大兴安岭3种林分夏季土壤呼吸的日变化1)

李 勇 刘继明 秦世立

(大兴安岭地区营林局，加格达奇，165000)

董希斌 纪 浩 宋启亮

(东北林业大学)

土壤呼吸作为生态系统碳循环的一个组成部分，它与生态系统生产的许多组分都有联系，土壤呼吸在调控地球系统的大气CO2浓度和气候动态方面起着十分关键的作用。在森林生态系统中2/3的碳储存在土壤和与之相关的泥炭层中［1］，所以开展森林土壤呼吸的研究具有重大意义。大兴安岭地区是中国纬度最高的重点林区，目前对此地区土壤呼吸的研究还未开展。Malhi［2］和 Pregitzer［3］等人的研究也表明，高纬度森林的土壤呼吸速率较低。本文即是以大兴安岭地区3种林分为研究对象，测定其夏季的土壤呼吸值，分析3种林分土壤呼吸日变化趋势，探讨影响土壤呼吸的因素，旨在为大兴安岭地区森林生态系统的研究提供科学参考。

1 研究区概况

试验区位于大兴安岭林区加格达奇林业局翠峰林场174林班和跃进林场193林班。其中:翠峰林场为白桦萌生林和以胡枝子—黑桦、柞树为主的天然杂木次生林;跃进林场为1992年低质林改造生长的落叶松人工林。3种林分的立地条件和林分特征见表1。翠峰林场，土壤以暗棕壤和棕色针叶林土为主;跃进林场，土壤以暗棕壤和棕色针叶林土为主。2林场土壤厚度15～30 cm，坡度多在15°以下;年平均气温－1.3℃，最高气温37.3℃，最低气温－45.4℃;年平均降水量500 mm。

2 实验方法

样地设置:于2010年6月中旬在翠峰林场和跃进林场内，分别在白桦萌生林、杂木林和落叶松人工林内随机设置3个20 m×20 m的样地;在每个样地内按“之”型布设5个20 cm的PVC管，使其露出地面4～5 cm，保留其内的枯枝落叶。样地设置完毕后，进行林分、地形以及土壤因子调查。

土壤呼吸测定:利用5通道的LI－8150土壤碳通量自动测量系统，在PVC安放24 h后进行土壤呼吸测量，连续24 h观测每个样地的土壤呼吸日动态。土壤温度和湿度的观测，采用与lI－8150相配套的温度、湿度传感器，测定距地表10 cm的土壤温度和湿度。

土壤有机质和pH测定:在样地内每个PVC管附近进行土壤取样，每个样点取土壤剖面为0～10 cm的土壤1 kg带回实验室。土壤pH值测定——水浸，水土体积比为50∶1，用酸度计按照LY/T1239—1999规定测定。土壤有机质用油浴重铬酸钾氧化法按照LY/T1237—1999规定测定。

3 结果与分析

3.1 土壤呼吸的日变化

3种林分的土壤呼吸日变化明显不同(见图1)。虽然3种林分的土壤呼吸日变化呈单峰趋势，但是杂木林呈现一定的波动。白桦林土壤呼吸速率最大值出现在12:00，最小值出现在6:00—8:00;落叶松人工林土壤呼吸速率最大值出现在12:00，最小值出现在23:00;杂木林土壤呼吸速率最大值出现在12:00，最小值出现在21:00—23:00。3种林分的土壤呼吸速率平均值分别为:2.13、3.47、3.43 μmol·m－2·s－1，杂木林的土壤呼吸速率最大、落叶松次之、白桦林最小。方差分析表明，3种林分的土壤呼吸速率存在显著性差异(见表2)。

3.2 土壤呼吸对土壤温度的敏感性

温度是影响土壤呼吸的重要因素。土壤温度与土壤呼吸的关系已有许多经验模型，但土壤呼吸对温度的响应需要拟合方程估算温度敏性，一般采用指数方程及其敏感指数(Q10)来估测土壤温度与土壤呼吸的关系［4－5］:y=aebt。式中:y为实验测量的土壤呼吸速率;t为距地表下10 cm处的土壤温度;a为0℃时的土壤呼吸速率;b为温度反应系数。Q10的表达式为:Q10=e10b。

