林地不同厚度土壤表面呼吸通量的试验

孟春 徐辉 屈惠蕾

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

林地不同厚度土壤表面呼吸通量的试验

孟春 徐辉 屈惠蕾

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

采用室内培养土壤方法，运用LI-8150测定了3次3昼夜不同厚度土壤表面呼吸通量。结果表明，随土壤厚度的增加，各次试验各时间跨度呼吸通量虽呈增加的趋势，但增加的速率相差很大，没有呈现线形增加的趋势。随观测时间的延续，呼吸通量增速最大值由10到20 cm厚度转变到20到30 cm厚度。呼吸通量的增速决定了各层次厚度呼吸通量的贡献率，各厚度呼吸贡献率与呼吸通量增速的大小具有相同的表现形式。

土壤；厚度；呼吸通量

We used indoor incubate soil and Li-8150 to measure soil respiration flux for three times during three days and nights at different soil thickness. All experiments of each time span respiration flux was an increase trend with soil depth increase, but the increase rate varied widely with nonlinear increase. With a continuous observation time, maximum increase rate of respiration flux changed form 10-20 cm thickness to 20-30 cm thickness. Increase rate of respiration flux can determine the contribution of respiration flux at each thickness, and the contribution rate of respiration flux are with the same form.

土壤是全球碳循环的第二大碳库[1],其释放的CO2的变化对全球气候变化有着重要的影响。鉴于此，人们对土壤呼吸通量[2-3]和土壤碳储量[4-5]方面进行了大量研究。在土壤呼吸通量的研究方面，主要集中在土壤表面呼吸通量的测定，而对不同厚度(或不同层次)土壤对土壤呼吸通量的贡献率的研究还很有限[6-7]。而当我们采用去除法研究各组分的呼吸通量[8-9]或采用挖去法研究不同深度土壤CO2通量[10]时，就涉及到在土壤结构及呼吸环境发生变化后不同厚度(或层次)土壤呼吸通量的变化及其对土壤呼吸总量贡献率影响的问题。为此，本文采用室内试验的方法，以林地土壤为样本，排除根系的影响，研究了不同厚度矿质土壤表面呼吸通量的变化及其对土壤呼吸总量的贡献率，以期对土壤呼吸通量的实际观测提供一个科学的参考。

1 材料与方法

1.1 土壤取样

土壤取自于东北林业大学哈尔滨实验林场白桦林。东北林业大学哈尔滨实验林场位于哈尔滨市区内马家沟河西岸(N45°43.463′～45°43.464′，E128°37.457′～128°37.458′)，地形平缓，土壤为黑土，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534 mm。

本次试验选取的土样为该林场内白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)人工林内的土壤。林分状况和土壤理化性质详见参考文献[11]、[12]。于2011年6月10日，在林内随机选取3个点，在每个点挖取长×宽×高分别为50 cm×100 cm×60 cm的土壤样方。挖取的土壤运至室内后，将土壤中的根及杂物挑出后充分混合，保证土壤的均质性。

1.2 试验设计

于2011年6月20日将混合好的土壤分别装入长×宽×高分别为100 cm×100 cm×10 cm、100 cm×100 cm×20 cm、100 cm×100 cm×30 cm和100 cm×100 cm×40 cm的4个土壤箱中并充满，浇少量水，待数日后入土壤高度下降后再填满土壤，再浇少量水。如此反复几次至土壤箱内土壤高度稳定后测定土壤密度为0.88 g·cm-3，非毛管孔隙度14.20%，毛管孔隙度46.70%，总孔隙度60.90%。

于2011年7月3日在每个土壤箱的土壤上安置观测土壤表面呼吸通量的PVC环，并将LI-8150的4个长期观测气室安置在土壤环上，在整个观测期间保持气室不动。同时在每个土壤箱的土壤中插入土壤温度和湿度传感器，深度至土壤表面下5 cm。

分别于2011年7月5日11时40分至7月8日11时20分(一昼夜)、8月20日9时30分至8月23日7时30分(二昼夜)、11月20日11时30分至11月23日11时20分(三昼夜)进行3次3昼夜土壤表面呼吸通量的连续观测，同时测定土壤表面下5 cm处温度和湿度。呼吸通量及土壤表面下5 cm处温度和湿度每隔30 min测定1次。

