水土保持措施对板栗林土壤呼吸的影响

叶功富，黄石德†，杨智杰，陈桢，朱洪如

(1.福建省林业科学研究院;2.福建师范大学;3.福建农林大学;4.福建省林业调查规划院:350000，福州)

土壤的严重侵蚀会导致土壤有机碳库的大量损失，并降低土壤的质量;因此，水土保持措施作为一项维持土壤肥力的措施在土壤侵蚀严重的地区被广泛采用。然而它因改变了微地形的形态，引起土壤水分、结构、有机质质量分数及养分质量分数的变化［1-3］，势必会影响土壤微生物的分解活动，从而改变土壤呼吸速率的特征。我国存在大面积的侵蚀退化地区，据报道2005年我国水土流失面积达356万km2，每年土壤流失总量高达 50 多亿 t［4］，大量的水土保持措施被应用，而水土保持措施的广泛使用必然会对原先自然状态的土壤碳排放进程施加重大影响，从而改变其对未来全球气候变化的反馈机制。目前，有关水土保持措施对土壤的效应研究仍局限在土壤的结构特征变化、土壤的水库及碳库效应等方面［5-6］，对土壤碳排放及其响应机制的相关研究涉及较少;因此，笔者选择土壤侵蚀严重地区的闽西北不同类型的板栗(Castanea mollissima)林为研究对象，比较分析有无施行水土保持措施的土壤含水量、土壤呼吸季节动态的差异，同时探讨采取水土保持措施后，土壤呼吸季节动态以及土壤温度和湿度对土壤呼吸影响的变化情况，进而为土壤侵蚀严重地区固碳减排模式的评估提供技术支撑。

1 试验地概况

试验地位于福建西部长汀县河田镇(E 116°18′～116°31′，N 25°33′～ 25°48′)，属中亚热带季风气候区。年均降雨量1 737 mm，年均气温17.5～18.8℃，平均无霜期260 d，平均日照时间1 924.6 h，≥10℃积温为4 100～4 650℃。河田镇属河谷盆地，土壤属山地红壤，成土母岩属粗晶花岗岩。土层虽然深厚，但结构疏松，含砂量大，结构不良，抗蚀能力差，是南方水土流失最严重的土壤类型。地带性植被(常绿阔叶林)破坏殆尽，而板栗作为长汀县土壤侵蚀严重区域进行植被恢复的重要举措以及当地的特色产业而被大力推广。

本研究共选择了4种不同类型的板栗林作为供试样地，每公顷栽植均为390株左右。其中样地Ⅰ和Ⅱ为2003年种植，样地Ⅰ板栗林采用的是顺坡种植，无施用任何水土保持辅助措施;而样地Ⅱ则在种植板栗当年，进行梯田整地，其中梯面宽2.5～3 m，另于翌年在梯田内侧挖深宽均为30 cm的蓄水沟，外侧作埂，埂高15 cm。样地Ⅲ和Ⅳ则为1996年种植，样地Ⅲ板栗林亦是顺坡种植，无任何水土保持辅助措施，而样地Ⅳ则在种植的当年，进行梯田整地，梯面宽2.5～3 m，另在翌年在梯田内侧挖深宽均为30 cm的蓄水沟，外侧作埂，埂高15 cm。4个供试板栗林具体特征及土壤(0～10 cm)基本理化性质分别如表1和表2所示。

2 研究方法

2.1 试验设计与土壤呼吸测定

在4种不同类型的板栗林样地内，分别设立1块20 m×20 m的标准样地，按随机取样原则，于每个标准地内分别布设5个土壤呼吸观测点。在每个土壤呼吸观测点上将自制的内径为20.4 cm，高为7.5 cm的PVC环敲入土壤中，其中PVC环插入土壤约4 cm，保留环内的土壤表层枯落物，同时齐地剪去地面植被。测量在埋设PVC环24 h后开始，并保持PVC环在整个测定期间位置不变［7］。土壤呼吸速率采用Li-8100土壤CO2测量系统测定。于2009年3月开始，在每月下旬选择晴朗无风天气，于09:00—11:00期间观测1次(谢锦升等［8］研究表明09:00—11:00测得的土壤呼吸速率与土壤呼吸1 d的均值接近)，连续重复观测3 d，取3 d的平均值作为该月土壤呼吸速率值，土壤呼吸的测定至2010年9月结束。利用Li-8100附带的土壤温度探头测定5 cm深土壤温度。在测定土壤呼吸的同时，在各土壤呼吸观测点附近随机打土钻，取样深度为0～5 cm，用小铝盒取土样，带回实验室，采用烘干法测定土壤含水量。

表1 4个供试板栗林试验地的基本概况Tab．1 Basic status of sample plots in four Castanea mollissima plantations

表2 4个供试板栗林试验地土壤(0～10 cm)基本理化性质Tab．2 Physical and chemical properties of soil in four Castanea mollissima plantations

