鄭 永, 劉小飛,*, 鄭 蔚, 周嘉聰, 蘇瑞蘭, 林偉盛, 熊德成, 胥 超, 陳岳民, 楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)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 3 三明市三元區(qū)林業(yè)局, 三明 365000

應(yīng)用高頻觀測(cè)探討不同森林經(jīng)營(yíng)方式下礦質(zhì)土壤呼吸的晝夜動(dòng)態(tài)特征

鄭 永1,2, 劉小飛1,2,*, 鄭 蔚1,2, 周嘉聰1,2, 蘇瑞蘭3, 林偉盛1,2, 熊德成1,2, 胥 超1,2, 陳岳民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 福建師范大學(xué)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 3 三明市三元區(qū)林業(yè)局, 三明 365000

礦質(zhì)土壤呼吸是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)損失的重要途徑之一,也是森林生態(tài)系統(tǒng)碳(C)平衡估算中的關(guān)鍵因子。了解礦質(zhì)土壤呼吸在不同時(shí)間尺度上的變化,對(duì)理解森林生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)應(yīng)對(duì)全球變化的響應(yīng)至關(guān)重要,而高頻觀測(cè)是探討礦質(zhì)土壤呼吸在不同時(shí)間尺度變化的重要手段之一。通過(guò)高頻自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)與Li- 8100土壤CO2通量測(cè)量系統(tǒng),對(duì)福建省三明市陳大鎮(zhèn)國(guó)有林場(chǎng)的米櫧(Castanopsiscarlesii)次生林在不同森林經(jīng)營(yíng)方式下(CK對(duì)照,RR皆伐,RB火燒)的礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度和含水量的晝夜動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析,并比較2種采樣策略下礦質(zhì)土壤呼吸的年、日均通量差異。結(jié)果表明:1)不同森林經(jīng)營(yíng)方式的礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度和土壤含水量均存在著明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài),礦質(zhì)土壤呼吸速率年均值表現(xiàn)為CK(2.18 μmol m-2s-1)>RB(1.93 μmol m-2s-1)>RR(1.89 μmol m-2s-1)。 2)在不同森林經(jīng)營(yíng)方式下,采用手動(dòng)觀測(cè)的礦質(zhì)土壤呼吸年平均日通量顯著低于高頻觀測(cè)結(jié)果,而采用高頻觀測(cè)09:00—11:00時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算日通量與高頻自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)全天(24h)結(jié)果無(wú)顯著差異；3)不同森林經(jīng)營(yíng)方式下的林地,土壤水熱條件的變化是影響礦質(zhì)土壤呼吸的重要因素之一。雙因子模型擬合結(jié)果表明,土壤溫度和含水量共同解釋了CK、RR和RB礦質(zhì)土壤呼吸速率的年變化的96.8%,62.8%,95.4%,擬合結(jié)果明顯優(yōu)于以溫度為單因子的指數(shù)模型。因此,未來(lái)氣候變化背景下,為準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)不同森林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤與大氣間碳通量交換的影響,采用高頻自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)觀測(cè)礦質(zhì)土壤呼吸,將有利于提高碳通量估算精度。

不同森林經(jīng)營(yíng)方式；高頻自動(dòng)觀測(cè)；礦質(zhì)土壤呼吸；晝夜動(dòng)態(tài)；碳通量

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),據(jù)估計(jì),全球土壤有機(jī)碳庫(kù)約1500 Pg (1 Pg = 1015g),約是大氣碳庫(kù)的2倍,生物碳庫(kù)的3倍[1]。土壤呼吸是土壤碳庫(kù)和大氣碳庫(kù)交換的主要方式之一,其觀測(cè)手段主要為手動(dòng)觀測(cè)和高頻自動(dòng)觀測(cè),由于土壤呼吸的時(shí)空異質(zhì)性,現(xiàn)今對(duì)土壤呼吸通量的評(píng)估仍存在著許多不確定性[2]。如：Savage等[3]在美國(guó)哈佛森林發(fā)現(xiàn)手動(dòng)觀測(cè)低估土壤呼吸日通量的13%,而Wang等[4]在加拿大農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)手動(dòng)觀測(cè)值相較于高頻觀測(cè)高估了土壤呼吸日通量的17%,手動(dòng)觀測(cè)的局限性在于不能進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)頻繁的觀測(cè),也無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估土壤呼吸對(duì)降雨、寒潮等特殊事件的響應(yīng),而高頻自動(dòng)觀測(cè)方法能準(zhǔn)確、迅速捕捉土壤呼吸對(duì)各種事件的響應(yīng)過(guò)程,對(duì)評(píng)估未來(lái)氣候變化下不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的變化,進(jìn)而估算全球碳通量有著重要的意義[5-7]。

