土壤碳储量是陆地植被碳储量的2～3倍，而土壤呼吸是陆地生态系统向大气释放CO₂的第二大途径(Luo et al.，2006)，每年由土壤呼吸过程释放到大气中的CO₂ 是化石燃料燃烧释放的10 倍以上(Peng et al.，2009)。森林作为陆地生态系统的主体，维持着全球86% 的植被碳库和73% 的土壤碳库(Lal，2005)。随着人工林种植面积不断扩大，人工林在全球碳循环中占据了越来越重要的位置(Lal，2005; Huang et al.，2013)。在中国，森林碳汇主要来自人工林的贡献(方精云等，2001)。人工林在减缓全球气候变化中的地位举足轻重，而人工林的经营与管理是实现和增强其碳汇功能的重要途径(Jandl et al.，2007; 闫美芳等，2010)。

土壤呼吸主要与土壤生物活动和土壤孔隙中气体的扩散有关，后两者均受到土壤性质和植被类型的影响(Luo et al.，2006)。根呼吸和根际微生物呼吸是土壤呼吸的主要来源，其次为地上和地下凋落物(凋落物叶、木质残体和死亡根系)及土壤有机质的矿化(Trumbore，2000; Schaefer et al.，2009)。研究表明，土壤呼吸具有高度的时空变异性(Bond-Lamberty et al.，2010)。时间尺度上土壤呼吸主要受土壤温湿度及两者交互效应的控制(Luo et al.，2006; Vincent et al.，2006)，而在空间尺度上，主要通过生物因子(细根生物量、土壤有机质含量、土壤微生物量及植被生产力等)和非生物因子(土壤温湿度、土壤孔隙度和近地面大气状况等)对土壤呼吸产生影响(Bond-Lamberty et al.，2010; Sheng et al.，2010)。近年来，随着对温室气体排放的重视，做了很多有关土壤呼吸的研究工作，包括全球尺度土壤呼吸的研究，不同纬度带、不同生态系统、不同森林类型以及不同土地利用下土壤呼吸的研究(Vincent et al.，2006; Bond-Lamberty et al.，2010;Sheng et al.，2010)。森林采伐剩余物管理是人工林营造时常见的经营措施(Huang et al.，2013)，关于采伐剩余物管理措施对人工林土壤呼吸的影响，以往的研究大多关注造林初期的影响，而对造林较长时间(＞10年)后的影响还很少报道。

中国亚热带地区与全球同纬度地区相比，森林生态系统生产力高、碳储量大，生态过程对气候变化的响应多样(陈光水等，2005)，被誉为回归线上的“绿洲”。鉴于种植面积、木材生产量和木材用途等方面的情况，杉木(Cunninghamia lanceolata)是该区最重要的人工造林树种之一(Huang et al.，2013)，而国内有关杉木林采伐剩余物管理的研究还未见报道。本研究在杉木中心产区福建省南平市峡阳国有林场，基于以往立地管理措施对杉木人工林生长和土壤理化性质等方面的长期定位研究(Huang et al.，2013)，对5 种采伐剩余物管理措施下15年生杉木人工林土壤呼吸、土壤温湿度进行为期1年的观测，并同期分析0～10 cm土层冷水、热水和2 mol·L^-1KCl溶液浸提的土壤可溶性有机碳含量，以探讨采伐剩余物管理措施对杉木林土壤呼吸的影响，为研究亚热带地区森林管理措施对人工林碳排放的影响提供理论基础。

试验地位于福建省南平市峡阳国有林场(117°59' E，26°48' N)，属于武夷山系南伸支脉，海拔200～260 m，坡度28°～36°。本区属中亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.5 ℃，1月平均气温9.7 ℃，7月平均气温28.7 ℃，极端最低气温和最高气温分别为-5.8 ℃和41 ℃。年均降水量1 653 mm，降雨集中在3—8月，年平均蒸发量1 143mm，年平均相对湿度83%。根据南平市延平区气象站测量的气象数据，2011-07—2012-06试验地月降雨量和月平均气温见图 1。试验地土壤均为绿泥片岩发育的轻黏质山地红壤，表层疏松，土层深厚，土壤肥沃，但均含有少量的石砾。林下常见植被主要有观音座莲(Angiopteris fokiensis)、狗脊(Woodwardia japonica)、五节芒(Miscanthusfloridulus)和芒萁(Dicranopteris dichotoma)等。试验地前茬为29年生一代杉木纯林。试验地为杉木纯林，概况见表 1。