1.3 数据统计分析

由于连续观测中每时刻观测的呼吸通量及土壤表面下5 cm处温度和湿度有很大的随机性，所以，取每次观测中连续12 h观测的呼吸通量及土壤表面下5 cm处温度和湿度的平均值作为一组试验观测数值，即每昼夜取得4组试验观测值。

以一昼夜、二昼夜和三昼夜为时间跨度，分别取3次试验10、20、30和40 cm土壤厚度的试验数值，进行土壤表面呼吸通量与土壤表面下5 cm处温度和湿度拟合分析，建立线形拟合模型。

由于各土壤箱土壤含水率存在些许差异，为准确分析土壤表面呼吸通量，根据上面建立的线性拟合模型，以每次观测的土壤表面下5 cm处平均温度和湿度为参数，计算出各时间跨度下土壤表面呼吸通量，以此来分析土壤表面呼吸通量与土壤厚度的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤表面呼吸通量与土壤表面下5 cm处温度和湿度的拟合模型

土壤温度和湿度是影响土壤表面呼吸通量的两个重要因素。从拟合模型看，不论时间跨度是多少，各厚度土壤表面呼吸通量与土壤表面下5 cm处温度和湿度相关性很高，相关系数达0.896以上(表1)，表明通过室内培养的土壤，其表面呼吸排放通量与土壤表面下5 cm处温度和湿度仍呈现出与室外自然状态的土壤一致的关系。因此，经室内培养观测土壤表面呼吸通量的方法是可行的。

表1 土壤表面CO2排放通量(Jg)与土壤表面下5 cm处温度(T)和湿度(W)拟合模型

时间跨度土壤厚度/cm模 型R2一昼夜10Jg=1.694W+0.004T0.89620Jg=-0.8420W+0.080T0.98030Jg=-3.335W+0.077T0.99640Jg=-8.273W+0.117T0.967二昼夜10Jg=1.422W+0.006T0.90920Jg=-7.185W+0.069T0.96930Jg=-4.152W+0.084T0.99440Jg=-7.792W+0.111T0.971三昼夜10Jg=1.171W+0.008T0.92120Jg=-5.763W+0.058T0.95130Jg=-3.911W+0.080T0.99340Jg=-7.632W+0.109T0.977

注：一昼夜指2011年7月5日11时40分至7月8日11时20分；二昼夜指8月20日9时30分至8月23日7时30分；三昼夜指11月20日11时30分至11月23日11时20分。

2.2 土壤表面呼吸通量与土壤厚度的关系

分别取每次试验一昼夜、二昼夜和三昼夜土壤表面下5 cm处的平均温度和湿度(见表2)，代入表1中各土壤厚度的拟合模型中，得每次观测一昼夜、二昼夜和三昼夜各厚度土壤表面呼吸通量的计算值，其散点及趋势线见图1。

表2 土壤表面下5 cm处的平均温度和湿度

注：一昼夜指2011年7月5日11时40分至7月8日11时20分；二昼夜指8月20日9时30分至8月23日7时30分；三昼夜指11月20日11时30分至11月23日11时20分。

图1 各厚度土壤表面CO2排放通量

2.2.1 各厚度呼吸通量变化

对于10cm厚度，一至三昼夜度各次试验呼吸通量差别不大(图1)。试验I、试验II和试验III呼吸通量分别介于0.26～0.32、0.25～0.35和0.24～0.34 μmol·m2·s-1之间。随时间跨度的增加，各次试验呼吸通量均略有增加。

对于20～40 cm厚度，一至三昼夜各次试验呼吸通量差别也不大(图1)，但均表现出相同时间跨度下呼吸通量观测值试验I最大，试验II次之，试验III最小。试验I、试验II和试验III在20、30和40 cm厚度的呼吸通量分别介于1.05～1.29、0.62～0.69和0.33～0.55 μmol·m-2·s-1，1.70～1.81、1.37～1.43和0.94～1.02 μmol·m-2·s-1，2.19～2.28、1.56～1.61和1.01～1.23 μmol·m-2·s-1之间。各次试验相同厚度呼吸通量均表现随时间跨度的增加而减小。

