皆伐火燒對(duì)亞熱帶森林不同深度土壤CO2通量的影響

鄭 蔚，李 超， 元曉春,鄭 永, 陳岳民, 林偉盛,*, 楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

皆伐火燒對(duì)亞熱帶森林不同深度土壤CO2通量的影響

鄭 蔚1,2，李 超1,2， 元曉春1,2,鄭 永1,2, 陳岳民1,2, 林偉盛1,2,*, 楊玉盛1,2

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

評(píng)估不同深度土壤的CO2通量是研究土壤碳動(dòng)態(tài)的重要手段。目前有關(guān)皆伐火燒對(duì)森林土壤碳排放的影響研究?jī)H局限于表層土壤,而對(duì)不同深度土壤碳排放影響鮮見(jiàn)報(bào)道。以米櫧(Castanopsiscarlesii)次生林(對(duì)照)及其皆伐火燒后林地為研究對(duì)象,利用非紅外散射CO2探頭測(cè)定土壤CO2濃度,并結(jié)合Fick第一擴(kuò)散法則估算不同深度(0—80 cm)土壤CO2通量。結(jié)果表明：(1)皆伐火燒改變土壤向大氣排放的表觀CO2通量,在皆伐火燒后的2個(gè)月內(nèi)土壤表觀CO2通量顯著高于對(duì)照68%； 2個(gè)月后,土壤表觀CO2通量低于對(duì)照37%。(2)皆伐火燒后,除10—20 cm的CO2通量提高外,其余各深度(0—10、20—40、40—60 cm和60—80 cm)的CO2通量均降低。同時(shí),皆伐火燒改變不同土層對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率,降低0—10 cm土層的貢獻(xiàn)率,提高10—20 cm土層的貢獻(xiàn)率。(3)對(duì)照樣地僅0—10 cm土壤CO2通量與溫度呈顯著指數(shù)相關(guān),10—40 cm深度CO2通量則與土壤含水率呈顯著線(xiàn)性相關(guān)。皆伐火燒后0—10 cm 和10—20 cm處土壤的CO2通量均與溫度呈指數(shù)相關(guān)。說(shuō)明皆伐火燒改變了不同深度土壤CO2通量對(duì)于環(huán)境因子的響應(yīng)。因此為準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)皆伐火燒對(duì)土壤與大氣間碳交換的影響,應(yīng)考慮皆伐火燒后不同時(shí)期土壤CO2通量的變化,以及不同深度土壤CO2通量對(duì)皆伐火燒的響應(yīng)。

皆伐火燒；CO2通量；土壤剖面；土壤溫度；土壤含水量

土壤呼吸作為陸地生態(tài)系統(tǒng)第二大的碳通量,在調(diào)節(jié)土壤碳庫(kù)與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[1- 3]。人類(lèi)活動(dòng)引起的森林轉(zhuǎn)換導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量降低,使得轉(zhuǎn)換后的林地在近期內(nèi)成為碳源。已有研究表明近一個(gè)世紀(jì)內(nèi)由土地利用變化向大氣排放的CO2中有87%來(lái)自于森林轉(zhuǎn)換[4]。皆伐火燒作為我國(guó)南方商品林轉(zhuǎn)換過(guò)程中的主要方式,其將嚴(yán)重影響土壤呼吸的速率以及土壤呼吸對(duì)氣候變化的反饋[5]。因此,深入研究皆伐火燒對(duì)土壤呼吸的影響及其機(jī)制對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡具有重要意義。