土壤異養(yǎng)呼吸是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)損失的重要途徑,也是森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡主要分量之一,與凈初級(jí)生產(chǎn)力共同決定森林碳匯的大小[8-9],熱帶和亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中異養(yǎng)呼吸占土壤總呼吸的60%—76%[10],而礦質(zhì)土壤呼吸占異養(yǎng)呼吸的30%—83%[11]。礦質(zhì)土壤呼吸主要來(lái)源于土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)釋放的CO2,而土壤水分和溫度是影響微生物活性的關(guān)鍵因子,其表現(xiàn)在土壤溫度升高提高微生物活性,加快有機(jī)質(zhì)的分解速度,土壤含水量的增加則會(huì)有利于土壤中溶解性有機(jī)質(zhì)的擴(kuò)散,提高微生物可利用養(yǎng)分,從而促進(jìn)礦質(zhì)土壤呼吸[12-13]。

有關(guān)森林土壤呼吸及其影響因素的研究已有大量報(bào)道[14-16],但主要集中在溫帶森林[17-18]。煉山是亞熱帶地區(qū)的主要造林方式,現(xiàn)今有關(guān)營(yíng)林活動(dòng)(特別是皆伐和火燒等)對(duì)亞熱帶森林礦質(zhì)土壤呼吸的晝夜動(dòng)態(tài)的研究則鮮有報(bào)道。因而,本研究通過(guò)對(duì)亞熱帶森林不同經(jīng)營(yíng)方式下礦質(zhì)土壤呼吸進(jìn)行手動(dòng)和高頻自動(dòng)觀測(cè),探討不同經(jīng)營(yíng)方式的中亞熱帶米櫧林礦質(zhì)土壤呼吸之間的晝夜動(dòng)態(tài)特征,以及手動(dòng)觀測(cè)與高頻自動(dòng)觀測(cè)對(duì)礦質(zhì)土壤呼吸年通量估算的差異性,提高未來(lái)氣候變化情景下不同森林經(jīng)營(yíng)方式下土壤與大氣間CO2交換量的估算精度,進(jìn)一步改進(jìn)土壤呼吸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

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)與全球變化野外觀測(cè)研究站-陳大觀測(cè)點(diǎn)(26°19′N(xiāo),117°36′E),平均海拔330 m,平均坡度33 °,年均氣溫19.1 ℃,年均降水量1749 mm,屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候。本區(qū)內(nèi)土壤厚度超過(guò)1 m,由黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤。米櫧次生林前身為米櫧天然林,1978年天然林皆伐后天然更新演替形成,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(Ardisiapunctate)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等。試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)

不同小寫(xiě)字母表示不同處理之間存在顯著差異(P<0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3);CK: Control; RR: Residual retention after clear cutting; RB: Residual burning after clear cutting

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與礦質(zhì)土壤呼吸測(cè)定

2011年11月在米櫧次生林(總面積為17.1 hm2)設(shè)置9塊20 m× 20 m標(biāo)準(zhǔn)地,分布于4個(gè)山坡,山坡間有30 m左右的坡溝相隔。樣地于2011年12月、2012 年3月相繼完成皆伐和火燒處理,各處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),并按隨機(jī)區(qū)組排列,其處理分別為:(1)將原有次生林作為對(duì)照處理(CK);(2)在采伐跡地上采取人促更新,即皆伐(Residue Retention,RR);(3)對(duì)采伐跡地上火燒后人工造林,即火燒(Retention Burning,RB)。采用壕溝法去根: 2012 年4月,在各標(biāo)準(zhǔn)樣地上、中、下各布設(shè)1 m× 1 m的正方形區(qū)域,在其四周用鐵鍬挖壕溝,垂直挖深0.6—0.8 m (看不到根系),切斷根(不移走)后插入細(xì)密的尼龍網(wǎng)(100目)以阻止根向小區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)[19],貼地面剪除小區(qū)內(nèi)的植被,所有挖壕溝小區(qū)定期清理地表植被。

