林业科学  2014, Vol. 50 Issue (11): 182-187   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20141124
0

文章信息

韩海燕, 张涛, 王鹏程, 雷静品, 曾立雄, 黄志霖, 肖文发
Han Haiyan, Zhang Tao, Wang Pengcheng, Lei Jingpin, Zeng Lixiong, Huang Zhilin, Xiao Wenfa
三峡库区兰陵溪小流域3种林分类型土壤呼吸特征
Characteristics of Soil Respiration in Three Types of Stands in Lanlingxi Small Watershed in Three Gorges Reservoir Area
林业科学, 2014, 50(11): 182-187
Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(11): 182-187.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20141124

文章历史

收稿日期:2013-07-13
修回日期:2014-09-22

作者相关文章

韩海燕
张涛
王鹏程
雷静品
曾立雄
黄志霖
肖文发

三峡库区兰陵溪小流域3种林分类型土壤呼吸特征
韩海燕1, 张涛2, 王鹏程3 , 雷静品4, 曾立雄5, 黄志霖5, 肖文发5    
1. 中国林业科学研究院荒漠化研究所 北京 100091;
2. 恩施自治州林业调查规划设计院 恩施 445000;
3. 华中农业大学园艺林学学院 武汉 430070;
4. 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;
5. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091
关键词土壤呼吸    根呼吸    凋落物分解    土壤有机质分解    温度敏感性    
Characteristics of Soil Respiration in Three Types of Stands in Lanlingxi Small Watershed in Three Gorges Reservoir Area
Han Haiyan1, Zhang Tao2, Wang Pengcheng3, Lei Jingpin4, Zeng Lixiong5, Huang Zhilin5, Xiao Wenfa5    
1. Institute of Desertification Studies, CAF Beijing 100091;
2. Institute of Forestry Survey and Design of Enshi Enshi 445000;
3. College of Horticulture and Forestry, Huazhong Agricultural University Wuhan 430070;
4. Research Institute of Foresty, CAF Beijing 100091;
5. Research Institute of Forest Environment and Protection, CAF Beijing 100091
Abstract: In this study, the trenching method and infrared gas exchange analyzer were used to research the characteristics of soil respiration in 3 different types of stands including coniferous forest, broad-leaved forest and conifer-broadleaved forest in Lanlingxi small watershed in Three Gorges Reservoir Area of China. The results indicated that the annual total soil respiration (Rtotal), root respiration (Rroot), aboveground litter decomposition (Rlitter) and soil organic matter (SOM) decomposition (RSOM) of coniferous forest were 1.61, 0.47, 0.38, 0.76 μmol·m-2 s-1, respectively. The annual Rtotal,Rroot,Rlitter and RSOM were 1.47,0.35,0.16,0.96 μmol·m-2 s-1 for broad-leaved forest and 2.04,0.76,0.48,0.80 μmol·m-2 s-1 for conifer-broadleaved forest, respectively. The respiration rates of soil and its components displayed obvious seasonal dynamics with maximum rate in summer and minimum rate in winter. Soil temperature was the main factor that affected soil and its components respiration rates, and there were significant positive exponential relationships between them (P<0.05). The annual Q10 of Rtotal,Rroot,Rlitter and RSOM were 2.01,1.52,2.73 and 3.03 for coniferous forest,2.51,1.42,3.46,3.08 for broad-leaved forest and 1.86,1.14,3.00,2.32 for conifer-broadleaved forest, respectively. These results suggested that the annual Q10 value of Rroot in the three types of stands was significantly lower than that of the total soil respiration and its other components respiration (P<0.05).
Key words: soil respiration    root respiration    litter decomposition    soil organic matter decomposition    temperature sensitivity    

森林生态系统作为陆地生态系统的主体,其土壤碳库约占全球碳库的73%(Post et al.,1982),森林土壤呼吸各组分的微小变化都会对大气CO2浓度产生显著影响,进而影响全球气候变化(Rustad et al.,2000; Schlesinger et al.,2000)。

土壤呼吸即土壤表面的CO2通量,主要由自养呼吸(根呼吸)和异养呼吸(动物微生物呼吸、土壤有机物及凋落物分解等)组成(Shi et al.,2012韩天丰等, 2011)。准确区分土壤呼吸的不同组分是目前碳循环研究中的重点和难点(Baggs,2006; Bond-Lamberty et al.,2004)。截止目前,国内外对于森林土壤总呼吸的温度敏感性研究很多(Rey et al.,2002; Shi et al.,2012; Janssens et al.,2003; 罗璐等,2011; 常建国等,2007),而对森林土壤呼吸各组分的温度敏感性研究还较为缺乏,且各组分温度敏感性差异的机理尚不十分明确。精确分离土壤呼吸各个组分及确定各组分的温度敏感性对于全球碳循环及未来气候变化的研究,具有十分重要的意义。