現(xiàn)階段有關(guān)皆伐火燒對(duì)土壤呼吸影響已進(jìn)行大量研究[6-7],但大多研究?jī)H關(guān)注干擾活動(dòng)對(duì)土壤表觀CO2通量和環(huán)境因子的影響[7-8],而皆伐火燒對(duì)不同深度土壤CO2通量的影響則鮮見(jiàn)報(bào)道。土壤CO2通量是土壤自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸總的CO2產(chǎn)量在土壤剖面不同深度擴(kuò)散的過(guò)程,受到不同深度土壤生物因素和環(huán)境作用的共同影響。評(píng)估不同深度的土壤CO2通量可有效反應(yīng)土壤CO2生產(chǎn)量向地表排放的碳動(dòng)態(tài)過(guò)程。但是,現(xiàn)階段評(píng)估土壤與大氣間碳交換對(duì)人為干擾和氣候變化的響應(yīng)仍然具有很大的不確定性,主要關(guān)注于溫度、水分等環(huán)境因子對(duì)土壤CO2生產(chǎn)量的生物過(guò)程,對(duì)于土壤CO2在不同深度的通量還需要進(jìn)一步的了解[9]。皆伐火燒將強(qiáng)烈改變不同深度土壤的物理和化學(xué)因素,進(jìn)而影響不同深度土壤CO2通量[10]。已有研究表明含水率降低后深層土壤對(duì)土壤表觀CO2通量的貢獻(xiàn)率增加[11]。為此,本研究連續(xù)觀測(cè)亞熱帶常綠闊葉米櫧次生林皆伐火燒后的不同深度土壤CO2通量的動(dòng)態(tài)變化,分析皆伐火燒對(duì)亞熱帶森林不同深度土壤CO2通量的影響。為更加準(zhǔn)確評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)引起的森林轉(zhuǎn)換對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化定位觀測(cè)研究站(26° 19′ N,117° 36′ E),本區(qū)地形以低山丘陵為主,平均海拔330 m,屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候,年均降水量1749 mm,年均氣溫19.1℃。研究區(qū)主要為由黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤,土壤厚度超過(guò)1 m。伐前植被為1978年經(jīng)強(qiáng)度擇伐后人促更新的米櫧次生林,該林分密度為2650株/hm2,平均樹(shù)高19.7 m,平均胸徑13.5 cm。主要樹(shù)種為米櫧(Castanopsiscarlesii)、閩粵栲(CastanopsisfissaRehd)、木荷(Schimasuperba)等,以米櫧為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。林下植被主要有毛冬青(IlexpubescensHook)、狗骨柴(Tricalysiadubia)、矩圓葉鼠刺(Iteachinensis)、沿海紫金牛(Ardisiapunctata)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等。該林分0—80 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量85.34 t/hm2,年均凋落物量5.81 t hm-2a-1。

1.2 樣地設(shè)置

于2011年12月對(duì)擬采伐的米櫧次生林進(jìn)行皆伐,3個(gè)重復(fù),每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地面積20 m×20 m。分別將每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地林木全部伐除,移除樹(shù)干后將采伐剩余物均勻覆蓋在地表,在太陽(yáng)下干燥3個(gè)月后,進(jìn)行火燒,采伐剩余物與凋落物被全部燒盡,火燒時(shí)間為2012年3月28日。保留米櫧次生林為對(duì)照處理(CT)。于2012年7月和10月對(duì)皆伐火燒樣地進(jìn)行除草。

1.3 土壤表觀CO2通量觀測(cè)

為驗(yàn)證擴(kuò)散模型在本研究區(qū)域的適用性,本研究利用Li- 8100腔室法觀測(cè)土壤表觀CO2通量,在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)布置5個(gè)PVC呼吸圈(內(nèi)徑20 cm×高10 cm),將PVC一端削尖插入土壤3—5 cm。觀測(cè)周期為每?jī)芍芤淮?于9：00—10：00進(jìn)行觀測(cè)。在前期(2012年3月—2012年5月)通過(guò)Li- 8100腔室法對(duì)表觀CO2通量進(jìn)行每天1次的觀測(cè),分別選定皆伐火燒和對(duì)照處理中平均土壤表觀CO2通量的觀測(cè)點(diǎn),作為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的土壤剖面。

1.4 土壤剖面CO2濃度觀測(cè)

