曾翔亮 董希斌

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤是一個(gè)巨大的碳儲(chǔ)存庫[1]，土壤呼吸產(chǎn)生的CO2量是化石燃料燃燒釋放CO2總量的10多倍[2]，因此，土壤呼吸作用的微小改變就能對(duì)全球碳循環(huán)造成重要影響，從而影響全球的碳平衡[3]。同時(shí)，土壤呼吸還是土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率和異養(yǎng)代謝活性的指標(biāo)，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力[4－6]，因此，土壤呼吸往往作為用材林經(jīng)營后土壤養(yǎng)分和透氣性指標(biāo)而得到重視[7－8]。但是，以往對(duì)用材林經(jīng)營后土壤呼吸的測(cè)定絕大多數(shù)集中在生長季內(nèi)[9－10]，而對(duì)非生長季的土壤呼吸測(cè)定及其調(diào)控機(jī)制的研究非常少[11]。對(duì)于北緯35°～65°間的中高緯度地區(qū)，解凍初期雖然是植物的非生長季，但卻是影響陸地碳循環(huán)的關(guān)鍵期，因?yàn)橥寥纼鋈诮惶媸录l(fā)生在解凍初期[12]，而土壤凍融交替直接影響著有機(jī)質(zhì)的分解、養(yǎng)分有效性與動(dòng)態(tài)、微生物動(dòng)態(tài)等生態(tài)系統(tǒng)過程，進(jìn)而深深影響著土壤呼吸的動(dòng)態(tài)過程[13]。然而，目前對(duì)于用材林擇伐后在解凍初期土壤凍融交替時(shí)期土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其機(jī)制過程還缺乏深入的了解[14]。因此，本文以大興安嶺用材林為研究對(duì)象，通過對(duì)其進(jìn)行不同強(qiáng)度的采伐并在解凍初期對(duì)樣地的土壤呼吸進(jìn)行測(cè)定，探討不同采伐強(qiáng)度對(duì)大興安嶺用材林解凍初期土壤呼吸的影響，以期為大興安嶺用材林下一步的經(jīng)營培育方向提供理論參考，并為全球碳循環(huán)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省新林林業(yè)局新林林場(chǎng)的106、107、108、109 林班內(nèi)，地處北緯 51°20'以北的大興安嶺伊勒呼里山的東北坡;該地區(qū)平均海拔高度為561 m，地勢(shì)較為平緩，坡度不超過6°;主要林分類型為興安落葉松，偶見白樺;土壤為暗棕壤且平均厚度在14 cm左右;屬于寒溫帶大陸性氣候，年平均積溫低于1600℃，年平均氣溫為－2.6℃，年平均降水量為513.9 mm，主要集中在7、8月份;8月下旬開始出現(xiàn)初霜，無霜期平均為90 d左右;全年凍結(jié)期約為7個(gè)月，結(jié)冰一般出現(xiàn)在9月下旬，終凍在4月下旬。

2 材料與方法

在大興安嶺新林林場(chǎng)的用材林中選取19個(gè)樣地，進(jìn)行不同強(qiáng)度的采伐，采伐剩余物采用堆腐法進(jìn)行處理。按照采伐強(qiáng)度的梯度設(shè)置原則，選取其中采伐強(qiáng)度差別較大的B～H 7個(gè)樣地作為研究對(duì)象進(jìn)行土壤呼吸試驗(yàn)，其采伐強(qiáng)度分別為6.23%(B)、16.75%(C)、20.86%(D)、27.85%(E)、40.01%(F)、56.51%(G)和 67.25%(H)。另外，在采伐樣地相鄰處選擇林分和立地條件均相似的保留地作為對(duì)照樣地(A)進(jìn)行土壤呼吸試驗(yàn)。

于2013年的5月中下旬，在每個(gè)樣地上均按“Z”形布點(diǎn)法各選擇5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行土壤呼吸的測(cè)定，為減小對(duì)土壤呼吸測(cè)定的干擾，每次測(cè)量時(shí)，提前24 h在觀測(cè)點(diǎn)安置內(nèi)徑為20 cm的PVC土壤環(huán)，使其露出地表2～3 cm，并保留土壤環(huán)內(nèi)凋落物的自然狀態(tài)。土壤呼吸的測(cè)定采用LI－8150多通道土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量前，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的地形調(diào)試好呼吸室的擺放姿態(tài)，然后以30 min為一測(cè)量周期，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全天重復(fù)測(cè)量。在測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，分別采用與LI－8150系統(tǒng)配套的土壤溫度探頭和土壤水分傳感器測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)土壤10 cm深處的土壤溫度和濕度。

