不同林龄尾巨桉人工林土壤呼吸特征及影响因素

竹万宽，许宇星，王志超，杜阿朋

不同林龄尾巨桉人工林土壤呼吸特征及影响因素

竹万宽，许宇星，王志超，杜阿朋

(国家林业和草原局桉树研究开发中心，广东湛江桉树林生态系统国家定位观测研究站，广东 湛江 524022)

为研究不同林龄尾巨桉人工林土壤呼吸速率时间变化特征及其影响因子，通过测定2018年6月—2019年2月时段内4个不同林龄尾巨桉林土壤呼吸速率，分析桉树人工林土壤呼吸速率时间变化及其与影响要素的相关关系。结果表明：4个林分土壤呼吸速率时间变化趋势基本一致，由测定初期逐渐降低，并在2月中下旬开始回升。2、6、10、17年生4个林龄土壤呼吸速率平均值分别为2.51、1.85、4.13、2.56 μmol·m·s。2、6、17年生林分土壤呼吸速率时间变异主要由土壤5 cm处温度变化引起，10年生林分土壤呼吸速率时间变异由土壤温、湿度共同作用。

土壤呼吸；尾巨桉；林龄

土壤呼吸是土壤释放CO的过程，由土壤环境中的生物学过程(土壤微生物、根系和土壤动物呼吸)和非生物过程(含碳矿物质的化学氧化)组成，是大气CO的重要来源。土壤呼吸作为土壤碳的主要输出途径，对区域和全球尺度碳收支的调配至关重要，其微小变化均可能影响全球碳平衡。森林作为陆地生态系统的主体，其土壤呼吸占总呼吸的69%，森林土壤呼吸变化直接影响着全球碳循环的动态变化，已成为陆地生态系统碳循环过程和全球气候变化研究的热点问题之一。

土壤呼吸受气温、降水、土壤质地、植被类型、人类活动等多种因素的综合影响，其中林龄因素作为影响林下植被生物量、凋落物量的重要因素，对气温、土壤温度、生物量等非生物的影响存在差异。随林龄的增大，森林物种组成、群落结构、动植物的丰富度都会发生变化，进而影响森林生态系统的碳排放和碳循环过程。目前，在不同森林生态系统中，土壤呼吸随林龄增大表现出增大、减小或无显著变化，存在较大的不确定性。

桉树()是我国南方广泛种植的速生树种之一。至2018年底，我国桉树人工林面积546.74万hm，蓄积量2.16亿m，占全国森林面积和森林蓄积量2.48%和1.23%，生产木材占全国木材产量的1/3。目前，桉树人工林土壤呼吸影响因子主要包括土壤温湿度、经营模式、林分密度及营林措施等，但由林龄变化引起的桉树人工林土壤呼吸变异研究少见报道。因此，本文通过测定雷州半岛北部地区4个林龄(2、6、10、17年生)尾巨桉()人工林的土壤呼吸，探索不同林龄林分土壤呼吸时间变化趋势和土壤温、湿度对其影响，并研究土壤呼吸随林龄的变化趋势及其影响因素。

1 研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于广东湛江桉树林生态系统国家定位观测研究站内(21°16'N，110°05'E)，为海洋性季风气候。年平均气温23.1 ℃，最冷月为 1 月(均温15.6 ℃)，最热月为 7 月(均温 28.8 ℃)，极端温度分别为 2.8 ℃和38.1 ℃。年均降水量为 1 567 mm，主要集中在 5—9月，有明显旱、雨季之分。常年多风，冬季主要为西北风和东北风，夏季主要为东南风和西南风，年均风速 3 m·s。土壤热带特征明显，风化强烈，土层深厚，高度富铝铁化。林下物种丰富，优势灌木有鹅掌柴()、龙船花()、盐肤木()、马樱丹()、白背叶(a)、桃金娘()等。优势草本主要有马唐草()、白花鬼针草()、胜红蓟()、五节芒()、野芍药()、蟛蜞菊()、荩草()等。

1.2 土壤呼吸和相关环境因子的测定

采用美国LI-COR公司生产的LI-8100土壤碳通量自动测量系统，于2018年6月—2019年2月对4个林龄尾巨桉人工林进行了土壤呼吸速率的测定，样地基本情况见表1。每个林龄各设置1个长期固定样地，在每个样地中随机设置5个重复。将标准规格的PVC土壤隔离环于测定前30 d打入土中，深约3 ～ 4 cm，以减少每次测定前安放呼吸室对土壤的扰动，以后每个月的测定在固定土壤隔离环上进行，并且在每次测定前1 d，将测定点土壤隔离圈内的地表植被自土壤表层彻底剪除，尽量不破坏土壤，以减少土壤扰动及根系损伤对测定结果的影响。每月测定2次，每次测量在1 d内完成，仅在当日的9:00—14:00进行测定，严格控制测量时间范围，以保证每次测定期间环境因子变化最小。测定土壤呼吸速率的同时，利用LI-8100配置的土壤温度和土壤水分传感器测定5 cm深度处土壤温度和土壤体积含水量。