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)均挖取1個(gè)土壤深度為1 m的標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面,在土壤深度為10、20、40、60 cm和80 cm處分別水平插入3個(gè)間隔20 cm 的PVC管(長(zhǎng) 80 cm×直徑2.0 cm),插入土壤60 cm,外部露出20 cm。然后使用三通接頭將每層的3根PVC管連接起來(lái),起到混合特定深度的土壤CO2濃度減少土壤空間異質(zhì)性,測(cè)量時(shí)將CO2檢測(cè)器插入連接管即可。為防止挖取土壤剖面對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,于2012年4月1日實(shí)驗(yàn)裝置布設(shè)完畢,2012年6月至2013年5月分別對(duì)各試驗(yàn)地進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。本研究采用的CO2濃度觀測(cè)裝置為SC8000便攜式土壤CO2測(cè)定儀(GMT220系列,Vaisala公司,芬蘭),該儀器由主機(jī)、連接線(xiàn)和CO2檢測(cè)器三部分組成,檢測(cè)器采用新型硅基非散射紅外CO2設(shè)備(NDIR),在野外條件下不受灰塵、水汽等的影響,能夠連續(xù)測(cè)量土壤CO2濃度變化。儀器每間隔30 min對(duì)土壤CO2濃度進(jìn)行1次讀數(shù),主機(jī)內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置對(duì)采集的CO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。于2013年6月對(duì)土樣進(jìn)行采集,用于測(cè)定土壤的總碳、總氮、pH和微生物生物量等指標(biāo)(表1)。

表1 試驗(yàn)地土壤本底屬性

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差；不同大寫(xiě)字母表示相同土層不同處理之間差異顯著(P<0.05), 不同小寫(xiě)字母表示相同處理不同土層之間差異顯著(P<0.05)

1.5 土壤剖面CO2通量和貢獻(xiàn)率計(jì)算

擴(kuò)散法以Fick第一擴(kuò)散法為理論依據(jù),不同深度土壤CO2的通量(FS)可以通過(guò)CO2的濃度梯度及其在土壤中的有效氣體擴(kuò)散系數(shù)來(lái)計(jì)算[13]。

(1)

式中,Ds為土壤中CO2的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；C為深度z(m)土壤CO2濃度(μmol/m3)；本研究中,0—10 cm CO2的通量表示以地表和土壤深度10 cm間的CO2的濃度梯度計(jì)算的土壤表觀CO2通量；10—20 cm CO2的通量表示以土壤深度10 cm和20 cm間的CO2的濃度梯度計(jì)算的10 cm深度的CO2通量；以此類(lèi)推。

Ds的計(jì)算公式為：

Ds=εDa

(2)

式中,ε為相對(duì)氣體擴(kuò)散系數(shù)；Da為自由大氣CO2擴(kuò)散系數(shù)(T=20 ℃或293. 15 K、P=1. 013×105Pa時(shí),Da=1.47×10-5m2/s)。盡管目前有較多模型可用于估算ε[14- 16],但我們前期研究發(fā)現(xiàn),Moldrup2000模型最適用于本研究區(qū)域[17]。Moldrup2000模型的計(jì)算公式為：

(3)

式中，φ為土壤孔隙度,θ為土壤體積含水率(cm3/cm3)。

土壤呼吸年通量R(g C m-2a-1)計(jì)算公式[12]為：

式中,Ft表示擴(kuò)散法所得土壤表觀CO2通量。

土層的CO2產(chǎn)量可以通過(guò)土層凈CO2通量來(lái)估算,也就是土層上下邊界的CO2通量差值與原本儲(chǔ)存在土層中的CO2之和。由于土層中儲(chǔ)存的CO2量遠(yuǎn)小于土層邊界的CO2通量,因此在計(jì)算土層的CO2產(chǎn)量時(shí)可將土層中儲(chǔ)存的CO2量忽略不計(jì)[18]。

PCO2=F1-F2

(4)

式中,F1、F2分別為土層上下邊界CO2通量。

CO2貢獻(xiàn)率計(jì)算公式[13]為：

C=PCO2/Ft

(5)

1.6 土壤剖面溫度與含水量觀測(cè)

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)安裝土壤剖面CO2濃度觀測(cè)裝置的同時(shí),于各深度中分別埋入2支溫度和水分探頭(ECH2OModelEC- 5,Decagon公司,英國(guó)),觀測(cè)頻率與土壤CO2濃度讀數(shù)同步。