礦質(zhì)土壤呼吸測(cè)定采用Li- 8100A (美國(guó),基因公司) 土壤CO2通量全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定,礦質(zhì)土壤呼吸測(cè)定頻率為每半個(gè)小時(shí)測(cè)定1次,全天24 h不間斷測(cè)定。在測(cè)定礦質(zhì)土壤呼吸速率的同時(shí),應(yīng)用Li- 8100A配套的土壤溫濕度傳感器測(cè)定土壤5 cm深處的溫度和體積含水量。觀測(cè)時(shí)間為2013年8月到2014年7月,并分別在2013年8月、10月、12月和2014年3月,選擇連續(xù)3天晴朗天氣,其觀測(cè)的數(shù)據(jù)分別代表2013年夏季、秋季、冬季和2014年春季礦質(zhì)土壤呼吸。

于相同的觀測(cè)時(shí)間段內(nèi),使用Li- 8100開(kāi)路式土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)在09:00—12:00手動(dòng)測(cè)定礦質(zhì)土壤呼吸[20],每個(gè)測(cè)定點(diǎn)測(cè)定時(shí)間為2 min,觀測(cè)時(shí)間在每個(gè)月月中(15日左右)和月末(30日左右)。同時(shí),采用時(shí)域反射儀(Model TDR300, Specturm Company, Aurora, USA)測(cè)量附近0—12 cm范圍內(nèi)的土壤體積含水量,每個(gè)測(cè)定點(diǎn)周?chē)鷾y(cè)量3次,取平均值,采用長(zhǎng)桿電子溫度探針(SK- 250WP, Sato Keir-Yoki, Kanda, Japan)測(cè)定附近土壤5 cm深處的土壤溫度。

2.2 數(shù)據(jù)處理

土壤呼吸日通量R(g C/m2)計(jì)算公式為:

R=Rs×3600×24×12/1000000

(1)

運(yùn)用以下模型分析土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤含水量的關(guān)系:

Rs=aW+b

(1)

Rs=aebt

(2)

Rs=aebtWc

(3)

式中,Rs表示土壤呼吸速率,t表示土壤5 cm深處溫度,W表示0—12 cm土壤含水量,a、b、c為待定參數(shù)。

土壤呼吸的溫度敏感性(Q10) 計(jì)算公式為:

Q10=e10b

(4)

式中,b為(2)式中計(jì)算的常量。

運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并用Origin9.0進(jìn)行圖形繪制,采用重復(fù)測(cè)量方差(repeated-measures ANONA)檢驗(yàn)不同處理之間礦質(zhì)土壤呼吸速率、溫度、含水量的差異性,采用單因素方差(one-way ANONA)分析米櫧次生林不同森林經(jīng)營(yíng)方式日平均碳排放通量的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同季節(jié)礦質(zhì)土壤呼吸的晝夜動(dòng)態(tài)特征

各處理年均礦質(zhì)土壤呼吸表現(xiàn)出CK(2.18 μmol m-2s-1)>RB(1.93 μmol m-2s-1)>RR(1.89 μmol m-2s-1)的趨勢(shì)(圖1),但不同處理的礦質(zhì)土壤呼吸在不同季節(jié)的變化趨勢(shì)并不一致。CK和RB礦質(zhì)土壤呼吸速率表現(xiàn)為夏季高,冬季低；RR礦質(zhì)土壤呼吸速率則秋季最高,春季最低。春夏季,CK和RB的礦質(zhì)土壤呼吸顯著高于RR(P<0.05)；秋冬季RR的礦質(zhì)土壤呼吸顯著高于CK和RB (P<0.05)。RR的礦質(zhì)土壤呼吸季節(jié)變化則與土壤溫度出現(xiàn)了季節(jié)滯后效應(yīng),CK和RB的土壤含水量季節(jié)變化均呈現(xiàn)春季高,冬季低的趨勢(shì),RR的土壤含水量春季最高,夏季最低(圖1)。

圖1 不同森林經(jīng)營(yíng)方式土壤CO2速率、土壤溫度和含水量的季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig.1 Different forest management of mineral soil CO2 rate, soil temperature and water content of seasonal dynamics不同大寫(xiě)字母表示同一處理不同季節(jié)之間存在顯著差異(P<0.05),不同小寫(xiě)字母表示同一季節(jié)不同處理之間存在顯著差異(P<0.05);圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

礦質(zhì)土壤呼吸的晝夜變化較大,不同季節(jié)的晝夜動(dòng)態(tài)也不一致(圖2)。CK夏季礦質(zhì)土壤呼吸速率最高值出現(xiàn)在06:00和22:00左右,最低值出現(xiàn)在18:00左右,而秋、冬和春季節(jié)最高值出現(xiàn)于17:00左右,而最低值出現(xiàn)在08:00左右,其日變幅分別達(dá)到為32%,40%,49%和48%。RR夏、秋、冬和春季節(jié)的礦質(zhì)土壤呼吸速率最高值出現(xiàn)在于06:00和晚上23:00左右,最低值出現(xiàn)在18:00左右,其日變幅分別達(dá)到為54%,26%,77%和66%。RB夏、秋、冬和春季節(jié)的礦質(zhì)土壤呼吸速率最高值出現(xiàn)在13:00左右,最低值出現(xiàn)在06:00左右,其日變幅分別達(dá)到為45%,36%,74%和89%。

