不同经营措施对尾巨桉人工林土壤呼吸的影响

2016-10-26吴华静梁士楚胡乐宁田华丽

西南林业大学学报 2016年5期

吴华静　梁士楚,2　田　丰　胡乐宁　田华丽

(1. 广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541004；2. 珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西桂林 541004；3. 广西师范大学环境与资源学院，广西桂林 541004)

吴华静1梁士楚1,2田丰1胡乐宁3田华丽1

以南宁七坡林场不同经营措施下的3年生尾巨桉林为研究对象，于2013年10月至2014年9月，采用Li-8100土壤碳通量系统测定土壤呼吸速率月变化，分析不同经营措施及土壤温度对土壤呼吸的影响。结果显示：尾巨桉林土壤呼吸速率具有明显的季节变化，峰值出现在2013年10月和2014年6月；不同经营措施间的土壤呼吸速率均存在显著差异 (P< 0.05)，其大小排序为造林密度2 m × 3 m > 4 m × 3 m，施肥量0.8 kg/株 > 0.6 kg/株，除杂处理 > 未除杂；2013年10月至2014年9月土壤呼吸与土壤温度存在极显著的指数相关关系 (P< 0.01)，土壤温度可以解释土壤呼吸速率变化的84.8%，Q10值为1.610。

尾巨桉；经营措施；土壤呼吸速率；土壤温度；Q10值

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大及最活跃的碳库，为大气碳库的3倍，植被碳库的2～3倍[1]，并且受气候变化和人类活动而相应地发生变化，土壤呼吸微小的变化将导致全球气候与碳平衡的变化[2]。研究表明：人工林对森林碳汇增加起到了主要作用[3]，是调控全球气候及碳平衡的重要手段，但人工林属于人为调控的生态系统，不同的经营措施直接影响土壤水分、温度和结构等因素，从而影响土壤呼吸等碳循环过程[4]。因此，充分了解土壤的呼吸作用，能有效发挥人工林在CO2减排及固定对缓解气候变化的重要作用[5]。桉树 (Eucalyptusspp.) 原产于澳大利亚，自1890年引入中国后广泛种植于热带及亚热带地区，具有生长快、适应性强、用途广泛等特点[6]，是华南地区最主要的经济树种之一。学者们对不同经营措施下其他植物种土壤呼吸的研究相对较为成熟[7-9]，但对不同经营措施下以桉树为对象的研究还鲜见报道。本试验以广西南宁七坡林场3年生尾巨桉 (Eucalyptusurophylla×E.grandis) 为对象，动态监测造林密度、施肥量大小、是否除杂等经营措施对土壤呼吸变化的影响。试验处理为林场经营的常用措施，旨在快速提高林业生产力及木材生产量，同时造林密度、是否除杂和施肥量等措施改变了林内环境，特别是土壤的微环境，对土壤呼吸具有一定的影响，因此,本试验主要目的是阐明不同经营措施下尾巨桉林土壤呼吸的变化规律及碳汇效益，以达到人工林资源多目标经营的目的。

1　试验地概况

试验地位于广西南宁市七坡林场内，该地区地貌以丘陵为主，属湿润亚热带季风气候，夏长冬短，阳光充足，雨量充沛；年平均气温22.0 ℃，年均降水量达1 304.2 mm，降水分配不均，平均相对湿度为79%，秋、冬季干燥少雨；干季为当年10月至次年3月，湿季为4月至9月。试验样地为12 hm2尾巨桉纯林 (22°68′ N，108°19′ E)，海拔平均为250 m，坡度为20°，土壤类型为赤红壤，土层厚度为80 cm。3年生尾巨桉平均树高13.5 m，平均胸径10.5 cm。林下植被主要有牛白藤 (Hedyotishedyotidea)、飞机草 (Eupatoriumodoratum)、千里光 (Senecioscandens)、清风藤 (Sabiajaponica)、飞廉 (Carduusnutans)、鬼针草 (Bidenspilosa)、胡椒 (Pipernigrum)、藿香蓟 (Ageratumconyzoides)、铃木冬青 (Ilexsuzukii)、耳草 (Hedyotisauricularia)、枫香 (Liquidambarformosana)、荩草 (Arthraxonhispidus) 等。

