朱益平，石 靜，王沖沖，章曉宇，吳涵波

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京210023）

土壤被稱為陸地上的碳儲存庫，其碳儲量大大高于陸地植被和大氣。土壤碳釋放會引起生態(tài)系統(tǒng)中碳含量的巨大變化，土壤碳釋放主要通過土壤呼吸（Soil Respiration，Rs）作用實現(xiàn)。土壤呼吸的主要來源有植物根系和微生物的自養(yǎng)呼吸、土壤微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)和植物凋落物的異養(yǎng)呼吸、土壤的動物呼吸、土壤碳酸鹽等無機(jī)鹽的水解等[1]。森林土壤呼吸的變化會對全球碳平衡產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]。

森林土壤呼吸作用包含多重物理、化學(xué)和生物過程，影響因素較為復(fù)雜[3]，其中森林火災(zāi)通過影響森林生態(tài)系統(tǒng)中的生物和非生物因素進(jìn)而影響森林土壤呼吸。研究表明，火燒強(qiáng)度和火燒時間會影響土壤呼吸速率[4]。在Wüthrich的研究中，低強(qiáng)度火燒沒有對可燃物土壤呼吸或微生物量產(chǎn)生顯著影響，但是高強(qiáng)度火燒對兩倍載量的可燃物火燒20 h后，土壤呼吸顯著增強(qiáng)[5]。李攀在2013年對大興安嶺火燒跡地土壤呼吸的研究中也證明了土壤呼吸的整體表現(xiàn)為重度火燒＞輕度火燒＞對照樣地[6]。與此同時，也有研究認(rèn)為火燒對土壤呼吸起抑制作用[7-8]。所以，火燒對土壤呼吸速率的影響還需要結(jié)合生物群落、土壤微生物等生物因素和土壤溫濕度、土壤結(jié)構(gòu)、土壤PH值等非生物因素綜合考慮。

近年來，我國關(guān)于森林火災(zāi)對土壤碳排放的影響研究受到越來越多學(xué)者的關(guān)注，但是主要集中在東北大小興安嶺地區(qū)以及內(nèi)蒙古地區(qū)，對東南一帶研究鮮有報道。對此，本文以蘇南地區(qū)火燒跡地為代表，對不同強(qiáng)度火干擾后植被的土壤呼吸速率進(jìn)行測量，為定量評價蘇南森林生態(tài)系統(tǒng)碳減排增匯效益提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于蘇州市吳中區(qū)光福鎮(zhèn)香雪村潭山山頂近西側(cè)（31°15＇N，120°21＇E）。年降雨量1 641.9 mm，處于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，土壤類型以沙質(zhì)土為主。主要樹種為麻櫟（Quercus acutissima Carruth.）、馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）以及一些雜灌木等。研究區(qū)于2016年3月26日發(fā)生森林火災(zāi)，森林火災(zāi)持續(xù)時間為3小時左右，過火面積0.46 hm2；火災(zāi)原因為游客吸煙，主燃物為地表腐殖質(zhì)與雜灌木，林木直接損失較小。

1.2 樣地設(shè)置

根據(jù)蘇州市吳中區(qū)森林防火指揮中心的撲火記錄，找到火燒跡地位置，在火燒跡地內(nèi)根據(jù)火燒強(qiáng)度劃分輕度、中度火燒區(qū)，并以臨近立地條件和林分條件與火燒跡地相似的未燒樣地作為對照樣地，利用機(jī)械布點(diǎn)方法分別設(shè)置10 m×10 m的實驗樣地3個，共9個實驗樣地（表1）。火燒強(qiáng)度劃分依據(jù)樣地內(nèi)植被死亡率，輕度為0～30%，中度為30%～60%[9]。