圖2 不同森林經(jīng)營(yíng)方式的礦質(zhì)土壤呼吸速率、土壤溫度和含水量的各季節(jié)的晝夜動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Different forest management of mineral soil respiration rate, and soil temperature and moisture content of dynamic changes in different season

3.2 高頻觀測(cè)與手動(dòng)觀測(cè)CO2通量比較

如表2所示,與高頻觀測(cè)結(jié)果相比,CK、RR和RB全年手動(dòng)觀測(cè)土壤呼吸年通量分別低估約38%、15%和26%,而09:00—11:00時(shí)間段內(nèi)采用高頻自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)值計(jì)算年通量與高頻自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果無(wú)顯著差異。此外,如圖3所示,CK和 RB手動(dòng)觀測(cè)的礦質(zhì)土壤呼吸速率均低于高頻自動(dòng)觀測(cè),并存在顯著差異(P<0.05),RR手動(dòng)觀測(cè)的礦質(zhì)土壤呼吸速率除秋季顯著低于高頻自動(dòng)觀測(cè),在其他季節(jié)與其均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。CK、RR和RB的09:00—11:00 時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)的土壤呼吸速率在不同季節(jié)中與高頻觀測(cè)的日平均呼吸速率均無(wú)顯著差異(P>0.05)(表2)。

3.3 不同森林經(jīng)營(yíng)方式下礦質(zhì)土壤呼吸與溫度和水分的關(guān)系

通過(guò)對(duì)全年數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),不同處理礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),其中CK(R2=0.90)和RB(R2=0.90)的土壤呼吸與溫度的相關(guān)性高于RR(R2=0.22) (表3),但在不同季節(jié)表現(xiàn)略有不同。CK、RR和RB處理在春季礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性最高(R2分別為0.85,0.54和0.79)。CK處理的年均Q10為1.72,而RR處理顯著降低Q10值(1.27),但RB處理則提高了Q10值(1.84)。與土壤溫度相比,不同森林經(jīng)營(yíng)方式的礦質(zhì)土壤呼吸與土壤含水量線(xiàn)性模型的相關(guān)性水平較差,僅在RR處理出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的相關(guān)性(表3),CK與RB處理均與土壤含水量無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。此外,采用溫度和含水量雙因素模型分別共同解釋CK、RR和RB的礦質(zhì)土壤呼吸季節(jié)變化的54.6%—86.3%、25.3%—59.4%和32.5%—75.9%,年變化的96.8%,62.8%和95.4%,擬合結(jié)果明顯優(yōu)于以溫度或含水量為單因子的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?且整體上顯示CK和RB的礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度和含水量的相關(guān)性更強(qiáng)(CK>RB),說(shuō)明本研究地土壤溫度與含水量在較大程度上共同影響著礦質(zhì)土壤呼吸。

表 2 不同森林經(jīng)營(yíng)方式不同季節(jié)礦質(zhì)土壤呼吸不同觀測(cè)方式的日通量差異

圖3 不同森林經(jīng)營(yíng)方式礦質(zhì)土壤呼吸速率在不同觀測(cè)方式的顯著性Fig.3 The significant of in different forest management of mineral soil respiration rate in different observation methods不同小寫(xiě)字母表示同一處理同一季節(jié)不同觀測(cè)方式之間存在顯著差異(P<0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)