	图 1 2011-07-2012-06期间试验地月平均气温和月降雨量 Fig. 1 Monthly precipitation and mean air temperature between July 2011 and June 2012 at study site

表 1 4个区组0~10 cm土层土壤理化性质和杉木生长情况 Tab.1 Soil physical and chemical properties of soil in 0 ～ 10 cm layer and Chinese fir plantation growth at four blocks

表 1 4个区组0~10 cm土层土壤理化性质和杉木生长情况 Tab.1 Soil physical and chemical properties of soil in 0 ～ 10 cm layer and Chinese fir plantation growth at four blocks 区组 Block 土壤全碳 Soil total C/(g·kg-1) 土壤全氮 Soil total N/(g·kg-1) 土壤C/N值 Soil C/N value 土壤pH值 Soil pH value 土壤密度 Soil density/(g·cm-3) 树高 Tree height/m DBH/cm Ⅰ 25.5 1.76 15.49 4.65 1.01±0.05 16.2±0.75 19.8±0.73 Ⅱ 30.3 1.71 16.32 4.61 0.91±0.02 15.3±0.50 17.7±0.62 Ⅲ 25.0 1.71 14.37 4.72 1.04±0.05 14.1±0.44 16.2±0.54 Ⅳ 27.9 1.76 15.88 4.29 0.92±0.05 15.7±0.49 18.0±0.97

随机区组设计试验地，共设4个区组，每个区组设5个处理小区，小区面积为600 m²(Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ区组小区为20 m×30 m，Ⅳ区组小区为24 m×25 m)。1996年10月一代杉木林皆伐后进行采伐剩余物处理，1997年1月造林后不再进行处理，造林密度为每小区150 株(2 500 株·hm^-2)，5个处理分别为：收获采伐剩余物和地被层(BL0); 全树收获(BL1); 仅收获树干和树皮(BL2); 采伐剩余物加倍，将BL1 处理中的采伐剩余物移放至此小区(BL3); 炼山，将采伐剩余物和地被层火烧(SB)。试验地一代杉木林皆伐后产生的采伐剩余物生物量约为26.1 Mg·hm^-2，地被层生物量约9.9 Mg·hm^-2。

2011年7月在每个试验小区沿对角线分布5个PVC材质的土壤环，土壤环内径20.0 cm、高6 cm，将土壤环底部削尖后埋入地下3 cm，为便于环内土壤更好地与外部土壤进行水汽交换，将埋入地下部分侧边钻4个直径为0.5 cm的圆孔。土壤环在试验小区设置24 h后开始第1次测量，此后土壤环位置保持不动，并在每次测量前齐地剪除环内绿色植物。2011-07—2012-06，每月中旬选取2～3天，尽可能选择晴朗无风的天气，利用Li-8100开路式土壤碳通量观测系统(Li-8100，Li-cor公司，美国)观测土壤呼吸速率，每个土壤环测定时间设为2 min。根据研究结果，亚热带杉木人工林上午9:00—12:00 土壤呼吸速率与一天的平均值较接近(Sheng et al.，2010)，故每次测量均选择此时段。

在每次测量土壤呼吸速率的同时，利用数字式瞬时温度计(AM-11T，Avalon 公司，美国)测定地下10 cm深处的土壤温度和离地1 m 高的气温，采用时域反射仪(TDR)(Model TDR300，Spectrum 公司，美国)测定地下0～12 cm土层土壤体积含水量。为了减少土壤水分测定的误差，将烘干法测得的土壤湿度和与TDR300 测定的结果进行对照，并建立2者之间的一元线性方程W=0.735 1W₀+7.396 5(R²=0.896 1)来校正TDR300 测量的数值，式中W为烘干法测量的土壤湿度，W₀为仪器测量的土壤湿度。