表1 實驗樣地基本情況

1.3 土壤呼吸測定方法

在本研究中，土壤呼吸速率采用Li-Cor公司的LI-8100A土壤呼吸測定系統(tǒng)進(jìn)行測定。從2018年4月開始，在每個樣地內(nèi)按照矩陣排列布置4個PVC土壤環(huán)（圖1）。將直徑12 cm，高8 cm的PVC土壤環(huán)壓入土中，測量每個土壤環(huán)露出地面的高度，并將此高度設(shè)為儀器中的Chamber Offset值，確保PVC土壤環(huán)在整個測定期間位置保持不變。第一次測定應(yīng)安排在PVC土壤環(huán)全部布置完畢24小時后。本研究測定時間段為2018年4月至2018年12月，每2個月測定1次，共5次。測定土壤呼吸的同時，用LI-8150自帶的土壤溫度探頭（p/n 8100-201）和GS1型土壤水分探頭（p/n 8100-202）測定5 cm處的土壤溫度和電壓值，并利用Li-8100A自帶的換算公式將電壓值轉(zhuǎn)化為土壤含水率。

圖1 PVC土壤環(huán)布點(diǎn)示意

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016對土壤呼吸速率、土壤溫度和土壤含水率進(jìn)行初步統(tǒng)計和處理。使用IBM SPSS Statistics 24統(tǒng)計軟件對各樣地的土壤呼吸速率、土壤溫度和土壤含水率進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)計算與分析。使用Origin 2017繪制動態(tài)規(guī)律曲線和散點(diǎn)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 火燒后土壤呼吸速率、土壤溫度以及土壤含水率的變化情況

在火燒跡地和對照樣地中，土壤呼吸速率（RS）的變化都呈現(xiàn)出較為顯著的變化，變化趨勢相似，并在特定月份達(dá)到峰值（圖2）。RS在4-8月期間呈現(xiàn)出增長趨勢，在8-12月期間呈現(xiàn)出下降趨勢。在對照樣地中，RS的最大值出現(xiàn)在8月（5.11±0.59）μmol CO2m-2s-1，最小值出現(xiàn)在12月（1.47±0.11）μmol CO2m-2s-1；在低強(qiáng)度火燒跡地中，RS的最大值出現(xiàn)在8月（5.7±0.26）μmol CO2m-2s-1，最小值出現(xiàn)在12月（2.06±0.12）μmol CO2m-2s-1；在中強(qiáng)度火燒跡地中，RS的最大值出現(xiàn)在8月（6.4±0.36）μmol CO2m-2s-1，最小值出現(xiàn)在12月（2.34±0.22）μmol CO2m-2s-1。對照樣地、輕度火燒跡地、中度火燒跡地RS的平均值分別為（3.02±0.26）μmol CO2m-2s-1，（3.43±0.15）μmol CO2m-2s-1，（3.84±0.28）μmol CO2m-2s-1。與對照樣地相比，無論是低強(qiáng)度火燒還是中強(qiáng)度火燒，RS平均值均有所升高。

圖2 土壤呼吸速率變化

在實驗期間的各實驗樣地中，土壤溫度的最大值均為8月，最小值均為12月（圖3）。在對照樣地中，土壤溫度最大值為（20.5±0.1）℃，最小值為（8.8±0.1）℃，年平均值為（14.0±0.1）℃；在低強(qiáng)度火燒跡地中，土壤溫度最大值為（22.3±0.1）℃，最小值為（9.2±0.1）℃，年平均值為（15.1±0.1）℃；在中強(qiáng)度火燒跡地中，土壤溫度最大值為（24.8±0.2）℃，最小值為（10.1±0.1）℃，年平均值為（16.4±0.1）℃。

與對照樣地相比，低強(qiáng)度火燒跡地的年平均土壤溫度要高0.9℃，中強(qiáng)度火燒跡地的年平均土壤溫度要高2.4℃。

實驗中土壤含水率受測量前降水以及地勢的影響比較大，具有偶然性和較大不確定性，故土壤含水率隨月份變化趨勢不明顯（圖4）。

圖3 土壤溫度變化

圖4 土壤含水率變化

2.2 土壤呼吸速率與溫濕度因子之間的關(guān)系

通過繪制土壤呼吸速率與土壤溫度的散點(diǎn)圖以及與土壤含水率的散點(diǎn)圖，可以看出土壤溫度與土壤呼吸速率呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤濕度與土壤呼吸速率在15%～35%含水率范圍內(nèi)也呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系（圖5）。

