北京林业大学学报

第27卷　第4期

2005年7月

北　京　林　业　大　学　学　报

JOURNA L OF BEI J I NG FORESTRY UNI VERSITY

V ol. 27, N o. 4Jul. , 2005

鼎湖山针阔叶混交林土壤呼吸的研究

周存宇

1,2

　周国逸　王迎红　张德强　刘世忠　王跃思　孙　扬

131133

(1中国科学院华南植物园　2长江大学园艺园林学院　3中国科学院大气物理研究所)

2气相色谱法对鼎湖山针阔叶混交林的土壤呼吸速率的季节变化和昼夜变化, 进行了为期1年的摘要:利用静态箱2

(m 2・野外观测研究. 自然状态下土壤呼吸速率的年平均值为(400±29) mg (C O 2) Πh ) , 其中由凋落物分解释放的C O 2

占土壤总呼吸的年平均比例为42%; 土壤呼吸速率与林内气温、地表温度、地下5、10、15和20cm 土壤温度都呈显著指数相关, 用土壤呼吸速率与温度间的指数模型得出对应于以上各温度的Q 10值变动在1192～2181之间; 土壤呼吸速率与土壤含水量的关系依观测点土壤水分状况不同而有一定差异; 土壤呼吸速率的日变化模式在雨季和旱季有明显区别, 相对于温带陆地生态系统而言, 该林型土壤呼吸速率的日较差较小. 关键词:鼎湖山, 土壤呼吸, Q 10值, 土壤温度

21522(2005) [1**********]5中图分类号:S71412　　文献标识码:A　　文章编号:10002

ZH OU Cun-yu

1,23

; ZH OU G uo-yi ; W ANG Y ing -hong ; ZH ANG De-qiang ; LI U Shi-zhong ; W ANG Y ue-

1311

si ; S UN Y ang . Soil respiration of a coniferous and broad -leaved mixed forest in Dinghushan

227[Ch , 18ref. ]Mountain , G uangdong Province . Journal o f Beijing Forestry Univer sity (2005) 27(4) 2321S outh China Botanical G arden ,Chinese Academy of Sciences , G uangzhou , 510650, P. R. China ; 2C ollege of H orticulture and G arden , Y angtze University , Jingzhou , 434025, P. R. China ; 3Institute of Atm ospheric Physics , Chinese Academy of Sciences , Beijing ,100029, P. R. China.

Field experiment was carried out to examine the s oil respiration rate by using static chamber-gas chromatograph technique in a coniferous and broad-leaved forest in Dinghushan M ountain Biosphere Reserve for

(m 2・one year. The results show that mean annual s oil respiration rate is (400±29) mg (C O 2) Πh ) , while C O 2from the litter decom position accounts for 42%of the total C O 2emission from the s oil surface. Significant relationships are found between s oil respiration rate and ambient air tem perature , s oil tem peratures at different

depths (the surface , 5cm depth , 10cm depth , 15cm depth and 20cm depth ) , which could be best described by exponential equations. The Q 10values based on air tem perature and s oil tem perature at surface , 5, 10, 15and 20cm depth vary from 1192to 21811The relationships between s oil respiration rate and s oil water content in the tw o observation sites vary with the s oil water regime. The diurnal pattern of s oil respiration rate in the rainy seas on is distinctly different from that in the dry seas on. C om pared with tem perate terrestrial ecosystems , this subtropical forest has a smaller diurnal variation of s oil respiration rate.

K ey words 　Dinghushan M ountain Biosphere Reserve , s oil respiration , Q 10value , s oil tem perature

　　在森林生态系统的碳循环中土壤呼吸是一个重要环节, 是森林地下部分碳支出的主要途径, 因而对整个森林生态系统碳平衡的估算具有重要意义. 在全球变化的背景下, 由于土壤呼吸对温度变化的敏感性, 所以受到越来越多的关注. 从全球范围来看, 对土壤呼吸的研究虽然已涉及到农田、草原、森林、

2062215收稿日期:20042

http :ΠΠjournal. bjfu. edu. cn

湿地、冻原等各种生态系统, 但就研究的地域而言,

大部分的研究集中在中纬度的温带草地和森林, 亚热带森林生态系统土壤呼吸的研究相对比较匮乏, 这与其在全球陆地生态系统中所占的比重是很不相称的. 我国在土壤呼吸方面的研究最初也是从温带

23][12

的农田、草地和森林开始的, 只是近年来才有少

2SW 2201) 、2SW 22120) 和国家自然科学基金项目(30470306) . 基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(K ZCX 12重要方向性项目(K SCX 22

237252754　Email :[email protected]. cn 　地第一作者:周存宇, 博士生. 主要研究方向:森林生态系统与大气间温室气体交换. 电话:0202址:510650广州中国科学院华南植物园.

237252708　Email :gyzhou @scib.ac. cn 　责任作者:周国逸, 研究员. 主要研究方向:森林生态系统. 电话:0202地址:同上.

24北　京　林　业　大　学　学　报

[4,5]

第27卷　

数这方面的工作在我国亚热带地区开展

, 所用方

器、分离柱温度分别为200、375、55℃, 载气为高纯氮气, 流速30m L Πmin .

