地被物载量和密实度对3种林型土壤呼吸的影响

李飞 赵彬清 周晓霞 刘婉云 胡海清 孙龙

摘要：森林火灾改变林下死地被物床层结构，而死地被物床层结构又通过影响地被物温湿度和土壤理化性质等，进而影响土壤呼吸速率。而这到底对土壤呼吸影响多大目前还说不清楚。因此，本实验于2013年8～11月，在哈尔滨市城市林业示范基地研究了3种主要人工林型（白桦林、兴安落叶松林和蒙古栎林）死地被物层床层结构特点，并连续监测了不同床层结构下，3种林型8～11月各月份土壤呼吸速率。结果表明死地被物床层结构对土壤呼吸有显著的影响。3种林型各载量处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足自然状态载量处理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，地被可燃物载量处理对土壤呼吸影响显著。其中白桦林9月份差异变化最显著，蒙古栎林8月份差异变化最显著，兴安落叶松林8月份差异变化最显著。3种林型各密实度处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足压实处理>自然状态>全部清除地被可燃物，地被可燃物密实度处理对土壤呼吸影响显著。其中白桦林9月份差异变化最显著，蒙古栎林8月份差异变化最显著，兴安落叶松林10月份差异变化最显著。研究结果为进一步开展科学的森林地被可燃物管理以及计划火烧对森林生态系统的影响提供科学依据。

关键词：地被物可燃物；床层结构；土壤呼吸；载量

中图分类号：S714

文献标识码：A

文章编号：1001-005X（2015）04-0038-04

全面了解土壤呼吸释放C0₂到大气中的变化规律以及调控因子，对理解和预测未来全球气候变化具有重要的意义。目前，在土壤呼吸调控因子方面研究的比较深刻和透彻。许多研究表明，土壤呼吸和温度之间有明显的相关关系，如线性关系，指数关系和Arrhenius方程等。一般认为，土壤温度是土壤呼吸的主要调控因子；干旱半干旱地区，土壤水分往往取代土壤温度成为土壤呼吸的主要控制因子。土壤呼吸速率与土壤湿度之间的关系也可用多种方程函数来表示，常用的有线性方程、二次方程和双曲线方程等；此外降水，土壤有机酸、氮含量，植被类型等对土壤呼吸也有显著地影响。死地被物层是森林土壤中最重要的一部分，它综合影响着地被物的湿度，土壤理化性质等。然而，地被可燃物床层结构变化对土壤呼吸影响也是很大的，但是目前这方面关注的还很有限。研究并揭示森林采伐、集材运材、迹地清理等森林作业对土壤呼吸的影响及其作用机理，对改善人为扰动对森林生态系统的负面影响、减少C02释放，提高林地生产力和林地更新质量有重要理论价值和实际意义。研究表明皆伐后地被可燃物结构改变，林地表层土壤温度明显升高。压实主要造成土壤容重和机械阻力增加，土壤通气性、持水性和渗透性降，土壤内化学元素吸收受到限制，進而影响植物正常生长。同时压实还降低土壤微生物活性和土壤表面CO₂释放速率。

北方林区是我国森林火灾的多发地区，森林火灾在很大程度上改变了森林死地被物床层结构，进而对森林生态系统的结构和功能都产生了不同程度的影响。因此，本实验选择哈尔滨市城市林业示范基地的白桦（Betula platyphylla）林，兴安落叶松（Larix gmelini）林，蒙古栎（Quercus mongolica）林三种林分作为研究对象，研究人为处理条件下地被可燃物物层床层结构对土壤呼吸速率的影响，为进一步加深理解计划火烧后可燃物床层结构的变化对生态系统的影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

哈尔滨城市林业示范基地位于黑龙江省哈尔滨市南岗区，经纬度：45°43'463"～45°43'464"N，126°37'457"～126°7'458"E，地形平缓，土壤为地带性黑钙土，水分条件良好，属于温带季风性气候，年平均气温3.5℃，年积温2.757℃，年降水量534mm。本研究地点位于该区白桦（Betulaplatyphylla）林，兴安落叶松（Larix gmelini）林，蒙古栎（Quercus mongolica）林内。

1.2 研究方法

于2013年8～11月，用LI-6400光合作用分析仪（配带土壤呼吸室）对白桦林，兴安落叶松林，蒙古栎林进行土壤呼吸测定，两周一次，同时测定了土壤5cm温度。对死地被物层进行控制，8月份在3种林分内分别进行载量调查，确定各林分内自然状态下地被可燃物载量。进一步依据自然状态下森林地被物载量特征，设置为地被可燃物全部去除，地被可燃物去除50%，自然状态下载量等3种处理模式，定期监测土壤呼吸。同时设置样方对林下死地被物层密实度进行处理，在3种林分内设置自然状态，压实处理以及全部清除地被物等3种处理，同步检测土壤呼吸动态变化。

1.3 数据统计和分析

本试验采用Microsoft Excel 2003对数据进行处理，并用SPSS16.0对结果进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 地被可燃物床层结构的量化

