桉树人工林夏冬两季土壤呼吸昼夜变化

唐庆兰，邓紫宇，任世奇，杨中宁，朱俊华，张 宇

(1. 广西林业科学研究院 广西吴圩森林生态系统定位观测研究站 国家林业局中南速生材繁育实验室 广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁530002；2. 广西国有七坡林场，广西 南宁530011；3. 广西国有大桂山林场，广西 贺州 542800)

桉树人工林夏冬两季土壤呼吸昼夜变化

唐庆兰1，邓紫宇1，任世奇1，杨中宁2，朱俊华3，张 宇3

(1. 广西林业科学研究院 广西吴圩森林生态系统定位观测研究站 国家林业局中南速生材繁育实验室 广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁530002；2. 广西国有七坡林场，广西 南宁530011；3. 广西国有大桂山林场，广西 贺州 542800)

采用LI-COR公司生产的LI-8100土壤碳通量测量系统，测定了广西桉树萌芽林土壤呼吸昼夜变化特征。结果表明，桉树萌芽林土壤呼吸速率昼夜变化明显，基本为单峰型曲线，呼吸速率最强时间出现在下午或傍晚，在14:00—18:00之间，呼吸速率最弱时间出现在凌晨3:00—6:00之间；夏季的土壤呼吸速率明显高于冬季；在一个昼夜间桉树萌芽林土壤呼吸速率随10 cm土壤温度的升高而增强，不同的季节范围内土壤呼吸速率也随土壤温度的升高而增加，土壤呼吸速率与10 cm土壤温度呈指数相关关系或线性相关关系；桉树萌芽林10 cm土壤含水率对土壤呼吸速率无明显影响。

土壤呼吸；桉树；昼夜变化；人工林

森林土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳储存库，占全球土壤碳库的73%[1]。森林土壤中的碳通过土壤呼吸向大气释放CO2，因此，森林土壤呼吸微小的变化都会影响大气中CO2的含量[2]。土壤呼吸是指土壤释放CO2的过程，由土壤微生物、植物根系以及土壤动物呼吸和土壤中含碳物质化学氧化等过程组成[3-4]。土壤呼吸作用是一个复杂的过程，受气温、土壤温度、土壤含水量、凋落物、土壤C/N含量、植被类型、根系生物量和土壤动物等因素影响[5]。

桉树(Eucalyptus)是全球速生丰产林发展的重要树种[6]，近年来，我国南方桉树人工林面积剧增，在我国南方森林面积中比例不断增加，在森林土壤碳输出过程中发挥着重要作用。对桉树人工林土壤呼吸研究的报道不多[7-8]，尾巨桉(E. urophylla × E. grandis)无性系林地土壤呼吸的研究尚未见报道。本文以尾巨桉无性系萌芽林为研究对象，研究其土壤呼吸的昼夜变化规律，分析土壤温度和水分对土壤呼吸的影响，为南方桉树无性系人工林碳输出的研究提供土壤呼吸资料。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地为3年生的尾巨桉萌芽林，位于广西吴圩森林生态系统定位观测研究站内，地理位置为107°59′ ～ 108°18′ E，22°28′ ～ 22°46′ N。站区以丘陵地貌为主，坡度5° ～ 25°，平均坡度15°。属南亚热带气候，全年日照时数在1 800 h以上，太阳辐射量在105 ～ 110 kal·cm-2·a-1，全年平均气温在21 ～ 22℃，活动积温7 500℃。全年降雨量1 200 ～ 1 300 mm，相对湿度为79%左右。土壤以砖红壤为主，有少量紫色土和棕色石灰土，平均含沙量23%，砂页岩母质。土层1 m左右，土壤酸度高，土壤肥力中等。桉树林郁闭度约为0.7，林下灌草盖度为100%。林下常见灌木有桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)、野牡丹(Melastoma candidum)、越南悬钩子(Rubus cochinchinensis)、岗松(Baeckea frutescens)、杜茎山(Maesa japonica)、盐肤木(Rhus chinensis)、余甘子(Phyllanthi fructus)、毛果算盘子(Glochidion eriocarpum)等，草本有铁芒箕(Gleichenia linearis)、弓果黍(Cyrtococcum patens)、华南鳞盖蕨(Microlepia hancei)、五节芒(Miscanthus floridulus)、半边旗(Pteris semipinnata)、金茅(Eulalia speciosa)、野香茅(Cymbopogon goeringii)、画眉草(Eragrostis pilosa)等。

