采伐强度对大兴安岭用材林解冻初期土壤呼吸的影响1)

曾翔亮 董希斌

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤是一个巨大的碳储存库[1]，土壤呼吸产生的CO2量是化石燃料燃烧释放CO2总量的10多倍[2]，因此，土壤呼吸作用的微小改变就能对全球碳循环造成重要影响，从而影响全球的碳平衡[3]。同时，土壤呼吸还是土壤有机质矿化速率和异养代谢活性的指标，在一定程度上反映了土壤养分转化和供应能力[4－6]，因此，土壤呼吸往往作为用材林经营后土壤养分和透气性指标而得到重视[7－8]。但是，以往对用材林经营后土壤呼吸的测定绝大多数集中在生长季内[9－10]，而对非生长季的土壤呼吸测定及其调控机制的研究非常少[11]。对于北纬35°～65°间的中高纬度地区，解冻初期虽然是植物的非生长季，但却是影响陆地碳循环的关键期，因为土壤冻融交替事件往往发生在解冻初期[12]，而土壤冻融交替直接影响着有机质的分解、养分有效性与动态、微生物动态等生态系统过程，进而深深影响着土壤呼吸的动态过程[13]。然而，目前对于用材林择伐后在解冻初期土壤冻融交替时期土壤呼吸的动态变化规律及其机制过程还缺乏深入的了解[14]。因此，本文以大兴安岭用材林为研究对象，通过对其进行不同强度的采伐并在解冻初期对样地的土壤呼吸进行测定，探讨不同采伐强度对大兴安岭用材林解冻初期土壤呼吸的影响，以期为大兴安岭用材林下一步的经营培育方向提供理论参考，并为全球碳循环的研究提供基础数据和科学依据。

1 试验区概况

试验区位于黑龙江省新林林业局新林林场的106、107、108、109 林班内，地处北纬 51°20'以北的大兴安岭伊勒呼里山的东北坡;该地区平均海拔高度为561 m，地势较为平缓，坡度不超过6°;主要林分类型为兴安落叶松，偶见白桦;土壤为暗棕壤且平均厚度在14 cm左右;属于寒温带大陆性气候，年平均积温低于1600℃，年平均气温为－2.6℃，年平均降水量为513.9 mm，主要集中在7、8月份;8月下旬开始出现初霜，无霜期平均为90 d左右;全年冻结期约为7个月，结冰一般出现在9月下旬，终冻在4月下旬。

2 材料与方法

在大兴安岭新林林场的用材林中选取19个样地，进行不同强度的采伐，采伐剩余物采用堆腐法进行处理。按照采伐强度的梯度设置原则，选取其中采伐强度差别较大的B～H 7个样地作为研究对象进行土壤呼吸试验，其采伐强度分别为6.23%(B)、16.75%(C)、20.86%(D)、27.85%(E)、40.01%(F)、56.51%(G)和 67.25%(H)。另外，在采伐样地相邻处选择林分和立地条件均相似的保留地作为对照样地(A)进行土壤呼吸试验。

于2013年的5月中下旬，在每个样地上均按“Z”形布点法各选择5个观测点进行土壤呼吸的测定，为减小对土壤呼吸测定的干扰，每次测量时，提前24 h在观测点安置内径为20 cm的PVC土壤环，使其露出地表2～3 cm，并保留土壤环内凋落物的自然状态。土壤呼吸的测定采用LI－8150多通道土壤碳通量自动测量系统，测量前，根据观测点的地形调试好呼吸室的摆放姿态，然后以30 min为一测量周期，对观测点进行全天重复测量。在测定土壤呼吸的同时，分别采用与LI－8150系统配套的土壤温度探头和土壤水分传感器测量观测点土壤10 cm深处的土壤温度和湿度。

实地测量完毕后，在实验室用与LI－8150配套的软件File Viewer v3.0.0将测得的土壤呼吸数据打开，对数据进行校正等预处理后，导入Excel2010和SPSS17.0进行计算和处理。

3 结果与分析

3.1 不同采伐强度对解冻初期土壤呼吸日变化的影响

以样地F(采伐强度为40.01%)为例分析经过不同强度采伐后解冻初期土壤呼吸的日变化特征(如图1)。样地F解冻初期土壤呼吸的日变化在总体上表现为双峰曲线，其在13:00左右出现一个较小的峰值，但其最大的峰值(4.8 μmol·m－2·s－1)出现在19:00左右;在22:00～次日08:00期间，解冻初期土壤呼吸的速率均相对较低，但其最小值出现在02:00 左右，为 2.04 μmol·m－2·s－1，仅为最大值的42.5%;解冻初期土壤呼吸的日平均值为 3.02 μmol·m－2·s－1，其日变化幅度为 2.76 μmol·m－2·s－1。