2011年8月在每个试验小区沿对角线分布12个样点，用内径3.7 cm的土钻钻取0～10 cm土层土样，风干后过2 mm 筛，先后用冷水、热水和2 mol·L^-1KCl溶液浸提该层土壤可溶性有机碳含量，方法参见文献(Jones et al.，2006)。具体步骤为：称取10 g风干土样于50 mL离心管中，在室温状态下加入40 mL去离子水，将水土混匀后放置在转速为270 r·min^-1的摇床上震荡30 min，之后再放入离心力为2 600 g的离心机中离心10 min，待离心完成后将上清液过0.45 μm孔径滤器并提取分析。冷水浸提完成后再将土样先后继续进行热水和2 mol·L^-1 KCl溶液浸提，浸提过程与冷水浸提过程类似，热水浸提须将土样放入80 ℃热水中恒温放置18 h后进行提取。所有滤液中的有机碳含量测定均在总有机碳分析仪(TOC-VcpH，Shimadzu公司，日本)上进行。土壤全碳、全氮含量采用碳氮元素分析仪(Vario Max，Elementar 公司，德国)测定；pH值采用电位法测量；土壤密度采用环刀法测定。

为分析土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸的影响，分别选择双因素关系模型和单因素关系模型进行拟合:

R=ae^bT W^c; R=ae^bT; R=aW^b。

式中：R为土壤呼吸速率; T为10 cm深处土壤温度，W为0～12 cm土层土壤含水量，a，b和c为待定参数。

Q₁₀值采用指数关系模型Q₁₀=e^{10 b}进行计算。

以每月测定的土壤呼吸速率代表该月平均土壤呼吸速率，通过累加计算求得当年土壤呼吸年通量。

采用重复测量方差分析方法(RepeatedmeasuresANOVA)分析不同处理样地的土壤呼吸速率、温度和湿度的差异显著性，用Pearson 相关分析检验土壤呼吸速率与土壤温度、湿度以及同期土壤可溶性有机碳含量之间的关系。以上所有数据分析均在SPSS16.0 软件上完成。

不同处理样地全年平均土壤呼吸速率为1.72 ～2.01 μmolCO₂·m^-2s^-1，重复测量方差分析表明：采伐剩余物管理措施对杉木林土壤呼吸速率的影响在α=0.05水平上不显著。对4个季度土壤呼吸速率的分析发现，采伐剩余物管理措施在春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—2月)对土壤呼吸速率的影响在α=0.05 水平上不显著(表 2)。

表 2 不同处理样地4个季节土壤呼吸速率重复测量方差分析 Tab.2 Repeated-measures ANOVA results of soil respiration rates in four seasons under different treatments

表 2 不同处理样地4个季节土壤呼吸速率重复测量方差分析 Tab.2 Repeated-measures ANOVA results of soil respiration rates in four seasons under different treatments 季节 Season 样本数 Sample number P 春季Spring 60 0.379 夏季Summer 60 0.144 秋季Autumn 60 0.303 冬季Winter 60 0.612

由图 2 可知，5个处理样地土壤呼吸速率月动态趋势相同，不同月份呼吸速率变化幅度较大，最大值出现在6月，最小值出现在2月。从2011年7月开始，各处理样地土壤呼吸速率不断下降，在同年9月开始回升并出现一个峰值，此时5个处理样地的平均值为3.08 μmolCO₂·m^-2 s^-1。10月份土壤呼吸速率继续下降，并在2011-12—2012-02 保持较低水平，2月呼吸速率达到最低值，其平均速率为0.69μmolCO₂·m^-2 s^-1。2012年3月份土壤呼吸速率开始不断上升，6月份5个处理样地土壤呼吸速率差异较明显，但方差分析未发现显著差异，其平均值为观测期间的最大值，达3.09 μmolCO₂·m^-2 s^-1。5个处理样地土壤呼吸年通量差异不显著，其平均值为701.19gC·m^-2。杉木林土壤呼吸速率大致以2012年1月为时间轴呈对称分布，且不同季度土壤呼吸速率差异显著(图 2)。

	图 2 不同处理样地土壤呼吸速率、温度和湿度的月动态 Fig. 2 Monthly variation of soil respiration rate, temperature, and moisture under different treatments