表1 3种林分立地条件和林分特征

图1 3种林分土壤呼吸日变化

表2 3种林分土壤呼吸速率方差分析

表3 3种林分土壤呼吸和土壤温度的关系

由表3可见，得到的3种林分的Q10值以杂木林的最大，其次为落叶松人工林，白桦林最小。说明天然次生林的土壤呼吸对温度敏感性要好于落叶松人工林。Shushi Peng等［6］估计中国针阔叶混交林的 Q10为 2.78±0.96;Keith 等［7］认为，温度高于 10 ℃时 Q10为1.4，低于10 ℃时为3.1;刘绍辉等［8］根据文献计算了全球尺度下温度对森林土壤呼吸的影响，得到的Q10值为1.57。3种林分的Q10高于全球平均水平。彭家中等［9］研究在全球变暖影响下，低温地区土壤有机质的分解速率高于高温地区。大兴安岭地区属于寒冷地区，有机碳向大气中的释放量增多。

3.3 影响土壤呼吸的主要因素

土壤温度、土壤湿度、土壤有机质、pH和气候因子是影响土壤呼吸的主要因素［10－11］，其中气候因素在短期内的变化不明显，所以土壤温度、土壤湿度、土壤有机质和pH是影响土壤呼吸的重要因素［12］。根据实验测得数据，分析土壤呼吸与其影响因素的相关性，并建立土壤呼吸的多因素回归方程(见表4和表5)。

由表4可见，3种林分的土壤呼吸与土壤温度、土壤湿度、有机质和pH具有良好的相关性。其中杂木林的相关性最好。由建立的土壤呼吸的多因素标准化回归方程(见表5)看出，白桦林、杂木林和落叶松人工林中，4种因素的变化可分别解释土壤呼吸变化的47.1%、64.5%和52.6%，杂木林的相关系数最大。根据标准化方程的系数可知，对于白桦林，土壤温度的系数最大，说明在白桦林中土壤温度是导致土壤呼吸变化的主要因素，依次得出，杂木林为土壤湿度，落叶松人工林中为土壤有机质。说明在不同的生态系统条件下，影响土壤呼吸变化的主要因素也不相同。

表4 土壤呼吸与其影响因素的相关性

表5 土壤呼吸与其影响因素的标准化回归方程

4 结论与讨论

天然林采伐后形成萌生的次生林或营造林后，植被组成、土壤性质等发生变化，从而导致土壤呼吸发生变化［13］。本文研究结果表明:3种林分的土壤呼吸呈单峰曲线但变化趋势不明显，这可能由于实验样地位于高纬度地带，土壤温度、湿度等因素的日变化趋势不明显所致。通过方差分析3种林分的土壤呼吸呈现明显差异，其中杂木林的土壤呼吸速率最大，落叶松次之，白桦林最小;落叶松人工林的土壤呼吸速率低于杂木林，高于白桦萌生林，这可能由于根呼吸速率和枯落物层呼吸速率不同所致。落叶松枯落物的分解速率低于阔叶树［14］，被子植物的根呼吸速率高于裸子植物［15］，这些都导致落叶松人工林的土壤呼吸速率低于杂木林。但是，落叶松人工林的呼吸速率高于白桦萌生林，这可能是因为落叶松人工林林下层的盖度较大，使其枯落物的含量增加所致。

Q10是反映土壤呼吸对土壤温度敏感性的指标。本文得到的白桦林、杂木林和落叶松人工林3种林分的Q10值分别为2.65、3.19 和2.94。该地区的 Q10值低于全球平均水平。杂木林的生态系统稳定性最好;落叶松人工林由于其林下的植被比白桦萌生林丰富，所以其稳定性好于白桦林。这些是导致杂木林的Q10值大于落叶松人工林、落叶松人工林高于白桦林的主要原因。

本文分析了土壤温度、土壤湿度、有机质和pH对土壤呼吸的影响，得到土壤呼吸的多元回归方程。从方程可知，不同林分影响土壤呼吸的因素呈现差异，白桦林中土壤温度是导致土壤呼吸变化的主要因素，杂木林为土壤湿度，落叶松人工林中为土壤有机质。这说明在不同的生态系统中影响土壤呼吸的主要因素不同。

本文分析了生长季节3种林分土壤呼吸日变化趋势以及影响土壤呼吸变化的因素。得到大兴安岭地区土壤呼吸的日变化趋势和土壤呼吸多因素回归方程。但是，大兴安岭为中国高纬度地区，其土壤呼吸的季节变化趋势以及其他因素对土壤呼吸的影响应需近一步研究。

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