模拟计划火烧对哈尔滨城市林业示范基地典型林型土壤呼吸的影响

模拟计划火烧对哈尔滨城市林业示范基地典型林型土壤呼吸的影响

张鹏宇，孙龙，胡海清*

(东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040)

摘要：火干扰是森林生态系统重要的干扰因素之一，尤其在北方森林生态系统中火干扰的作用更为明显。但是关于火干扰到底如何影响北方森林生态系统的土壤呼吸，以及计划火烧开展对土壤呼吸的影响程度目前研究非常有限，相关科学问题尚不能给出准确答案。因此，本文选择哈尔滨城市林业示范基地的典型3种森林类型白桦林、兴安落叶松林和蒙古栎林，通过小范围控制火烧试验采用LI6400测定火后不同时间(5~9月份)的土壤呼吸，研究计划火烧对3种林型土壤呼吸通量的影响。结果表明，在火后5~9月份中，3种林型火后样地与对照样地相比，白桦林土壤呼吸速率上升了10%，蒙古栎土壤呼吸速率下降了30%，落叶松土壤呼吸速率上升了14%。白桦林、蒙古栎林、落叶松林对照样地与火烧样地的Rc值均呈现出显著的动态变化，但并无一定规律，3种林型中白桦林火后短期内Rc的变化规律并不显著，而蒙古栎林与落叶松林火后短期内Rc的变化规律非常明显，蒙古栎林的Rc值的变化显著降低为34.98%，而落叶松林的Rc值变化却显著升高为13.77%。因为本次小范围计划控制火烧试验对环境温度改变最大，因此研究结果表明本次试验控制土壤呼吸的因素中，温度占主导地位。

关键词：计划火烧；土壤呼吸；典型林分；影响因素

中图分类号：S 718.5；Q 148

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)03-0001-06

Abstract：Fire disturbance is an important interference factor to forest ecological system，especially to the forest ecosystems in North China.But the studies about how the fire disturbance affects the soil respiration of the forest ecosystems in North China and the impact degree of prescribed burning on soil respiration are very limited.Therefore，the accurate answers about related science problems still cannot be given.In this paper，the soil respiration after a small range controlled burning at different time(from May to Sep.)were measured using LI6400 in three forests，including Betula platyphylla suk，Larix gmelinii and Quecrus mongolica，in Harbin city forestry demonstration base.The results showed，after being burned from May to September，compared with the control samples of the three types of forests，the soil respiration rate of the Betula platyphylla suk forests increased by 10%，the soil respiration rate of the Quecrus mongolica forests decreased by 30%，and that of the Larix gmelinii forests increased by 14%.The Rc rates of burned and control samples in Betula platyphylla suk，Larix gmelinii and Quecrus mongolica forests showed significant changes without certain rules.Among the three types of forest，the Rc rates of Betula platyphylla suk forests burned samples did not have significant change rule within a short time，but the Rc rates of Larix gmelinii and Quecrus mongolica forests burned samples had very significant change rules.The Rc rate of Quecrus mongolica forests decreased to 34.98% significantly，but the Rc rate of Larix gmelinii forests increased to 13.77%.The ambient temperature changed due to the controlled small range burning.Thus，the results in this paper showed that temperature was the major influence factor to control soil respiration.

Keywords：prescribed burning；soil respiration；typical forest；influence factor

收稿日期：2014-12-10

基金项目：国家自然科学基金(31470657)

作者简介：第一张鹏宇，硕士研究生。研究方向:林火生态方面研究.。

通讯作者：`*胡海清，博士，教授。研究方向：林火生态与管理方面研究。Email：13945016458@126.com.

The Influence of Simulated Prescribed Burning on the Soil Respirationof the Typical Forests in Harbin City Forestry Demonstration Base

Zhang Pengyu，Sun Long，Hu Haiqing*

(School of Forestry，Northeast Forest University，Harbin 150040)

引文格式：张鹏宇，孙龙，胡海清.模拟计划火烧对哈尔滨城市林业示范基地典型林型土壤呼吸的影响[J].森林工程，2015，31(3)：1-6.