本次试验对死地被物层床层结构量化主要考虑地被物载量和密实度2个指标。研究中通过前期测定进行死地被物层载量和密实度梯度设置。自然状态下死地被可燃物床层量化见表1。

2.2 3种林型地被可燃物载量对土壤呼吸的影响

根据野外测得的数据分析得出，白桦林8～11月份3种载量处理模式下土壤呼吸动态变化如图1所示。自然状态载量处理下土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率达最大值为6.59μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%处理下土壤呼吸速率先升高后降低，10月份土壤呼吸速率达到最大值为3.17μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除处理下土壤呼吸速率一直降低，8月份土壤呼吸速率达最大值为2.31μmol/㎡·s。3种载量处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足自然状态载量处理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中9月份和10月份不同处理导致土壤呼吸速率变化差异最显著。

蒙古栎林8～11月份3种载量处理模式下土壤呼吸动态变化如图2所示。自然状态载量处理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率达最小值为3.42μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%处理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率达最小值为2.37μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除处理下土壤呼吸速率先持平后下降，10月份土壤呼吸速率持平为1.90μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率达最小值为1.21μmol/㎡·s。3种载量处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足自然状态载量处理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中8月份不同处理导致土壤呼吸速率变化差异最显著。

兴安落叶松林8月N11月份3种载量处理模式下土壤呼吸动态变化如图3所示。自然状态载量处理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，8月份土壤呼吸速率达最大值为4.64μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率达最小值为1.56μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%处理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率达最大值为2.36μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率达最小值为1.28μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率达最大值为1.20μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率达最小值为0.67μmol/㎡·s。3种载量处理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然状态载量处理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中8月份和10月份不同处理导致土壤呼吸速率变化差异最显著。

3种林型各载量处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足自然状态载量处理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，可以认为地被可燃物载量处理对土壤呼吸影响显著。

2.3 3种林型地被可燃物密实度对土壤呼吸的影响

根据野外测得的数据分析得出，白桦林8～11月份3种密实度处理模式下土壤呼吸动态变化如图4所示。压实处理下土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率达到最大值为6.86μmol/㎡·s。自然状态处理下土壤呼吸速率先升高后降低，10月份土壤呼吸速率达到最大值为4.00μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物处理下土壤呼吸速率一直降低，8月份土壤呼吸速率达到最大值为1.41μmol/㎡·s。除8月份压实处理下土壤呼吸速率略低于自然状态下土壤呼吸速率外，其他各月份土壤呼吸速率均满足压实处理>自然状态>全部清除地被可燃物，其中9月份和10月份不同密实度处理导致土壤呼吸速率变化差异最显著。

蒙古栎林8月～11月份3种密实度处理模式下土壤呼吸动态变化如图5所示。压实处理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率达到最小值为2.10μmol/㎡·s。自然状态处理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率达到最小值为1.34μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物处理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率达到最小值为1.11μmol/㎡·s₀3种密实度处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足压实处理>自然状态>全部清除地被可燃物，其中8月份和11月份不同密实度处理导致土壤呼吸速率变化差异最显著。

兴安落叶松林8月～11月份3种密实度处理模式下土壤呼吸动态变化如图6所示。压实处理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率达到最大值为3.70 μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率达到最小值为1.65μmol/㎡·s。自然状态处理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率达到最大值为2.41μmol/㎡.s，9月份土壤呼吸速率达到最小值为1.40μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物处理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，8月份土壤呼吸速率达到最大值为1.81μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率达到最小值为0.79μmol/㎡·s。3种密实度处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足压实处理>自然状态>全部清除地被可燃物，其中10月份不同密实度处理导致土壤呼吸速率变化差异最显著。

3种林型各密实度处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足压实处理>自然状态>全部清除地被可燃物，可以认为地被可燃物密实度处理对土壤呼吸影响显著。

3 结论与讨论

白桦林8月～11月份土壤呼吸速率先升高后降低，蒙古栎林8月～11月份土壤呼吸速率先降低后升高，兴安落叶松林8月～11月份土壤呼吸速率先降低后升高再降低。3种林型相似温湿度变化下土壤呼吸变化趋势明显不同，说明温度、湿度及其相互作用与土壤呼吸速率变化相关性拟合不好。本文认为导致不同林型土壤呼吸与各自土壤温湿度关系不够密切的原因在于实验林场的人为干扰较强烈和受城市效应的影响，使得其他影响因素在土壤呼吸测定中成为主要影响因素，从而影响了土壤呼吸与土壤温湿度的相关性。

但3种林型各载量处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足自然状态载量处理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，可以认为地被可燃物载量处理对土壤呼吸影响显著。土壤表层凋落物的聚集会使土壤表层释放CO₂量增加。3种林型各密实度处理模式下，各月份土壤呼吸速率均满足压实处理>自然状态>全部清除地被可燃物，地被可燃物密实度处理对土壤呼吸影响显著。有研究表明，压实使土壤生产力大大下降，土壤呼吸产生的CO₂不能及时释放出来。本文认为压实处理监测得出数据与相关研究出现差异的原因在于压实程度的不一致，较轻微程度的凋落物压实处理有助于土壤呼吸CO₂的释放。