本研究以在三峡库区兰陵溪小流域选取的针叶林、阔叶林和针阔混交林3种典型林分的土壤为研究对象,采用壕沟法,把土壤总呼吸(Rtotal)分为根系呼吸(Rroot)、凋落物分解(Rlitter)和土壤有机质分解(RSOM)3个部分,利用土壤呼吸测定系统LI-8100,连续观测原状土壤呼吸和经壕沟法处理样地的土壤呼吸,分析量化土壤呼吸总呼吸及各组分的Q10值。旨在探明不同林分类型土壤总呼吸及各组分呼吸速率的季节变化、不同林分类型土壤呼吸及各组分呼吸速率的年均值及不同林分类型土壤呼吸及各组分的年Q10值,以期为研究全球碳循环及气候变化提供依据。

1 研究区概况

三峡库区兰陵溪小流域(110°56′—111°39′E,30°37′—31°11′N)位于湖北省秭归县,该区海拔100~1 200 m,属于亚热带大陆性季风气候。年均气温18.0 ℃,年均降水量1 000~1 439 mm,降水集中在5—9月,约占全年降水量的75%。土壤类型以黄壤、黄棕壤和石英砂土为主。本研究在兰陵溪流域的中坝村内选择针叶林、阔叶林和针阔混交林3种典型林分类型为研究对象。各林分类型概况见表 1

表 1 兰陵溪小流域3种典型林分类型概况 Tab.1 Survey of three typical stands in Lanlingxi small watershed
2 研究方法 2.1 样地设置

在针叶林、阔叶林和针阔混交林3种林分里分别随机设置3块10 m×10 m样地,3个样地间距5 m以上。在每块10 m×10 m样地内,随机设置2块2 m×2 m样方,样方间均相距3 m以上。对每块样地内2个样方进行壕沟处理,2010年4月在样方四周挖壕沟,壕沟宽15 cm、长2m、深度达无根系位置,在壕沟内放入石棉瓦,阻断样方外植物根系进入样方,在石棉瓦外围回填原土、压实。随机选取其中1个样方,贴地面剪除样方内的地表植被,尽量减少对地面土壤的扰动。整个试验期间,保持所有样方内无活的地表植被。

2.2 土壤呼吸测定

2010年4月在每块样地的每个样方内随机放置3个高12 cm、直径为20 cm的PVC环,同时在每块样地内、距样方0.5 m处,3个样方均随机放置1个相同规格的PVC环,每块样地共设置3个PVC环。PVC环的一端削尖,垂直插入土壤,以减少对土壤的扰动。在整个试验期间,PVC环的位置保持不变。2010-06—2011-05期间,分别在夏、秋、冬、春4个季节(四季划分以气象学上的公历3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12—次年2月为冬季),采用LI-8100土壤碳通量自动测量系统(LI-COR,USA)对土壤呼吸进行测定。选择晴朗、微风的天气,在每个月的上旬和下旬对每1种林分类型的土壤呼吸速率分别进行1次测定,测定时间为8: 30—12: 00。

2.3 土壤温度和含水量测定

土壤10 cm深处的温度和含水量分别由LI-8100土壤碳通量自动测量系统配带的2个探头同步测量。

2.4 土壤有机质含量、pH值、凋落物层厚度和根系深度的测定

2010年8月,在每种林分类型的3块样地内分别随机挖取土壤剖面2个,每个土壤剖面采集0~10 cm土层的土壤样品100 g,装入样品袋,带回实验室用于分析土壤有机质含量和土壤pH值。按中华人民共和国林业行业标准方法(1999),土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定,土壤pH值采用电位法测定。

2010年8月,在3种林分类型的9块样地内,分别随机选取具有代表性的1m×1m小样方各3个,在每个小样方四角及中心测量凋落物层的厚度,取其平均值。

2.5 数据分析和处理

在测定过程中,直接测定的土壤呼吸速率分别为: 样方内土壤有机质分解速率(RSOM)、样方内有凋落物的土壤呼吸速率(Rtrench)和样方外PVC环的土壤总呼吸速率(Rtotal)。由于土壤总呼吸(Rtotal)是由根系呼吸(Rroot)、凋落物分解(Rlitter)和土壤有机质分解(RSOM)组成的,根据组分法,得出各个组分的具体值。