1.7 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS19.0和Origin9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。對(duì)所用數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理,并通過(guò)正態(tài)分布檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布和方差同質(zhì)性。通過(guò)t檢驗(yàn)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),分析同一土層下對(duì)照與皆伐火燒的土壤CO2通量及其影響因素的差異顯著性。通過(guò)ANOVA進(jìn)行方差分析并使用q檢驗(yàn)(S-N-K)進(jìn)行多重比較,分析同一處理下不同深度的土壤CO2通量及其影響因素的差異顯著性。采用指數(shù)模型(R=a×ebT)和線(xiàn)性模型(R=a×W+b)擬合不同處理方式土壤剖面CO2通量與土壤溫度、土壤含水量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深度土壤CO2濃度變化

圖1 2012年6月至2013年5月間皆伐火燒(SB)和對(duì)照(CT)土壤剖面CO2濃度年變化動(dòng)態(tài)Fig.1 Inter-annual dynamic of soil vertical profile CO2 concentrations in the SB (plain line) and the CT (dashed line) plot from June 2012 to May 2013

本研究中,皆伐火燒和對(duì)照樣地的土壤CO2濃度均隨著土壤深度的增加而升高(圖1)。對(duì)照處理中,由(3063.30±100.43) μmol/mol增至(8350.83±113.50)μmol/mol；皆伐火燒后,由(1126.01±638.55) μmol/mol增至(4698.92±1866.66) μmol/mol。除皆伐火燒 10 cm深度外,皆伐火燒和對(duì)照各土層CO2濃度年動(dòng)態(tài)變化均呈單峰曲線(xiàn)(圖1),對(duì)照10 cm和20 cm深度的CO2濃度在5—6月達(dá)到峰值。各深度土壤CO2濃度達(dá)到峰值的時(shí)間隨土壤深度的增加而延遲；10 cm和20 cm深度CO2濃度在2012年6月達(dá)到峰值,40 cm和60 cm在2012年7月達(dá)到峰值；80cm深度CO2濃度在2012年8月達(dá)到峰值。

皆伐火燒后,皆伐火燒10cm處土壤全年CO2濃度都顯著小于對(duì)照,其余各深度土壤CO2濃度在2012年6月至10月和2013年2月至5月間都小于對(duì)照(20%—68%),2012年11月至2013年1月與對(duì)照間沒(méi)有顯著差異。

2.2 皆伐火燒對(duì)不同深度土壤CO2通量和貢獻(xiàn)率的影響

將Li- 8100腔室法觀測(cè)到的CO2通量與擴(kuò)散法計(jì)算的表觀土壤CO2通量進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析,結(jié)果指出兩者具有很好的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系(y=1.06x-0.028,R2=0.94**)(圖2)。說(shuō)明本研究所使用的Moldrup 2000擴(kuò)散模型適用于估算本地區(qū)的土壤CO2通量。

此外,2012年4月至5月(火燒后1—2個(gè)月),皆伐火燒樣地表觀土壤CO2通量顯著高于對(duì)照樣地(P<0.05)(圖3),然而火燒處理兩個(gè)月后,皆伐火燒樣地表觀土壤CO2通量顯著低于對(duì)照樣地,而2012年12月至2013年1月間皆伐火燒樣地表觀土壤CO2通量與對(duì)照樣地沒(méi)有顯著差異。

圖2 Li- 8100腔室法與擴(kuò)散法所得CO2通量之間的相關(guān)性Fig.2 Correlation between soil surface CO2 fluxes directly measured with Li- 8100 chambers (horizontal axes) and CO2 fluxes calculated according to the gradient-based method (vertical axes) using the Moldrup et al. (2000) diffusivity model

圖3 皆伐火燒后2個(gè)月內(nèi)通過(guò)Li8100觀測(cè)的皆伐火燒和對(duì)照的表觀CO2通量Fig.3 Soil surface CO2 fluxes of SB (plain line) and that of CT (dashed line) directly measured with Li- 8100 chambers within two months after SB

如圖4所示,對(duì)照和皆伐火燒表觀0—10 cm CO2通量動(dòng)態(tài)變化均呈單峰曲線(xiàn),峰值出現(xiàn)在5至6月間。而且,皆伐火燒表觀0—10 cm CO2通量在2012年6月大幅低于對(duì)照?？傮w來(lái)看,皆伐火燒顯著提高了10—20 cm的土壤CO2通量,顯著降低其余土層的CO2通量。

