大兴安岭低质林诱导改造后土壤呼吸影响因子1)

纪 浩 董希斌 李芝茹

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，随着全球气候的变暖，土壤呼吸已经成为各国科学家研究的热点［1－2］。土壤呼吸速率是土壤肥力、土壤微生物活性和土壤透气性的指标，影响着土壤物理、化学和生物学性质，反映了土壤生物活性和土壤物质代谢的强度［3］。此外，从小气候学角度看，土壤释放的CO2改变了近地面的微气象条件，为植物下部冠层提供了更丰富的碳源［4］。因此土壤呼吸研究对全球碳循环和森林土地高效利用有着深远的意义。土壤呼吸除受生物因子和非生物因子共同作用外，同时还受人为活动对林地土壤的干扰和土地利用方式改变的影响［5－6］。Lytle 等［7］在福罗里达州北部湿地松人工林内，将林地皆伐后和未干扰对照样地相比土壤呼吸速率增大。O’Neill等［8］在阿拉斯加内陆研究了黑皮云杉林、白皮云杉林和白杨树林在火烧之后与对照样地相比土壤CO2通量显著降低。王国兵等［9］研究表明，天然次生栎林、马尾松人工林、毛竹林、板栗经济林和农田5种土地利用类型的土壤呼吸速率与土壤微生物量、土壤温度、土壤全钙质量分数、土壤全磷质量分数以及土壤碳氮比有显著相关关系。但目前针对大兴安岭地区低质林林分不同诱导改造后土壤呼吸影响因子的研究还没有。本研究以大兴安岭地区低质林不同诱导改造后的林地为研究对象，探讨低质林林分不同诱导改造后土壤呼吸变化影响因子，以期为全球碳“源与汇”的研究和制定高效低质林改造模式提供基础理论依据。

1 研究区概况

该试验区设在黑龙江省大兴安岭翠峰施业区174林班内，位于翠峰至古里公路12～14 km北侧。该地区地势平缓，立地条件好，海拔370～420 m。气候属寒温带大陆性季风气候区，年均气温－1.4℃，最低气温－45.4℃，最高气温37.3℃，≥10℃积温1806℃;年均降水量500 mm，多集中于6、7、8月;年均蒸发量1151.5 mm，年均日照时数2653.8 h，无霜期103～121 d。土壤为棕森土，土壤厚度15～30 cm，成土母质为酸性母岩风化物，土壤肥沃。

2 研究方法

样地设置:翠峰施业区174林班是以胡枝子—黑桦、柞树为主的天然阔叶次生林，将试验区分别进行6、10、14、18 m带宽顺山皆伐改造，在不同皆伐带上均种植西伯利亚红松(Pinus koraiensis)。在每条改造带内和未干扰对照样地上按“S”型选取5个观测点，并埋入内径为20 cm的 PVC土壤环，保留PVC土壤环内凋落物的自然状态。待测量完毕后，进行地形以土壤因子及枯落物因子的调查。

土壤呼吸测定:采用LI－8150多通道土壤碳通量自动测量系统测定土壤表面CO2通量，以60 min为一测量周期，全天重复测量24次。同步测量同一水平线上不同带宽PVC内土壤呼吸速率，每条水平线上的观测点连续观测3 d，从8月2日到8月16日共观测15 d。采用LI－8150配套的土壤温度和湿度传感器测定距地表10 cm处的土壤温度和湿度。

土壤理化性质和枯落物的测定:测量完毕后，取PVC土壤环内未分解层和半分解层枯落物，在每个取样点取土壤剖面为0～10 cm的土壤，土壤样本经实验室风干后进行分析。土壤物理性质用容积100 cm3的环刀在0～40 cm土层采取土样，重复3次，将土壤样本带回实验室测定分析。土壤含水量用酒精燃烧法测定，用环刀法测定土壤容重和其它土壤物理性质。土壤pH值采用V(水)∶V(土)=50∶1，用酸度计测定;土壤有机质采用油浴重络酸钾氧化法;水解性氮采用碱解扩散法测定;有效磷采用氢氧化钠浸提—钼锑抗比色法测定;速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定。以上分析方法见森林土壤分析方法［10］。