$ \begin{array}{l} {R_{litter}} = {R_{trench}} - {R_{SOM}};\\ {R_{root}} = {R_{total}} - {R_{litter}} - {R_{SOM}}. \end{array} $

土壤呼吸及各组分呼吸的温度敏感性Q10计算如下:

$ \begin{array}{l} R = {R_0}{e^{\beta T}};\\ Q10 = \frac{{{R_{T + 10}}}}{R} = {e^{10\beta }}。 \end{array} $

式中: R为土壤呼吸速率(μmol·m-2s-1); R0为 0 ℃的土壤呼吸速率(μmol·m-2s-1); T为土壤10 cm深处的温度(℃); β为土壤呼吸的温度反应系数; RTRT+10分别为土壤10 cm深处温度为TT+10时的土壤呼吸速率。

利用SPSS 17.0单因素方差分析方法(One-way ANOVA)和LSD法检验不同林分类型土壤温度、土壤含水量、土壤呼吸各组分的呼吸速率及其Q10的差异。相关图形用SigmaPlot 10.0进行绘制。

3 结果与分析 3.1 3种林分类型土壤总呼吸速率及各组分呼吸速率的季节变化

针叶林、阔叶林和针阔混交林土壤总呼吸速率及各组分的呼吸速率均呈现出显著的季节动态,最小值均出现在冬季,除针叶林的RrootRlitter外,其他林分类型土壤总呼吸速率及各组分呼吸速率的最大值均出现在夏季(图 1)。针叶林RtotalRrootRlitterRSOM的季节均值分别为0.76~2.45,0.22~0.77,0.13~0.72和0.41~1.48 μmol·m-2s-1; 阔叶林RtotalRrootRlitter RSOM 的季节均值分别为0.79~2.32,0.14~0.51,0.12~0.23和0.56~1.58 μmol·m-2s-1; 针阔混交林RtotalRrootRlitter RSOM 的季节均值分别为0.97~3.24,0.57~0.91,0.11~0.75和0.29~1.55μmol·m-2 s-1。在夏、秋、冬、春4个季节中,3种林分间土壤总呼吸及各组分呼吸速率的季节均值均存在显著性差异(P<0.05)。

图 1 3种林分类型RtotalRrootRlitterRSOM的季节变化 Fig. 1 Seasonal variation of RtotalRrootRlitter, and RSOM in three types of forests
3.2 3种林分类型土壤总呼吸速率及各组分呼吸速率的年均值

3种林分类型土壤呼吸速率及各组分呼吸速率的年均值不同(图 2)。针叶林的RtotalRrootRlitterRSOM 的年均值分别为1.61,0.47,0.38和0.76 μmol·m-2s-1; 阔叶林的RtotalRrootRlitterRSOM 年均值分别为1.47,0.35,0.16和0.96 μmol·m-2s-1;针阔混交林的RtotalRrootRlitterRSOM的年均值分别为2.04,0.76,0.48,0.80 μmol·m-2s-1。3种林分类型间RtotalRlitterRSOM的年均值无显著性差异; 针阔混交林Rroot显著大于阔叶林,而针叶林和针阔混交林间、针叶林和阔叶林间无显著性差异。

图 2 3种林分类型土壤总呼吸速率及各组分呼吸速率的年均值 Fig. 2 Annual average value of soil respiration and its components in three stand types
3.3 3种林分类型土壤总呼吸及各组分呼吸的温度敏感性

针叶林、阔叶林和针阔混交林的土壤总呼吸及各组分的呼吸速率与土壤10 cm深处温度均呈显著的正指数关系,但不同林分类型的土壤总呼吸及各组分呼吸的年Q10值不同(图 3)。针叶林、阔叶林和针阔混交林Rtotal的年Q10值分别为2.01,2.51和1.86; Rroot的年Q10值分别为1.52,1.42和1.14; Rlitter的年Q10值分别为2.73,3.46和3.00; RSOM的年Q10值分别为3.03,3.08和2.32。其中3种林分类型Rroot的年Q10值均显著低于其他组分。

图 3 3种林分类型土壤总呼吸及各组分呼吸的年Q10值 Fig. 3 Annual Q10 value of soil respiration and its components in three types of forests

在阔叶林和针阔混交林中,土壤总呼吸及各组分呼吸年Q10值均表现为Rlitter> RSOM >Rtotal>Rroot,而针叶林则表现为RSOM> Rlitter>Rtotal >Rroot。在阔叶林和针阔混交林中年Q10值最大的是Rlitter,而在针叶林中年Q10值最大的是RSOM,3种林分类型中Q10值最小的均为Rroot