圖4 2012年6月至2013年5月間皆伐火燒和對(duì)照土壤剖面土壤CO2通量年變化動(dòng)態(tài)Fig.4 Inter-annual dynamic of soil vertical profile CO2 flux in the SB (plain line) and the CT (dashed line) plot from June 2012 to May 2013

皆伐火燒也改變不同土層CO2通量對(duì)土壤表觀通量的貢獻(xiàn)率。對(duì)照中,各土層對(duì)土壤CO2通量的貢獻(xiàn)率分別是58%、31%、2%、6%和3%(圖6)。而皆伐火燒后,0—10 cm 土層貢獻(xiàn)率下降至2%,10—20 cm土層的CO2通量貢獻(xiàn)率則大幅上升至87%,而其他土層CO2通量對(duì)土壤表觀通量的貢獻(xiàn)率沒(méi)有顯著變化。

圖5 皆伐火燒和對(duì)照土壤剖面各土層CO2年通量Fig.5 Annual carbon fluxes of CO2 at different layers of SB and CT plot

圖6 皆伐火燒和對(duì)照土壤剖面各土層CO2貢獻(xiàn)率 Fig.6 Soil vertical profile CO2 fluxes contribution at different layers of SB and CT plot

2.3 皆伐火燒對(duì)不同深度溫度和含水率的影響

對(duì)照與皆伐火燒不同深度的土壤溫度年變化趨勢(shì)相似,由2012年7月至2013年1月土壤溫度逐漸降低,2013年2月至2013年5月土壤溫度逐漸升高。皆伐火燒各深度土壤溫度均有高于對(duì)照,尤以2012年6月至2013年1月最為顯著(圖7),變化范圍為7℃—31℃,年平均溫度約為21℃。不同土層間土壤溫度差異隨時(shí)間而改變,皆伐火燒樣地2012年6月至11月土壤溫度隨土壤深度增加而降低,2012年12月至2013年2月不同土層土壤溫度無(wú)顯著差異,2013年3月至5月土壤溫度隨土壤深度增加而升高。對(duì)照樣地不同土層間土壤溫度差異亦呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。

皆伐火燒與對(duì)照的土壤含水率年變化趨勢(shì)相似,但皆伐火燒各土層含水率變化幅度均增大。皆伐火燒與對(duì)照各深度土壤含水率的差異隨火燒后的時(shí)間而改變。2012年6月至2013年1月,皆伐火燒各深度土壤含水量均低于對(duì)照(圖7)。其中尤以0—20 cm的土壤含水率減少最多,從對(duì)照處理的7%—32%降低至皆伐火燒的3%—25%。2013年2月至5月皆伐火燒和對(duì)照在同一深度土壤含水率相差不大(圖7)。皆伐火燒和對(duì)照樣地在同一處理的不同土層間土壤含水率隨土壤深度增加呈上升趨勢(shì)。

圖7 皆伐火燒和對(duì)照土壤剖面溫度和含水率的年變化動(dòng)態(tài)Fig.7 Inter-annual dynamic of soil vertical profile temperature and water content, in the SB (plain line) and the CT (dashed line) plot, from June, 2012 to Mary, 2013 at each depth

2.4 不同土壤深度CO2通量與溫度和含水率的關(guān)系

運(yùn)用指數(shù)模型對(duì)不同深度土壤CO2通量和土壤溫度進(jìn)行擬合(表2),發(fā)現(xiàn)對(duì)照樣地只有0—10 cm的CO2通量與溫度呈顯著相關(guān)(P<0.05),但火燒樣地0—10 cm和10—20 cm土壤CO2通量和土壤溫度均呈顯著相關(guān)。

對(duì)不同深度土壤CO2通量和土壤含水率進(jìn)行線(xiàn)性模型擬合(表2),發(fā)現(xiàn)除對(duì)照10—20、20—40 cm和皆伐火燒40—60 cm土層的土壤CO2通量與土壤含水量有顯著負(fù)相關(guān)外,其余土層的CO2通量與土壤含水量均無(wú)顯著相關(guān)性。

表2 不同深度土壤溫度(T)和土壤濕度(W)與CO2通量在兩種模型擬合下的模型參數(shù)