4 討論

4.1 礦質(zhì)土壤呼吸晝夜動(dòng)態(tài)變化

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)皆伐(RR)和火燒(RB)一年后礦質(zhì)土壤呼吸低于對(duì)照(CK)(圖1),可能與煉山措施和水土流失造成土壤有機(jī)碳含量下降有關(guān)(表1)。各季節(jié)CK和RB的礦質(zhì)土壤呼吸晝夜呈單峰型變化,與Zhao等[21]研究結(jié)果相同。RB土壤呼吸速率日峰值出現(xiàn)于13:00左右,最小值出現(xiàn)于6點(diǎn)左右,與土壤溫度晝夜變化一致,國(guó)內(nèi)外研究也得出類(lèi)似結(jié)果[22-23],表明RB的礦質(zhì)土壤呼吸在晝夜尺度上的變化主要受土壤溫度晝夜變化的驅(qū)動(dòng)[24]。CK的礦質(zhì)土壤呼吸在春、秋和冬季的礦質(zhì)土壤呼吸峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后于土壤溫度(圖 2c,b,e,f,g和h),可能與CK處理林冠覆蓋較密,達(dá)到土壤微生物的最適溫度和濕度需更長(zhǎng)的時(shí)間有關(guān)。與其不同的是,CK夏季的礦質(zhì)土壤呼吸和RR整年的礦質(zhì)土壤呼吸速率日峰值與土壤溫度的相關(guān)性并不顯著,反而隨著土壤溫度的上升其礦質(zhì)土壤呼吸速率出現(xiàn)下降趨勢(shì) (圖 2),主要原因是在溫度不是主要限制因子時(shí),較低土壤含水量對(duì)礦質(zhì)土壤呼吸起限制作用[25-26]。本研究中除夏季的CK處理外,RR的土壤含水量均較高于CK和RR,過(guò)高的土壤含水量導(dǎo)致土壤氧氣含量下降,不利于土壤微生物活性,從而造成礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度的滯后現(xiàn)象[27-28]。

表3 不同森林經(jīng)營(yíng)方式礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度(T)和含水量(M)的關(guān)系

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

4.2 手動(dòng)觀測(cè)與高頻自動(dòng)觀測(cè)

手動(dòng)觀測(cè)和高頻自動(dòng)觀測(cè)是目前土壤呼吸的主要兩種觀測(cè)方法。本研究發(fā)現(xiàn),采用手動(dòng)觀測(cè)的結(jié)果對(duì)礦質(zhì)土壤呼吸年通量進(jìn)行估算,CK、RR和RB分別比高頻自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果低估38%,15%和26%,且各處理之間顯差異著(P<0.05),其主要原因是手動(dòng)觀測(cè)受觀測(cè)頻率限制,導(dǎo)致手動(dòng)觀測(cè)所估算的礦質(zhì)土壤呼吸平均日通量均小于高頻自動(dòng)觀測(cè)結(jié)果[29]。CK、RB和RR的礦質(zhì)土壤呼吸速率日平均值分別為04:00—06:00,07:00—09:00和08:00—10:00之間(圖2),與森林,農(nóng)業(yè)和沼澤生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率的日平均值的結(jié)果并不一致,其認(rèn)為土壤呼吸日平均值一般出現(xiàn)于09:00—13:00之間[30,31,32]。因此,若采用09:00—13:00之間的手動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)代替日平均值,將大大低估礦質(zhì)土壤呼吸日通量。但是,高頻自動(dòng)觀測(cè)09:00—11:00的礦質(zhì)土壤呼吸速率平均值與高頻自動(dòng)觀測(cè)日均值無(wú)顯著差異(P>0.05),主要是因?yàn)楦哳l采樣可以減小兩者之間的誤差。

4.3 礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫濕度關(guān)系

本研究CK和RB的礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度均呈指數(shù)相關(guān)(表3,R2=0.90),均在夏季達(dá)到最大值,與其他亞熱帶森林樣地土壤呼吸研究結(jié)果一致[33-34]。然而,RR的礦質(zhì)土壤呼吸與土壤溫度的相關(guān)性較低(表3,R2=0.22),這可能由于RR處理更新初期,植物生長(zhǎng)迅速,土壤微生物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求大于溫度,而我們研究結(jié)果也表明RR的礦質(zhì)土壤呼吸速率與土壤含水量相關(guān)性(表3,R2=0.47)高于溫度。與RR處理不同的是CK和RB的礦質(zhì)土壤呼吸年均與土壤含水量均無(wú)顯著線(xiàn)性相關(guān)(表3,P>0.05),林內(nèi)土壤含水量處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[35],CK處理的土壤含水量日變幅均小于RR和RB(圖2)。

相較于單一因子,土壤溫度與土壤濕度的雙因子模型能更好解釋土壤呼吸的變化[36]。本研究期內(nèi)土壤溫度和含水量共同解釋了CK和RB礦質(zhì)土壤呼吸97%和95%的變化,但RR土壤含水量和土壤溫度卻只解釋了土壤呼吸速率63%的變化,這表明皆伐地除溫度和水分外,可能還受其它因素的影響,如皆伐地仍存在未分解完的采伐剩余物和新近死亡根系,其所排放的CO2并入礦質(zhì)土壤呼吸。Karhu等[37]認(rèn)為,土壤含水量有效性可以影響土壤呼吸的溫度敏感性,土壤溫度敏感性與土壤含水量呈負(fù)相關(guān)性。本研究中皆伐后土壤含水量的增加和火燒后土壤含水量的降低(圖1),因此使礦質(zhì)土壤呼吸的Q10值呈現(xiàn)RB(1.84)>CK(1.72)>RR(1.27)的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