4 结论与讨论

研究表明,影响土壤呼吸速率的环境因素主要有土壤温度、土壤湿度和植被类型等(刘绍辉等,1997)。在本研究中,三峡库区兰陵溪小流域的针叶林、阔叶林和针阔混交林的RtotalRrootRlitterRSOM均具有显著的季节变化,除针叶林的RrootRlitter外,其他土壤呼吸速率及各组分的呼吸速率在夏季均达到最大值,并且与土壤温度存在显著的正相关关系(P<0.05),这与宋学贵等(2007)杨金艳等(2006)的研究结果一致。这是因为夏季土壤温度较高,雨水丰富,良好的水热条件适合马尾松(Pinus massoniana)、栓皮栎(Quercus variabilis)和杉木(Cunninghamia lanceolata)等植物的生长,处于全年最强的光合作用也为植物枝叶等地上部分和根系等地下部分的生长发育提供了丰富的养分,同时地表及地下的微生物活动增强,凋落物及土壤有机质的分解加快,促进了矿质土壤的氧化分解,RtotalRrootRlitterRSOM释放CO2的速率升高。但针叶林的RrootRlitter在秋季达到最大值,其主要原因可能是该地区秋季马尾松凋落物的产量最大(葛晓改等,2012),凋落物的分解速率到达最大; 大量凋落物的分解为马尾松根系的生长发育提供充足养分,且较厚的凋落物层保水能力强,为根系生长提供了良好的环境,同时较厚的凋落物层可能会使根系生长进入其中(马承恩等,2012),使得根系呼吸速率升高。另外本研究中在3种林分类型里均没有发现土壤含水量与土壤总呼吸及各组分呼吸速率间存在显著相关(P>0.05),这可能与三峡库区全年降水频率高,且常年土壤含水量大且变动幅度较小有关(图 1)。

不同类型的林分通过对微环境的作用来影响土壤呼吸及各组分。由于不同林分类型的物种组成和植被结构不同,导致土壤结构、根系的生长、凋落物输入量和土壤中有机质的分解等不同(O′Connell et al.,2003)。本研究中3种林分类型间土壤总呼吸速率及各组分呼吸速率的季节均值存在显著性差异,这与韩天丰等(2011)的研究结果一致,这可能是因为针叶林、阔叶林和针阔混交林的物种组成不同,即使是在相同的季节,不同植物的生长发育、生理活动不同,从而导致不同林分类型间土壤呼吸速率及各组分呼吸速率的季节均值出现显著性差异(P<0.05)。而对于土壤呼吸速率及各组分呼吸速率的年均值,3种林分类型间RtotalRlitterRSOM的年均值均无显著性差异,而阔叶林与针阔混交林Rroot的年均值存在显著差异(P<0.05),这与Hibbard等(2005)的研究结果一致。出现这种结果的原因可能是3种林分类型间的土壤温度、湿度环境因素相似,但阔叶林与针阔混交林的物种组成不同,根系分布深度存在差异(表 1),使2种林分类型的Rroot年均值存在差异。

土壤呼吸的温度敏感性是量化和预测生态系统和全球碳循环对气候变化响应的重要指标(Tang et al., 2006)。本研究发现,3种林分类型土壤呼吸及各组分呼吸的年Q10值存在差异,Rroot的年Q10值均显著低于土壤总呼吸和其他组分,在阔叶林和针阔混交林中,Rlitter的年Q10值最高,而在针叶林中RSOM的年Q10值最高。这可能是因为在3种森林里,植物根系在土壤中分布较深,土壤10 cm深处温度对植物根系呼吸的影响小于总呼吸及其他组分,同时由于阔叶林和针阔混交林中的枯落物比针叶林中的容易分解,这使得在3种林分中Rroot的年Q10值显著低于其他组分,阔叶林和针阔混交林中Rlitter的年Q10值最高。目前对于土壤呼吸各组分Q10值的报道较少,Luan等(2011)对宝天曼自然保护区栎树(Quercus palustris)林的研究表明,异养呼吸温度的敏感性显著高于自养呼吸,然而田祥宇等(2012)对华西雨屏区苦竹(Pleioblastus amarus)人工林的研究表明凋落物分解的Q10显著低于总呼吸和其他组分,根呼吸的Q10值最高。出现这种差异的原因可能是苦竹与马尾松、栓皮栎和杉木等植物的根系分布深度不同,苦竹的根系主要分布于土壤表层0~20 cm(涂利华等,2010),而马尾松、栓皮栎和杉木等植物的根系主要分布于40~60 cm,土壤10 cm深处温度对苦竹根系的影响大于马尾松和栓皮栎。苦竹凋落物层厚度为1 cm左右,小于马尾松、栓皮栎和杉木等凋落物层厚度,且苦竹凋落物的成分与马尾松、栓皮栎、杉木不同,使得温度对凋落物及有机质分解的影响不同。