1引言

1.1　土壤呼吸

土壤呼吸(Soil respiration)从严格意义上讲是指在土壤未受扰动的情况下，土壤中的土壤有机体、植物根系及菌根产生并释放二氧化碳的过程，土壤呼吸包括植物根系的自养呼吸和土壤动物和土壤微生物的异养呼吸以及含C矿物质的化学氧化与分解释放作用这一非生物学过程，而土壤动物呼吸以及C矿物质的化学氧化与分解释放作用所产出的二氧化碳只占很小的比例，可忽略不算，故通常所指的土壤呼吸包括土壤根系呼吸和土壤微生物呼吸[1-2]。

1.2　土壤呼吸研究的意义

近年来，随着人类对全球生态系统的越来越重视，全球气候已经成为人们讨论的重点话题。现如今全球气候正经历着显著变化，温室效应已成为社会关注的重要话题。化石燃料所导致的碳排放对生态系统的碳循环会产生巨大的影响，从而影响人类正常的生活生产活动，会使全球气温在未来的几十年、甚至几百年内持续升高[3]。陆地生态系统是人类赖以生存、发展的重要依靠，也承受着人类生活、生产所导致的巨大影响，亦是全球碳循环与碳平衡的主要碳库，在全球生态系统碳循环中有着很重要的作用[4]。全球陆地土壤的碳储量约为1 300~2 000 Pg，全球陆地植被碳库为500~600 Pg，占全球陆地土壤碳储量的30%~38%，大气碳库为750 Pg，占全球土壤碳储量的50%[5]，所以土壤碳储量在全球碳循环和碳平衡中起着不可替代的作用。而在大气与陆地生态系统之间碳循环的生态过程[7]，土壤呼吸是重要影响因素，土壤呼吸包括植物根系、土壤微生物以及土壤动物呼吸所释放CO2的总和。在全球二氧化碳排放量中，土壤呼吸的年均排放量为50~76 Pg，占陆地生态系统与大气生态系统之间碳交换总量的2/3，约为大气碳库的1/10，比陆地生态系统净初级生产力(NPP)吸收的碳量多30%~60%[8-9]。土壤呼吸是大气生态系统与陆地生态系统碳循环的重要部分，亦是生态系统碳循环与碳循环主要影响因素，因此土壤呼吸的研究对人类生活生产有着巨大意思。

1.3　火干扰对土壤呼吸的影响

火行为，作为一种烈性因素，会对土壤呼吸产生巨大的影响。火行为过后，土壤的温度，湿度，土壤的微生物活动以及土壤的根系呼吸都会发生剧烈的改变，从而对土壤呼吸中CO2吸收和释放产生无法估计的影响。通常情况下，土壤呼吸速率会依照一定的日变化或季度变化而形成一定规律，但火行为会破坏土壤表层的植被、凋落物以及土壤有机质，从而对土壤呼吸速率直接产生影响。一般情况下，火行为会降低土壤呼吸速率，而火烧的强度大小和火烧的时间长短[10]则是主要影响条件。即使火行为过后会是土壤表层温度升高，但火行为后亦会使植被、凋落物和表层土壤有机质丧失，从而使得土壤呼吸的CO2通量显著降低[11]。火行为降低了土壤的根系呼吸，因而对土壤呼吸的季节行波动产生了巨大影响。但火行为亦融化了永冻层，使活动土层变厚加快了分解作用，从而增加了冻结生态系统储存的碳的净损失[12-13]，因此火行为对土壤呼吸的影响作用及其复杂，不可一概而论。