皆伐和火燒的營(yíng)林方式會(huì)顯著降低礦質(zhì)土壤呼吸速率,并以火燒影響最大。采用手動(dòng)觀測(cè)的礦質(zhì)土壤呼吸年平均日通量均低于高頻自動(dòng)觀測(cè)的結(jié)果,而采用高頻觀測(cè)09:00—11:00 時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算日通量與高頻觀測(cè)結(jié)果無(wú)顯著差異。土壤溫度和濕度可以共同解釋次生林和火燒處理的礦質(zhì)土壤呼吸大部分變化(97%和95%),卻僅能解釋皆伐處理的礦質(zhì)土壤呼吸部分變化(63%)。

因而,采用高頻自動(dòng)高頻觀測(cè)方式對(duì)土壤呼吸進(jìn)行觀測(cè),不僅可以準(zhǔn)確評(píng)估土壤呼吸與溫度和水分的相關(guān)性,而且還可以對(duì)日均、月均和年均土壤呼吸通量進(jìn)行精確的評(píng)估,并且能通過(guò)高頻自動(dòng)觀測(cè)技術(shù)有可能可以量化不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化,改進(jìn)其經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

[1] Tarnocai C, Canadell J G, Schuur E A G, Kuhry P, Mazhitova G, Zimov S. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region. Global Biogeochemical Cycles, 2009, 23(2): GB2023.

[2] Liang N S, Inoue G, Fujinuma Y. A multichannel automated chamber system for continuous measurement of forest soil CO2efflux. Tree Physiology, 2003, 23(12): 825- 832.

[3] Savage K E, Davidson E A. A comparison of manual and automated systems for soil CO2flux measurements: trade-offs between spatial and temporal resolution. Journal of Experimental Botany, 2003, 54(384): 891- 899.

[4] Wang H, McConkey B, Curtin D, Cutforth H. Estimation of daily soil CO2flux using a single-time-point measurement. Canadian Journal of Soil Science, 2010, 90(3): 517- 522.

[5] Liu Q, Edwards N T, Post W M, Gu L, Ledford J, Lenhart S. Temperature-independent diel variation in soil respiration observed from a temperate deciduous forest. Global Change Biology, 2006, 12(11): 2136- 2145.

[6] Carbone M S, Vargas R. Automated soil respiration measurements: new information, opportunities and challenges. The New Phytologist, 2008, 177(2): 295- 297.

[7] Decina S M, Hutyra L R, Gately C K, Getson J M, Reinmann A B, Gianotti A G S, Templer P H. Soil respiration contributes substantially to urban carbon fluxes in the greater Boston area. Environmental Pollution, 2016, 212: 433- 439.

[8] Bond-Lamberty B, Thomson A. Temperature-associated increases in the global soil respiration record. Nature, 2010, 464(7288): 579- 582.

[9] Savage K, Davidson E A, Tang J. Diel patterns of autotrophic and heterotrophic respiration among phenological stages. Global Change Biology, 2013, 19(4): 1151- 1159.

[10] Sayer E J, Tanner E V J. 2010. A new approach to trenching experiments for measuring root-rhizosphere respiration in a lowland tropical forest. Soil Biology and Biochemistry, 42(2): 347- 352.

[11] Cusack D F, Torn M S, McDowell W H, SILVER W L. The response of heterotrophic activity and carbon cycling to nitrogen additions and warming in two tropical soils. Global Change Biolog, 2010, 16(9): 2555- 2572.

[12] Craine J M, Gelderman T M. Soil moisture controls on temperature sensitivity of soil organic carbon decomposition for a mesic grassland. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(2): 455- 457.

[13] Wang G B, Zhou Y, Xu X, Ruan H H, Wang J S. Temperature sensitivity of soil organic carbon mineralization along an elevation gradient in the Wuyi Mountains, China. PLoS One, 2013, 8(1): e53914.

[14] 楊玉盛, 董彬, 謝錦升, 陳光水, 高人, 李靈, 王小國(guó), 郭劍芬. 森林土壤呼吸及其對(duì)全球變化的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(3): 583- 591.