表1 样地基本情况

1.3 数据分析

所有数据利用SPSS 26和EXCEL软件进行分析。采用指数回归模型拟合土壤呼吸速率与土壤温度的关系：

=e(1)

式中：为土壤呼吸速率(μmol·m·s)；为土壤温度(℃)；,为拟合参数。

采用线性回归模型拟合土壤呼吸速率与土壤湿度(体积含水量)的关系：

=++(2)

式中：为土壤呼吸速率(μmol·m·s)；为土壤湿度(%)；,为拟合参数。

采用双因素关系模型拟合土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量的复合关系：

=++(3)

式中：为土壤呼吸速率(μmol·m·s)；为土壤温度(℃)；为土壤湿度(m·m)；，，为拟合参数。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸速率变化特征

4个林龄尾巨桉人工林观测期内土壤总呼吸速率呈现不同的变化趋势(图1)。其中，2年生和6年生林分变化趋势相似，均在8月末达到最高值，在12月中达到最低值。10年生林分在6月中达到最高值，在2月中达到最低值。17年生林分在7月中达到最高值，在12月末达到最低值。观测期内，土壤呼吸月均值表现为10年生显著高于其他林龄(<0.05)，6年生显著低于其他林龄(<0.05)，2年生和17年生无显著差异(>0.05)。

2.2 土壤温、湿度变化特征

4个林龄尾巨桉人工林土壤温、湿度具有相似的变化趋势(图2)。土壤温度在6—9月变化不大，从10月末开始降低，在12月达到谷值，之后开始回升。观测期内，2、6、10、17年生林分土壤温度均值无显著差异，均值分别为25.63、24.85、23.79、24.83 ℃，范围分别为17.90 ～ 29.77、16.99 ～ 29.59、16.37 ～ 28.14、17.20 ～ 30.14 ℃。观测期内，土壤湿度均值无显著差异，均值分别为0.290 1、0.253 6、0.245 2、0.274 8，范围分别为0.156 7 ～ 0.425 0、0.155 0 ～ 0.410 0、0.096 7 ～ 0.400 0、0.133 3 ～ 0.418 3。

2.3 土壤呼吸与温、湿度的关系特征

相关性分析表明(图3)，土壤呼吸与5 cm处土壤温、湿度均表现出极显著正相关性(<0.01)。指数模型拟合结果表明，土壤温度可以解释土壤呼吸时间变异的百分比分别为36.18%(2年)、29.01%(6年)、22.89%(10年)、21.65%(17年)。

二次函数模型拟合结果表明(图4)，土壤湿度可以解释土壤呼吸时间变异的百分比分别为12.48%(2年)、7.35%(6年)、24.77%(10年)、6.78%(17年)，仅10年土壤湿度对土壤呼吸变异的解释能力高于土壤温度。

土壤呼吸速率和土壤温、湿度的双因子回归模型结果如表2。土壤温、湿度双因子模型土壤呼吸变异的百分比分别为33.80%(2年)、29.32%(6年)、30.99%(10年)、20.58%(17年)，仅10年的双因子模型拟合优度高于温度单因子指数模型。

表2 土壤呼吸速率与土壤温、湿度的关系

图1 土壤呼吸速率变化特征

图2 土壤温(T)、湿度(W)变化特征

3 结论与讨论

3.1 土壤呼吸速率的变化动态

大多研究均发现土壤呼吸在夏季最高，在冬季最低。本研究中不同林龄尾巨桉人工林土壤呼吸也表现出类似变化，由测定初期开始降低，在1月末达到最低值后开始回升。竹万宽等对不同桉树人工林土壤呼吸旱雨季变化特征研究表明，土壤呼吸速率和土壤温、湿度均表现为雨季高于旱季，与本研究结果一致。观测期内，土壤呼吸速率平均值随林龄变化并未表现出明显规律性，可能的原因是：1)随林龄的变化，林地土壤的理化性质、林下植被多样性、林地微环境均会产生变化，从而影响土壤呼吸的生物化学过程；2)桉树人工林在经营管理过程中，会在不同生长阶段进行施肥、除杂等人为干扰措施，也会直接影响土壤呼吸底物供应及林下环境；3)林木在不同生长阶段具有不同强度的光合作用，光合作用的底物供应对土壤呼吸有很强的控制作用。

