不同坡位下红锥人工林的土壤呼吸特征

郑 威，谭一波，唐 洁，何 峰

（1.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530001；2.湖南省林业科学研究院，湖南 长沙 410004；3.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530001）

不同坡位下红锥人工林的土壤呼吸特征

郑 威1，3，谭一波1，3，唐 洁2，何 峰1，3

（1.广西壮族自治区林业科学研究院，广西 南宁 530001；2.湖南省林业科学研究院，湖南 长沙 410004；3.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530001）

坡位的差异会引起许多土壤微环境等因子改变，存在影响土壤呼吸的可能。研究以桂东红锥人工林为对象，测定2013年6月至2014年5月间不同坡位下土壤呼吸动态，并对其控制因子进行分析。结果如下：不同坡位下红锥人工林的土壤呼吸均存在明显的季节动态，表现为夏高冬低；红锥人工林土壤呼吸呈现出随坡位升高而增加的趋势，中、上坡位分别高出下坡位8.54%、12.99%。土壤有机碳、全氮随坡度升高而减少，但坡位间无显著差异；土壤呼吸主要受土壤温度所控制，土壤湿度与土壤呼吸间无显著相关性。坡位间土壤呼吸的差异的主要原因在于所接受光照时长的差异所引起。

红锥林人工林；坡位；土壤呼吸动态；广西东部

土壤呼吸是土壤排放CO2至大气的过程，包含根系呼吸、微生物呼吸（植物残体分解；土壤有机物分解）和CaCO3释放CO2[1]，为第二大陆地碳通量[2]，在全球碳循环过程有着重要地位。土壤呼吸主要受土壤温度、湿度[3]、pH值[4]、养分含量[5]和降雨特征[6]等环境因子的影响，此外，还包括植被类型、地形因素等。

地形因素可以通过影响土壤微气候环境、理化性质、地下碳输入等因子改变植被生长、微生物量[7]，所以土壤呼吸往往表现出强烈的土壤异质性。坡位作为一个重要的地形因子，主要应用在土壤侵蚀研究中。坡位的差异会对土壤含水量、土壤有机碳、土壤全氮等产生显著影响[7]，引起植被分布格局的不同[8]、植物根系适应性差异[9]以及土壤微生物量的改变[10]，这些因子差异存在直接或间接影响土壤呼吸的可能性。因此，在进行森林的土壤CO2排放量的测算时，需考虑其地形因素的影响。

红锥Castanopsis hystrix是亚热带优良的乡土阔叶树种，在广西、广东、云南和福建均有分布，具有适应广、经济效益高等优良特性，可作为广泛推广的造林树种。研究选择广西玉林市的红锥人工林为对象，开展了不同坡位下土壤呼吸的测定，探究地形对土壤呼吸的影响及机理。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西玉林市容县境内的玉林市林科所（22°48′～ 22°51′N、110°33′～ 110°37′E）， 属南亚热带季风气候区，年平均气温为21.5 ℃，极端最高温度39.4 ℃，极端最低温度-2.3 ℃，≥10℃的年积温400～8 100 ℃，年平均日照在1 800 h以上，年均降雨量1 462～1 847.7 mm，无霜期350～359 d。林地平均海拔约210 m，平均坡度约35°，土壤以砂页岩发育而成的赤红壤、红壤为主，土层平均厚度在80 cm以上，土壤pH 4.6～5.2。所选人工林为2002年种植，平均胸径为9.7 cm，树高9.5 m，郁闭度0.4。

1.2 研究方法

1.2.1 试验方案

2013年6月，在林分所处坡面的上、中、下坡位设置试验样地，每一坡位设置4块10×10 m重复样方，对其中林木进行每木检尺，调查灌、草盖度、多样性等指标。

在每个样方内随机选择3个样点分别安放PVC环（Φ21 cm×H8 cm），环插入土壤4 cm左右，测量期间环不再移动。测定频率为每月1次，时间为2013年6月～2014年5月。土壤呼吸的昼夜动态测定选择在7月份进行，在上、中、下旬各选择一天进行，测定间隔为2 h。采用LI-8100进行土壤呼吸测定。测定每个样点土壤呼吸速率的同时，采用Li-8100-201 Omega、Li-8100-202同步测定5 cm处土壤温度、湿度（后文中简称为土壤温度、土壤湿度）。