[15] Davidson E A, Samanta S, Caramori S S, Savage K. The dual Arrhenius and Michaelis-Menten kinetics model for decomposition of soil organic matter at hourly to seasonal time scales. Global Change Biology, 2012, 18(1): 371- 384.

[16] Page K L, Dalal R C, Raison R J. The impact of harvesting native forests on vegetation and soil C stocks, and soil CO2, N2O and CH4fluxes. Australian Journal of Botany, 2011, 59(7): 654- 669.

[17] Elliott K J, Vose J M. Initial effects of prescribed fire on quality of soil solution and streamwater in the southern Appalachian mountains. Southern Journal of Applied Forestry, 2005, 29(1): 5- 15.

[18] Kulmala L, Aaltonen H, Berninger F, Kieloahoc A J, Levulad J, B?ckb J, Harib P, Kolarib P, Korhonenb J F J, Kulmalac M, Nikinmaab E, Pihlatiec M, Vesalac T, Pumpanen J. Changes in biogeochemistry and carbon fluxes in a boreal forest after the clear-cutting and partial burning of slash. Agricultural and Forest Meteorology, 2014, 188: 33- 44.

[19] Kuzyakov Y. Sources of CO2efflux from soil and review of partitioning methods. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(3): 425- 448.

[20] Sheng H, Yang Y S, Yang Z J, Chen G S, Xie J S, Guo J F, Zou S Q. The dynamic response of soil respiration to land-use changes in subtropical China. Global Change Biology, 2010, 16(3): 1107- 1121.

[21] Zhao J, Qi Y C, Dong Y S. Diurnal and seasonal dynamics of soil respiration in desert shrubland ofArtemisiaOrdosicaon Ordos plateau of inner Mongolia, China. Journal of Forestry Research, 2007, 18(3): 231- 235.

[22] Wang M, Liu X T, Zhang J T, Li X J, Wang G D, Li X Y, Lu X R. Diurnal and seasonal dynamics of soil respiration at temperateLeymuschinensismeadow steppes in western Songnen plain, China. Chinese Geographical Science, 2014, 24(3): 287- 296.

[23] Shi W Y, Zhang J G, Yan M J, Guan J H, Du S. Diurnal and seasonal dynamics of soil respiration in a Platycladus orientalis forest stand on the semiarid Loess Plateau, China. Journal of Earth Environment, 2012, 3(6): 1144- 1148.

[24] Savage K, Phillips R, Davidson E. High temporal frequency measurements of greenhouse gas emissions from soils. Biogeosciences Discussions, 2013, 10(11): 18277- 18308.

[25] Vargas R, Baldocchi D D, Allen M F, Bahn M, Black T A, Collins S L, Yuste J C, Hirano T, Jassal R S, Pumpanen J, Tang J W. Looking deeper into the soil: biophysical controls and seasonal lags of soil CO2production and efflux. Ecological Applications, 2010, 20(6): 1569- 1582.

[26] Phillips C L, Nickerson N, Risk D, Bond B J. Interpreting diel hysteresis between soil respiration and temperature. Global Change Biology, 2011, 17(1): 515- 527.

[27] Vargas R, Allen M F. Diel patterns of soil respiration in a tropical forest after Hurricane Wilma. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2008, 113(G3): G03021.

[28] Barron-Gafford G A, Scott R L, Jenerette G D, Huxman T E. The relative controls of temperature, soil moisture, and plant functional group on soil CO2efflux at diel, seasonal, and annual scales. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2011, 116(G1): G01023.

[29] Savage K, Davidson E A, Richardson A D. A conceptual and practical approach to data quality and analysis procedures for high-frequency soil respiration measurements. Functional Ecology, 2008, 22(6): 1000- 1007.

[30] 蔣延玲, 周廣勝, 趙敏, 王旭, 曹銘昌. 長(zhǎng)白山闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸作用研究. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 29(3): 411- 414.

[31] Shi X H, Zhang X P, Yang X M, McLaughlin N B, Liang A Z, Fan R Q. An appropriate time-window for measuring soil CO2efflux: a case study on a Black soil in north-east China. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B-Soil & Plant Science, 2012, 62(5): 449- 454.

[32] Wang Y D, Wang H M, Wang Z L, Zhang W J, Guo C C, Wen X F, Liu Y F. Optimizing manual sampling schedule for estimating annual soil CO2efflux in a young exotic pine plantation in subtropical China. European Journal of Soil Biology, 2012, 52: 41- 47.

