申文輝, 鄭威, 何琴飛, 何峰

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桂西南石漠化區(qū)蜆木林土壤呼吸空間變異研究

申文輝, 鄭威*, 何琴飛, 何峰

廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院, 南寧 530002

通過(guò)對(duì)石漠化區(qū)蜆木林土壤呼吸及其影響因子的測(cè)定和分析, 研究蜆木林土壤呼吸的空間變異性。結(jié)果表明: 隨取樣面積增大, 土壤呼吸速率變異系數(shù)從25.64%增至48.48%; 土壤呼吸空間變異幅度為46.84%, 高于其他環(huán)境因子, 土壤溫度和pH變異幅度最小。土壤呼吸僅與土壤溫度間存在顯著相關(guān)關(guān)系, 與其他因子無(wú)顯著相關(guān)性。在95%置信水平、85%估計(jì)精度下, 蜆木林土壤呼吸測(cè)定取樣需大于37個(gè), 而土壤溫度、土壤pH僅需1個(gè)取樣即可, 樣本容量計(jì)算可明顯降低取樣工作量。

土壤呼吸; 空間變異; 石漠化區(qū); 蜆木林

1 前言

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)至大氣系統(tǒng)的第二大碳通量[1], 在維系大氣—陸地碳平衡中有著重要作用, 土壤呼吸的波動(dòng)可能會(huì)引起大氣CO2濃度的響應(yīng), 進(jìn)而影響全球氣候變化進(jìn)程。因此, 對(duì)土壤呼吸的精確測(cè)定成為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容。土壤呼吸受土壤溫度、水分[2]、pH值[3]、土壤基質(zhì)[4]和降雨[5]、植被類(lèi)型、地形因子等眾多因子影響, 在不同空間尺度上均表現(xiàn)極強(qiáng)的空間變異, 為準(zhǔn)確測(cè)算生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸帶來(lái)困難。

蜆木為常綠高大喬木, 是桂西南石漠化區(qū)廣泛分布的特有原生植物和建群樹(shù)種, 其與肥牛樹(shù)、金絲李等構(gòu)成了最具代表性的石灰?guī)r季節(jié)性雨林頂級(jí)演替群落[6]。由于歷史人為破壞, 蜆木林分布面積大量減少, 對(duì)于蜆木林保護(hù)和研究工作成為桂西南石漠化區(qū)生態(tài)修復(fù)的重要任務(wù)。目前, 對(duì)蜆木林生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在其生物學(xué)特性[6–7], 種群結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)和發(fā)育[8–9], 群落多樣性[10]等方向, 而生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)等功能過(guò)程的研究涉及很少, 未能充分闡明這一頂極演替群落的生態(tài)過(guò)程及服務(wù)價(jià)值。

石漠化是我國(guó)當(dāng)前面臨的重要環(huán)境威脅, 面積達(dá)1200萬(wàn)公頃, 是區(qū)域碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容。本文選擇在桂西南石漠化重災(zāi)區(qū)開(kāi)展蜆木林土壤呼吸空間變異的研究, 主要目的在于揭示蜆木土壤呼吸及相關(guān)環(huán)境因子的空間變異性, 探索土壤呼吸空間變異的控制因子, 為蜆木林碳循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西龍州縣境內(nèi)的弄崗國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)弄崗片區(qū), 保護(hù)區(qū)年平均氣溫約22 ℃, 年積溫7400—7800 ℃; 年均降雨量1200—1500 mm, 集中于5—9月(占76%), 平均風(fēng)速0.8—1.4 m·s–1。蜆木林林地土壤類(lèi)型有原始石灰土、黑色石灰土、棕色石灰土、水化棕色石灰土及淋溶紅色石灰土。

試驗(yàn)用蜆木林地理位置為東經(jīng)106°56￠372, 北緯22°27￠532, 為1979年劃定為自然保護(hù)區(qū)后自然演替至今的林分。在林地內(nèi)設(shè)置6個(gè)20 m×20 m樣方, 記錄其坡度、坡向、坡位等地理因子, 對(duì)其中林木(胸徑>5 cm)進(jìn)行每木檢尺。樣地基本概況如下:

2.2 研究方法

2.2.1 土壤呼吸測(cè)量

土壤呼吸速率()測(cè)定時(shí)間為2014年11月24—25日, 所用儀器為L(zhǎng)I-8100便攜式碳通量測(cè)定系統(tǒng)。在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置10個(gè)土壤呼吸測(cè)定點(diǎn), 測(cè)定點(diǎn)位于蜆木樹(shù)干2 m半徑范圍內(nèi)。測(cè)定前1個(gè)月安放PVC基座(Φ21 cm×H8 cm)并插入土壤4 cm左右, 測(cè)定前1天將基座內(nèi)的綠色植物齊地剪掉。每個(gè)測(cè)定點(diǎn)測(cè)定3個(gè)循環(huán), 取平均值, 整個(gè)樣地內(nèi)共計(jì)獲得60個(gè)土壤呼吸觀測(cè)值。

2.2.2 環(huán)境因子測(cè)定

采用Li-8100-201 Omega、Li-8100-202同步測(cè)定各測(cè)定點(diǎn)5 cm處的土壤溫度()、濕度()。土壤取樣在當(dāng)天進(jìn)行, 在距土壤呼吸環(huán)外壁15 cm范圍內(nèi)品字形取樣并混合, 取樣深度依土層厚度而定(<20 cm), 測(cè)定pH值、有機(jī)碳(C)、速效氮(N)、速效磷(P)和交換性鈣(Ca), 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定, 有機(jī)質(zhì)至有機(jī)碳換算系數(shù)按1.9; 速效氮測(cè)定采用氫氧化鈉堿解擴(kuò)散法; 速效磷采用碳酸氫鈉法; pH值采用電位法測(cè)定; 土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

2.2.3 數(shù)值計(jì)算與分析

本研究中土壤呼吸變異性包含樣點(diǎn)、樣方和樣地3個(gè)尺度, 樣點(diǎn)尺度基于單個(gè)測(cè)定點(diǎn), 樣方尺度基于單個(gè)樣方內(nèi)測(cè)定點(diǎn); 樣地尺度指基于樣地內(nèi)所有測(cè)定點(diǎn)。采用單因素方差分析和LSD多重比較檢驗(yàn)不同樣方、坡位、坡度等條件下, 林木平均胸徑、平均樹(shù)高、土壤呼吸、土壤溫度、土壤濕度等因子的差異性。土壤呼吸影響因子與土壤呼吸間相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析法。采用主成分分析法提取環(huán)境因子, 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用SPSS13.0軟件, 用Sigmaplot 10.0軟件作圖。采用以下公式確定取樣樣品量:

=22/2

式中:代表合理的樣本容量, Z代表置信水平下的系數(shù),為樣品標(biāo)準(zhǔn)差,代表試驗(yàn)允許的誤差。

表1 樣地基本概況

3 結(jié)果與分析

3.1 不同取樣面積的土壤呼吸變異

從圖1可以看出, 隨著樣方面積的增大, 土壤呼吸速率的變異系數(shù)也隨之增大, 其中從3個(gè)樣方面積增至4個(gè)樣方面積時(shí), 土壤呼吸變異快速增加, 原因可能在于樣方4的土壤呼吸速率顯著小于其他樣方所引起。

在樣地尺度上, 土壤呼吸變異幅度最高, 達(dá)48.48%, 其次為Ca、P、,、pH變異最小。在樣方尺度上, 各樣方內(nèi)土壤呼吸變異范圍為16.72%—50.57%, 差別較大;、pH因子在樣方內(nèi)變異很小。多數(shù)情況下, 樣地尺度上土壤呼吸及各因子變異系數(shù)高于樣方尺度。

表2 土壤呼吸及其影響因子的均值及變異系數(shù)

注: 表中字母的異同代表該因子在不同樣方間是否存在顯著性差異。

3.2 土壤呼吸在地形因子上的變異

圖2所示為土壤呼吸速率在不同地形因子上的變異。土壤呼吸變異在下、中坡位差異不大, 但在坡向、坡度上變異幅度不一致, 其中在坡向207°、坡度45°上變異較大, 其所對(duì)應(yīng)樣方為4、5、6號(hào)。

3.3 土壤呼吸與其影響因子的相關(guān)關(guān)系

在樣地尺度上, 土壤呼吸與5cm土壤溫度間存在極顯著相關(guān)性(表3), 但與其他因子間均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系, 因子間也無(wú)顯著相關(guān)性。樣方尺度上, 樣方2和樣方3內(nèi)的土壤呼吸和5 cm處土壤溫度存在顯著性相關(guān), 與其他因子均無(wú)顯著相關(guān)性。