1.4　本文研究的内容和意义

本研究选择在东北林业大学城市林业示范基地，同时选择实验林场中的3种林型(白桦林、蒙古栎林和落叶松林)作为研究对象，以火烧后3种林型短期土壤呼吸速率作为研究内容，对火烧样地与对照样地的土壤呼吸进行测定，比较火干扰后短期内火烧样地与对照样地土壤呼吸之间的变化，进一步分析火干扰后土壤呼吸的变化规律及火干扰对土壤呼吸及其影响因子的影响。本文研究火干扰后对人工林地土壤呼吸速率的影响规律，从而为实验林场基于火干扰条件下的碳循环模型提供数据基础，亦为火干扰对人工林地土壤呼吸的影响及土壤呼吸差异的研究提供依据。

2研究区域自然概况

东北林业大学城市林业示范基地始建于1948年，它的前身为东北林业大学哈尔滨实验林场。基地位于哈尔滨市中心偏南地段，地理坐标为北纬45°43′10″，东经126°37′15″，总占地面积43.95 hm2。海拔136～140 m，气候属于中温带大陆性季风气候，冬长夏短，全年平均降水量569.1 mm。年平均气温3.6℃，≥10℃年积温2 757℃。基地内主要包括蒙古栎、樟子松、白桦和水曲柳胡桃楸等林型。

3材料与方法

3.1　实验材料

东北林业大学实验林场，包含多种林型，本实验选择蒙古栎、落叶松、白桦3种林型作为实验样地。

3.2　实验方法

选择3种林型：蒙古栎、落叶松、白桦。在蒙古栎、落叶松、白桦3种林型中，选择3块30 m×30 m样地，并在3块样地临近选择对照样地。在每个样地内部随机布置5个内径为10.5 cm，高为7 cm左右的PVC土壤环，将PVC 土壤环的一端削尖，压入土中，每个土壤环露出地面的高度为2～3 cm，并保持土壤环在整个测定期间位置不变[14]。根系异养呼吸(Rh)测定采用壕沟法[15]，在每块固定样地的外围距样地边界1～2 m处随机设置3个50 cm×50 cm样方，周围挖壕至根系层以下(约为45 cm×5 cm)，然后用双层塑料布将小样方围住，隔离周围的植物根系，阻止根系进入小样方，再小心地除去小样方内的活体植物，最后在小样方内安置一个土壤环，安置方法同前。挖壕样方内的CO2通量为异养呼吸(Rh)，未挖壕样方内的CO2通量为总呼吸(Rs)，未挖壕样方和挖壕样方CO2通量的差值为自养呼吸[1]。测定期间始终保持壕沟法小样方内没有活体植物。

共6块实验样地，48个监测点。3块为火烧样地，另外3块为对照样地。在布置6块样地后24h，进行一次测量。然后进行火烧，火烧只对3块样地的24个监测点进行火烧。火烧时，用4块板围起火烧点进行保护，以防发生危险。火烧后一天对全部监测点进行数据测量，并记录数据。

测定土壤呼吸的同时，用LI-6400自带的土壤温度探头(p/n 6400-201)和ECH20型EC-5 土壤水分探头(p/n 6400-202)(Decagon Devices，Inc.，Pullman，WA)测定 5cm 处的土壤温度(T)和土壤体积含水量(W)。

每个样方取土壤总呼吸(Rs)的5个观测点的平均值作为该样方Rs的实测数据，同时取异养呼吸(Rh)的3个观测点的平均值作为该样方Rh的实测数据.数据经Excel整理后，Spss19.0统计软件进行平均值、标准差计算和单因素方差分析，建立相关的多元回归模型，并通过对所有模型进行残差检验以满足统计要求。

