李 勇 劉繼明 秦世立

(大興安嶺地區(qū)營林局，加格達(dá)奇，165000)

董希斌 紀(jì) 浩 宋啟亮

(東北林業(yè)大學(xué))

土壤呼吸作為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)組成部分，它與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的許多組分都有聯(lián)系，土壤呼吸在調(diào)控地球系統(tǒng)的大氣CO2濃度和氣候動態(tài)方面起著十分關(guān)鍵的作用。在森林生態(tài)系統(tǒng)中2/3的碳儲存在土壤和與之相關(guān)的泥炭層中［1］，所以開展森林土壤呼吸的研究具有重大意義。大興安嶺地區(qū)是中國緯度最高的重點(diǎn)林區(qū)，目前對此地區(qū)土壤呼吸的研究還未開展。Malhi［2］和 Pregitzer［3］等人的研究也表明，高緯度森林的土壤呼吸速率較低。本文即是以大興安嶺地區(qū)3種林分為研究對象，測定其夏季的土壤呼吸值，分析3種林分土壤呼吸日變化趨勢，探討影響土壤呼吸的因素，旨在為大興安嶺地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的研究提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于大興安嶺林區(qū)加格達(dá)奇林業(yè)局翠峰林場174林班和躍進(jìn)林場193林班。其中:翠峰林場為白樺萌生林和以胡枝子—黑樺、柞樹為主的天然雜木次生林;躍進(jìn)林場為1992年低質(zhì)林改造生長的落葉松人工林。3種林分的立地條件和林分特征見表1。翠峰林場，土壤以暗棕壤和棕色針葉林土為主;躍進(jìn)林場，土壤以暗棕壤和棕色針葉林土為主。2林場土壤厚度15～30 cm，坡度多在15°以下;年平均氣溫－1.3℃，最高氣溫37.3℃，最低氣溫－45.4℃;年平均降水量500 mm。

2 實(shí)驗(yàn)方法

樣地設(shè)置:于2010年6月中旬在翠峰林場和躍進(jìn)林場內(nèi)，分別在白樺萌生林、雜木林和落葉松人工林內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣地;在每個(gè)樣地內(nèi)按“之”型布設(shè)5個(gè)20 cm的PVC管，使其露出地面4～5 cm，保留其內(nèi)的枯枝落葉。樣地設(shè)置完畢后，進(jìn)行林分、地形以及土壤因子調(diào)查。

土壤呼吸測定:利用5通道的LI－8150土壤碳通量自動測量系統(tǒng)，在PVC安放24 h后進(jìn)行土壤呼吸測量，連續(xù)24 h觀測每個(gè)樣地的土壤呼吸日動態(tài)。土壤溫度和濕度的觀測，采用與lI－8150相配套的溫度、濕度傳感器，測定距地表10 cm的土壤溫度和濕度。

土壤有機(jī)質(zhì)和pH測定:在樣地內(nèi)每個(gè)PVC管附近進(jìn)行土壤取樣，每個(gè)樣點(diǎn)取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤pH值測定——水浸，水土體積比為50∶1，用酸度計(jì)按照LY/T1239—1999規(guī)定測定。土壤有機(jī)質(zhì)用油浴重鉻酸鉀氧化法按照LY/T1237—1999規(guī)定測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤呼吸的日變化

3種林分的土壤呼吸日變化明顯不同(見圖1)。雖然3種林分的土壤呼吸日變化呈單峰趨勢，但是雜木林呈現(xiàn)一定的波動。白樺林土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在12:00，最小值出現(xiàn)在6:00—8:00;落葉松人工林土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在12:00，最小值出現(xiàn)在23:00;雜木林土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在12:00，最小值出現(xiàn)在21:00—23:00。3種林分的土壤呼吸速率平均值分別為:2.13、3.47、3.43 μmol·m－2·s－1，雜木林的土壤呼吸速率最大、落葉松次之、白樺林最小。方差分析表明，3種林分的土壤呼吸速率存在顯著性差異(見表2)。

3.2 土壤呼吸對土壤溫度的敏感性

溫度是影響土壤呼吸的重要因素。土壤溫度與土壤呼吸的關(guān)系已有許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停寥篮粑鼘囟鹊捻憫?yīng)需要擬合方程估算溫度敏性，一般采用指數(shù)方程及其敏感指數(shù)(Q10)來估測土壤溫度與土壤呼吸的關(guān)系［4－5］:y=aebt。式中:y為實(shí)驗(yàn)測量的土壤呼吸速率;t為距地表下10 cm處的土壤溫度;a為0℃時(shí)的土壤呼吸速率;b為溫度反應(yīng)系數(shù)。Q10的表達(dá)式為:Q10=e10b。

