不同林齡尾巨桉人工林土壤呼吸特征及影響因素

竹萬(wàn)寬，許宇星，王志超，杜阿朋

不同林齡尾巨桉人工林土壤呼吸特征及影響因素

竹萬(wàn)寬，許宇星，王志超，杜阿朋

(國(guó)家林業(yè)和草原局桉樹(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣東湛江桉樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，廣東 湛江 524022)

為研究不同林齡尾巨桉人工林土壤呼吸速率時(shí)間變化特征及其影響因子，通過(guò)測(cè)定2018年6月—2019年2月時(shí)段內(nèi)4個(gè)不同林齡尾巨桉林土壤呼吸速率，分析桉樹(shù)人工林土壤呼吸速率時(shí)間變化及其與影響要素的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：4個(gè)林分土壤呼吸速率時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，由測(cè)定初期逐漸降低，并在2月中下旬開(kāi)始回升。2、6、10、17年生4個(gè)林齡土壤呼吸速率平均值分別為2.51、1.85、4.13、2.56 μmol·m·s。2、6、17年生林分土壤呼吸速率時(shí)間變異主要由土壤5 cm處溫度變化引起，10年生林分土壤呼吸速率時(shí)間變異由土壤溫、濕度共同作用。

土壤呼吸；尾巨桉；林齡?

土壤呼吸是土壤釋放CO的過(guò)程，由土壤環(huán)境中的生物學(xué)過(guò)程(土壤微生物、根系和土壤動(dòng)物呼吸)和非生物過(guò)程(含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化)組成，是大氣CO的重要來(lái)源。土壤呼吸作為土壤碳的主要輸出途徑，對(duì)區(qū)域和全球尺度碳收支的調(diào)配至關(guān)重要，其微小變化均可能影響全球碳平衡。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其土壤呼吸占總呼吸的69%，森林土壤呼吸變化直接影響著全球碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)變化，已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程和全球氣候變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

土壤呼吸受氣溫、降水、土壤質(zhì)地、植被類(lèi)型、人類(lèi)活動(dòng)等多種因素的綜合影響，其中林齡因素作為影響林下植被生物量、凋落物量的重要因素，對(duì)氣溫、土壤溫度、生物量等非生物的影響存在差異。隨林齡的增大，森林物種組成、群落結(jié)構(gòu)、動(dòng)植物的豐富度都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的碳排放和碳循環(huán)過(guò)程。目前，在不同森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤呼吸隨林齡增大表現(xiàn)出增大、減小或無(wú)顯著變化，存在較大的不確定性。

桉樹(shù)()是我國(guó)南方廣泛種植的速生樹(shù)種之一。至2018年底，我國(guó)桉樹(shù)人工林面積546.74萬(wàn)hm，蓄積量2.16億m，占全國(guó)森林面積和森林蓄積量2.48%和1.23%，生產(chǎn)木材占全國(guó)木材產(chǎn)量的1/3。目前，桉樹(shù)人工林土壤呼吸影響因子主要包括土壤溫濕度、經(jīng)營(yíng)模式、林分密度及營(yíng)林措施等，但由林齡變化引起的桉樹(shù)人工林土壤呼吸變異研究少見(jiàn)報(bào)道。因此，本文通過(guò)測(cè)定雷州半島北部地區(qū)4個(gè)林齡(2、6、10、17年生)尾巨桉()人工林的土壤呼吸，探索不同林齡林分土壤呼吸時(shí)間變化趨勢(shì)和土壤溫、濕度對(duì)其影響，并研究土壤呼吸隨林齡的變化趨勢(shì)及其影響因素。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣東湛江桉樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站內(nèi)(21°16'N，110°05'E)，為海洋性季風(fēng)氣候。年平均氣溫23.1 ℃，最冷月為 1 月(均溫15.6 ℃)，最熱月為 7 月(均溫 28.8 ℃)，極端溫度分別為 2.8 ℃和38.1 ℃。年均降水量為 1 567 mm，主要集中在 5—9月，有明顯旱、雨季之分。常年多風(fēng)，冬季主要為西北風(fēng)和東北風(fēng)，夏季主要為東南風(fēng)和西南風(fēng)，年均風(fēng)速 3 m·s。土壤熱帶特征明顯，風(fēng)化強(qiáng)烈，土層深厚，高度富鋁鐵化。林下物種豐富，優(yōu)勢(shì)灌木有鵝掌柴()、龍船花()、鹽膚木()、馬櫻丹()、白背葉(a)、桃金娘()等。優(yōu)勢(shì)草本主要有馬唐草()、白花鬼針草()、勝紅薊()、五節(jié)芒()、野芍藥()、蟛蜞菊()、藎草()等。