3.4 蜆木林環(huán)境因子的降維處理

對(duì)蜆木林環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析(表4), 取特征值大于1的為主成分, 前3個(gè)主成分累計(jì)占到總方差的72.28%, 表明前3個(gè)主成分反映了72.28%的環(huán)境因子信息。第1主成分主要反映了C、N、Ca、pH等土壤基質(zhì)信息, 第2主成分反映的則是土壤濕度、速效磷, 第3主成分反了了土壤溫度、濕度。

表3 土壤呼吸及其影響因子相關(guān)關(guān)系表

表4 主成分分析表

3.5 合理樣本量的確定

由于各指標(biāo)的空間變異程度不同, 在同一置信水平和測(cè)定精度下, 各指標(biāo)的最小采用樣本量大小不同(表5), 土壤呼吸變異系數(shù)最大, 其最小取樣樣本量也最大。土壤呼吸速率在95%置信水平、85%估計(jì)精度下需取樣37個(gè), P、Ca需取樣12、15個(gè), 土壤溫度和pH值少量取樣即可。

表5 不同置信水平和估算精度下的采樣數(shù)量

4 討論

在各種空間尺度上土壤呼吸均存在變異[11], 常用變異系數(shù)進(jìn)行描述。不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的空間變異也不相同, 變異系數(shù)多在20%—60%間[12], 本研究中土壤呼吸變異系數(shù)為48.48%, 但高于所測(cè)得環(huán)境因子的變異。

土壤溫濕度、基質(zhì)供應(yīng)是土壤呼吸的重要控制因素[13], 但在本研究中, 土壤呼吸僅與土壤溫度存在顯著相關(guān)性, 與其他因子均無(wú)顯著相關(guān)性。在大尺度上土壤呼吸與土壤溫度的關(guān)系比較明顯, 而在樣地尺度上, 雖然可建立與土壤呼吸間的回歸方程, 但因土壤溫度的空間變異通常很小而難以應(yīng)用。土壤濕度對(duì)土壤呼吸控制作用主要表現(xiàn)在極高或極低的脅迫情景下[14], 研究地林分郁閉度很高, 林下土壤濕度為(0.15±0.03) m–3·m–3, 處于適宜水平, 因而也不是土壤呼吸的控制因子。

地形因子的變化會(huì)引起光照、植被等因子隨之變化, 4、5、6號(hào)樣方所在的坡向、坡度下土壤呼吸速率變異較高, 原因可能在于其坡位正面朝陽(yáng), 太陽(yáng)直射時(shí)間長(zhǎng), 生物多樣性高, 同時(shí)坡度較大使得土壤更難存留, 異質(zhì)性更高所引起。

土壤呼吸主要由土壤微生物和根系的代謝過(guò)程所產(chǎn)生, N、P、Ca等基質(zhì)供給的差異可能會(huì)引起土壤呼吸的差異。有研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸與土壤有機(jī)碳[15]、全氮[12]含量顯著相關(guān), 但在本研究中土壤呼吸與土壤養(yǎng)分含量間無(wú)顯著相關(guān)性, 說(shuō)明樣地尺度上土壤呼吸的變異原因的復(fù)雜性。在針葉林和楊樹(shù)人工林相關(guān)研究表明細(xì)根與土壤呼吸相似的空間異質(zhì)性[16–17], 因此, 細(xì)根生物量的差異可能是引起土壤呼吸空間異質(zhì)性的原因所在。

試驗(yàn)中更多取樣量意味著更高的測(cè)定精度, 但需要更多的人力、物力及時(shí)間, 因此確定合理的取樣量有著重要意義, 需要在工作量和精確性上做出取舍。在研究中在95%置信水平和95%的精度要求下, 土壤呼吸的取樣量高達(dá)337個(gè), 現(xiàn)實(shí)中受時(shí)間所限無(wú)法達(dá)到, 因此需要降低精確性要求。而土壤溫度和pH則需要樣本量極小, 無(wú)需過(guò)多取樣, 因此在研究中可采取合理的采樣策略以達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。

[1] RAICH J W, SCHLESINGER W H. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J]. Tellus B, 1992, 44(2): 81–99.

[2] ZHANG L H, CHEN Y N, ZHAO R F, et al. Significance of temperature and soil water content on soil respiration in three desert ecosystems in Northwest China[J]. Journal of Arid Environments, 2010, 74(10): 1200–1211.

[3] WANG A S, ANGLE J S, CHANEY R L, et al. Changes in soil biological activities under reduced soil pH during Thlaspi caerulescens phytoextraction[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(6): 1451–1461.