3.2 土壤呼吸速率与土壤温、湿度的关系特征

土壤二氧化碳的主要来源是微生物分解土壤有机质和植物根系呼吸，土壤温度会影响土壤微生物活性和植物呼吸酶活性，进而影响土壤呼吸速率。土壤微生物和植物根系的生命活动直接受到土壤含水率的调控，因而土壤含水率对土壤呼吸的影响也是十分重要的。本研究中，土壤呼吸与土壤温、湿度均表现出极显著正相关性。2、6、17年的土壤呼吸速率时间变异主要由土壤温度变化引起，10年的土壤呼吸速率时间变异则由土壤温、湿度双因子共同作用。

[1] 栾军伟,向成华,骆宗诗,等.森林土壤呼吸研究进展[J].应用生态学报,2006,17(12):2451-2456.

[2] 赵青,刘爽,陈燕菲,等.武夷山不同林龄甜槠林土壤呼吸特征及影响因素[J].生态学报,2021,41(6):2326-2338.

[3] DE KOVEL C, VAN MIERLO A J E M, WILMS Y, et al. Carbon and nitrogen in soil and vegetation at sites differing in successional age[J]. Plant Ecology,2000, 149(1):43-50.

[4] EWEL K C, CROPPER W P, GHOLZ H L. Soil COevolution in Florida slash pine plantations. I. changes through time[J]. Canadian Journal of Forest Research, 1987, 17(4): 325-329.

[5] SAIZ G, BYRNE K A,BUTTERBACH-BAHL K,et al. Stand age-related effects on soil respiration in a first rotation Sitka spruce chronosequence in central Ireland[J]. Global Change Biology,2006,12(6):1007-1020.

[6] 王娟,尤业明,黄雪蔓,等.锐齿栎林年龄序列土壤呼吸组分特征研究[J].广西植物,2016,36(10):1205-1213.

[7] 国家林业和草原局.中国森林资源报告(2014－2018)[M].北京:中国林业出版社,2019.

[8] 竹万宽.不同桉树人工林土壤呼吸时空异质性及其影响要素[D].北京:中国林业科学研究院,2017.

[9] 黄雪蔓.南亚热带桉树人工林不同经营模式土壤碳动态变化及其调控机制[D].北京:中国林业科学研究院,2013.

[10] 向元彬,胡庭兴,张健,等.华西雨屏区不同密度巨桉人工林土壤呼吸特征[J].自然资源学报,2011,26(1):79-88.

[11] 吴华静,梁士楚,田丰,等.不同经营措施对尾巨桉人工林土壤呼吸的影响[J].西南林业大学学报,2016,36(5): 58-64.

[12] 竹万宽,王志超,许宇星,等.不同桉树人工林土壤呼吸旱雨季变化特征[J].桉树科技,2017,34(4):27-32.

Factors Influencing Soil Respiration Characteristics of×Plantations at Different Ages

ZHU Wankuan, XU Yuxing, WANG Zhichao, DU Apeng

()

In order to study the temporal variation and factors influencing soil respiration rate of×plantations at different ages, the soil respiration rates of×plantations of four different ages were measured from June 2018 to February 2019. The temporal variation of soil respiration rate in these plantations and its correlation with various factors were analyzed. The results showed that the temporal variation trend of soil respiration rate of the four plantation stands was basically the same: it decreased gradually from the initial stage of measurement and began to increase in the middle and last ten days of February. The average soil respiration rates of 2, 6, 10 and 17-year-old plantations were 2.51, 1.85, 4.13 and 2.56 μmol·m·srespectively. Temporal variations of soil respiration rate in 2, 6 and 17-year-old plantations were caused mainly by changes in soil temperatures at 5 cm, and temporal variations of soil respiration rate in the 10-year-old plantation was caused mainly by soil temperature and humidity.

soil respiration;; stand age

10.13987/j.cnki.askj.2021.04.002

G714.5

A

广东省林业科技创新项目“雷州半岛多功能人工林构建技术及综合效益评价”(2018KJCX014)

竹万宽(1989— )，男，在读博士，助理研究员，主要从事森林生态系统定位观测研究，E-mail:zwk_2015@163.com

杜阿朋(1979— )，男，博士，副研究员，主要从事森林生态学研究，E-mail:dapzj@163.com