1.2 土壤呼吸和相關(guān)環(huán)境因子的測(cè)定

采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-8100土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，于2018年6月—2019年2月對(duì)4個(gè)林齡尾巨桉人工林進(jìn)行了土壤呼吸速率的測(cè)定，樣地基本情況見(jiàn)表1。每個(gè)林齡各設(shè)置1個(gè)長(zhǎng)期固定樣地，在每個(gè)樣地中隨機(jī)設(shè)置5個(gè)重復(fù)。將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的PVC土壤隔離環(huán)于測(cè)定前30 d打入土中，深約3 ～ 4 cm，以減少每次測(cè)定前安放呼吸室對(duì)土壤的擾動(dòng)，以后每個(gè)月的測(cè)定在固定土壤隔離環(huán)上進(jìn)行，并且在每次測(cè)定前1 d，將測(cè)定點(diǎn)土壤隔離圈內(nèi)的地表植被自土壤表層徹底剪除，盡量不破壞土壤，以減少土壤擾動(dòng)及根系損傷對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。每月測(cè)定2次，每次測(cè)量在1 d內(nèi)完成，僅在當(dāng)日的9:00—14:00進(jìn)行測(cè)定，嚴(yán)格控制測(cè)量時(shí)間范圍，以保證每次測(cè)定期間環(huán)境因子變化最小。測(cè)定土壤呼吸速率的同時(shí)，利用LI-8100配置的土壤溫度和土壤水分傳感器測(cè)定5 cm深度處土壤溫度和土壤體積含水量。

表1 樣地基本情況

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)利用SPSS 26和EXCEL軟件進(jìn)行分析。采用指數(shù)回歸模型擬合土壤呼吸速率與土壤溫度的關(guān)系：

=e(1)

式中：為土壤呼吸速率(μmol·m·s)；為土壤溫度(℃)；,為擬合參數(shù)。

采用線(xiàn)性回歸模型擬合土壤呼吸速率與土壤濕度(體積含水量)的關(guān)系：

=++(2)

式中：為土壤呼吸速率(μmol·m·s)；為土壤濕度(%)；,為擬合參數(shù)。

采用雙因素關(guān)系模型擬合土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤含水量的復(fù)合關(guān)系：

=++(3)

式中：為土壤呼吸速率(μmol·m·s)；為土壤溫度(℃)；為土壤濕度(m·m)；，，為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤呼吸速率變化特征

4個(gè)林齡尾巨桉人工林觀測(cè)期內(nèi)土壤總呼吸速率呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)(圖1)。其中，2年生和6年生林分變化趨勢(shì)相似，均在8月末達(dá)到最高值，在12月中達(dá)到最低值。10年生林分在6月中達(dá)到最高值，在2月中達(dá)到最低值。17年生林分在7月中達(dá)到最高值，在12月末達(dá)到最低值。觀測(cè)期內(nèi)，土壤呼吸月均值表現(xiàn)為10年生顯著高于其他林齡(<0.05)，6年生顯著低于其他林齡(<0.05)，2年生和17年生無(wú)顯著差異(>0.05)。