*達(dá)到顯著水平(0.05),**達(dá)到極顯著性水平(0.01)

3 討論

3.1 皆伐火燒對(duì)土壤表觀CO2通量變化的影響：

皆伐火燒對(duì)土壤CO2通量的影響,與火燒后的觀測(cè)時(shí)間有關(guān)。本研究中,皆伐火燒的前2個(gè)月內(nèi),其土壤表觀CO2通量要高于對(duì)照。該結(jié)果與相關(guān)研究類(lèi)似,Wüthrich等在瑞士的研究發(fā)現(xiàn)皆伐火燒會(huì)促進(jìn)土壤呼吸[19]。本研究中,皆伐火燒后,植被覆蓋的減少顯著增加土壤溫度(圖7),提高土壤有機(jī)碳礦化速率,從而促進(jìn)土壤呼吸[5]?；馃髿埩舻幕覡a物質(zhì)會(huì)提供大量易分解有機(jī)碳[19],同時(shí)會(huì)引起土壤pH的升高[19],有利于微生物的生長(zhǎng)進(jìn)而提高土壤呼吸[21]。火燒破壞土壤團(tuán)聚體,使得團(tuán)聚體保護(hù)性碳的釋放,同時(shí)增加土壤通氣條件,進(jìn)一步促進(jìn)土壤呼吸速率[22]。之后,土壤表觀的CO2通量低于對(duì)照,可能原因是皆伐火燒2個(gè)月后植物死亡殘?jiān)纸獯M,表層土壤有機(jī)碳量降低[23],大量易分解有機(jī)碳的分解殆盡引起異養(yǎng)呼吸下降并最終導(dǎo)致土壤CO2通量降低[24]。皆伐火燒減少凋落物和植被覆蓋,降低土壤有機(jī)質(zhì)的輸入,也會(huì)造成土壤CO2通量下降[8],火燒后根系呼吸的減少也將引起土壤CO2通量的下降[25]。

3.2 皆伐火燒對(duì)土壤不同深度CO2通量的影響：

本研究中,皆伐火燒改變不同深度土壤CO2通量。與對(duì)照相比,皆伐火燒10—20 cm深度土壤CO2通量顯著增加,但其余不同深度土壤CO2通量均顯著降低。同時(shí),皆伐火燒改變了不同土層對(duì)于土壤表觀CO2通量的貢獻(xiàn)率。皆伐火燒后0—10 cm土層CO2貢獻(xiàn)率顯著下降,10—20 cm土層CO2貢獻(xiàn)率顯著上升,其余土層CO2貢獻(xiàn)率無(wú)顯著變化。

表層0—10 cm土壤中較高的土壤有機(jī)碳含量和有效性碳是土壤CO2產(chǎn)量較高的主要原因[26],在對(duì)照樣地中0—10 cm土層是表觀土壤CO2通量的主要貢獻(xiàn)者(圖6)。而皆伐火燒后地表凋落物全部燒盡,0—10 cm的土壤碳含量顯著下降(表1),底物的減少導(dǎo)致0—10 cm異養(yǎng)呼吸大幅下降,造成該土層CO2貢獻(xiàn)率降低。另一方面,火燒降低0—10 cm土層根系呼吸也是造成該土層CO2貢獻(xiàn)率降低的重要原因[27]。皆伐火燒降低0—10 cm土層CO2產(chǎn)量導(dǎo)致其對(duì)表觀CO2通量的貢獻(xiàn)率大幅下降,進(jìn)而降低0—10 cm土壤CO2通量。皆伐火燒導(dǎo)致10—20 cm土層CO2貢獻(xiàn)率的上升,主要有以下3個(gè)方面的原因。首先,皆伐火燒降低10—20 cm的土壤含水率,有利于該土層CO2向地表擴(kuò)散[28-29]。其次,皆伐火燒破壞了0—10 cm的土壤結(jié)構(gòu),使得10—20 cm土層與大氣間的氣體交換增強(qiáng)[30],同時(shí),增加大氣向該土層O2傳輸,促進(jìn)微生物活動(dòng)[31],提高土壤異養(yǎng)呼吸。最后,皆伐火燒增加向10—20cm土壤的熱傳遞,引起該土層土壤溫度的升高,增加微生物活性[5]。皆伐火燒對(duì)10—20 cm土層造成的這3個(gè)方面的影響,都會(huì)促進(jìn)該土層CO2的排放,提高該土層CO2通量及其對(duì)表觀CO2通量的貢獻(xiàn)率。皆伐火燒樣地20—80 cm土壤CO2通量均低于對(duì)照,有可能的原因是皆伐火燒降低該土層根系呼吸,雖然皆伐火燒引起的該土層含水率下降會(huì)促進(jìn)該土層的異養(yǎng)呼吸,但根系呼吸下降的幅度高于異養(yǎng)呼吸增加的幅度,導(dǎo)致皆伐火燒對(duì)該土層CO2通量的總體作用為抑制。皆伐火燒對(duì)20—40、40—60 cm和60—80 cm土壤CO2貢獻(xiàn)率無(wú)顯著影響的原因可能是該土層CO2通量下降幅度與土壤CO2總通量下降的幅度很接近,導(dǎo)致該土層CO2貢獻(xiàn)率沒(méi)有顯著變化。由此可見(jiàn),雖然皆伐火燒降低了土壤表觀CO2通量,但其會(huì)促進(jìn)土壤中有機(jī)碳的分解,不利于土壤碳的穩(wěn)定性。