2　材料与方法

2.1试验设计

在七坡林场内选取1块经炼山后于2011年11月种植的12 hm2尾巨桉人工林，苗木为组培苗，原始造林密度2 m × 3 m，施基肥0.5 kg/株，总施肥量N: 150 kg/hm2，P: 60 kg/hm2，K: 90 kg/hm2；取样测定土壤有关指标，选取具有平均肥力水平的样地展开试验，土壤基本理化性质为：容重1.37 g/cm，有机碳29.23 g/kg，全氮1.31 g/kg，全磷2.19 g/kg，全钾3.62 g/kg，pH 4.24。于2013年6月在西北和西南坡向，坡度平均为26°及立地条件基本一致的林内设置24个20 m × 20 m的标准样方，将24个样方按不同经营措施分为8个处理，每处理3次重复，试验处理见表1。

表1　试验处理

其中，1) 造林密度4 m × 3 m处理：在原造林密度2 m × 3 m的基础上连根挖掉一定的桉树；2) 除杂处理：人为劈掉样方内的所有杂草及灌木，随后每月15日左右定期处理新长出的杂草和灌木，未除杂即保留林下植被，不对其作任何处理；3) 施肥处理：结合林场施肥习惯在种植第一年中每季度按照试验设计的不同施肥量 (0.6、0.8 kg/株)采用穴施方式施肥，随后每年3—4月追肥1次，穴施即距每树干基部40 cm左右挖10 cm深穴，放入定量的肥料后覆土压实。在每个样方内设置1个内径为20 cm，高11 cm的PVC环，放置于土壤内约5 cm深固定，作为土壤呼吸速率的连续原位测定点。

2.2土壤呼吸速率的测定

试验环境相对稳定后，于2013年10月下旬开始于每月20日左右 (根据天气情况适当调整日期) 对3年生尾巨桉进行土壤呼吸速率 (RS) 及土壤温度 (T) 的监测。采用开路式土壤碳通量自动测量系统Li-8100 (Li—COR，美国)，连接内径20 cm短期腔室测定土壤呼吸速率。选择每月下旬20日左右，晴朗天气下测定，测前清理掉环内所有植物，从7：00开始对研究样点的每个试验号测定，每个PVC环重复测量2次，每次测量时间为1.5 min，同时用系统配套的电子温度探针测量PVC环附近10 cm土层土壤温度。

2.3数据处理与分析

土壤呼吸与土壤温度的关系采用指数曲线模型描述：RS=aebT

式中：RS为土壤呼吸速率；T为土壤温度；a为0 ℃时的土壤呼吸速率；b为温度反应系数。

温度敏感性指数Q10值计算公式为：Q10=e10b。

所有数据采用Microsoft Excel整理和SPSS 19.0分析，相关图表在Microsoft Excel、Adobe Illustrator上制作。

3　结果与分析

3.1不同经营措施尾巨桉林土壤呼吸速率的变化

3.1.1土壤温度对土壤呼吸速率的影响

尾巨桉林土壤呼吸速率 (RS) 与土壤温度 (T) 的变化关系见图1。

由图1可知，RS呈现明显的季节动态双峰曲线。其最大值出现在2013年10月，为 (2.06 ± 0.18)μmol/(m2·s)；最小值出现在2014年2月，为 (0.79 ± 0.08) μmol/(m2·s)；RS在不同月份之间均存在显著差异。尾巨桉林RS月动态变化与T变化趋势基本一致，2013年10月至2013年12月，均表现为随着T的下降，RS均呈下降趋势；2013年1月至2014年6月，随着T的上升土壤微生物活动活跃且桉树林里植物根系活动加强，RS均呈显著的上升趋势；2014年7月至2014年9月，T先下降再在2014年8月又回升，2014年9月下降，RS也随T的波动出现相同的波动。2013年12月至2014年3月，RS均维持在较低的水平，波动幅度不大。

图1土壤呼吸速率随土壤温度的动态变化

Fig.1Variation of soil respiration rate with soil temperature

3.1.2不同经营措施对土壤呼吸速率的影响

不同经营措施下土壤呼吸速率动态变化见图2。由图2可知，NO.1的RS变化基本呈双峰曲线，最大值出现在2014年8月，为1.83 μmol/(m2·s)；最小值出现在2014年2月，为0.70 μmol/(m2·s)。NO.2的RS最大值出现在2014年8月，为3.01 μmol/(m2·s)；最小值出现在2013年12月，为0.98 μmol/(m2·s)。NO.3的RS值基本呈双峰曲线，于2014年6月出现最大值，为2.54 μmol/(m2·s)；最小值为0.54 μmol/(m2·s)，出现在2013年12月。NO.4总体呈双峰形式，在2013年11月出现最大值，为1.95 μmol/(m2·s)；最小值出现在2013年12月，为0.53 μmol/(m2·s)。NO.5在2013年11月RS值最大，为2.86 μmol/(m2·s)；最小值为0.97 μmol/(m2·s)，出现在2014年1月。NO.6的RS值变化呈双峰形式，在2013年11月RS值最大，为2.35 μmol/(m2·s)；RS最小值出现在2014年2月，为0.49 μmol/(m2·s)。NO.7的RS最大值出现在2014年6月，为2.35 μmol/(m2·s)；RS最小值出现在2014年1月，为0.34 μmol/(m2·s)。NO.8的RS值总体上呈现双峰形式，最大值出现在2013年10月，为2.27 μmol/(m2·s)；最小值出现在2013年12月，为0.49 μmol/(m2·s)。