1.2 试验设计及测定

2013年6—8月、12月及2014年1—2月，每个月下旬进行测定，设置3个20 m × 20 m的样地，样地内按“之”字形设置5个样点，共15个样点，样点至少距离树根部1.5 m。第一次测定前，提前3 d在每个样点用内径20 cm的PVC环打入土层7 cm，露出地面3 cm，待PVC环与土壤接触紧密后，采用LI-8100土壤呼吸测定系统进行测定。每个月下旬选择晴天或多云的天气进行一个昼夜的测定(白天间隔2 h测定一次，晚上间隔3 h测定一次)[7,9]。测定土壤呼吸的同时使用LI-8100自带的温度探针和湿度探针同步测定土壤表层 10 cm的温度和湿度。

1.3 数据处理

每个样地取 5个样点测定平均值进行统计分析，用Excel进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 桉树萌芽林土壤呼吸昼夜变化规律

从图1可知，桉树萌芽林春季和冬季土壤呼吸昼夜变化趋势基本一致。土壤呼吸速率昼夜变化曲线基本都为单峰型，呼吸速率最强时间出现在下午或傍晚，在14:00—18:00间，呼吸速率最弱时间出现在凌晨3:00—6:00间。一般情况下，土壤呼吸速率从上午8:00开始逐渐增强，在下午到达最高值后又开始逐渐下降。但不同的季节、不同的天气情况，土壤呼吸速率变化存在一定的波动性，如8月份呼吸速率从18:00的最大值4.52 μmol·m-2·s-1降至21:00的 3.02 μmol·m-2·s-1，到凌晨时刻又上升至 3.89 μmol·m-2·s-1。

夏季土壤呼吸日均值明显高于冬季，夏季6—8月平均土壤呼吸速率分别为2.46 μmol·m-2·s-1、3.01 μmol·m-2·s-1、3.48 μmol·m-2·s-1；冬季12月、1—2月平均土壤呼吸速率分别为1.91 μmol·m-2·s-1、1.04 μmol·m-2·s-1、1.22 μmol·m-2·s-1。7月土壤呼吸昼夜变幅最大，最高呼吸速率值比最低的高 1.99 μmol·m-2·s-1，2月土壤呼吸昼夜变幅最小，最高呼吸速率值比最低的高0.29 μmol·m-2·s-1。

2.2 桉树萌芽林土壤呼吸昼夜动态与土壤温度变化关系

土壤温度是影响土壤呼吸的主要因子之一，土壤温度的变化可以解释大部分土壤呼吸速率的变化[10]。

从图1可知，桉树萌芽林土壤呼吸速率昼夜变化趋势与10 cm土壤温度昼夜变化的趋势具有较高的相似性，为单峰型。土壤温度最高出现在下午14:00—18:00，最低出现在早上6:00—8:00。夏季 6—8月土壤温度平均分别为 26.15℃、27.14℃、27.19℃，冬季12月、1—2月土壤温度平均分别为15.33℃、12.57℃、16.70℃。

图1 桉树人工林土壤呼吸与10 cm土壤温度日变化

土壤呼吸速率在一个昼夜间随土壤温度的升高而增强。不同的季节范围内，土壤呼吸速率也随土壤温度的升高而增加。在测定时间范围内，8月土壤呼吸速率值最大，平均值为3.48 μmol·m-2·s-1，相对应，8月 10 cm土壤温度值也最高，平均为27.19℃；1月土壤呼吸速率值最低，平均值为1.04 μmol·m-2·s-1，此时相对应的10 cm土壤温度值也最低，仅为12.57℃。

相关研究表明，土壤温度对土壤呼吸速率R的影响通常用指数模型或线性模型来表示[8,11]，进一步分析土壤呼吸速率与土壤温度的关系，发现土壤呼吸速率与 10 cm土壤温度存在极显著的相关关系，指数相关关系中R2达到0.744(P＜0.001)，线性相关关系中R2达到0.704(P＜0.001) (图2)。