3.3 不同深度土壤CO2通量對(duì)溫度和含水率的響應(yīng)

土壤溫度和含水量在調(diào)節(jié)土壤呼吸的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[32]。本研究表明對(duì)照土壤表觀(0—10 cm)的CO2通量與土壤溫度呈極顯著的指數(shù)相關(guān),其余土層 CO2通量與土壤溫度無(wú)顯著指數(shù)相關(guān)。已有研究表明含水率對(duì)于土壤CO2通量具有重要影響[33],且本研究發(fā)現(xiàn)10—40 cm土層的土壤CO2通量與土壤含水率呈顯著線(xiàn)性負(fù)相關(guān)。因此,本研究10—40 cm土壤CO2通量可能主要受土壤含水率調(diào)控,導(dǎo)致10—40 cm土層的土壤CO2通量與土壤溫度無(wú)顯著指數(shù)相關(guān)。與對(duì)照樣地不同的是皆伐火燒樣地土壤0—20 cm的CO2通量與溫度均呈指數(shù)相關(guān)。可能是由于皆伐火燒顯著降低了10—20 cm土層的含水量,使得土壤透氣性發(fā)生改變,消除了高含水量對(duì)于土壤微生物活動(dòng)的抑制。另一方面,溫度升高刺激了10—20 cm土壤微生物的活性和代謝能力,引起了該土層CO2通量的上升。

本研究發(fā)現(xiàn)對(duì)照樣地10—20 cm和20—40 cm以及皆伐火燒樣地20—40 cm土層的土壤CO2通量與含水量呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)(表2),與部分相關(guān)研究的結(jié)果相似[34- 36]。土壤中的孔隙是土壤中氣體傳輸?shù)闹饕緩?含水量的增加會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙中水分的增加,使得CO2在土壤中的傳輸受阻降低了土壤CO2通量。另一方面,土壤含水量過(guò)高也會(huì)增強(qiáng)土壤的厭氧條件抑制土壤微生物活動(dòng),間接導(dǎo)致土壤CO2通量降低。也有研究表明土壤含水量對(duì)土壤CO2通量具有促進(jìn)作用[7, 37],這可能與研究區(qū)域的水分限制有關(guān)。本研究中20 cm深度以下土壤含水率較充足,不存在水分限制的情況,含水率的增加不僅不會(huì)促進(jìn)土壤碳排放反而會(huì)產(chǎn)生抑制作用。40—80 cm土層的土壤CO2濃度一直較高(圖1),處于長(zhǎng)期累積的狀態(tài),CO2通量一直較穩(wěn)定受溫度含水量影響較小。