表1 3種林分立地條件和林分特征

圖1 3種林分土壤呼吸日變化

表2 3種林分土壤呼吸速率方差分析

表3 3種林分土壤呼吸和土壤溫度的關(guān)系

由表3可見，得到的3種林分的Q10值以雜木林的最大，其次為落葉松人工林，白樺林最小。說明天然次生林的土壤呼吸對溫度敏感性要好于落葉松人工林。Shushi Peng等［6］估計(jì)中國針闊葉混交林的 Q10為 2.78±0.96;Keith 等［7］認(rèn)為，溫度高于 10 ℃時(shí) Q10為1.4，低于10 ℃時(shí)為3.1;劉紹輝等［8］根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算了全球尺度下溫度對森林土壤呼吸的影響，得到的Q10值為1.57。3種林分的Q10高于全球平均水平。彭家中等［9］研究在全球變暖影響下，低溫地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率高于高溫地區(qū)。大興安嶺地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，有機(jī)碳向大氣中的釋放量增多。

3.3 影響土壤呼吸的主要因素

土壤溫度、土壤濕度、土壤有機(jī)質(zhì)、pH和氣候因子是影響土壤呼吸的主要因素［10－11］，其中氣候因素在短期內(nèi)的變化不明顯，所以土壤溫度、土壤濕度、土壤有機(jī)質(zhì)和pH是影響土壤呼吸的重要因素［12］。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，分析土壤呼吸與其影響因素的相關(guān)性，并建立土壤呼吸的多因素回歸方程(見表4和表5)。

由表4可見，3種林分的土壤呼吸與土壤溫度、土壤濕度、有機(jī)質(zhì)和pH具有良好的相關(guān)性。其中雜木林的相關(guān)性最好。由建立的土壤呼吸的多因素標(biāo)準(zhǔn)化回歸方程(見表5)看出，白樺林、雜木林和落葉松人工林中，4種因素的變化可分別解釋土壤呼吸變化的47.1%、64.5%和52.6%，雜木林的相關(guān)系數(shù)最大。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方程的系數(shù)可知，對于白樺林，土壤溫度的系數(shù)最大，說明在白樺林中土壤溫度是導(dǎo)致土壤呼吸變化的主要因素，依次得出，雜木林為土壤濕度，落葉松人工林中為土壤有機(jī)質(zhì)。說明在不同的生態(tài)系統(tǒng)條件下，影響土壤呼吸變化的主要因素也不相同。

表4 土壤呼吸與其影響因素的相關(guān)性

表5 土壤呼吸與其影響因素的標(biāo)準(zhǔn)化回歸方程

4 結(jié)論與討論

天然林采伐后形成萌生的次生林或營造林后，植被組成、土壤性質(zhì)等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致土壤呼吸發(fā)生變化［13］。本文研究結(jié)果表明:3種林分的土壤呼吸呈單峰曲線但變化趨勢不明顯，這可能由于實(shí)驗(yàn)樣地位于高緯度地帶，土壤溫度、濕度等因素的日變化趨勢不明顯所致。通過方差分析3種林分的土壤呼吸呈現(xiàn)明顯差異，其中雜木林的土壤呼吸速率最大，落葉松次之，白樺林最小;落葉松人工林的土壤呼吸速率低于雜木林，高于白樺萌生林，這可能由于根呼吸速率和枯落物層呼吸速率不同所致。落葉松枯落物的分解速率低于闊葉樹［14］，被子植物的根呼吸速率高于裸子植物［15］，這些都導(dǎo)致落葉松人工林的土壤呼吸速率低于雜木林。但是，落葉松人工林的呼吸速率高于白樺萌生林，這可能是因?yàn)槁淙~松人工林林下層的蓋度較大，使其枯落物的含量增加所致。

Q10是反映土壤呼吸對土壤溫度敏感性的指標(biāo)。本文得到的白樺林、雜木林和落葉松人工林3種林分的Q10值分別為2.65、3.19 和2.94。該地區(qū)的 Q10值低于全球平均水平。雜木林的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性最好;落葉松人工林由于其林下的植被比白樺萌生林豐富，所以其穩(wěn)定性好于白樺林。這些是導(dǎo)致雜木林的Q10值大于落葉松人工林、落葉松人工林高于白樺林的主要原因。

本文分析了土壤溫度、土壤濕度、有機(jī)質(zhì)和pH對土壤呼吸的影響，得到土壤呼吸的多元回歸方程。從方程可知，不同林分影響土壤呼吸的因素呈現(xiàn)差異，白樺林中土壤溫度是導(dǎo)致土壤呼吸變化的主要因素，雜木林為土壤濕度，落葉松人工林中為土壤有機(jī)質(zhì)。這說明在不同的生態(tài)系統(tǒng)中影響土壤呼吸的主要因素不同。

本文分析了生長季節(jié)3種林分土壤呼吸日變化趨勢以及影響土壤呼吸變化的因素。得到大興安嶺地區(qū)土壤呼吸的日變化趨勢和土壤呼吸多因素回歸方程。但是，大興安嶺為中國高緯度地區(qū)，其土壤呼吸的季節(jié)變化趨勢以及其他因素對土壤呼吸的影響應(yīng)需近一步研究。

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