Q10呼吸与温度用一个指数函数拟合，通过方程中的系数P估计出来：

Q10=e10β。

4结果与分析

4.1　3种林型火干扰后短期土壤呼吸速率变化特征

3种林型对照样地和火烧后样地短期土壤呼吸速率平均值分别为：白桦对照样地Rs平均值为：4.52 μmol/m2·s，Rh平均值为：3.52 μmol/m2·s。白桦火后样地Rs平均值为：5.05 μmol/m2·s，Rh平均值为：3.98 μmol/m2·s。蒙古栎对照样地Rs平均值为：4.00 μmol/m2·s，Rh平均值为2.28 μmol/m2·s。火后样地Rs平均值为2.80 μmol/m2·s，Rh平均值为2.56 μmol/m2·s。落叶松对照样地Rs平均值为：2.53 μmol/m2·s，火后样地Rh平均值为：2.05 μmol/m2·s。火后样地Rs平均值为3.12 μmol/m2·s，火后样地Rh平均值为：2.18 μmol/m2·s。3种林型火后样地与对照样地相比，白桦林土壤呼吸速率下降了10%，蒙古栎土壤呼吸速率下降了30%，落叶松土壤呼吸速率下降了14%。3种林型火后样地与对照样地土壤异养呼吸速率并未有特别显著变化，3种林型火后样地与对照样地相比较，土壤根系呼吸贡献率均显著降低，蒙古栎林降低效果最明显。

实验林地内的3种林型中，同一月份中桦林火烧样地与对照样地Rs相比，8月份的Rs明显高于对照样地(P<0.05)，其他月份火烧样地与对照样地并无显著差异(P>0.05)，并且火烧样地Rs均大于对照样地，在6月与9月份是差异较小，6月差异最小。同一个月份中蒙古栎林火烧样地与对照样地Rs相比，7月份的Rs明显低于对照样地(P<0.05)，对照样地Rs(7.15 μmol/m2·s)是火烧样地(3.51 μmol/m2·s)的2.0倍，其他月份火烧与对照并无显著差异(P>0.05)，5~8月的Rs火烧样地比对照样地略显偏低，但在9月份火烧样地的Rs高于对照样地，Rs差异最小的月份是5月；同一月份落叶松林火烧与对照样地Rs相比，5个月份的Rs火烧均高于对照样地，5月、6月、8月的Rs火烧样地明显高于对照样地(P<0.05)，7月、9月的火烧与对照并无显著差异(P>0.05)，9月份差异最小。见表1。

表1　白桦林、蒙古栎林和落叶松林火烧与对照样地 Rs(mol/m 2·s)各月份平均值 Tab.1 Average of Rs of Burned and Control plots in Betula platyphylla forest Quecrus mongolica forest and Larix gmelinii forest over the every months

4.2　3种林型火干扰后短期土壤异养呼吸速率变化特征

4.3　3种林型根系呼吸及其贡献率的估算

本研究进行时间为5~9月份，由于非生长季土壤呼吸主要来自土壤中异养微生物呼吸，实验林场内的3块样地白桦林、蒙古栎林、落叶松林正处于生长季，故取5~9月生长季的数据平均值来估算根系呼吸(Ra)以及其贡献率(Rc)(见表2)。

表2　三种林型火烧与对照样地 Rs、 Rh、 Ra、 Rc生长季平均值 Tab.2 Average Rs， Rh， Ra，and Rc of the burned and control plots in the three types of forests in the growing season

白桦林、蒙古栎林、落叶松林中对照样地与火烧样地的根系呼吸贡献率Rc在短期内的动态变化规律中研究发现，白桦林对照样地与火烧样地的根系呼吸Rc值变化范围为：5.59%~25.60%，蒙古栎林对照样地与火烧样地的根系呼吸Rc值变化范围为11.85%~26.12%，落叶松林对照样地与火烧样地的根系呼吸Rc值变化范围为3.57%~31.62%；白桦林对照样地Ra生长季平均值为0.85 μmol/m2·s小于火烧样地为0.93 μmol/m2·s，而蒙古栎林为对照样地Ra平均值1.87 μmol/m2·s大于火烧样地0.26 μmol/m2·s，落叶松林为对照样地Ra平均值0.46 μmol/m2·s小于火烧样地1.02 μmol/m2·s。