2.2 数据分析

所有的统计分析都在SPSS13.0软件中进行，用One-Way ANOVA检验土壤含水量、土壤呼吸在有无采取水土保持措施的差异性，用非线性回归方程回归检验土壤呼吸与土壤温度以及土壤温、湿度间的相关性。所有统计的显著性水平均为P=0.05。用Excel 2003软件作图。

土壤呼吸温度响应用Q10方程［9］进行模拟。

式中:Rs为土壤呼吸速率(soil respiration rate)，μmol/(m2·s);R10为土壤温度为10℃时土壤呼吸速率，亦称为参考呼吸(reference respiration)，μmol/(m2·s);t为5 cm处土壤温度，℃;Q10为土壤呼吸的温度敏感性指数(temperature sensitivity index)，即温度每升高10℃土壤呼吸速率变化的比率。

温度和湿度对土壤呼吸的综合作用采用双因素模型

式中:W为0～5 cm土壤含水量，%;a、b、c为模型参数［10］。

3 结果与分析

3.1 对土壤水分的影响

如图1所示，顺坡种植的样地Ⅰ土壤含水量在8.29% ～23.29%之间，平均含水量为14.48%;采取水土保持措施后，样地Ⅱ土壤含水量在9.03% ～26.01%之间，平均含水量为17.15%，仅比样地Ⅰ有一定程度的增加，但未达到显著水平(P＞0.05)。1996年顺坡种植的样地Ⅲ土壤含水量在9.57%～25.73%之间，平均含水量为16.79%，与样地Ⅰ和样地Ⅱ无显著差异(P＞0.05);采取水土保持措施后，样地Ⅳ的土壤含水量有显著增加(P＜0.05)，其含水量在10.59%～29.27%之间，平均含水量达到20.20%。试验结果表明，采取水土保持措施后，样地的土壤水分状况得到一定程度的改善，尤其随着采取水土保持措施年限的延长，其对土壤水分时空分布影响更为显著。

图1 不同板栗林样地土壤含水量的月动态Fig．1 Monthly dynamic of soil water contents in different Castanea mollissima plantations

3.2 对土壤温度季节动态变化的影响

水土保持措施的施用对板栗林土壤温度季节变化动态无明显影响，如图2所示，无论是否采取水保措施以及施用年限的不同，4个板栗林样地的土壤温度均呈明显的单峰曲线变化，从3月开始逐渐升高，5—6月间4个板栗林的土壤呼吸速率值先后达到其最大值。之后逐渐降低，12月—翌年1月达到最低值，尔后又逐渐升高。如图2所示，样地Ⅰ、Ⅱ观测期间土壤平均温度分别为21.81和22.63℃，无显著差异(P＞0.05)。样地Ⅲ、Ⅳ观测期间土壤平均温度差异更小，分别为22.64和22.36℃。试验结果表明，水土保持措施的施用对土壤温度的影响有限。

3.3 对土壤呼吸季节动态的影响

试验结果表明，水土保持措施的施用对板栗林土壤呼吸季节变化动态无明显影响，如图3所示，无论是否采取水土保持措施以及施用年限的不同，4个板栗林样地的土壤呼吸速率均呈明显的单峰曲线变化，从3月开始逐渐升高，5—6月间4个板栗林的土壤呼吸速率值先后达到其最大值。之后逐渐降低，12月—翌年1月达到最低值，尔后又逐渐升高。样地Ⅰ、Ⅱ观测期间土壤呼吸的平均速率分别为4.012 和 3.241 μmol/(m2·s)，但仍未达到显著差异(P＞0.05);样地Ⅲ、Ⅳ测定期间土壤呼吸的平均速率差异更小，分别为3.804和4.062 μmol/(m2·s)。变化幅度(最大值与最小值之差除以平均值)以样地Ⅰ最大(186.51%)，其次为样地Ⅱ(161.42%)，样地Ⅲ最小(134.90%)。

图3 不同板栗林样地土壤呼吸速率的月动态Fig．3 Monthly dynamic of soil respiration rates in different Castanea mollissima plantations

3.4 土壤呼吸速率与土壤温、湿度的关系

3.4.1 与土壤温度的关系 参考呼吸R10和温度敏感性指数Q10是反映土壤呼吸温度依赖性的2个重要变量［9］。在样地Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ中，土壤温度能够解释土壤呼吸速率变化的50.6% ～57.3%(表3)，而在样地Ⅳ中，土壤温度则能解释土壤呼吸速率变化的83.7%。顺坡种植样地Ⅰ、Ⅲ的R10分别为1.718和1.595 μmol/(m2·s);采取水土保持措施后，样地Ⅱ、Ⅳ的参考呼吸R10均表现为一定程度的降低，但未达到显著水平(P＞0.05)，分别为1.092和1.324 μmol/(m2·s)。顺坡种植样地Ⅰ、Ⅲ的 Q10分别为1.927和1.899，采取水土保持措施后，Q10均表现为略为增加，样地Ⅱ和样地Ⅳ的Q10分别为2.194和2.293。