在每个样方中随机采取3处土壤样品，采样深度0～20 cm，测定有机碳碳、全氮和pH值，土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定，有机质至有机碳换算系数按1.9；全氮采用半微量凯氏定氮法；pH值采用电位法测定；土壤容重采用环刀法测定。

1.2.3 数值计算与分析

采用单因素方差分析和LSD多重比较检验不同坡位间土壤呼吸、温度、湿度的差异性，分析将土壤呼吸速率余弦化以满足齐次性。采Sigmaplot软件作图。采用指数方程拟合土壤呼吸与温度的关系：R=αexp(bT) ，R为土壤呼吸，α是土壤温度为0 ℃时的土壤呼吸速率，b为温度反应系数[26]。在同一测定日，重复测定的土壤温度、湿度差异极小，此时土壤呼吸变异并非土壤温度、湿度引起，因此采用土壤温度、湿度和土壤呼吸的均值进行分析。土壤呼吸温度敏感性采用Q10值：Q10=exp(10b)[27]，b同上式。数据统计分析用SPSS13.0软件，用Sigmaplot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤呼吸季节动态

红锥人工林不同坡位的土壤呼吸呈现出相似的季节动态，表现为夏季高、冬季低，最大值出现在7月，最小值出现在11月。在2013年5月～9月间，不同坡位间的土壤呼吸差异较小，2013年10月后，坡位间土壤呼吸差异明显。从土壤呼吸的年均值来看，下、中、上坡位分别为3.89±0.03 μmolCO2m-2·s-1，4.22±0.03 μmolCO2m-2·s-1，4.39±0.03 μmolCO2m-2·s-1， 中、 上 坡 位 分 别 高 出 下 坡 位8.54%、12.99%，红锥人工林土壤呼吸呈现出随坡位升高而增加的趋势，但坡位间无显著性差异。

图1 不同坡位的土壤呼吸季节动态Fig.1 Seasonal trends of soil respiration rates in different slope positions

不同坡位下土壤温度的季节动态为夏高冬低，但在各月份坡位间的土壤呼吸速率值差别很小。各坡位的土壤湿度在2014年3月出现峰值，但在全年来看，其表现平缓，波动较小。下、中、高坡位的土壤湿度年均值分别为0.24±0.00 m3·m-3、0.23±0.00 m3·m-3、0.23±0.00 m3·m-3，坡位间不存在差异。

2.2 不同坡位土壤养分、植被属性

红锥林土壤pH值表现出随坡位升高而增大的趋势，但坡位间无显著差异。有机碳、全氮含量随坡位升高而减小；郁闭度在各坡位表现相同，均为0.3；胸径呈现为中坡位＞下坡位＞上坡位，但统计分析表明，各指标在坡位间均无显著差异。

图2 不同坡位的土壤温度、土壤湿度的季节动态Fig.2 Seasonal trends of soil temperature and soil moisture at 5 cm depth in different slope positions

表1 不同坡位下红锥林土壤养分、植被属性Table 1 Contents of soil nutrition and vegetation attributes in different slope positions

2.3 土壤呼吸与土壤温度、湿度的关系

各坡位土壤温度与土壤呼吸间均存在显著正相关关系，相关系数范围为0.610～0.914（P＜0.001）（表2）。采用单因素指数模型进行回归分析可得各处理5 cm处土壤温度与土壤呼吸的指数回归方程（图3），土壤温度解释了土壤呼吸速率的39.05%～81.81%。下坡位的土壤温度、土壤湿度与土壤呼吸无显著相关性。

Q10值是土壤温度每变化10℃时土壤呼吸的变化值，反应了土壤呼吸随土壤温度变化的敏感性，通过上文所建立的指数方程可计算得到。下、中、上坡位林分的土壤呼吸Q10值分别为1.96、1.34、1.30，下坡位要高于中、上坡位。