實(shí)地測(cè)量完畢后，在實(shí)驗(yàn)室用與LI－8150配套的軟件File Viewer v3.0.0將測(cè)得的土壤呼吸數(shù)據(jù)打開，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正等預(yù)處理后，導(dǎo)入Excel2010和SPSS17.0進(jìn)行計(jì)算和處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同采伐強(qiáng)度對(duì)解凍初期土壤呼吸日變化的影響

以樣地F(采伐強(qiáng)度為40.01%)為例分析經(jīng)過不同強(qiáng)度采伐后解凍初期土壤呼吸的日變化特征(如圖1)。樣地F解凍初期土壤呼吸的日變化在總體上表現(xiàn)為雙峰曲線，其在13:00左右出現(xiàn)一個(gè)較小的峰值，但其最大的峰值(4.8 μmol·m－2·s－1)出現(xiàn)在19:00左右;在22:00～次日08:00期間，解凍初期土壤呼吸的速率均相對(duì)較低，但其最小值出現(xiàn)在02:00 左右，為 2.04 μmol·m－2·s－1，僅為最大值的42.5%;解凍初期土壤呼吸的日平均值為 3.02 μmol·m－2·s－1，其日變化幅度為 2.76 μmol·m－2·s－1。

圖1 樣地F的解凍初期土壤呼吸日變化

為更好的分析不同采伐強(qiáng)度對(duì)樣地解凍初期土壤呼吸的影響，現(xiàn)將各樣地解凍初期土壤呼吸的峰值出現(xiàn)時(shí)間、日平均值、日最大值、日最小值以及日變化幅度整理出來如表1所示。

表1 不同采伐強(qiáng)度后解凍初期土壤日呼吸的比較

由表1可知，各采伐樣地解凍初期土壤呼吸的峰值幾乎都出現(xiàn)在19:00左右，其中樣地B的峰值出現(xiàn)時(shí)間(14:00)相對(duì)較早，而對(duì)照樣地A的峰值則出現(xiàn)在00:00左右，晚于各采伐樣地;各采伐樣地解凍初期土壤日呼吸最大值為 2.47～5.08 μmol·m－2·s－1，均不同程度的低于對(duì)照樣地 A(5.19 μmol·m－2·s－1);對(duì)照樣地A解凍初期土壤日呼吸的最小值為 3.08 μmol·m－2·s－1，高于各采伐樣地，其中樣地 G 的日最小值最小，僅為 1.08 μmol·m－2·s－1;各采伐樣地解凍初期土壤呼吸的日變化幅度為1.39～3.48 μmol·m－2·s－1，其中樣地 B、D、F 和 H 的日變化幅度高于對(duì)照樣地 A(2.11 μmol·m－2·s－1);對(duì)照樣地A的解凍初期土壤呼吸日平均值最高，達(dá)到了4.06 μmol·m－2·s－1，而樣地 G 的土壤呼吸日平均值最低，僅為 1.77 μmol·m－2·s－1，解凍初期土壤呼吸日平均值變化的總體趨勢(shì)是:當(dāng)采伐強(qiáng)度較低時(shí)，隨采伐強(qiáng)度增加而升高，而當(dāng)采伐強(qiáng)度較高時(shí)，隨采伐強(qiáng)度增加而降低。

3.2 不同采伐強(qiáng)度下土壤溫度對(duì)解凍初期土壤呼吸的影響

本研究采用Van’t Hoff提出的指數(shù)模型，及溫度敏感指數(shù)Q10來描述各樣地解凍初期土壤呼吸，與土壤溫度之間的關(guān)系[15]，模型表達(dá)式如下:

其中，RS為土壤呼吸速率，μmol·m－2·s－1;T 為土壤距地表10 cm處的溫度，℃;Q10為溫度敏感指數(shù);a，b為待定參數(shù)。

以樣地F(采伐強(qiáng)度為40.01%)為例分析經(jīng)過不同強(qiáng)度采伐后土壤溫度對(duì)解凍初期土壤呼吸的影響。由樣地F土壤溫度的日變化曲線(如圖2)可知，土壤溫度的最大值出現(xiàn)18:00左右，最小值出現(xiàn)在07:30左右。與圖1進(jìn)行比較，可知其變化趨勢(shì)與解凍初期土壤呼吸的日變化趨勢(shì)總體上比較吻合。