图2　不同经营措施土壤呼吸速率的动态变化

3.1.3不同经营措施间土壤呼吸速率比较

不同经营措施间土壤呼吸速率对比结果见图3。由图3可知，造林密度2 m × 3 m与4 m × 3 m林地的RS值呈显著差异 (P< 0.05)，RS值分别为 (1.47 ± 0.05)、(1.36 ± 0.05) μmol/(m2·s)，造林密度2 m × 3 m林地的RS值比后者稍大 (图3(A))。施肥量0.6 kg/株与0.8 kg/株林地的RS值呈显著差异 (P< 0.05)，RS值分别为 (1.24 ± 0.04)、(1.60 ± 0.06)μmol/(m2·s)，前者比后者的RS值大 (图3(B))。除杂处理与未除杂处理林地的RS值间呈显著差异 (P< 0.05)，土壤呼吸速率分别为 (1.47 ± 0.05)、(1.35 ± 0.05) μmol/(m2·s)，除杂处理林地的RS值比未除杂处理的大 (图3(C))。

图3　不同经营措施间土壤呼吸速率对比

3.2不同经营措施交互效应对尾巨桉林RS的影响

不同经营措施交互效应对尾巨桉林RS影响的方差分析结果见表2。

由表2可知，不同造林密度和是否除杂处理之间的交互效应对土壤呼吸速率不具有显著影响 (P> 0.05)，而不同造林密度和不同施肥量之间、是否除杂和不同施肥量处理之间的交互效应对土壤呼吸速率具有显著影响 (P< 0.05)，不同造林密度、是否除杂和不同施肥量3者之间的交互效应对土壤呼吸速率不具有显著影响 (P> 0.05)，可见施肥量对土壤呼吸的影响起主要作用。

表2　不同经营措施交互效应对尾巨桉林RS影响的方差分析

*表示在P< 0.05水平上显著相关。

3.3尾巨桉林RS与T的关系

不同时间段土壤呼吸与土壤温度的关系拟合方程见表3。

由表3可知，2013年10月至2014年3月 (干季)、2014年4—9月 (湿季) 尾巨桉林RS与T均存在极显著的指数相关关系，说明T在桉树林土壤呼吸中为主要影响因子，随着土壤温度的升高RS升高。2014年4—9月的Q10大于2013年10月至2014年3月，2014年4—9月的温度较高，土壤呼吸相应的速度较快。2013年10月至2014年9月的RS与T均存在极显著的指数相关关系，Q10值为1.610。

表3　不同时间段土壤呼吸与土壤温度的关系

**表示在P< 0.01水平上显著相关。

4　结论与讨论

4.1RS月变化

2013年10月至2014年9月研究区尾巨桉林RS呈明显的季节变化，基本呈双峰形式，最高值出现在2014年5—8月，最低值出现在2013年12月至2014年2月，这与涂志华等人的研究结果基本一致[10-11]，最高值出现于夏季，最低值出现于冬季，与温度显著相关；RS范围为 (0.79 ± 0.08)～(2.06 ± 0.18) μmol/(m2·s)，平均值为1.43 μmol/(m2·s)，小于吴蒙等研究桂林尧山20年生桉树林的年均RS值2.19 μmol/(m2·s)[12]，均大于雷蕾等对马尾松 (Pinusmassoniana) 林在不同经营措施下的土壤呼吸速率[13]。马和平[14]研究藏东南色季拉山的高山灌丛、方枝柏 (Sabinasaltuaria)、杜鹃 (Rhododendronspp.) 和急尖长苞冷杉 (Abiesgeorgeivar.smithii) 的土壤呼吸分别为 (0.63 ± 0.13)、(0.97 ± 0.24)、(2.07 ± 0.33) μmol/(m2·s)和 (2.46 ± 0.22) μmol/(m2·s)，土壤呼吸的季节变化中7月数值最大，随后10月下降，林型的不同，植被类型及群落结构的差异导致土壤微环境、呼吸底物等而影响土壤呼吸，本试验的桉树林土壤呼吸速率大于高山灌丛、方枝柏两种林型，而小于其他两种林型。本研究的RS峰值出现于2013年10月和2014年8月，主要由于当时气温较高，植物生长茂盛，微生物活动频繁，土壤有机碳分解迅速，导致土壤呼吸速率增加。

