顯著正相關(<0.05)。

表2 土壤有機碳、氮、磷含量及其化學計量比差異分析

注：不同土層中，同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示林分間差異達0.05顯著水平。

表3　相關性分析

注：*表示<0.05。

4 結論與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)中植被類型、氣象和土壤條件及土壤微生物組成的空間異質(zhì)性引起其土壤呼吸的空間異質(zhì)性，此異質(zhì)性表現(xiàn)在各種尺度上，空間上相距很近的點之間呼吸速率可能相差很大[10]。本研究尾葉桉林和托里桉林土壤呼吸速率年均值顯著高于其他林分，表現(xiàn)出空間上的變異性。然而，尾葉桉林和托里桉林兩者之間以及其他4個林分無顯著性差異，也說明了土壤呼吸的空間變異性程度可能因為林分類型、林內(nèi)氣象條件、土壤質(zhì)量及微生物組成的綜合影響而降低。

本研究土壤表層(0 ~ 10 cm)有機碳含量基本高于全國0 ~ 10 cm均值24.56 g?kg-1，說明研究地表層土壤碳蓄積能力較強。然而，土壤呼吸速率與土壤有機碳含量并未表現(xiàn)出顯著相關性，說明研究地土壤有機碳含量對土壤呼吸并未產(chǎn)生限制作用。土壤C/P可以表征土壤有機質(zhì)被微生物礦化的速度，以及對磷素的釋放能力或者由外界固定磷素的潛力。C/P較低說明微生物分解土壤有機質(zhì)的礦化作用對促進磷素釋放潛力較大[11]。土壤N/P可以表征養(yǎng)分對植物生長的限制和飽和狀況，指示養(yǎng)分的供給程度。本研究中，土壤呼吸極小值與表層土壤C/P和N/P表現(xiàn)出顯著正相關性，說明土壤呼吸速率可能在受到溫、濕度或其他主導因子抑制時，土壤養(yǎng)分含量的比例變化會對土壤呼吸產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。

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Study on the Relationship between Soil Respiration and Soil Nutrients inPlantations

ZHOU Jian-hui1, WEI Guo-yu2, ZHU Wan-kuan3

(1.2.)

In order to investigate the relationship between soil respiration, soil nutrients and their stoichiometric ratios inplantations, soil respiration was continuously monitored in plantations of six different species:,,,,×and. Analyses of relationships between soil respiration and soil nutrients showed that annual average soil respiration in(3.57±0.41 μmol·m-2·s-1) and(3.72±0.20 μmol·m-2·s-1) plantations was significantly higher than in those of other species. No significant correlations were found between soil respiration rates and soil organic carbon contents, but a significant positive correlation was found between minimum soil respiration values and surface soil C/P and N/P ratios. In general, relationships between soil respiration and soil chemical properties were not obvious.

plantations; soil respiration; soil nutrient; stoichiometry

S714.5

A

國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0600505, 2016YFD0600504)；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項目(2014KJCX021-04)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目(CAFYBB2017QA032, CAFYBB2017QA033)。

周建輝(1981— )，男，助理工程師，主要從事人工林培育工作。

竹萬寬(1989— )，男，碩士，研究實習員，主要從事桉樹林CO2通量變化研究，E-mail: zwk_2015@163.com.