土壤呼吸速率用地表C O 2气体通量表示, 气体的通量是指单位时间单位面积观测箱内该气体质量的变化, 一般正值表示气体从土壤排放到大气, 负值表示土壤吸收大气中的该气体, 用公式表示为:

Δm Δm F =・D =hD

Δt Δt A (m ・式中, F 为气体通量(mg Πh ) ) , V 为观测箱的容

[7]

2碱石灰吸收法或为动态箱22红外线法或为静态箱2

2气相色谱法来气体分析法, 而本研究采用静态箱2

测定亚热带森林土壤呼吸在我国尚属首次. 本研究

以鼎湖山马尾松针阔叶混交林为对象, 试图揭示土壤呼吸的季节变化和日变化规律以及影响其变化的关键因子, 为准确估算该地区的碳收支状况和预测土壤呼吸对全球变暖的响应提供依据.

1　研究地概况

本研究在鼎湖山自然保护区针阔叶混交林3号样地内进行. 保护区位于广东省中西部, 东经112°30′39″～112°33′41″, 北纬23°09′21″～23°11′30″, 面积1155hm , 最高峰鸡笼山海拔100013m. 属南亚热

积, A 为观测时包围的土壤面积, D 为箱内气体密

Δm ΠΔt 是气体在观测时间内浓度随时间变化的度,

直线斜率, h 为观测箱高度.

此外, 在C O 2气体通量测定的同时用便携式数字温度计(JM624, 天津立文电子有限公司生产) 观测气温、地表温度和地下5cm 土壤温度. 土壤含水量用中国生态系统网络统一配置的T DR 土壤测墒仪(MPK it , 江苏瑞迪生科技有限公司生产) 测定, 在每一采样点周围选取5个点测量土壤含水量, 取其平均值代表采样点内的土壤含水量. 从2003年4月至2004年3月, 每周进行1次野外土壤呼吸速率及相

带季风湿润气候, 年平均降水量1956mm , 主要集中在4—9月份, 占全年的76%; 年平均温度为2019℃, 最冷月(1月) 和最热月(7月) 温度分别为1210℃和2810℃; 年平均相对湿度为8018%. 本

[6]

文的研究地点位于保护区内五棵松, 处于地带性植被季风常绿阔叶林的边缘, 是阔叶树种侵入人工或自然的马尾松(Pinus massoniana ) 林后形成的, 为演替系列中间阶段的典型代表类型. 群落垂直结构可分为4层:乔木2层, 灌木1层, 草本1层, 此外还有多种藤本和附生的层间植物. 组成种类以常绿树种占绝对优势, 大部分属热带亚热带成分. 研究样地的母岩为砂页岩, 土壤为砂质壤土,pH 值3186, 土壤有机质含量315%.地面枯枝落叶层盖度80%～90%, 厚度3cm 左右.

关环境因子的观测.

3　结果与分析

311　土壤呼吸的季节变化

从2003年4月到2004年3月的观测期间, 无论是保留凋落物的处理还是去除凋落物的处理, 土壤呼吸速率都是雨季(4—9月) 明显高于旱季(10—3月) (图1) . 由静态箱法测定的土壤呼吸可称为土壤总呼吸, 它实际上包括土壤微生物和土壤动物的异养呼吸、植物根系的自养呼吸和化学氧化过程, 但一般情况下就森林土壤而言土壤动物呼吸和化学氧化

2　研究方法

2气相色谱法测定. 土壤呼吸速率利用静态箱2

采样箱为组合式, 即由底座、顶箱两部分组成, 均为

不锈钢板制成. 底座:长(L ) ×宽(W ) ×高(H ) ×钢板厚度(T ) =500mm ×500mm ×100mm ×215mm ; 水封槽:W ×H ×T =20mm ×30mm ×215mm ; 顶箱:L ×W ×H ×T =500mm ×500mm ×500mm ×115mm. 顶箱封顶, 内装2个轴流混气扇、采样管、