2.2.2 各厚度呼吸通量增加速率

随土壤厚度的增加，一至三昼夜各次试验呼吸通量均呈增加的趋势(图1)，但增加的速率不同。

对于试验I，10到20 cm增加较快，一至三昼夜分别增加396%、293%和228%。20到30 cm和30到40 cm增速变缓，一至三昼夜分别为：34%和31%、59%和20%、72%和24%。

对于试验II和试验III的一昼夜，10到20 cm增速较快，分别为102%和129%。20到30 cm和30到40 cm增速变缓，分别为：98%和17%、85%和20%。

对于试验II与试验III的二昼夜和三昼夜，20到30 cm增加最快，分别为130%和137%、129%和184%。10到20 cm分别为77%和72%、72%和17%。30到40 cm分别为9%和7%、13%和7%。

一至三昼夜各次试验呼吸通量增加速率最小的，均为30到40 cm。

2.2.3 各厚度呼吸通量贡献率

对于试验I，20 cm厚度贡献率最大，但随时间跨度的增加，贡献率逐渐较小(图2)，一至三昼夜贡献率分别为45%、39%和34%。10、30和40 cm一至三昼夜贡献率分别为：11%、13%和14%，19%、31%和32%，25%、34%和20%。

对于试验II和试验III，各厚度贡献率显出相同的变化趋势，即30 cm厚贡献率最大，40 cm厚贡献率最小。试验II和试验III中，30 cm厚度一至三昼夜贡献率分别为42%和38%、52%和54%、50%和60%；试验II中，40 cm厚度一至三昼夜贡献率分别为：15%、8%和12%，试验III中，40 cm厚度一至三昼夜贡献率分别为：17%、7%和7%。试验II的10和20 cm一至三昼夜贡献率分别为：21%、22%和22%，22%、18%和16%。试验III的10和20 cm一至三昼夜贡献率分别为：20%、23%和28%，25%、16%和5%。

图2 不同土壤厚度呼吸通量贡献率比较

3 结论与讨论

由于试验设计的结果，试验土样结构单一、无根系及动物的影响，因此，可以忽略根呼吸和动物呼吸的影响，仅存在土壤微生物呼吸。

在土壤稳定结构形成的同时，土壤微生物群落也逐步形成并随时间的延续保持稳定。在这一过程中，土壤微生物呼吸通量经若干小时的持续升高后下降[13]，再经若干时间后保持一定的稳定性。因此，表现在20～40 cm呼吸通量上，即呈现出相同时间跨度下呼吸通量观测值试验I最大、试验II次之、试验III最小的观测结果。而10 cm由于土层很薄，受土气交换的直接作用，土壤内部气体很难保持较大的CO2通量，各次试验呼吸通量观测值较小，且随时间跨度的增加，呼吸通量略有增加。

一般认为，土壤呼吸通量随深度的增加而增加[6]，这是由于在一定深度内(0～60 cm)土壤CO2通量与土壤微生物含量具有一定的正相关性[14]。在野外观测条件下，这种增加一般为非线性的[15-18]。在土壤均质的条件下，是否应呈线性增加的形态。本次试验观测结果表明，随土壤厚度的增加，各次试验各时间跨度呼吸通量虽呈增加的趋势，但增加的速率相差很大，没有呈现线形增加的形态。将3次试验按时间序列分析的结果是，随观测时间的延续，试验I至试验III土壤呼吸通量在10到20 cm的增速由开始时的最大值逐渐变小，至试验II和试验III二昼夜和三昼夜的20 cm到30 cm增速最大。这与土壤结构逐步稳定、20～30 cm土壤微生物活性强有关。而30 cm～40 cm增速最低，表明该层次由于土壤内CO2通量过高，可能抑制了微生物活性，使呼吸通量增速降低。

呼吸通量的增速决定了各层次厚度呼吸通量的贡献率，因此，各厚度呼吸贡献率与呼吸通量增速的大小具有相同的表现形式。

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Surface Respiration Flux at Different Forest Soil Thickness

Meng Chun, Xu Hui, Qu Huilei(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(2)：59-62.

Soil; Thickness; Respiration flux

孟春，男，1964年5月，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，副教授。E-mail:504973901@qq.com。

2014年4月20日。

S718.51+6

责任编辑：潘 华。