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(chǔ)存庫(kù)，其碳儲(chǔ)量大大高于陸地植被和大氣。土壤碳釋放會(huì)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(shí)現(xiàn)。土壤呼吸的主要來(lái)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(dòng)物呼吸、土壤碳酸鹽等無(wú)機(jī)鹽的水解等[1]。森林土壤呼吸的變化會(huì)對(duì)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(shí)間會(huì)影響土壤呼吸速率[4]。在Wüthrich的研究中，低強(qiáng)度火燒沒有對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照樣地[6]。與此同時(shí)，也有研究認(rèn)為火燒對(duì)土壤呼吸起抑制作用[7-8]。所以，火燒對(duì)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(lái)，我國(guó)關(guān)于森林火災(zāi)對(duì)土壤碳排放的影響研究受到越來(lái)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(duì)東南一帶研究鮮有報(bào)道。對(duì)此，本文以蘇南地區(qū)火燒跡地為代表，對(duì)不同強(qiáng)度火干擾后植被的土壤呼吸速率進(jìn)行測(cè)量，為定量評(píng)價(jià)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(rùn)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(shí)間為3小時(shí)左右，過火面積0.46 hm2；火災(zāi)原因?yàn)橛慰臀鼰?，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(duì)照樣地，利用機(jī)械布點(diǎn)方法分別設(shè)置10 m×10 m的實(shí)驗(yàn)樣地3個(gè)，共9個(gè)實(shí)驗(yàn)樣地（表1）?；馃龔?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(shí)驗(yàn)樣地基本情況

1.3 土壤呼吸測(cè)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(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。從2018年4月開始，在每個(gè)樣地內(nèi)按照矩陣排列布置4個(gè)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(cè)量每個(gè)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(gè)測(cè)定期間位置保持不變。第一次測(cè)定應(yīng)安排在PVC土壤環(huán)全部布置完畢24小時(shí)后。本研究測(cè)定時(shí)間段為2018年4月至2018年12月，每2個(gè)月測(cè)定1次，共5次。測(cè)定土壤呼吸的同時(shí)，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(cè)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(duì)土壤呼吸速率、土壤溫度和土壤含水率進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)和處理。使用IBM SPSS Statistics 24統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)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(jì)算與分析。使用Origin 2017繪制動(dòng)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(duì)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(shì)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(zhǎng)趨勢(shì)，在8-12月期間呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在對(duì)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(duì)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(duì)照樣地相比，無(wú)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(shí)驗(yàn)期間的各實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)中土壤含水率受測(cè)量前降水以及地勢(shì)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(shì)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(duì)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(duì)照樣地相比，無(wú)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(duì)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(duì)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(dòng)和植物生長(zhǎng)得到了良好的養(yǎng)分物質(zhì)基礎(chǔ)[13]，至次年生長(zhǎng)季節(jié)，火燒跡地接受陽(yáng)光照射后，萌發(fā)大量一年生草本植物，地下根系的生長(zhǎng)和活躍的微生物活動(dòng)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(duì)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(xiàng)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(duì)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(shì)。與對(duì)照樣地相比，火燒跡地的土壤溫度相對(duì)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?yàn)榛馃茐牧松至止趯?，燒除了地表腐殖質(zhì)層，使火燒跡地可以獲得更多的太陽(yáng)輻射，地表溫度升高所導(dǎo)致的[14]；另一方面，因?yàn)榛馃够馃E地的地表呈現(xiàn)黑色，黑色也可以吸收更多的太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致溫度升高。

蘇州實(shí)驗(yàn)地區(qū)處于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量1641.9 mm，雨水充沛。在本項(xiàng)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(shì)，但是相關(guān)性沒有土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率的影響顯著。土壤含水率對(duì)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(huì)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(cè)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(cè)的環(huán)境因子中，土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率的影響呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)，土壤含水率對(duì)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(shì)，且火燒后土壤溫度對(duì)土壤呼吸速率的影響更為顯著。

土壤呼吸是一個(gè)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(gè)學(xué)科，受到多種因素的綜合作用，僅僅一兩個(gè)因子不能完全反映對(duì)土壤呼吸的作用，而且土壤呼吸對(duì)火干擾的響應(yīng)也較為復(fù)雜。本研究只是對(duì)火干擾后土壤呼吸的短期變化，至于在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的變化還有待更加深入的研究。