测温口. 实验观测前将底座打入采样位点, 因坡度较大, 无法采用水密封, 水封槽内粘贴弹性胶带进行密封. 观测区内设置2种处理:①观测前去除地表凋落物(S ) ; ②保留地表凋落物(L +S ) . 在每个采样点罩箱后0、10、20、30min 分别用100m L 医用注射器采集箱内气体90m L , 采样后及时带回实验室分析. 用HP4890D (美国Angilent 公司生产) 气相色谱仪测定C O 2气体浓度,C O 2经镍触媒转化器转化后, 用氢焰离子化检测器(FI D ) 进行检测, 检测器、转化

L +S 为保留凋落物的处理;S 为去除凋落物的处理(下同)

图1　两种处理土壤呼吸速率季节变化曲线

(2003年4月—2004年3月)

FIG URE 1　Seas onal patterns of s oil respiration rate

under tw o treatments

过程释放的C O 2占地表C O 2总排放的比例很小, 所以通常不予考虑, 这样构成森林土壤总呼吸主要是土壤微生物(包括分解凋落物的微生物) 的异养呼吸和根系的自养呼吸. 鼎湖山地区受季风影响, 雨季降雨频繁, 温度较高, 良好的水热条件有利于植物的生长发育, 植物地下部分的根系呼吸旺盛, 且生长过程中产生相当量的分泌物可作为微生物代谢活动的养料; 另一方面在高温高湿条件下凋落物分解加快, 向土壤输送的养分增多, 促进了土壤微生物的呼吸, 而在旱季情况刚好相反, 低温和干旱限制了植物根系和土壤微生物的代谢活动, 使得土壤总呼吸速率降低. 　　经t 检验, 保留和去除地表凋落物两种处理间土壤呼吸有显著差异(P

温、地表温度和地下5cm 土温与自动设备记录的相

应温度做t 检验可知, 两套仪器所得结果无显著差异, 说明完全可以利用通量观测塔所记录的有关温度的数据进行统计分析.

将土壤呼吸与气温和不同深度土壤温度进行回归分析表明, 这些温度与土壤呼吸速率间都存在极显著的指数关系(表1) , 其中与5和10cm 深处的土壤温度的相关性最好. 这是因为作为土壤总呼吸主要贡献者的土壤微生物主要分布在土壤的表层, 因此相对于气温和地表温度而言, 土壤呼吸速率对表层土壤温度的变化比较敏感.

Q 10值是指温度每升高10℃土壤呼吸增加的倍数, 它是反映土壤呼吸速率对温度变化敏感性的有

10b

效指标, 其计算公式为Q 10=e , 式中b 为土壤呼吸与温度间指数模型中的温度反应系数. 根据各种温度与土壤呼吸速率的指数回归方程可计算出土壤呼吸速率(包括凋落物分解过程微生物呼吸) 相对于气温、地表温度、地下5、10、15和20cm 土壤温度的Q 10值, 分别为1192、1195、2162、2171、2176和21811从气温到地下20cm 土壤温度其全年变化幅

[8,9]

在对土壤呼吸实验观测期间, 位于观测点附近

的通量观测塔的气象自动观测设备记录下每天(每隔30min 记录1次) 的林内气温、地表温度、地下5、10、15和20cm 的土壤温度. 将我们每次进行土壤呼吸观测时用手持便携式数字温度计所测得的气

度是递减的, 相应的Q 10值随温度变幅的减小而增大, 由此可见在比较不同生态系统土壤呼吸的Q 10值时一定要注意是否基于同一种温度.

表1　土壤呼吸速率(Y ) 与各温度(x ) 间的回归方程

T ABLE 1　Regression equations between s oil respiration (Y ) and temperature (x )

温度气温

地表温度地下5cm 温度地下10cm 温度地下15cm 温度地下20cm 温度

处理1(L +S )

回归方程

Y =971953e Y =511785e Y =451244e

010652x

处理2(S )

R 2Y =271587e Y =121377e Y =101305e

010926x

[***********][***********]

Y =921482e 010666Y =471790e 010996Y =431170e 011034

Y =231831e 010956Y =111103e 011403Y 011455

010965x

011358x

011016x

011431x

　　回归分析表明两种处理条件下, 土壤呼吸都与土壤含水量存在显著相关关系, 但它们的相关模型有一定差异, 保留凋落物覆盖的处理其土壤呼吸速率与土壤含水量呈线性相关, 而去除凋落物处理土壤呼吸速率与土壤含水量为多项式相关, 且前者的相关系数明显大于后者(图2)

图2　两种处理土壤呼吸速率与土壤含水量的相关性

FIG URE 2　Relationship between s oil respiration rate and s oil m oisture under tw o treatments

313　土壤呼吸的昼夜变化

在1年的观测期间, 于雨季的2003年6月底和7月底以及旱季的11月底和2004年1月底进行了

较高, 昼夜变化明显. 而旱季的低温和干燥的环境抑

制了土壤呼吸, 使之维持在较低的水平, 昼夜变幅很小, 特别在1月底的观测日正是寒潮过后, 不仅温度低, 而且昼夜温差很小, 地下5cm 土壤温度的昼夜差值只有112℃, 所以土壤呼吸速率在整个观测日几乎没有变化