图1 样地F的解冻初期土壤呼吸日变化

为更好的分析不同采伐强度对样地解冻初期土壤呼吸的影响，现将各样地解冻初期土壤呼吸的峰值出现时间、日平均值、日最大值、日最小值以及日变化幅度整理出来如表1所示。

表1 不同采伐强度后解冻初期土壤日呼吸的比较

由表1可知，各采伐样地解冻初期土壤呼吸的峰值几乎都出现在19:00左右，其中样地B的峰值出现时间(14:00)相对较早，而对照样地A的峰值则出现在00:00左右，晚于各采伐样地;各采伐样地解冻初期土壤日呼吸最大值为 2.47～5.08 μmol·m－2·s－1，均不同程度的低于对照样地 A(5.19 μmol·m－2·s－1);对照样地A解冻初期土壤日呼吸的最小值为 3.08 μmol·m－2·s－1，高于各采伐样地，其中样地 G 的日最小值最小，仅为 1.08 μmol·m－2·s－1;各采伐样地解冻初期土壤呼吸的日变化幅度为1.39～3.48 μmol·m－2·s－1，其中样地 B、D、F 和 H 的日变化幅度高于对照样地 A(2.11 μmol·m－2·s－1);对照样地A的解冻初期土壤呼吸日平均值最高，达到了4.06 μmol·m－2·s－1，而样地 G 的土壤呼吸日平均值最低，仅为 1.77 μmol·m－2·s－1，解冻初期土壤呼吸日平均值变化的总体趋势是:当采伐强度较低时，随采伐强度增加而升高，而当采伐强度较高时，随采伐强度增加而降低。

3.2 不同采伐强度下土壤温度对解冻初期土壤呼吸的影响

本研究采用Van’t Hoff提出的指数模型，及温度敏感指数Q10来描述各样地解冻初期土壤呼吸，与土壤温度之间的关系[15]，模型表达式如下:

其中，RS为土壤呼吸速率，μmol·m－2·s－1;T 为土壤距地表10 cm处的温度，℃;Q10为温度敏感指数;a，b为待定参数。

以样地F(采伐强度为40.01%)为例分析经过不同强度采伐后土壤温度对解冻初期土壤呼吸的影响。由样地F土壤温度的日变化曲线(如图2)可知，土壤温度的最大值出现18:00左右，最小值出现在07:30左右。与图1进行比较，可知其变化趋势与解冻初期土壤呼吸的日变化趋势总体上比较吻合。

图2 样地F的土壤温度日变化

将样地F解冻初期土壤呼吸与土壤温度的关系用散点图描绘出来，然后用指数模型对其进行拟合，得到其拟合模型:

为更好地分析比较不同强度采伐后土壤温度对解冻初期土壤呼吸的影响，将各样地的土壤日平均温度、拟合模型、R2以及Q10整理出来(见表2)，结果显示采伐强度对土壤温度的影响存在波动，各采伐样地土壤日平均温度的波动范围为3.049～5.098℃，均不同程度低于对照样地A(6.074℃)，这可能是因为采伐移走了一部分地上生物量，导致林地夜晚的蓄温能力下降;各样地的相关系数为0.318～0.766，说明解冻初期土壤呼吸与土壤温度的相关性比较显著，其中对照样地A的相关系数为0.421，略高于样地 E(0.346)和样地 H(0.318)，而样地 D 的相关系数最高，达到了0.766，说明仅土壤温度就能解释样地D解冻初期土壤呼吸的76.6%;在温度敏感指数Q10方面，各采伐样地的Q10为1.099～1.292，均高于对照样地(1.052)。

3.3 不同采伐强度下土壤湿度对解冻初期土壤呼吸的影响

本研究中测定的土壤湿度为体积含水率，即单位土壤总体积中水分所占的体积分数，以样地F(采伐强度为40.01%)为例，将样地F的土壤温度随时间变化的测量值用曲线描绘出来(如图3)，可知其最大值出现在15:00左右，最小值出现在04:30～10:00，但其日变化幅度仅为0.935%。与图1进行比较，其变化趋势与解冻初期土壤呼吸的日变化趋势总体上吻合度较低。