经研究发现白桦林、蒙古栎林、落叶松林对照样地与火烧样地的Rc值均呈现出显著的动态变化，但并无一定规律，3种林型中白桦林火后短期内Rc的变化规律并不显著，均略微升高，而蒙古栎林与落叶送林火后短期内Rc的变化规律非常明显，蒙古栎林的Rc值的变化显著降低，而落叶松林的Rc值变化却显著升高(如图1所示)。

图1　白桦林对照样地、白桦林过火样地、落叶松林对照样地、落叶松林过火样地、蒙古栎林对照样地、蒙古栎林过火样地火后短期Rs与Rh的变化趋势。 Fig.1 Changes of short-term Rs and Rh after fire in control and post-fire plots of B.platyphylla，L.gmelinii forests and Quecrus mongolica forests

4.4　三种林型土壤呼吸与土壤温湿度之间的关系

在拟合出的回归模型中，土壤温度和土壤含水量能解释土壤总呼吸变化的比例分别为白桦林对照样地9.5%，火烧样地17.6%，蒙古栎林对照样地41.2%，火烧样地57.7%，落叶松林对照样地45.8%，火烧样地12.5%，表现的趋势为火干扰后解释白桦林土壤总呼吸的比例有所升高，蒙古栎林的比例有所升高，而落叶松林的比例有所降低，解释异养呼吸的比例表现为火干扰后蒙古栎林有所下降(对照样地51.1%，火烧样地33.6%)(见表3)。

表3　土壤呼吸与土壤温度、湿度的多元回归模型 Tab.3 Multivariable linear regression model among Rs/ Rh， T， W

本研究中3种林型的土壤温度变化范围和Q10依次为：白桦林对照样地土壤总呼吸为16.3~21.9℃，2.89，异养呼吸为16.0~23.3℃，3.67，蒙古栎林对照样地土壤总呼吸为14.3~21.7℃，6.05，异养呼吸为13.8~21.6℃，2.59，落叶松林对照样地土壤总呼吸为14.2~20.1℃，3.19，异养呼吸为14.6~20.2℃，2.23；白桦林火烧样地土壤总呼吸为16.1~22.0℃，4.53，异养呼吸为16.1~26.8℃，4.26，蒙古栎林火烧样地土壤总呼吸为13.4~21.4℃，3.67，落叶松林火烧样地土壤总呼吸为13.6~21.5℃，3.67。

5结论

目前研究发现，3种林型火后样地与对照样地相比，呼吸速率均有上升，白桦林土壤呼吸速率上升了10%，蒙古栎土壤呼吸速率上升了30%，落叶松土壤呼吸速率上升了14%。3种林型火后样地与对照样地土壤异养呼吸速率并未有特别显著变化，3种林型火后样地与对照样地相比较，土壤根系呼吸贡献率均显著降低，蒙古栎林降低效果最明显。实验表示低强度火烧对土壤呼吸有一定的促进作用，其中对土壤异养呼吸影响较为明显，对土壤自养呼吸影响较小。并且在火烧2个月后火后样地与对照样地土壤呼吸速率逐渐接近，火烧对土壤呼吸速率影响逐渐变小。

本研究中，白桦林、蒙古栎林、落叶松林的对照样地与火烧样地的土壤温度变化范围和Q10依次为：白桦林样地土壤总呼吸为16.3~21.9℃，2.89，异养呼吸为16.0~23.3℃，3.67，蒙古栎林样地土壤总呼吸为14.3~21.7℃，6.05，异养呼吸为13.8~21.6℃，2.59，落叶松林样地土壤总呼吸为14.2~20.1℃，3.19，异养呼吸为14.6~20.2℃，2.23。白桦林火烧样地土壤总呼吸为16.1~22.0℃，4.53，异养呼吸为16.1~26.8℃，4.26，蒙古栎林火烧样地土壤总呼吸为13.4~21.4℃，3.67，落叶松林火烧样地土壤总呼吸为13.6~21.5℃，3.67。本试验中，各样地的Rs、Rh与温度T、湿度W的季节性变化均无一致规律，仅落叶松林样地Rh与温度T呈现微弱显著性关系(P=0.05)，白桦林样地Rs与温度T呈现显著相关性关系(r=0.316，P<0.01)，白桦林样地Rh与温度T呈现显著性关系(r=0.481，P<0.01)，Rs与湿度W呈现微弱显著性关系(P=0.05)，蒙古栎林样地Rh与温度T呈现显著性关系(P<0.05)