土壤呼吸日变化的测定. 从图3可以看出在两种处理条件下, 雨季和旱季的土壤呼吸速率昼夜变化模式都是截然不同的. 雨季的高温高湿环境有利于植物根系和土壤微生物的代谢活动, 土壤总呼吸速率

图3　两种处理下土壤呼吸速率昼夜变化动态

FIG URE 3　Diurnal patterns of s oil respiration rates under tw o treatments

4　结论与讨论

鼎湖山针阔叶混交林土壤呼吸速率季节变化明显, 表现为雨季大于旱季. 该林型地表凋落物分解释放C O 2占土壤总呼吸的比例全年平均为42%.董云社

[10]

在温带森林观测结果表明, 去掉地表凋落物

和腐殖质后土壤排放C O 2量减少23%, 比本研究中去掉凋落物后土壤排放C O 2量减少的比例要低得多. 这可能是因为在温度较高的亚热带凋落物分解较快, 释放C O 2量较多; 另外根据2002年的调查在鼎湖山几种主要林型中针阔叶混交林的凋落物现存

量最大(497g Πm ) , 相应地由凋落物分解释放的C O 2也较多.

回归分析表明, 该类型森林土壤呼吸与气温和各层土壤温度呈显著指数相关, 且与地下5～10cm 土壤温度相关性最好. 陈全胜等

[11]

在内蒙古草原的

研究结果表明, 土壤呼吸速率与气温和不同深度土壤温度也存在显著的指数关系, 而与气温的相关性最好, 其次是地表温度. 造成这种差异的主要原因可能是草原群落的土壤有机物质主要是以凋落物和粗腐殖质的形式集中于地表, 土壤中的有机质含量很低

[12]

于在年均温度较低的温带地区.

保留和去除凋落物两种处理下土壤呼吸与土壤含水量的相关模型明显不同, 且相关系数前者大于后者(图2) . 分析其中原因发现, 这两个处理观测点的坡向、林冠覆盖、微地形等方面存在一定差异, 造成两个观测点的土壤含水量间有较大的差别. 将全年的数据经t 检验发现, 去除地表凋落物处理观测点与保留凋落物处理观测点的土壤含水量间有显著差异(P

[15]

O 2的扩散, 此时土壤处于嫌气状态, 植物根系和好氧微生物的活动受到抑制, 土壤有机质的分解速率降低, 土壤中产生的C O 2减少, 所以会出现当超出某一值后, 土壤含水量与土壤呼吸呈负相关. 实际上对土壤呼吸而言, 最佳的土壤水分状况往往是接近田间最大持水量, 当土壤过干或过湿时土壤呼吸

[16,17]

都会受到抑制. 保留凋落物处理的观测点土壤含水量较低, 即使在雨季也可能并未超出田间最大持水量, 所以其与土壤呼吸基本上是正的线性相关.

在雨季, 该林型土壤呼吸速率日变化明显, 土壤呼吸速率的日最大值一般出现在12:00—16:00之间, 而最低值则出现在6:30左右, 与温度的日变化

, 这样土壤呼吸速率就与气温和地表温度的

关系更为密切.

本研究得出的鼎湖山针阔叶混交林土壤呼吸的Q 10值明显低于处于温带地区的硬木混交林(Q 10=314～516) 和山毛榉林(Q 10=412) 2155)

[4]

[13,14]

, 而与中亚热

带的几种森林土壤呼吸速率的Q 10值(1175～

比较接近. 说明就土壤呼吸对温度升高的响

应敏感性而言, 在年均温度较高的亚热带地区要低

趋势基本一致. 另外, 在日出之后植物进行光合作用使得林内空气C O 2浓度不断降低, 而土壤C O 2浓度与空气C O 2浓度的差值则升高, 在12:00—16:00浓度差升至最大, 这也是造成该时段土壤呼吸较强的原因之一. 将本研究结果与位于温带的陆地生态系统相应季节的土壤呼吸速率的日变化观测结果比较, 发现无论是与温带的草原还是森林生态系统相比, 位于亚热带的鼎湖山针阔叶混交林的土壤呼吸速率日变幅都较小, 这是因为该地区温度, 特别是土壤温度的日较差较小, 使得与土壤温度密切相关的土壤呼吸速率的日较差也随之降低. 在旱季, 土壤呼吸速率日变化很小, 当气温低于10℃时, 土壤呼吸速率几乎没有昼夜的变化.

参

考

文

献

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(责任编辑　董晓燕)

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