3 结果与分析

3.1 不同带宽诱导改造土壤呼吸速率分析

比较不同带宽诱导改造后土壤呼吸数据可知(见表1)，所有诱导改造方式与对照样地相比土壤呼吸速率均有不同程度的升高，表现为18 m带宽诱导改造林地 6.51 μmol·m－2·s－1＞10 m 带宽诱导改造林地 5.33 μmol·m－2·s－1＞14 m 带宽诱导改造林地5.26 μmol·m－2·s－1＞6 m 带宽诱导改造林地3.53 μmol·m－2·s－1＞对照样地 3.12 μmol·m－2·s－1。经LSD多重检验表明，随着带宽的加大土壤呼吸速率都有不同程度的升高(14 m带宽除外)，且所有诱导改造方式土壤呼吸速率均与对照样地有显著差异(p＜0.05)。除10 m带宽和14 m带宽方差分析不显著外(p＞0.05)，所有诱导改造方式两两LSD检验均有显著差异。说明不同带宽皆伐诱导改造后对土壤呼吸速率有显著的影响，这与郭辉等［11］研究小兴安岭不同带宽皆伐后土壤呼吸速率无显著差异的结果有所差异，其主要原因是本实验是在种植西伯利亚红松诱导改造后测量的，说明西伯利亚红松林下的微环境对土壤呼吸速率的大小有显著的影响。

表1 不同带宽诱导改造土壤呼吸速率的比较

3.2 不同带宽诱导改造土壤物理性质对土壤呼吸速率的影响

阔叶次生林在不同带宽诱导改造后，与对照样地相比，土壤密度均有不同程度的升高(18 m带宽除外)，但方差分析不显著(p＞0.05)，见表2。土壤最大持水量、毛管持水量、总孔隙度和毛管孔隙度与对照样地相比均有下降的趋势。各个土壤物理指标与同一诱导改造条件下的土壤呼吸速率分别做Spearman相关性检验，除18 m带宽外，其余诱导改造方式土壤密度与土壤呼吸速率均有显著负相关性(p＜0.05)，这与 Bouma［12］和 Silver［13］的研究结果相一致。6 m带宽土壤最大持水量和18 m带宽土壤总孔隙度与土壤呼吸速率有显著的正相关外，其余物理量均未通过Spearman相关性检验(p＞0.05)。

3.3 不同带宽诱导改造土壤化学性质、枯落物对土壤呼吸速率的影响

阔叶次生林在不同带宽诱导改造后，与对照样地相比，土壤有机质有不同程度的降低，但土壤水解氮、速效钾的质量分数均有不同程度的升高。不同带宽诱导改造土壤有机质、水解氮、有效磷、速效钾质量分数均有不同程度的差异性(p＜0.05，见表3)。在Spearman相关性检验中，不同带宽诱导改造后土壤有机质与土壤呼吸速率表现出显著正相关性的规律(除10 m带宽外)，其余的指标与土壤呼吸速率无显著的规律。与对照样地相比，枯落物质量均有所减少，同时半分解层枯落物的多少与土壤呼吸速率也表现出显著的正相关性(p＜0.05)。

表2 不同带宽诱导改造土壤物理性质与土壤呼吸速率

表3 不同带宽诱导改造土壤化学性质、枯落物与土壤呼吸速率

3.4 不同带宽诱导改造土壤温度与土壤呼吸速率的关系

本文采用指数模型y=aebt模拟土壤呼吸速率与土壤温度的关系，模型中:y为实验所测的土壤呼吸速率;t为土壤的温度;a为0℃时土壤呼吸速率值;b为温度反应系数。由图1可知，随着皆伐带宽的增加土壤呼吸速率与土壤温度的相关性有不同程度的升高，其相关系数分别为60.14%、65.36%、78.31%、81.03%、68.38%。Q10是衡量土壤呼吸的温度敏感系数，Q10的表达式为:Q10=e10b。根据指数模型可得，6 m带宽、10 m带宽、14 m带宽、18 m带宽和对照样地 Q10值分别为:3.72、1.09、2.77、4.31、2.58。皆伐带宽为18 m的西伯利亚红松林下的土壤呼吸速率对距地表下10 cm的土壤温度敏感性最强，而皆伐带宽为10 m诱导改造林土壤温度敏感性最弱。