图2 土壤呼吸速率和10 cm土壤温度的关系散点

2.3 桉树萌芽林土壤呼吸昼夜变化与土壤水分的关系

土壤水分在一定范围内，对土壤呼吸速率的影响很小，但当土壤水分成为胁迫因子时，特别是在干旱或半干旱地区，对土壤呼吸速率影响明显增大，甚至取代土壤温度，成为土壤呼吸的主要控制因子[12]。

从图3可知，10 cm土壤含水率相对稳定，在一个昼夜间波动很小，相同的季节内变化也不大。土壤含水率相对较高，冬季土壤含水率也高于20%，但夏季土壤含水率明显高于冬季。

与图1进行对比，在一个昼夜间，土壤含水率变化很小，对土壤呼吸速率的变化未发现明显的影响，说明土壤水分未形成胁迫因子。

图3 土壤含水率日变化

3 结论

(1) 桉树萌芽林土壤呼吸速率昼夜变化曲线基本为单峰型，呼吸速率最强时间出现在下午或傍晚，在14:00—18:00间，呼吸速率最弱时间出现在凌晨3:00—6:00间，与土壤温度的昼夜变化具有相似性。夏季的土壤呼吸速率明显高于冬季。

(2) 影响土壤呼吸的因子主要有土壤温度、土壤水分、凋落物、土壤微生物植物细根量、地面温度和湿度等，其中土壤温度是影响土壤呼吸的主要因子，土壤呼吸速率随温度变化的指数方程能解释土壤呼吸的绝大部分变化[12]，研究发现土壤呼吸速率与10 cm土壤温度呈极显著的相关关系，指数相关关系和线性相关关系的相关系数 R2均在 0.7以上，这与唐燕飞[13]分析栎林和松林土壤呼吸与地下5 ～ 15 cm土壤温度存在显著相关性的结果一致。

(3) 桉树萌芽林10 cm土壤含水率在同一季节里变化不大，且土壤含水率相对较高，冬季土壤含水率在35%左右，冬季土壤含水率在22%左右，对土壤呼吸速率未发现明显影响。土壤水分对土壤呼吸的影响是一个比较复杂的过程，要了解土壤水分对土壤呼吸的影响，需要进一步观测和分析。

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Diurnal Patterns of Soil Respiration under Eucalyptus Plantations in Summer and W inter

TANG Qing-lan1, DENG Zi-yu1, REN Shi-qi1, YANG Zhong-ning2, ZHU Jun-hua3, ZHANG Yu3
(1. Guangxi Forestry Research Institute, Wuxu Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi, Key Laboratory of Central South Fast-growing Timber Cultivation of Forestry Ministry of China, Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation, Nanning 530002, Guangxi, China; 2.Guangxi Qipo Forest Farm, Nanning 530225, Guangxi, China; 3. Guangxi Daguishan Forest Farm, Hezhou 542800, Guangxi, China)

Soil carbon flux measurements were undertaken using a LI-COR LI-8100 device to measure soil respiration in coppiced Eucalyptus plantations in Guangxi. The results showed that there were significant variations in the soil respiration rates under Eucalyptus coppice plantations during a single day and between days. Soil respiration rates showed a single peak w ith the maximum respiration rates appearing during the period 14:00 to 18:00 pm, and the minimum appearing during the period 3:00 to 6:00 am. Respiration rates were higher in summer than in w inter. The respiration rates increased w ith increased soil temperatures at 10 cm depth. The soil respiration rates also increased w ith increased soil temperatures at 10 cm depth in different seasons. The respiration rates exhibited exponential relationships or linear relationships w ith the soil temperature at 10 cm depth. Soil moisture at 10cm depth had little influence on soil respiration rate.

soil respiration; Eucalyptus; diurnal variation; plantations

S714

A

2014-09-02

广西科技厅基本科研业务费项目(林科〔2012〕19号)

唐庆兰(1980— )，女，高级工程师，主要从事桉树遗传改良与栽培技术研究.E-mail:tangqinglan_2004@126.com