表2 土壤呼吸与土壤温度、土壤湿度间的相关分析†Table 2 Correlations of temperature and humidity at 0.05 meter with soil CO2 flux rates

图3 土壤呼吸与5 cm处土壤温度的关系Fig 3 Relationships between soil respiration and soil temperature at 5 cm depth

3 讨 论

土壤温度、湿度是土壤呼吸的主要控制因子[11]，季节变化引起的土壤温度变化成为土壤呼吸存在季节动态的主要因素。在同一研究地，不同坡位间土壤温度差异极小，因此，各坡位土壤呼吸存在相似的季节动态特征。

红锥林土壤呼吸年均值达3.89～4.39 μmol CO2m-2·s-1，高于南亚热带鼎湖山季风常绿阔叶林（3.12 μmol CO2m-2·s-1）[12]，在同类研究中处于较高水平，原因可能在于研究林分林龄较小，生命活动旺盛引起。

在部分测定日，坡位间土壤呼吸存在显著差异，年均值则表现出随坡位升高而增加的趋势，这种变异主要是由土壤温度外的其他因子所引起。土壤碳、氮元素是植物根系生长维持、地下微生物代谢的重要基础，本研究中有机碳、全氮含量随坡位升高而减小，可能原因在于土壤呼吸随坡位升高而增大，较高土壤呼吸将消耗更多的土壤碳、氮。可以假设引起坡位间土壤呼吸差异的原因在于光照强度、时长的不同。低坡位处于谷底，对面山峰对太阳辐射的遮挡会降低低坡位植物的生命活动，在太阳辐射角较小的寒冷季节，这种遮挡作用尤为明显，本研究中，坡位间土壤呼吸的差异主要表现在10月～3月间，支持了上述假设。

土壤温度与土壤呼吸间存在显著指数关系，与在不同区域、生态系统的研究结论一致[13-16]。土壤湿度也是土壤呼吸的重要控制因子，土壤湿度过高、过低均会抑制土壤呼吸[17-18]，但研究区所处桂东地区，降雨丰富且季节分布均匀，土壤湿度波动较小，此时，土壤湿度对土壤呼吸影响较小。上坡位的土壤Q10值要高于中、低坡位，原因可能也在于光照时长的减小引起的植被生命活动的减少，使其在同样土壤温度下土壤呼吸波动较小。

[1] Kuzyakov Y. Sources of CO2efflux from soil and review of partitioning methods[J]. Soil Biology and Biochemistry. 2006,38(3): 425-448.

[2] Raich J W, Schlesinger W H. The global carbon dioxide fl ux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate[J].Tellus B. 1992, 44(2): 81-99.

[3] Zhang L H, Chen Y N, Zhao R F,et al. Significance of temperature and soil water content on soil respiration in three desert ecosystems in Northwest China[J]. Journal of Arid Environments, 2010, 74(10): 1200-1211.

[4] Wang A S, Angle J S, Chaney R L,et al.Changes in soil biological activities under reduced soil pH during Thlaspi caerulescens phytoextraction[J]. Soil Biology and Biochemistry.2006, 38(6): 1451-1461.

[5] Smith V R. Moisture, carbon and inorganic nutrient controls of soil respiration at a sub-Antarctic island[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(1): 81-91.

[6] Shi W, Tateno R, Zhang J,et al. Response of soil respiration to precipitation during the dry season in two typical forest stands in the forest: Cgrassland transition zone of the Loess Plateau[J].Agricultural and Forest Meteorology. 2011, 151(7): 854-863.

[7] 张 地,张育新,曲来叶,等. 坡位对东灵山辽东栎林土壤微生物量的影响[J]. 生态学报. 2012(20): 6412-6421.

[8] 张 庆,牛建明,Buyantuyev Alexander,等. 不同坡位植被分异及土壤效应——以内蒙古短花针茅草原为例[J]. 植物生态学报. 2011(11): 1167-1181.