2.2 土壤溫、濕度變化特征

4個(gè)林齡尾巨桉人工林土壤溫、濕度具有相似的變化趨勢(shì)(圖2)。土壤溫度在6—9月變化不大，從10月末開(kāi)始降低，在12月達(dá)到谷值，之后開(kāi)始回升。觀測(cè)期內(nèi)，2、6、10、17年生林分土壤溫度均值無(wú)顯著差異，均值分別為25.63、24.85、23.79、24.83 ℃，范圍分別為17.90 ～ 29.77、16.99 ～ 29.59、16.37 ～ 28.14、17.20 ～ 30.14 ℃。觀測(cè)期內(nèi)，土壤濕度均值無(wú)顯著差異，均值分別為0.290 1、0.253 6、0.245 2、0.274 8，范圍分別為0.156 7 ～ 0.425 0、0.155 0 ～ 0.410 0、0.096 7 ～ 0.400 0、0.133 3 ～ 0.418 3。

2.3 土壤呼吸與溫、濕度的關(guān)系特征

相關(guān)性分析表明(圖3)，土壤呼吸與5 cm處土壤溫、濕度均表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性(<0.01)。指數(shù)模型擬合結(jié)果表明，土壤溫度可以解釋土壤呼吸時(shí)間變異的百分比分別為36.18%(2年)、29.01%(6年)、22.89%(10年)、21.65%(17年)。

二次函數(shù)模型擬合結(jié)果表明(圖4)，土壤濕度可以解釋土壤呼吸時(shí)間變異的百分比分別為12.48%(2年)、7.35%(6年)、24.77%(10年)、6.78%(17年)，僅10年土壤濕度對(duì)土壤呼吸變異的解釋能力高于土壤溫度。

土壤呼吸速率和土壤溫、濕度的雙因子回歸模型結(jié)果如表2。土壤溫、濕度雙因子模型土壤呼吸變異的百分比分別為33.80%(2年)、29.32%(6年)、30.99%(10年)、20.58%(17年)，僅10年的雙因子模型擬合優(yōu)度高于溫度單因子指數(shù)模型。

表2 土壤呼吸速率與土壤溫、濕度的關(guān)系

圖1 土壤呼吸速率變化特征

圖2 土壤溫(T)、濕度(W)變化特征

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤呼吸速率的變化動(dòng)態(tài)

大多研究均發(fā)現(xiàn)土壤呼吸在夏季最高，在冬季最低。本研究中不同林齡尾巨桉人工林土壤呼吸也表現(xiàn)出類(lèi)似變化，由測(cè)定初期開(kāi)始降低，在1月末達(dá)到最低值后開(kāi)始回升。竹萬(wàn)寬等對(duì)不同桉樹(shù)人工林土壤呼吸旱雨季變化特征研究表明，土壤呼吸速率和土壤溫、濕度均表現(xiàn)為雨季高于旱季，與本研究結(jié)果一致。觀測(cè)期內(nèi)，土壤呼吸速率平均值隨林齡變化并未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性，可能的原因是：1)隨林齡的變化，林地土壤的理化性質(zhì)、林下植被多樣性、林地微環(huán)境均會(huì)產(chǎn)生變化，從而影響土壤呼吸的生物化學(xué)過(guò)程；2)桉樹(shù)人工林在經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中，會(huì)在不同生長(zhǎng)階段進(jìn)行施肥、除雜等人為干擾措施，也會(huì)直接影響土壤呼吸底物供應(yīng)及林下環(huán)境；3)林木在不同生長(zhǎng)階段具有不同強(qiáng)度的光合作用，光合作用的底物供應(yīng)對(duì)土壤呼吸有很強(qiáng)的控制作用。

3.2 土壤呼吸速率與土壤溫、濕度的關(guān)系特征

土壤二氧化碳的主要來(lái)源是微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)和植物根系呼吸，土壤溫度會(huì)影響土壤微生物活性和植物呼吸酶活性，進(jìn)而影響土壤呼吸速率。土壤微生物和植物根系的生命活動(dòng)直接受到土壤含水率的調(diào)控，因而土壤含水率對(duì)土壤呼吸的影響也是十分重要的。本研究中，土壤呼吸與土壤溫、濕度均表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性。2、6、17年的土壤呼吸速率時(shí)間變異主要由土壤溫度變化引起，10年的土壤呼吸速率時(shí)間變異則由土壤溫、濕度雙因子共同作用。

[1] 欒軍偉,向成華,駱宗詩(shī),等.森林土壤呼吸研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(12):2451-2456.