表2 不同强度采伐后解冻初期土壤呼吸与土壤温度的关系

为了更好地分析比较各样地解冻初期土壤呼吸与土壤湿度的关系，本研究采用多种模型对二者进行拟合，但均发现二者的相关性不是很显著，如当采用二次多项式模型和线性模型对其进行拟合时，分别得到相关系数，同时对各样地的土壤湿度日平均值和日变化幅度进行整理，结果见表3。结果显示，经过不同强度的采伐后，各采伐样地的土壤日平均湿度均有所升高(样地C除外);各采伐样地土壤湿度的日变化幅度为0.131%～0.935%，除样地F外，均不同程度的低于对照样地A(0.599%);二次多项式模型稍优于线性模型，但两模型中各样地的相关系数均在0.316以下，说明解冻初期土壤呼吸与土壤温度的相关性不显著，即土壤湿度对解冻初期土壤呼吸的影响很小。

图3 样地F的土壤湿度日变化

表3 不同强度采伐后解冻初期土壤呼吸与土壤湿度的关系

4 结论与讨论

解冻初期土壤解冻过程是东北森林土壤呼吸整年内变化的一个转折时期[14]，而森林采伐作业可导致植被组成、生物多样性、土壤微生物活性以及土壤理化特性等发生变化，并进一步引起土壤呼吸的改变[16－17]。本文以大兴安岭用材林为研究对象，对不同强度采伐后用材林的解冻初期土壤呼吸进行测定，结果表明，采伐强度对解冻初期土壤呼吸有比较明显的影响，这与沈微和郭辉等[18－19]的研究结果类似。虽然采伐强度对解冻初期土壤呼吸的影响存在微弱波动，但其总体趋势是:当采伐强度较低时，随采伐强度增加而升高，而当采伐强度较高时，随采伐强度增加而降低。这可能是因为在采伐强度较低时，随着采伐强度增加，林地内的采伐剩余物随之增加，为土壤呼吸提供的呼吸底物也相应增加，因此土壤呼吸速率升高;而当采伐强度达到一定程度时，呼吸底物已经不是土壤呼吸的限制因子，此时，过高的采伐强度却会造成林内的微气候发生较大改变，同时由于采伐时人畜的频繁行走，使土壤被压实，不利于林地内的土壤呼吸，因此，土壤呼吸速率会出现下降。而对照样地A的解冻初期土壤呼吸之所以高于各采伐样地，可能是因为对照样地A的土壤温度高于各采伐样地导致的。

各采伐样地的土壤温度均不同程度的低于对照样地，说明采伐对土壤温度存在影响，但采伐强度对大兴安岭用材林土壤温度的影响存在波动，这与郭辉等[19]的研究结果存在差异，可能是因为样地的立地条件、林相和土壤呼吸测定季节等不同造成的。本研究采用指数模型对各样地的解冻初期土壤呼吸与土壤温度进行拟合，结果显示各样地的相关系数为0.318～0.766，说明解冻初期土壤呼吸与土壤温度存在比较显著的相关性，这与以往大多数研究结果相同，其机理可能是因为土壤温度可以直接影响酶的活性和土壤生物，并且可以通过影响底物供应和氧气运输间接影响土壤呼吸[20]。温度敏感指数Q10是描述土壤呼吸与土壤温度关系的一个重要指标，本研究中各采伐样地的 Q10为 1.099～1.292，均高于对照样地A(1.052)，说明各采伐样地解冻初期土壤呼吸对土壤温度变化的敏感程度要高于对照样地A;以往的研究结果一般都认为当土壤平均温度高于 20 ℃时，林地土壤呼吸 Q10值在 1.28～1.81，而当土壤平均温度低于20℃时，Q10值在2.0以上，且Q10会随纬度的增加而升高[21]，但本研究中的各样地的Q10却低于2.0，这与以往的研究结果存在很大差异，其原因可能是解冻初期时土壤冻融交替会抑制酶的活性，也可能与试验样地的立地条件、林相、采伐方式以及植被的自身生理活动等有关，但其具体原因还需进一步的研究。

在不同的研究中，土壤湿度与土壤呼吸之间的关系往往不一致，即使在相似的立地条件下，不同植被类型土壤湿度对土壤呼吸的影响也不一样[22]。研究结果显示，经过不同强度的采伐后，各采伐样地的土壤日平均湿度均有所升高(样地C除外)，可能是因为采伐后，林间出现的空隙增加，直达地表的雨雪增多，解冻初期融化后导致土壤湿度增加。本研究中，不论是对照样地还是各采伐样地，采用多种模型进行拟合，结果均表明解冻初期土壤呼吸与土壤湿度的相关性不显著，这可能是因为大兴安岭的解冻初期气温较低，植物刚处于发芽状态，土壤蒸发、植物蒸腾作用等都很微弱，导致土壤湿度的日变化幅度很小(＜1%)，微弱的土壤湿度改变很难对解冻初期土壤呼吸造成明显的影响。

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