林火干扰对土壤呼吸的影响研究

王飞龙

摘 要：林火是森林生态系统碳收支平衡的重要干扰因子，与森林生态系统的植被类型、结构、地表腐殖质层和土壤理化性质等密切相关。林火破坏了森林生态系统碳平衡和碳分配格局，对土壤温度、土壤含水量、植物根系及土壤微生物活性亦产生重大的影响，是导致土壤碳储量动态变化的重要因子。火干扰所排放的含碳气体对物质循环、能量流动和信息传递具有重要影响，进而影响森林生态系统的碳平衡及气候变化，从而对土壤呼吸速率产生重要影响。目前，国内外有关土壤呼吸的研究主要集中在林木生长季节，火干扰条件下非生长季土壤呼吸的定量描述及影响机理对科学评价和预测林火对土壤呼吸的影响具有重要的作用。

关键词：林火干扰；土壤呼吸；影响

1 国内研究现状

我国对土壤呼吸的研究开展得较晚，早期有对农田不同土地利用方式对土壤呼吸影响的研究，近些年来的研究涉及到了森林、草原、冻原和沙漠等多种不同类型的生态系统，特别是对草原生态系统的研究较多，研究内容由对不同生态系统土壤通量的简单估算逐渐转移到影响土壤呼吸的环境因素、土壤呼吸的调控机理、土壤呼吸对不同干扰因子的响应等问题上来，研究内容越来越丰富，研究的问题也越来越深入。

近年来，森林、草原、冻原和沙漠等多种不同类型生态系统土壤呼吸的研究不断开展。有专家通过量化北方森林土壤呼吸和木质残体分解释放出的CO2，得出土壤呼吸和木质残体分解释放的CO2通量是北方森林生态系统输入大气圈的最主要的碳源，北方森林生态系统中植物根系自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率平均值为32%，变动范围为2%～60%；也有专家利用Li-Cor6400-09土壤呼吸测量系统对我国亚热带地区3种主要林型的土壤呼吸进行了测定，得出土壤呼吸速率日变化在11：00～12：00达到峰值，1：00～3：00最小；季节变化中，7、8月达到峰值，12月和翌年1月最小。还有专家对长白山高山苔原季节性雪斑土壤呼吸对温度的响应研究发现：从海拔2036m到2260m，积雪期土壤呼吸分别占全年的42.5%（125.4gC·m-2·a-1）和49.7%（128.7gC·m-2·a-1），升温后，平均增加的呼吸量为22.65gC·m-2·a-1，而冬季呼吸量则减少10.81gC·m-2·a-1。有人分析了土壤性状对沙漠逆转过程的响应。也有人研究了高寒草甸冬季碳排放特征及其对温度的敏感性，得出温度是高寒草地冬季土壤呼吸的主要控制因子，能解释44%以上的呼吸速率变异。

2 国外发展状况

国外对陆地生态系统土壤呼吸的研究较早，但主要针对农田土壤系统，土壤呼吸用于评价土壤肥力和土壤中生物的活动，然而其他类型生态系统的研究出现的较晚，主要集中在科技发达的欧洲和北美国家。目前，国外对土壤呼吸有了较多的研究，营林措施：采伐、灌溉、放牧等，温室效应、大气CO2浓度升高、N沉降等。有专家研究发现对树木进行环割处理的1～2个月内，土壤呼吸速率迅速下降约50%。也有专家在美国大平原的草地中进行刈割和遮荫处理的试验中发现，刈割和遮荫处理使土壤呼吸在一周内降低了近70%。还有专家研究表明在23℃时土壤微生物呼吸速率最大。在根呼吸方面，当土壤温度较低时，土壤呼吸速率主要受生物化学反应的限制，根呼吸也是随着温度的升高呈指数增加，而当温度较高时，那些主要依赖扩散运输的代谢底物和代谢产物（如糖类、O2、CO2等）就成了限制土壤呼吸速率的主要因子，有关土壤呼吸各组分所占的比例的研究表明，林木根系呼吸对土壤呼吸的贡献率大约为5%～90%，主要集中在40%～60%，其他主要为土壤中异养微生物的呼吸作用对土壤呼吸的贡献，这种巨大的差异与森林类型、林木生长阶段、测定季节、测定时间、测定方法等密切相关，在北方森林生态系统中植物根系呼吸占土壤呼吸的50%～93%，温带森林生态系统中占33%～62%，热带森林生态系统中所占的比例较低。土壤呼吸速率对全球变化背景下的响应也成为国外有关土壤呼吸研究的热点，CO2浓度升高后会促进生态系统净初级生产力（NPP）和根系生物量的增加，根系生物量的增加必然导致根系自养呼吸量的提高，同时，NPP的增加亦导致陆地生态系统碳库储量的增加，从而使土壤呼吸碳排放增加，有专家研究分析得出，高浓度CO2使植物地下部分生物量增加了31.6%，细根生物量增加了96%，同时使细根周转率增加，但在总的细根呼吸升高的同时，高浓度CO2可以导致单位根呼吸速率下降，这通常与细根氮含量的降低及储存的碳含量的增加有关。

3 火烧研究状况

1997年有专家采用密闭式静态气室法测定了不同历史时期火烧样地的土壤呼吸，测定的林型为落叶松林，土壤类型为沙壤土。重度火烧样地内林木全部烧死，凋落物与地表植物全部烧光，其他一些草本和灌木植物已开始更新；中度火烧样地内林木部分烧死，凋落物与地表植物全部烧光；轻度火烧样地内林木受影响不大，凋落物与地表植物部分烧光。研究结果表明：重度火烧样地的土壤呼吸<中度火烧样地的土壤呼吸<对照样地的土壤呼吸，其土壤呼吸速率分别为：1.07～1.5μmol·m-2·s-1、2.25μmol·m-2·s-1和4.16～4.2μmol·m-2·s-1，且林木根系对土壤呼吸的贡献要大于其他植物、微生物及土壤动物对土壤呼吸的贡献，林木根系对土壤呼吸的贡献率在50%以上。有专家在我国大兴安岭地区利用Li-Cor8100土壤呼吸测量系统测量不同强度火干扰对大兴安岭落叶松林土壤呼吸的影响也得到相同的结论：在植物生长季节，土壤呼吸速率随着火烧强度的增大而减小，过火样地土壤呼吸速率平均值（3.25～4.36μmol·m-2·s-1）均小于对照样地（5.13μmol·m-2·s-1），自养呼吸生长季平均值则呈现相似的趋势，过火样地（0.46～1.39μmol·m-2·s-1）同样均小于对照样地（1.59μmol·m-2·s-1）。

国外有专家采用微气象法，研究了加拿大西部火干扰对北方森林生态系统恢复过程中土壤呼吸的影响，结果发现：火干扰使森林生态系统在恢复过程中土壤呼吸速率降低，在火后10～30年土壤呼吸速率恢复到火干扰前的水平。也有专家采用同样的方法，在估算Alaska火烧迹地CO2释放量时也发现，森林生态系统的固碳能力随着火烧强度的增加而降低，火烧样地的固碳能力小于未经火烧对照样地。

还有专家采用密闭式动态气室法利用土壤呼吸测量系统测定了火灾后典型草原、森林生态系统碳储量、土壤呼吸速率及微生物生物量，分析结果表明：在火干扰影响下，不同样地土壤呼吸速率差异较大，轻度火干扰下土壤呼吸速率要大于重度火干扰下的土壤呼吸速率，原因为大量的碳在火烧过程中流失，大约有20%的净初级生产力以CO2的形式释放到大气中，导致火烧后土壤呼吸速率减小。

参考文献

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