[9] 刘 鑫,满秀玲. 毛乌素沙地梁地上小叶杨根系分布特征[J].中国水土保持科学. 2008(04): 48-53.

[10] 成 毅,安韶山,马云飞. 宁南山区不同坡位土壤微生物生物量和酶活性的分布特征[J]. 水土保持研究, 2010,(5):148-153.

[11] Knapp A K, Conard S L, Blair J M. Determinants of soil co2 fl ux from a sub-humid grassland: effect of fire and fire history[J].Ecological Applications, 1998, 8(3): 760-770.

[12] 易志刚,蚁伟民,周国逸,等. 鼎湖山三种主要植被类型土壤碳释放研究[J]. 生态学报, 2003, (8): 1673-1678.

[13] Mo J M, Zhang W, Zhu W X,et al. Nitrogen addition reduces soil respiration in a mature tropical forest in southern China[J].Global Change Biology. 2008, 14(2): 403-412.

[14] Peng Y, Thomas S C. Influence of Non-nitrogenous Soil Amendments on Soil CO2Eff l ux and Fine Root Production in an N-Saturated Northern Hardwood Forest[J]. Ecosystems, 2010,13(8): 1145-1156.

[15] 涂利华,戴洪忠,胡庭兴,等. 模拟氮沉降对华西雨屏区撑绿杂交竹林土壤呼吸的影响[J]. 应用生态学报,2011,(4):829-836.

[16] 涂利华,胡庭兴,黄立华,等. 华西雨屏区苦竹林土壤呼吸对模拟氮沉降的响应[J]. 植物生态学报, 2009, (4): 728-738.

[17] Brito P, Trujillo J L, Morales D,et al.Response of Soil CO2Eff l ux to Simulated Precipitation Pulses in a Canary Island Pine Forest at Treeline[J]. Arid Land Research and Management,2013, 27(2): 178-187.

[18] 黄志玲, 姜 英, 郝海坤, 等. 不同光照强度对红锥光响应曲线的影响[J]. 中南林业科技大学学报, 2014, 34(8): 30-33.

Soil respiration characteristics in different slope position inCastanopsis hystrixMiq. plantations

ZHENG Wei1,3, TAN Yi-bo1,3, TANG Jie2, HE Feng1,3
(1. Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530001, Guangxi, China; 2. Hunan Forestry Research Institute, Changsha 410004,Hunan, China; 3.Guangxi Key Lab. of Superior Timber Trees Resouce Cultivation, Nangning 530001, Guangxi, China)

The differences among different slope positions caused many changes to soil environment, and may affect soil respiration.The soil respiration dynamics have been measured in different slope positions inCastanopsis hystrixMiq. plantations in eastern Guangxi from June 2013 to May 2014. The control factors to the soil respiration have also been analyzed. The results as follow: the soil respiration rates in three slope positions all had an obvious seasonal change, i.e. was higher in summer and lower in winter; Soil respiration rates increased with the growing of slope position, soil respiration rates in middle slope and top slope were higher 8.54% and 12.99% than in bottom slope; Soil organic carbon and total nitrogen decreased with the rise of slope position, but there was no signif i cant difference between the slope position; Soil respiration was mainly controlled by soil temperature, there was no signif i cant correlation between soil moisture and soil respiration; The main reason of soil respiration differences between slope position was caused by the differences that different slope position soils had accepted soil light duration.

Castanopsis hystrixplantation; slope position; soil respiration dynamics; eastern Guangxi Zhuang Autonomous Region

S714

A

1673-923X(2015)06-0011-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.003

2014-04-11

广西优良用材林资源培育重点实验室开放课题（12A0404）；广西优良用材林资源培育重点实验室自主课题（12B0402）

郑 威，博士；E-mail：zhengwei8686@163.com

郑 威,谭一波,唐 洁,等. 不同坡位下红锥人工林的土壤呼吸特征[J].中南林业科技大学学报,2015,35(6):11-14.

[本文编校：吴 彬]