[2] 趙青,劉爽,陳燕菲,等.武夷山不同林齡甜櫧林土壤呼吸特征及影響因素[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2021,41(6):2326-2338.

[3] DE KOVEL C, VAN MIERLO A J E M, WILMS Y, et al. Carbon and nitrogen in soil and vegetation at sites differing in successional age[J]. Plant Ecology,2000, 149(1):43-50.

[4] EWEL K C, CROPPER W P, GHOLZ H L. Soil COevolution in Florida slash pine plantations. I. changes through time[J]. Canadian Journal of Forest Research, 1987, 17(4): 325-329.

[5] SAIZ G, BYRNE K A,BUTTERBACH-BAHL K,et al. Stand age-related effects on soil respiration in a first rotation Sitka spruce chronosequence in central Ireland[J]. Global Change Biology,2006,12(6):1007-1020.

[6] 王娟,尤業(yè)明,黃雪蔓,等.銳齒櫟林年齡序列土壤呼吸組分特征研究[J].廣西植物,2016,36(10):1205-1213.

[7] 國(guó)家林業(yè)和草原局.中國(guó)森林資源報(bào)告(2014－2018)[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2019.

[8] 竹萬(wàn)寬.不同桉樹(shù)人工林土壤呼吸時(shí)空異質(zhì)性及其影響要素[D].北京:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2017.

[9] 黃雪蔓.南亞熱帶桉樹(shù)人工林不同經(jīng)營(yíng)模式土壤碳動(dòng)態(tài)變化及其調(diào)控機(jī)制[D].北京:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2013.

[10] 向元彬,胡庭興,張健,等.華西雨屏區(qū)不同密度巨桉人工林土壤呼吸特征[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(1):79-88.

[11] 吳華靜,梁士楚,田豐,等.不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)尾巨桉人工林土壤呼吸的影響[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(5): 58-64.

[12] 竹萬(wàn)寬,王志超,許宇星,等.不同桉樹(shù)人工林土壤呼吸旱雨季變化特征[J].桉樹(shù)科技,2017,34(4):27-32.

Factors Influencing Soil Respiration Characteristics of×Plantations at Different Ages

ZHU Wankuan, XU Yuxing, WANG Zhichao, DU Apeng

()

In order to study the temporal variation and factors influencing soil respiration rate of×plantations at different ages, the soil respiration rates of×plantations of four different ages were measured from June 2018 to February 2019. The temporal variation of soil respiration rate in these plantations and its correlation with various factors were analyzed. The results showed that the temporal variation trend of soil respiration rate of the four plantation stands was basically the same: it decreased gradually from the initial stage of measurement and began to increase in the middle and last ten days of February. The average soil respiration rates of 2, 6, 10 and 17-year-old plantations were 2.51, 1.85, 4.13 and 2.56 μmol·m·srespectively. Temporal variations of soil respiration rate in 2, 6 and 17-year-old plantations were caused mainly by changes in soil temperatures at 5 cm, and temporal variations of soil respiration rate in the 10-year-old plantation was caused mainly by soil temperature and humidity.

soil respiration;; stand age

10.13987/j.cnki.askj.2021.04.002

G714.5

A

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目“雷州半島多功能人工林構(gòu)建技術(shù)及綜合效益評(píng)價(jià)”(2018KJCX014)

竹萬(wàn)寬(1989— )，男，在讀博士，助理研究員，主要從事森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究，E-mail:zwk_2015@163.com

杜阿朋(1979— )，男，博士，副研究員，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究，E-mail:dapzj@163.com