[4] SMITH V R. Moisture, carbon and inorganic nutrient controls of soil respiration at a sub-Antarctic island[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(1): 81–91.

[5] SHI W, TATENO R, ZHANG J, et al. Response of soil respiration to precipitation during the dry season in two typical forest stands in the forest-grassland transition zone of the Loess Plateau[J]. Agricultural and Forest Meteoro-logy, 2011, 151(7): 854–863.

[6] 王獻(xiàn)溥, 孫世洲, 李信賢. 廣西石灰?guī)r季節(jié)性雨林分類(lèi)的研究[J]. 植物研究, 1998, 18(4): 52–84.

[7] 唐亞, 謝嘉穗, 高輝. 錦葵目蜆木屬和柄翅果屬的木材解剖學(xué)研究及其系統(tǒng)學(xué)意義[J]. 云南植物研究, 2005, 27(3): 235–246.

[8] 歐芷陽(yáng), 蘇志堯, 彭玉華, 等. 桂西南喀斯特山地蜆木幼齡植株的天然更新[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(9): 2440–2446.

[9] 向悟生, 王斌, 丁濤, 等. 喀斯特季節(jié)性雨林蜆木種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量動(dòng)態(tài)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(4): 825–831.

[10] 歐芷陽(yáng), 朱積余, 曹艷云, 等. 蜆木生存群落木本植物與土壤和地形因子的耦合關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(12): 3182–3189.

[11] MARTIN J G, BOLSTAD P V. Variation of soil respiration at three spatial scales: Components within measurements, intra-site variation and patterns on the landscape[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(3): 530–543.

[12] 嚴(yán)俊霞, 李洪建, 李君劍, 等. 山西高原落葉松人工林土壤呼吸的空間異質(zhì)性[J]. 環(huán)境科學(xué), 2015, 36(5): 1793–1801.

[13] KNAPP A K, CONARD S L, BLAIR J M. Determinants of soil CO2flux from a sub-humid grassland: effect of fire and fire history[J]. Ecological Applications, 1998, 8(3): 760– 770.

[14] BRITO P, TRUJILLO J L, MORALES D, et al. Response of soil CO2efflux to simulated precipitation pulses in a canary island pine forest at treeline[J]. Arid Land Research and Management, 2013, 27(2): 178–187.

[15] 秦璐, 呂光輝, 張雪妮, 等. 干旱區(qū)艾比湖濕地土壤呼吸的空間異質(zhì)性[J]. 干旱區(qū)地理, 2014, 37(4): 704–712.

[16] 賈丙瑞, 周廣勝, 蔣延玲, 等. 寒溫針葉林土壤呼吸作用的時(shí)空特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(23): 7516–7524.

[17] 閆美芳, 張新時(shí), 周廣勝. 不同樹(shù)齡楊樹(shù)()人工林的土壤呼吸空間異質(zhì)性[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(6): 1378–1384.

Spatial variation of soil respiration inforest in karst area in southwestern Guangxi, China

SHEN Wenhui, ZHENG Wei*, HE Qinfei, HE feng

Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530002, China

Soil respiration has obvious spatial variation in different scale. The soil respiration and its control factors were measured to detect the soil spatial variation in anforest in karst area. The results show that soil respiration rate has the largest variable coefficients than the other environment factors; pH and temperature of soil have the smallest variable coefficients. Soil respiration has the significant relationship with soil temperature, and no significant relationship with the other factors. To satisfying a 95% confidence level and 85% sampling precision, there are 37 samples needed to be measured for soil respiration at least, and only 1 samples for soil temperature and pH respectively. The calculation of sample capacity can reduce the sampling work in future.

soil respiration; spatial variation; karst area;forest

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.012

S718.55

A

1008-8873(2017)02-082-05

2015-09-28;

2015-10-20

廣西林業(yè)科技重大項(xiàng)目(桂林科字［2014］第2號(hào)); 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(14-A-04-02); 廣西科技廳基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(林科201413號(hào))

申文輝(1972—), 男, 湖南常德人, 教授級(jí)高工, 主要從事森林培育研究, E-mail:shenwenhui2003@163.com

鄭威, 男, 博士, 高級(jí)工程師, 主要從事森林生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zhengwei8686@163.com

申文輝, 鄭威, 何琴飛, 等. 桂西南石漠化區(qū)蜆木林土壤呼吸空間變異研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(2): 82-86.

SHEN Wenhui, ZHENG Wei, HE Qinfei, et al. Spatial variation of soil respiration inforest in karst area in southwestern Guangxi, China[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 82-86.