参考文献(References)
[1] 常建国,刘世荣,史作民,等.2007.北亚热带-南暖温带过渡区典型森林生态系统土壤呼吸及其组分分离.生态学报,27(5): 1791-1802.(1)
[2] 葛晓改,黄志霖,程瑞梅,等.2012.三峡库区马尾松人工林凋落物和根系输入对土壤理化性质的影响.应用生态学报,23(12):3301-3308.(1)
[3] 韩天丰,周国逸,李跃林,等.2011.中国南亚热带森林不同演替阶段土壤呼吸的分离量化.植物生态学报,35(9): 946-954.(2)
[4] 刘绍辉,方精云.1997.土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响.生态学报,17(5): 469-476.(1)
[5] 罗璐,申国珍,谢宗强,等.2011.神农架海拔梯度上4种典型森林的土壤呼吸组分及其对温度的敏感性.植物生态学报,35(7): 722-730.(1)
[6] 宋学贵,胡庭兴,鲜骏仁,等.2007.川西南常绿阔叶林土壤呼吸及其对氮沉降的响应.水土保持学报,21(4): 170-174.(1)
[7] 田祥宇,涂利华,胡庭兴,等.2012.华西雨屏区苦竹人工林土壤呼吸各组分特征及其温度敏感性.应用生态学报,23(2): 293-300.(1)
[8] 涂利华,胡庭兴,张健,等.2010.模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林细根特性和土壤呼吸的影响.应用生态学报,21(10):2472-2478.(1)
[9] 马承恩,孔德良,陈正侠,等.2012.根系在凋落物层中的生长及其对凋落物分解的影响.植物生态学报,36(11):1197-1204.(1)
[10] 杨金艳,王传宽.2006.东北东部森林生态系统土壤呼吸组分的分离量化.生态学报,26(6): 1640-1647.(1)
[11] Baggs E M.2006.Partitioning the components of soil respiration: a research challenge.Plant and Soil,284(1/2): 1-5.(1)
[12] Bond-Lamberty B,Wang C K,Gower S T.2004.A global relationship between the heterotrophic and autotrophic components of soil respiration.Global Change Biology,10(10): 1756-1766.(1)
[13] Hibbard K A,Law B E,Reichstein M,et al. 2005.An analysis of soil respiration across northern hemisphere temperate ecosystems.Biogeochemistry,73(1): 29-70.(1)
[14] Janssens I A,Pilegaard K.2003.Large seasonal changes in Q10 of soil respiration in a beech forest.Global Change Biology,9(6): 911-918.(1)
[15] Luan J W,Liu S R,Wang J X,et al. 2011.Rhizospheric and heterotrophic respiration of a warm-temperate oak chronosequence in China.Soil Biology and Biochemistry,43(3): 503-512.(1)
[16] O'Connell K E B,Gower S T,Norman J M.2003.Net ecosystem production of two contrasting boreal black spruce forest communities.Ecosystems,6(3): 248-260.(1)
[17] Post W M,Emanuel W R,Zinke P J,et al. 1982.Soil carbon pools and world life zones.Nature,298: 156-159.(1)
[18] Rey A,Pegoraro E,Tedeschi V,et al. 2002.Annual variation in soil respiration and its components in a coppice oak forest in Central Italy.Global Change Biology,8(9): 851-866.(1)
[19] Rustad L E,Huntington T G,Boone R D,et al. 2000.Controls on soil respiration: implications for climate change.Biogeochemistry,48(1): 1-6.(1)
[20] Schlesinger W H,Andrews J A.2000.Soil respiration and the global carbon cycle.Biogeochemistry,48(1): 7-20.(1)
[21] Shi W Y,Zhang J G,Yan M J,et al. 2012.Seasonal and diurnal dynamics of soil respiration fluxes in two typical forests on the semiarid Loess Plateau of China: temperature sensitivities of autotrophs and heterotrophs and analyses of integrated driving factors.Soil Biology and Biochemistry,52: 99-107.(2)
[22] Tang X L,Zhou G Y,Liu S G, et al.2006.Dependence of soil respiration on soil temperature and soil moisture in successional forests in southern China.Journal of Integrative Plant Biology,48(6): 654-663.(1)