图1 不同带宽诱导改造土壤温度与土壤呼吸的影响曲线

本文采用二次多项式模拟土壤呼吸速率与土壤含水量的关系，所有不同带宽诱导改造林的相关性均好于对照样地，其相关系数分别为81.50%、75.02%、68.73%、72.08%、53.787%(见图 2)。无论什么改造方式都体现出随着土壤含水量的升高土壤呼吸速率逐渐升高，但达到一定临界值后土壤呼吸速率呈现出下降的趋势，而不同诱导改造林这一临界值不同。

图2 不同带宽诱导改造土壤含水量与土壤呼吸的影响曲线

4 结论与讨论

森林土壤的扰动和利用方式的改变影响着土壤结构稳定性和土壤的养分含量，同时也影响着土壤微生物多样性，进而影响着土壤呼吸速率［14－15］。所有不同带宽诱导改造林土壤呼吸速率均高于对照样地，与对照样地相比，6 m带宽诱导改造林、10 m带宽诱导改造林、14 m带宽诱导改造林、18 m带宽诱导改造林分别高出 13.14%、70.83%、68.59%、108.65%。林地微环境、土壤理化性质和枯落物的产量调控着微生物的、生物量和反硝化作用，同时也影响着植物根系的生长量，进而影响土壤呼吸速率［16］。林地在受到干扰的情况下，微环境的改变从而使得土壤呼吸速率增加。

大兴安岭地区阔叶低质林经过不同带宽皆伐并种植西伯利亚红松后，与对照样地相比，土壤容重有不同程度的升高，而土壤最大持水量、毛管持水量、总孔隙度和毛管孔隙度均有下降的趋势，这与刘美爽等［17］研究小兴安岭低质林采伐改造后土壤物理性质的变化规律相似。在各土壤物理指标与同一诱导改造条件下的土壤呼吸速率做Spearman相关性检验中，土壤密度与土壤呼吸速率均有显著负相关性(p＜0.05)。这是因为土壤的物理质地影响着土壤CO2的传输，土壤密度越小，土壤CO2通过充气孔隙的扩散更为自由。在不同带宽诱导改造后土壤有机质、水解氮、有效磷、速效钾质量分数均有不同程度的差异性，说明森林土地利用方式的改变对土壤的化学性质有着显著的影响。土壤呼吸速率与土壤有机质含量、半分解层枯落物质量表现出显著的正相关性，这是因为枯落物和有机质的多少影响着微生物群落的生物量，而微生物群落的呼吸是土壤呼吸的主要来源之一［18］。Raich等［19］研究了森林生态系统中，年土壤呼吸速率与地上部分凋落物产量呈正相关性，初级生产提供了驱动土壤代谢活动的有机燃料。

Q10是衡量土壤呼吸的温度敏感系数，不同带宽土壤呼吸速率对土壤温度的敏感程度不同，这是因为经过诱导改造后不同带宽林分引起周围微环境的改变，而土壤温度对土壤有机物分解、根系呼吸、土壤微生物等活动有着显著影响［20］。在一定范围内土壤含水量的升高使得土壤呼吸速率逐渐升高，但在水分胁迫下的情况下土壤呼吸速率出现降低，不同的带宽土壤呼吸速率下降拐点不同。

本文分析了大兴安岭地区阔叶低质林在不同带宽皆伐并种植西伯利亚红松后土壤理化性质、枯落物质量、土壤温度、土壤湿度这些因子对土壤呼吸的影响。但土壤呼吸速率的大小受多因子的交互影响，这些因子对土壤呼吸速率影响到底有多大还需要在以后的研究中进行更深入的研究探讨。

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