观测期间，5个处理样地土壤温度和土壤湿度的变化趋势均较一致(图 2)，各处理样地在α=0.05 水平差异不显著。土壤湿度随月份动态变化，但不同季节土壤湿度在α=0.05 水平差异不显著。相关性分析表明(表 3)：5个处理样地，土壤呼吸速率与土壤温度极显著正相关(P＜0.01); 土壤呼吸速率与土壤湿度除在SB 样地显著正相关外(P＜0.05)，在其他样地相关性均不显著。指数模型回归分析显示，土壤温度可以解释土壤呼吸速率变化的55.8%～72.6%，土壤湿度不能较好地通过方程拟合土壤呼吸速率的变化，双因素关系模型拟合结果与仅考虑土壤温度的单因素模型差别不大(表 4)。Q₁₀值是指示土壤呼吸温度敏感性的重要参数，通过方程拟合表明，5个处理样地土壤温度Q₁₀值差异不大，其变化范围为1.88～2.32，5个处理样地离地1 m 高处气温Q₁₀值变化范围为1.65～1.92，低于土壤温度计算结果，说明土壤呼吸对土壤温度的敏感性要高于气温的。

表 3 不同处理土壤呼吸速率与土壤温度和土壤湿度的相关性^① Tab.3 Correlations between soil respiration rate and soil temperature or soil moisture under different treatments

表 3 不同处理土壤呼吸速率与土壤温度和土壤湿度的相关性① Tab.3 Correlations between soil respiration rate and soil temperature or soil moisture under different treatments 处理 Treatment 相关系数 Correlation coefficient 土壤温度 Soil temperature 土壤湿度 Soil moisture BL0 0.853** 0.210 BL1 0.750** 0.627 BL2 0.828** 0.560 BL3 0.838** 0.405 SB 0.832** 0.775* ①*:P < 0.05; ＊＊:P < 0.01。下同 The same below.

表 4 土壤呼吸速率与土壤温度、湿度和气温回归模型及Q₁₀值 Tab.4 Regression model of soil respiration rate among soil
temperature, soil moisture and Q₁₀ value

表 4 土壤呼吸速率与土壤温度、湿度和气温回归模型及Q10值 Tab.4 Regression model of soil respiration rate among soil temperature，soil moisture and Q10 value 处理 Treatment y=aebTWc y=aebT y=aWb Q10 a b c R2 a b R2 a b R2 BL0 0.204 0.082 0.212 0.732 0.408 0.081 0.726 0.122 0.824 0.044 2.25a BL1 0.102 0.084 0.395 0.572 0.367 0.084 0.558 1.089 0.194 0.004 2.32a BL2 0.242 0.078 0.199 0.691 0.462 0.078 0.685 0.835 0.262 0.006 2.18a BL3 0.398 0.063 0.110 0.681 0.564 0.063 0.679 0.653 0.323 0.014 1.88a SB 0.334 0.076 0.060 0.710 0.406 0.076 0.709 0.321 0.081 0.001 2.14a

在α=0.05水平上，采伐剩余物管理措施对3种方式浸提的土壤可溶性有机碳含量均没有显著影响。处理样地冷水、热水和2 mol·L^-1 KCl溶液浸提的土壤可溶性有机碳含量平均值分别为189.83，370.83和487.90 mg·kg^-1，占土壤全碳的比例分别为0.77%，1.51%和1.99%。将5个处理样地不同方式浸提的可溶性有机碳含量分别与全年平均土壤呼吸速率和取样月份土壤呼吸速率进行相关性分析，全年平均土壤呼吸速率与2 mol·L^-1KCl提取的可溶性有机碳含量显著正相关(R²=0.484)，取样月份土壤呼吸速率与冷水提取的可溶性有机碳含量显著正相关(R²=0.532)。

不同处理样地年均土壤呼吸速率为1.72 ～2.01 μmolCO₂·m^-2 s^-1，年通量为651～762 gC·m^-2，这个结果与热带和亚热带地区很多研究结果相近(Raich et al.，1995; Yan et al.，2006; Sheng et al.，2010)。本研究中，采伐剩余物管理措施对杉木林全年、不同季节土壤呼吸速率以及土壤呼吸年通量在α=0.05 水平上均没有显著影响。Mariani等(2006)对加拿大云杉(Picea asperata)和山杨(Populus davidiana)的研究发现，采伐剩余物管理实施3年后对土壤微生物呼吸有显著影响(P＜0.05)，7年后影响变得不显著。亚热带地区，水热条件较好，可能采伐剩余物归还的有机碳大部分通过呼吸作用被转移出了生态系统(Powers et al.，2005; 杨玉盛等，2005)，因而造林一定时间后不同处理样地土壤呼吸差异减小。杨玉盛等(2005)发现，杉木在皆伐初期4个月里与对照样地土壤呼吸速率差异显著，而1年后差异变得不显著。