3.4.2 土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸的综合影响 由表4可知，在4种不同的板栗园类型中，土壤温度和湿度综合能解释土壤呼吸速率变化的70.4%～90.7%，用土壤温度和土壤湿度的双因素模型显然要优于土壤温度的单因素模型。其中顺坡种植的样地Ⅰ和样地Ⅲ，土壤温湿度分别能解释土壤呼吸速率变化的70.4%和82.1%，而采取水土保持措施后，土壤温湿度对土壤呼吸速率的变化施加更大的影响，样地Ⅱ和样地Ⅳ，土壤温湿度分别能解释土壤温湿度分别能解释土壤呼吸速率变化的72.9%和90.7%。

表3 不同板栗林土壤呼吸速率温度模型参数Tab．3 Parameters of temperature models for soil respiration rate in different Castanea mollissima plantations

表4 不同板栗林土壤呼吸速率温湿度模型参数Tab．4 Parameters of temperature and moisture models for soil respiration in different Castanea mollissima plantations

4 结论与讨论

4.1 水土保持措施对土壤水分的影响

水土保持措施可以通过整地、沟埂的修筑引起微地形的变化，人为创造具有积水能力的“小水库”，将水分临时积蓄，以期达到时空调控水分的目的［3］。本研究结果表明水土保持措施的施行，对样地土壤水分的改善起到一定的作用，尤其随着水保措施施用年限的延长，其对土壤水分时空分配影响更为显著。这与其他学者的研究结果类似，例如:刘娜娜［11］研究黄土高原地区梯田水土保持措施下的土壤水分效应时，认为在培肥条件好的梯田，随着梯田施用年限的延长，其表土的持水能力也得到增强;曲继宗等［12］也得出梯田的储水性能及水分利用率随着耕种年限的延长而增强的结论。

4.2 土壤呼吸对水土保持措施的响应

研究表明，水土保持措施的施用对板栗林土壤呼吸季节动态无明显影响。水土保持措施的施用会改变土壤的水、热环境，将已发育和未发育的土壤层次扰乱，使生土与熟土层混合，导致土壤结构、水分和有机质质量分数等发生改变［5］，势必会影响土壤呼吸速率情况。本研究中样地Ⅰ和Ⅲ的参考呼吸R10分别为1.718 和 1.595 μmol/(m2·s);而采取水土保持措施后，样地Ⅱ和Ⅳ的R10均表现为一定程度的降低，分别为 1.092 和 1.324 μmol/(m2·s)。本研究表明水土保持措施对参考呼吸R10有一定程度的影响:本研究中的样地Ⅱ和Ⅳ由于水土保持措施的施用，受到降水侵蚀造成的土壤扰动的影响较少，在较低的温度下，土壤微生物的代谢活动剧减，活性减弱，逐渐进入休眠状态［13］，故样地Ⅱ和Ⅳ有较低的土壤呼吸速率;而样地Ⅰ和Ⅲ由于未采取水土保持措施，降水的击溅侵蚀加剧表层土壤的扰动，促进表层土壤CO2的释放，因此在较低的土壤温度下，仍具有较高的土壤呼吸速率。

Q10是检验土壤呼吸温度依赖性的重要指标，被广泛作为一个土壤呼吸温度的敏感性因子，它反映了包含不同土壤微生物群落、根系及凋落物分解的温度敏感性，受到微生物群落类型、凋落物输入和根生物量等多因素的影响［14］。样地Ⅰ和Ⅲ的温度敏感性指数Q10分别为1.927和1.899，本研究结果发现水土保持措施的施用，其土壤呼吸的温度敏感性有所增加。尤其是随着施用年限的延长，趋势更为明显，样地Ⅳ土壤呼吸的温度敏感性Q10为2.293。这可能主要是由于采取水土保持措施的样地Ⅱ和Ⅳ，土壤水分环境的改善，间接调节了土壤碳和养分的可利用状况，从而促进了不同土壤微生物区系和植物根系的生长［15］，使其有较高的温度敏感性指数。

本研究发现采取水土保持措施后，土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸速率的影响有一定程度的增强。这主要是由于采取水土保持措施后，改善了土壤的水分状况、结构及土壤有机质质量分数，充足的水分和适宜的土壤结构，将给土壤微生物的分解提供一个更为良好的生存环境，使土壤呼吸对非生物因素(主要指温度和湿度)的响应变得更为显著。

从本研究结果发现当温度较低时，采取水土保持措施的样地明显有更低的土壤呼吸速率(有较低的R10)，这是否表明水土保持措施的施用减少冬季土壤碳排放，从而有利于土壤的固碳作用?同时研究中发现采取水土保持措施土壤的温度敏感性有所增加，然而在未来气候变暖的可能场景下，采取水土保持措施的温度敏感性如何变化，是否会在高温下表现出自适应的机制，原先在低温下因采取水土保持措施土壤所固定的那部分碳是否会被重新释放出来，以及不同组分土壤呼吸对采取水土保持措施的响应是否存在差别?这些问题都有待于今后深入研究。

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