4 結(jié)論

皆伐火燒作為亞熱帶地區(qū)重要的人工營(yíng)林措施,其對(duì)土壤呼吸的影響一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文旨在研究不同深度土壤CO2通量對(duì)皆伐火燒的響應(yīng)。(1)皆伐火燒對(duì)土壤呼吸的影響隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生不同影響。皆伐火燒后的2個(gè)月內(nèi),其土壤表觀CO2通量要高于對(duì)照。之后,皆伐火燒樣地表觀土壤CO2通量顯著低于對(duì)照樣地。(2)皆伐火燒對(duì)不同深度的CO2通量產(chǎn)生不同影響。其中,皆伐火燒減少0—10 cm土層的CO2通量,提高10—20 cm的CO2通量。同時(shí)改變不同土層對(duì)于表觀CO2通量的貢獻(xiàn)率,如降低0—10 cm土層的CO2通量貢獻(xiàn)率,并且大幅提高0—20 cm的CO2通量貢獻(xiàn)率。(3)皆伐火燒會(huì)改變不同深度土壤CO2通量對(duì)于環(huán)境因子的響應(yīng)。因此,為更準(zhǔn)確的評(píng)估皆伐火燒對(duì)于土壤大氣碳交換的影響,應(yīng)考慮皆伐火燒后不同時(shí)期土壤CO2通量的變化,以及不同深度土壤CO2通量對(duì)于皆伐火燒的響應(yīng)。

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The impact of clear-cutting and slash burning on soil CO2flux at different soil depths in a subtropical forest

ZHENG Wei1,2, LI Chao1,2, YUAN Xiaochun1,2, ZHENG Yong1,2, CHEN Yuehmin1,2, LIN Weisheng1,2,*, YANG Yusheng1,2

1SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2CultivationBaseofStateKeyLaboratoryofHumidSubtropicalMountainEcology,Fuzhou350007,China

Soil CO2flux at different depths is an important means of researching the soil carbon dynamics. At present, the impacts of clear-cutting and slash burning on forest soil carbon emissions focus on surface soil, while their impacts on soil carbon emissions at different depths are not well known. In this study, CO2flux along a soil profile (0—80 cm) was measured in an uncut secondaryCastanopsiscarlesiiforest (CT) and a clear-cut, slash burnt (SB) stand ofCastanopsiscarlesiilocated in Sanming, Fujian. A scattered infrared CO2detector was used to measure soil CO2concentration, combined with Fick′s laws of diffusion to estimate soil CO2flux at different depths. Results showed that, (1) SB changed the apparent CO2flux significantly. Within two months after SB, the soil surface CO2flux increased by 68%. However, the soil surface CO2flux decreased by 37% two months later. (2) After SB, soil CO2fluxes at depths of 0—10, 20—40, 40—60 cm and 60—80 cm decreased with the exception of an increase at a depth of 10—20 cm. In the meantime, SB decreased the contribution rate of CO2flux in the 0—10 cm soil layer, and increased the contribution rate of CO2flux in the 10—20 cm soil layer. (3) There was an exponential relationship between soil CO2flux at 0—10 cm and temperature, and the soil CO2fluxes at other soil depths were linearly correlated with soil moisture in the control plot. After SB, soil CO2fluxes at depths of 0—10 cm and 10—20 cm were exponentially correlated with soil temperature, which illustrated that SB changed the soil CO2flux response at different depths due to environmental factors. Thus, in order to estimate and predict the impact of clear-cutting and SB on carbon exchange between soil and the atmosphere accurately, it is necessary to consider the changes in soil CO2flux during different periods after SB and the response of soil CO2flux to SB at different depths.

clear-cutting and slash burning; CO2flux; soil vertical profile; soil temperature; soil moisture

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(31130013); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0600304)

2016- 06- 24;

2016- 11- 23

10.5846/stxb201606241245

*通訊作者Corresponding author.E-mail: weilsnlin@fjnu.edu.cn

鄭蔚，李超， 元曉春,鄭永, 陳岳民, 林偉盛, 楊玉盛.皆伐火燒對(duì)亞熱帶森林不同深度土壤CO2通量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(4):1221- 1231.

Zheng W, Li C, Yuan X C, Zheng Y, Chen Y M, Lin W S, Yang Y S.The impact of clear-cutting and slash burning on soil CO2flux at different soil depths in a subtropical forest.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1221- 1231.