本文中建立土壤呼吸模型时，将土壤温度、土壤湿度以及土壤温度湿度的交互作用与土壤呼吸进行拟合，模型分别解释了白桦林对照样地Rs和Rh的41.2%和51.1%，白桦林火烧样地Rs和Rh的57.7%和33.6%，蒙古栎林对照样地Rs和Rh的45.8%和22.0%，蒙古栎林火烧样地Rs的12.5%，落叶松林对照样地Rs和Rh的9.5%和22.4%，落叶松林火烧样地Rs的17.6%，其中蒙古栎火烧样地的Rh，落叶松火烧样地的Rh无法与土壤温度、湿度以及土壤温湿度的交互作用进行拟合。

【参考文献】

[1]Luo Y，Zhou X.Soil Respiration and the Environment[M].New York：Academic Press，2006.

[2]Singh J S，Gupta S R.Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems[J].The Botanical Review，1977，43(4)：449-528.

[3]Solomon S，Plattner G K，et al.Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions[A].In：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America[C]，2009，106(6)：1704-1709.

[4]刘立新，董云社，齐玉春.草地生态系统土壤呼吸研究进展[J].地理科学进展，2004，23 (4)：35-42.

[5]汪业勖，赵士洞，牛栋.陆地土壤碳循环的研究动态[J].生态学杂志，1995，18 (5)：29-35.

[6]魏书精，罗碧珍，孙龙，等.森林生态系统土壤呼吸时空异质性及影响因子研究进展[J].生态环境学报，2013，22 (4)：689-704.

[7]熊建平，熊建红，郑育桃，等.营林用火对针叶林地土壤化学性质的影响研究[J].江西林业科技，2014，04：8-14.

[8]唐小智，孙泽平，兰立达，等.炼山对华西雨屏区杉木采伐迹地土壤理化特征的影响[J].四川林业科技，2013，05：29-36.

[9]Raich J W，Tufekcioglu A.Vegetation and soil respiration：correlation and controls[J].Biogeochemistry，2000，48：71-90.

[10]O’Neill K P，Kasischke E S，Richter D.Seasonal and decadal patterns of soil carbon uptake and emission along an age sequence of burned black spruce stands in interior Alaska[J].J.Geophys Res，2003，108(D1)：8155.

[11]Zhuang Q，McGuire A D，Melillo J M，et al.Carbon cycling in extratropical terrestrial ecosystems of the Northern Hemisphere during the 20th century：a modeling analysis of the influences of soil thermal dynamics[J].Tellus B，2003，55(3)：751-776.

[12]Weber M G.Forest soil respiration after cutting and burning in immature aspen ecosystems[J].Forest Ecology and Management，1990，31：1-14.

[13]O’Neill K P，Kasischke E S，Richter D.Environmental controls on soil CO2flux following fire in black spruce，white spruce，and aspen stands of interior Alaska[J].Canadian Journal of Forest Research，2002，32(9)：1525-1541.

[14]Wang C，Bond-Lamberty B，Gower S T.Soil surface CO2flux in a boreal black spruce fire chronosequence[J].J Geophys Res.，2002，107(D3)：8224-8232.

[15]Bond-Lambertu B，Wang C，Gower S T.Contribution of root respiration to soil surface CO2flux in a boreal black spruce chronosequence[J].Tree Physiol.，2004，24(12)：1387-1395.

[责任编辑：刘美爽]