圖2 樣地F的土壤溫度日變化

將樣地F解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系用散點(diǎn)圖描繪出來，然后用指數(shù)模型對(duì)其進(jìn)行擬合，得到其擬合模型:

為更好地分析比較不同強(qiáng)度采伐后土壤溫度對(duì)解凍初期土壤呼吸的影響，將各樣地的土壤日平均溫度、擬合模型、R2以及Q10整理出來(見表2)，結(jié)果顯示采伐強(qiáng)度對(duì)土壤溫度的影響存在波動(dòng)，各采伐樣地土壤日平均溫度的波動(dòng)范圍為3.049～5.098℃，均不同程度低于對(duì)照樣地A(6.074℃)，這可能是因?yàn)椴煞ヒ谱吡艘徊糠值厣仙锪?，?dǎo)致林地夜晚的蓄溫能力下降;各樣地的相關(guān)系數(shù)為0.318～0.766，說明解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性比較顯著，其中對(duì)照樣地A的相關(guān)系數(shù)為0.421，略高于樣地 E(0.346)和樣地 H(0.318)，而樣地 D 的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)到了0.766，說明僅土壤溫度就能解釋樣地D解凍初期土壤呼吸的76.6%;在溫度敏感指數(shù)Q10方面，各采伐樣地的Q10為1.099～1.292，均高于對(duì)照樣地(1.052)。

3.3 不同采伐強(qiáng)度下土壤濕度對(duì)解凍初期土壤呼吸的影響

本研究中測(cè)定的土壤濕度為體積含水率，即單位土壤總體積中水分所占的體積分?jǐn)?shù)，以樣地F(采伐強(qiáng)度為40.01%)為例，將樣地F的土壤溫度隨時(shí)間變化的測(cè)量值用曲線描繪出來(如圖3)，可知其最大值出現(xiàn)在15:00左右，最小值出現(xiàn)在04:30～10:00，但其日變化幅度僅為0.935%。與圖1進(jìn)行比較，其變化趨勢(shì)與解凍初期土壤呼吸的日變化趨勢(shì)總體上吻合度較低。

表2 不同強(qiáng)度采伐后解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系

為了更好地分析比較各樣地解凍初期土壤呼吸與土壤濕度的關(guān)系，本研究采用多種模型對(duì)二者進(jìn)行擬合，但均發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性不是很顯著，如當(dāng)采用二次多項(xiàng)式模型和線性模型對(duì)其進(jìn)行擬合時(shí)，分別得到相關(guān)系數(shù)，同時(shí)對(duì)各樣地的土壤濕度日平均值和日變化幅度進(jìn)行整理，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，經(jīng)過不同強(qiáng)度的采伐后，各采伐樣地的土壤日平均濕度均有所升高(樣地C除外);各采伐樣地土壤濕度的日變化幅度為0.131%～0.935%，除樣地F外，均不同程度的低于對(duì)照樣地A(0.599%);二次多項(xiàng)式模型稍優(yōu)于線性模型，但兩模型中各樣地的相關(guān)系數(shù)均在0.316以下，說明解凍初期土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性不顯著，即土壤濕度對(duì)解凍初期土壤呼吸的影響很小。