3 討論

3.1 火燒對土壤呼吸速率的影響

圖5 土壤呼吸速率與溫濕因子散點(diǎn)圖

在此研究中，火燒跡地土壤呼吸速率在2018年4-8月升高，在2018年8-12月降低，與對照樣地相比，無論是低強(qiáng)度火燒還是中強(qiáng)度火燒，RS平均值均有所升高，且中強(qiáng)度火燒＞低強(qiáng)度火燒＞對照樣地。此結(jié)果與文獻(xiàn)中結(jié)論相接近[10-11]。

火燒后，地表較厚的腐殖質(zhì)層被燒除，地下根系遭到破壞，導(dǎo)致火燒跡地根系自養(yǎng)呼吸降低，所以火燒跡地的土壤呼吸速率低于對照樣地[12]。但是，伴隨著火燒后大量灰分物質(zhì)分解，微生物活動和植物生長得到了良好的養(yǎng)分物質(zhì)基礎(chǔ)[13]，至次年生長季節(jié)，火燒跡地接受陽光照射后，萌發(fā)大量一年生草本植物，地下根系的生長和活躍的微生物活動提高了火燒跡地的土壤呼吸速率，并且中度火強(qiáng)度的提高比低度火強(qiáng)度顯著。為進(jìn)一步探究火干擾對土壤呼吸速率的影響機(jī)理，還需要更深入的研究火干擾后土壤呼吸組分的變化情況，以及量化土壤呼吸組分。

3.2 火燒后土壤呼吸速率與土壤溫度和土壤含水率的關(guān)系

本項研究中，土壤呼吸速率與土壤溫度存在較為相似的同步變化規(guī)律。在溫度最高的8月，土壤呼吸速率達(dá)到峰值，在溫度較低月份，土壤呼吸速率也相對較低。通過土壤呼吸速率與土壤溫度關(guān)系的散點(diǎn)圖，也可以看出土壤呼吸速率與土壤溫度呈現(xiàn)正相關(guān)的變化趨勢。與對照樣地相比，火燒跡地的土壤溫度相對較高，其中中度火強(qiáng)度土壤溫度的升高比低度火強(qiáng)度升高的顯著，一方面是因為火燒破壞了森林林冠層，燒除了地表腐殖質(zhì)層，使火燒跡地可以獲得更多的太陽輻射，地表溫度升高所導(dǎo)致的[14]；另一方面，因為火燒使火燒跡地的地表呈現(xiàn)黑色，黑色也可以吸收更多的太陽輻射，導(dǎo)致溫度升高。

蘇州實驗地區(qū)處于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量1641.9 mm，雨水充沛。在本項研究中，土壤含水率在15%～35%范圍內(nèi)，土壤含水率與土壤呼吸速率呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢，但是相關(guān)性沒有土壤溫度對土壤呼吸速率的影響顯著。土壤含水率對土壤呼吸速率的影響具有閾值效應(yīng)，在適中的土壤水分條件下土壤呼吸達(dá)到閾值，而土壤水分過多或過少都將會削弱土壤呼吸作用，此結(jié)果與文獻(xiàn)中的相關(guān)結(jié)論相符[6]。

4 結(jié)論

測定了蘇州市吳中區(qū)光福鎮(zhèn)潭山火燒一年后土壤呼吸速率的變化，以及土壤溫濕因子的變化。研究表明，火干擾導(dǎo)致該地區(qū)一年后土壤呼吸速率顯著升高。在所測的環(huán)境因子中，土壤溫度對土壤呼吸速率的影響呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢，土壤含水率對土壤呼吸速率的影響在一定土壤含水率范圍內(nèi)也呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢，且火燒后土壤溫度對土壤呼吸速率的影響更為顯著。

土壤呼吸是一個極其復(fù)雜的過程，涉及生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、物理學(xué)等多個學(xué)科，受到多種因素的綜合作用，僅僅一兩個因子不能完全反映對土壤呼吸的作用，而且土壤呼吸對火干擾的響應(yīng)也較為復(fù)雜。本研究只是對火干擾后土壤呼吸的短期變化，至于在更長時間尺度上的變化還有待更加深入的研究。