研究表明，土壤呼吸主要由矿质土壤呼吸、枯枝落叶层呼吸和根呼吸组成(Schaefer et al.，2009)。此外，研究发现土壤呼吸与表土层碳含量、凋落物归还量和根系生物量均显著正相关(Yan et al.，2006)。对本试验区地下碳库的研究表明，在杉木林15年生时不同处理样地0～40 cm土层之间碳储量没有显著差异(Huang et al.，2013)，同时不同处理样地0～10 cm土层土壤可溶性有机碳含量差异亦不显著。本试验地不同处理样地多年凋落物归还量间不存在显著差异(Huang et al.，2013)，不同处理样地杉木根呼吸对土壤呼吸的贡献没有差异。

土壤温度和湿度作为驱动土壤呼吸速率变化的两个重要因子，在不同的气候和地形条件下对土壤呼吸的主导作用有变化(Davidson et al.，1998)。研究表明，亚热带地区土壤温度对土壤呼吸的影响比土壤湿度的影响更显著(陈光水等，2005; 王超等，2011)。本研究表明本区土壤呼吸主要受土壤温度的控制。指数模型回归分析显示，土壤温度可以解释土壤呼吸速率变化的55.8%～72.6%，而土壤湿度不能较好地通过方程拟合土壤呼吸速率的变化，双因素关系模型拟合结果与仅考虑土壤温度的单因素关系模型拟合结果相比差别不大。本区地处湿润的中亚热带地区，受海洋性季风气候影响，全年降雨量较充沛，水分不是本区的限制性因素(Sheng et al.，2010)。本研究中，不同季节土壤湿度差异不显著，但土壤温度却随季节显著变化，这是造成土壤呼吸速率变化主要受土壤温度控制的重要原因。虽然炼山样地与其他处理样地在很多指标上差异不显著，但其土壤可溶性有机碳、全碳、全氮和矿质氮含量均表现为最低(Huang et al.，2013)，土壤养分含量较低可能会造成土壤呼吸更易受到外部环境因子的影响(Luo et al.，2006)，因而表现为炼山样地土壤呼吸速率与土壤湿度显著正相关(P＜0.05)。

研究表明，土壤温度和湿度只有处在相互协调的条件下，才会有利于土壤微生物和根系的生长代谢活动(Davidson et al.，1998; Vincent et al.，2006)，亚热带地区土壤呼吸速率一般在春末或夏初达到顶峰(Sheng et al.，2010; 陈光水等，2005)。本研究中，春季土壤温度不断上升，此时雨季不断补充土壤水分，使得土壤温度和湿度相互协调，驱动了土壤呼吸速率的上升，并在6月份土壤呼吸速率最大。夏季土壤温度继续升高，而此时雨季已结束，土壤水分难以与土壤温度相互协调，土壤呼吸速率受此影响会表现为下降。初秋土壤温度与土壤湿度再次相互协调，土壤呼吸速率可能短暂升高(王超等，2011)，本研究表现为9月份土壤呼吸速率再次出现峰值。

本研究中不同处理样地3 种方式浸提的土壤可溶性有机碳含量差异不显著，这可能与不同处理样地凋落物归还量和森林生物量差异不显著有关(Huang et al.，2013)。研究表明，人为改变森林地表有机质输入短期内会影响土壤可溶性有机碳含量(Park et al.，2002; Jandl et al.，1997)，但有关长期样地的研究大多未观测到显著差异(Vanguelova et al.，2010)。本研究中，冷水浸提的可溶性有机碳含量与取样月份土壤呼吸速率显著正相关，2 mol·L^-1KCl浸提的可溶性有机碳含量与年均土壤呼吸速率显著正相关。与热水和盐溶液浸提的可溶性有机碳相比，冷水浸提的可溶性有机碳更易被微生物利用(Rousk et al.，2010)，分解更新速率相对较快，因而短期内土壤呼吸速率与冷水浸取的可溶性有机碳含量显著正相关(Park et al.，2002)。