圖3 樣地F的土壤濕度日變化

表3 不同強(qiáng)度采伐后解凍初期土壤呼吸與土壤濕度的關(guān)系

4 結(jié)論與討論

解凍初期土壤解凍過程是東北森林土壤呼吸整年內(nèi)變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期[14]，而森林采伐作業(yè)可導(dǎo)致植被組成、生物多樣性、土壤微生物活性以及土壤理化特性等發(fā)生變化，并進(jìn)一步引起土壤呼吸的改變[16－17]。本文以大興安嶺用材林為研究對(duì)象，對(duì)不同強(qiáng)度采伐后用材林的解凍初期土壤呼吸進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，采伐強(qiáng)度對(duì)解凍初期土壤呼吸有比較明顯的影響，這與沈微和郭輝等[18－19]的研究結(jié)果類似。雖然采伐強(qiáng)度對(duì)解凍初期土壤呼吸的影響存在微弱波動(dòng)，但其總體趨勢(shì)是:當(dāng)采伐強(qiáng)度較低時(shí)，隨采伐強(qiáng)度增加而升高，而當(dāng)采伐強(qiáng)度較高時(shí)，隨采伐強(qiáng)度增加而降低。這可能是因?yàn)樵诓煞?qiáng)度較低時(shí)，隨著采伐強(qiáng)度增加，林地內(nèi)的采伐剩余物隨之增加，為土壤呼吸提供的呼吸底物也相應(yīng)增加，因此土壤呼吸速率升高;而當(dāng)采伐強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，呼吸底物已經(jīng)不是土壤呼吸的限制因子，此時(shí)，過高的采伐強(qiáng)度卻會(huì)造成林內(nèi)的微氣候發(fā)生較大改變，同時(shí)由于采伐時(shí)人畜的頻繁行走，使土壤被壓實(shí)，不利于林地內(nèi)的土壤呼吸，因此，土壤呼吸速率會(huì)出現(xiàn)下降。而對(duì)照樣地A的解凍初期土壤呼吸之所以高于各采伐樣地，可能是因?yàn)閷?duì)照樣地A的土壤溫度高于各采伐樣地導(dǎo)致的。

各采伐樣地的土壤溫度均不同程度的低于對(duì)照樣地，說明采伐對(duì)土壤溫度存在影響，但采伐強(qiáng)度對(duì)大興安嶺用材林土壤溫度的影響存在波動(dòng)，這與郭輝等[19]的研究結(jié)果存在差異，可能是因?yàn)闃拥氐牧⒌貤l件、林相和土壤呼吸測(cè)定季節(jié)等不同造成的。本研究采用指數(shù)模型對(duì)各樣地的解凍初期土壤呼吸與土壤溫度進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示各樣地的相關(guān)系數(shù)為0.318～0.766，說明解凍初期土壤呼吸與土壤溫度存在比較顯著的相關(guān)性，這與以往大多數(shù)研究結(jié)果相同，其機(jī)理可能是因?yàn)橥寥罍囟瓤梢灾苯佑绊懨傅幕钚院屯寥郎铮⑶铱梢酝ㄟ^影響底物供應(yīng)和氧氣運(yùn)輸間接影響土壤呼吸[20]。溫度敏感指數(shù)Q10是描述土壤呼吸與土壤溫度關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)，本研究中各采伐樣地的 Q10為 1.099～1.292，均高于對(duì)照樣地A(1.052)，說明各采伐樣地解凍初期土壤呼吸對(duì)土壤溫度變化的敏感程度要高于對(duì)照樣地A;以往的研究結(jié)果一般都認(rèn)為當(dāng)土壤平均溫度高于 20 ℃時(shí)，林地土壤呼吸 Q10值在 1.28～1.81，而當(dāng)土壤平均溫度低于20℃時(shí)，Q10值在2.0以上，且Q10會(huì)隨緯度的增加而升高[21]，但本研究中的各樣地的Q10卻低于2.0，這與以往的研究結(jié)果存在很大差異，其原因可能是解凍初期時(shí)土壤凍融交替會(huì)抑制酶的活性，也可能與試驗(yàn)樣地的立地條件、林相、采伐方式以及植被的自身生理活動(dòng)等有關(guān)，但其具體原因還需進(jìn)一步的研究。

在不同的研究中，土壤濕度與土壤呼吸之間的關(guān)系往往不一致，即使在相似的立地條件下，不同植被類型土壤濕度對(duì)土壤呼吸的影響也不一樣[22]。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過不同強(qiáng)度的采伐后，各采伐樣地的土壤日平均濕度均有所升高(樣地C除外)，可能是因?yàn)椴煞ズ螅珠g出現(xiàn)的空隙增加，直達(dá)地表的雨雪增多，解凍初期融化后導(dǎo)致土壤濕度增加。本研究中，不論是對(duì)照樣地還是各采伐樣地，采用多種模型進(jìn)行擬合，結(jié)果均表明解凍初期土壤呼吸與土壤濕度的相關(guān)性不顯著，這可能是因?yàn)榇笈d安嶺的解凍初期氣溫較低，植物剛處于發(fā)芽狀態(tài)，土壤蒸發(fā)、植物蒸騰作用等都很微弱，導(dǎo)致土壤濕度的日變化幅度很小(＜1%)，微弱的土壤濕度改變很難對(duì)解凍初期土壤呼吸造成明顯的影響。

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