模拟土壤增温对杉木幼苗生长影响研究初报

林廷武，刘小飞，林伟盛，熊德成，胥 超，林成芳，陈仕东，杨玉盛

(湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州350007)

IPCC第4次评估指出，到21世纪末，全球平均气温将升高1.1～6.4℃，气候变暖将对陆地植物的生长产生重要而深远的影响［1］。研究表明，气候变暖对温带森林物候节律具有诱导作用，使植物生长提前、休眠推迟从而增加生态系统碳吸存［2-3］，同时也会改变草本植物的群落组成［4］，甚至降低种子的萌芽率［5］。与寒带和温带物种不同，热带和亚热带地区物种生长区域温度季节性变化小、气候条件相对稳定［6］。因此，热带、亚热带植物对温度适应范围相对较窄，从而限制了植物对气候变化的适应潜力［7-8］。有限的研究表明，热带地区气候变暖将降低植物的最大光合作用速率，而且对成熟树木的影响大于藤本植物［9］，甚至有些植物出现顶端枯死或死亡现象［10-11］。杉木是中国南方地区的主要人工造林树种，栽培历史悠久，其面积占中国人工林面积的21.35%［12］。因此，采用土壤增温方法探讨杉木的生长对未来气候变暖的响应，可为中国杉木人工林经营提供科学依据。

1 试验地概况及研究方法

1.1 研究区概况

［13］。

1.2 实验处理与内容

实验小区面积2 m×2 m，设增温 (W)与对照 (CK)2种处理，每种处理5个重复。2013年10月在小区地表10 cm深处安装加热电缆，平行布设，间距20 cm;2013年11月种植杉木幼苗，每个小区种植4棵杉木苗，每棵杉木幼苗分别距小区边缘50 cm处，种植在2条电缆 (20 cm)中间处，分别标号标记;2014年3月31日进行观测 (3月份开始增温)，土壤增温幅度为5±0.5℃。

地径每月月底 (30或31号)观测1次，树高、侧枝 (选取一条侧枝)生长量每月10、20和30号(或31号)观测1次，换算成年、日生长率。采用数据时间为2014-03-31—2014-08-31。

1.3 数据分析

采用SPSS17.0的One-Way ANOVA检验不同处理间地径、树高和侧枝生长量的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 土壤增温对温度与含水量的影响

土壤增温条件下，不同时期增温样地土壤温度均高于对照，W均温为31.57℃，CK为26.33℃，温差5.24℃，达到预期效果 (图1a);W处理土壤含水率为20.39%，与CK相比W处理土壤含水量降低17.7%(图1b)。

2.2 土壤增温对杉木长势的影响

3—6月土壤增温促使杉木林下植被生长速率加快;7—8月受高温影响，土壤增温土壤含水率降低 (图1b)，土壤有机质分解速率和养分受到限制，杉木无法得到足够的水分和养分，从而影响杉木生长并发生杉木叶片变黄现象，杉木生长速率变慢，生产力降低 (图2)。

2.3 增温对杉木地径生长的影响

由图3a可知，整个观测期间CK与W处理地径日均生长量两者之间无显著差异 (CK为2.12 mm·d－1，W为1.96 mm·d－1)，但在不同时期CK与W处理间日均生长速率并不相同。4—6月份每月地径日均生长量无显著差异，7—8月份W处理地径日均生长量分别为2.57 mm·d－1和 2.24 mm·d－1，与 CK 相比W处理地径日均生长量分别降低20.4%和30.5%。图3b中看出，3—8月W与CK地径总生长量无显著差异。

图1 土壤增温与对照温度、含水率变化Figure 1 Soil temperature and moisture changes caused by warming

图2 增温与对照生长情况Figure 2 The growth comparison of warming and control

图3 增温与对照地径生长量变化Figure 3 Ground diameter changes caused by warming

2.4 增温对杉木树高生长的影响

由图4a可知，整个观测期间CK与W处理杉木树高生长趋势基本一致，并且日均树高生长量无显著差异 (CK为0.72 cm·d－1，W为0.71 cm·d－1)。2种处理杉木生长在4月底 (W:1.25 cm·d－1，CK:1.19 cm·d－1)和7月底 (W:1.31cm·d－1，CK:1.64 cm·d－1)2个时间段出现生长小高峰。在不同时间段CK与W处理日均生长速率并不相同，7月20日、7月31日、8月10日、8月31日W处理日均生长值分别为 0.54 cm·d－1、1.31 cm·d－1、0.36 cm·d－1、0.60 cm·d－1，与 CK相比 W生长量分别降低 53.6%、20.0%、48.6%、54.8%。图4b中看出，3月31日—7月20日W与CK树高总生长量一致，而7月31日—8月31日CK生长量高于W，与CK相比W总生长量降低11.58%，但差异不显著。

图4 增温与对照树高生长量变化Figure 4 Height changes caused by warming

2.5 增温对杉木侧枝生长的影响

由图5a可知，观测期间(4—8月)CK与W处理杉木侧枝生长趋势基本一致，并且日均树高生长量无显著差异(CK 为 0.42 cm·d－1，W 为0.31 cm·d－1)。2种处理在5月 初 (CK:1.51 cm · d－1，W:1.29 cm·d－1)生长速率较快，出现小高峰。在不同时期，2种处理日均生长速率并不相同，6月20号W处理日均生长速率为0.96 cm·d－1，与CK相比，W生长速率提高64.6%。6月 30号、7月 20日、7月31日、8月31日 W处理日均生长速率分别为0.27 cm · d－1、0.11 cm · d－1、0.33 cm·d－1、0.04 cm·d－1，与CK相比，W处理生长速率分别降低 58.3%、76.6%、21.7%、89.5%。图5b可知，3月—8月CK与W总生长量无显著差异。

图5 增温与对照侧枝生长量变化Figure 5 Lateral branch changes caused by warming

3 小结

土壤增温改变了杉木生长节律，甚至使杉木叶片变黄。土壤增温5个月之后杉木地径日均生长速率降低20.4% ～30.5%，显著低于CK处理;CK处理杉木树高日均生长速率为0.36～1.31 cm·d－1，与CK相比，W使杉木树高日均生长速率降低20.0%～54.8%;杉木侧枝生长在5月底CK和W处理均出现生长小高峰，至7月份开始，W处理杉木侧枝日均生长速率为0.04～0.33 cm·d－1，比CK处理生长速率低21.7%～89.5%。因此，在未来气候变暖背景下，亚热带地区杉木人工林生长可能会受到限制，降低杉木生长速率，进而降低杉木生产力，降低杉木人工林碳汇能力。

参考文献 (References):

［1］IPCC．Climate change:The physical science basis．Contribution of working group Ito the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［R］．Cambridge:Cambridge University Press，2007．

［2］Clark J S，Melillo J，Monhan J，et al．The seasonal timing of warming that controls onset of the growing season ［J］．Global Change Biology，2014，20(4):1136-1145．

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［12］The State Forestry Administration．China's Forest Resources Report:The Seventh National Resources Inventory［M］．2009:27．［国家林业局．中国森林资源报告—第七次全国资源清查 ［M］．2009:27．］

［13］Liu Xiao-fei，Lin Ting-wu，Xiong De-cheng，et al．Interactive responses of undergrowth vegetation biomass in Chinese-fir to soil warming and precipitation separation［J］．Journal of Subtropical Resources and Environment，2014，9(3):92-95．［刘小飞，林廷武，熊德成，等．土壤增温及隔离降雨对杉木幼林林下植被生物量的影响 ［J］．亚热带资源与环境学报，2014，9(3):92-95．］