[33] Tang X L, Liu S G, Zhou G Y, Zhang D Q, Zhou C Y. Soil-atmospheric exchange of CO2, CH4, and N2O in three subtropical forest ecosystems in southern China. Global Change Biology, 2006, 12(3): 546- 560.

[34] Wang W, Peng S S, Wang T, Fang J Y. Winter soil CO2efflux and its contribution to annual soil respiration in different ecosystems of a forest-steppe ecotone, north China. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(3): 451- 458.

[35] Heinemeyer A, Di Bene C, Lloyd A R, Tortorella D, Baxter R, Huntley B, Gelsomino A, Ineson P. Soil respiration: implications of the plant-soil continuum and respiration chamber collar-insertion depth on measurement and modelling of soil CO2efflux rates in three ecosystems. European Journal of Soil Science, 2011, 62(1): 82- 94.

[36] Olajuyigbe S, Tobin B, Saunders M, Nieuwenhuis M. Forest thinning and soil respiration in a Sitka spruce forest in Ireland. Agricultural and Forest Meteorology, 2012, 157: 86- 95.

[37] Karhu K, Fritze H, Tuomi M, Vanhala P, Spetz P, Kitunen V, Liski J. Temperature sensitivity of organic matter decomposition in two boreal forest soil profiles. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(1): 72- 82.

High-frequency analysis of the diel patterns of mineral soil respiration under different forest management

ZHENG Yong1,2, LIU Xiaofei1,2,*, ZHENG Wei1,2,ZHOU Jiacong1,2, SU Ruilan3, LIN Weisheng1,2, XIONG Decheng1,2, XUchao1,2, CHEN Yuehmin1,2, YANG Yusheng1,2

1SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology(FoundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince),FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China3SanyuanDistrictForestryBureauofSanming,Sanming365000,China

Mineral soil respiration is an important route for the loss soil carbon (C) in forest ecosystems, and it is a key factor for estimating the forest ecosystem carbon balance. Making sense of mineral soil respiration variation on temporal and spatial scales is a critical component of understanding forest ecosystem C cycle responses to climate change. Thus, high-frequency measurements have become one of the primary tools used to measure mineral soil respiration on both temporal and spatial scales. The objective of this study was to compare a manual system (Li- 8100A) with an automated system for measuring mineral soil respiration in a subtropical forest. We carried out the study in a secondaryCastanopsiscarlesiiforest with different forest management (Control, CK; Residual retention after clear cutting, RR; Residual burning after clear cutting, RB) in Sanming, Fujian. The results obtained were as follows. (1) The mineral soil respiration flux, soil temperature, and soil moisture content under different forest managements all showed obvious seasonal dynamics, and mineral soil respiration rates were in the order of CK (2.18 μmol m-2s-1) > RB (1.93 μmol m-2s-1) > RR (1.89 μmol m-2s-1). (2) The annual flux determined using high-frequency measurement was significantly higher than that determined using the manual system, whereas there was no difference between the soil respiration rate calculated between 09:00 and 11:00 (high-frequency data) for different forest managements. (3) Soil hydrothermal condition is one of the important factors affecting mineral soil respiration under different forest management. A two-factor model show that included soil temperature and moisture explained the annual variation of mineral soil respiration rate as 96.8%, 62.8% and 95.4% in CK, RR, and RB treatments, respectively. The double factors model demonstrated that combined with soil temperature and moisture was explained the annual variation of mineral soil respiration rate 96.8%, 62.8% and 95.4% in CK, RR and RB, respectively. The results obtained using this model were better than those obtained using a single-factor model. Therefore, in order to accurately assess and predict the effects of different forest management on the C flux exchange between the soil and atmosphere under future climate change, high-frequency measurements should be considered.

different forest management; high frequency automatic observation; mineral soil respiration; diurnal patterns; carbon flux

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(31130013);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31500407);福建省教育廳B類(lèi)科技資助項(xiàng)目(JB14025)

2016- 08- 19;

2016- 11- 04

10.5846/stxb201608191698

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

鄭永, 劉小飛, 鄭蔚, 周嘉聰, 蘇瑞蘭, 林偉盛, 熊德成, 胥超, 陳岳民, 楊玉盛.應(yīng)用高頻觀測(cè)探討不同森林經(jīng)營(yíng)方式下礦質(zhì)土壤呼吸的晝夜動(dòng)態(tài)特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):93- 101.

Zheng Y, Liu X F, Zheng W,Zhou J C, Su R L, Lin W S, Xiong D C, Xu C, Chen Y M, Yang Y S.High-frequency analysis of the diel patterns of mineral soil respiration under different forest management.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):93- 101.