4.2不同经营措施下的林地RS

不同造林密度林分的RS变化主要是关于根呼吸作用的研究[15]，本研究发现,造林密度增加导致RS增加，与吕国红研究常规种植密度和低种植密度对东北玉米 (Zeamays) 农田土壤呼吸的影响得到的结果类似[16]，造林密度增加导致根密度和碳底物供应增加，从而导致RS增加[17]，与华西雨屏区巨桉 (Eucalyptusgrandis) 人工林土壤呼吸的研究结果相反[18]，分析相反结果产生的原因可能是由于造林密度的减少导致叶面积及林分郁闭度的减少，透光率增加，改变了根生物量和微生物群落，导致根呼吸和微生物呼吸增强。田军研究抚育间伐对土壤呼吸的影响得出抚育强度为20.86%时的土壤呼吸日变化最大，抚育强度为56.51%时土壤呼吸日变化最小[19]；张英豪评估对照组、轻度调整、中度调整和重度调整的油松 (Pinustabulaeformis) 人工林的固碳释氧生态效益，得到中度调整的生态效益最佳[20]，由此可见,合理的造林密度能减少RS的释放，而本试验中4 m × 3 m的造林密度固碳效益较好，RS较小。

研究发现,施肥量0.8 kg/株林地土壤呼吸速率比施肥量0.6 kg/株林地大，李晓密在对小麦 (Triticumaestivum) 的日呼吸变化研究中得到，土壤CO2释放量在施肥处理的样地比未施肥处理的样地大[21-22]，因此，适当的施肥量能增加土壤的矿质营养，促进了植物根系的生长，增加了根呼吸速率，微生物的活性提高，从而增加RS[23]。张凯用不同的施氮处理研究桉树人工林土壤呼吸时发现,施氮水平提高CO2释放增加[24]，施氮提高了土壤的含氮量，微生物数量和活性增加，从而碳源利用加大，CO2释放增加；另一方面施氮使根呼吸活动加强而增加CO2的释放。贾淑霞[25]以落叶松 (Larixgmelini) 和水曲柳 (Fraxinusmandschurica) 为研究对象，通过施肥和不施肥措施对土壤呼吸进行研究，得出施肥使两种林型的土壤呼吸比对照组分别降低34.9%、25.8%，主要是施肥措施导致活细根生物量下降。本研究得到,施肥量的增加导致土壤呼吸加剧，施肥对桉树林生物量的增加必不可少，但需明确施肥量的增加导致土壤CO2释放的数量变化。

本试验与周正朝对子午岭次生林土壤生态因子在人为干扰情况下土壤呼吸动态变化的结果一致[26]，干扰程度的加剧，土壤通气性提高，土壤有机质、土壤稳定性团聚体减少，土壤呼吸增强[27]。刘娟[28]发现，剔除杂草能减少山核桃 (Caryacathayensis) 林地CO2的释放，显著低于留杂草处理，主要在于减少了林下植被的根呼吸。孙小花研究不同耕作措施对黄土高原旱地土壤呼吸的影响中得到，免耕可以降低土壤呼吸[29]，免耕使得植被覆盖于表土，有机质滞留于土壤的时间加长，减少土壤碳的流失。本研究中得到除杂处理的RS大于未除杂处理，除杂处理导致林下植被减少而降低了根呼吸，表土暴露而加剧土壤有机质的分解，同时改变了土壤的温度及湿度等环境因素，从而使土壤的有机碳加速分解，从而增加RS，碳储量减少。

4.3RS与T的关系

Q10值用于表达土壤温度的敏感性，土壤温度的升高可以促进植物酶活性提高，影响植物的生长，加强根呼吸作用，同时促进微生物的活性，加速分解土壤有机质。本研究中尾巨桉的RS与土壤温度T均呈显著的指数相关关系(P< 0.01)。这与董彬研究杨树 (Populusspp.) 人工林[30]、刘颖研究长白松 (Pinussyluestriformis)[31]、严俊霞研究油松林[32]的结果一致。Raich J W统计众多学者的研究成果得到全球范围各种生态系统的Q10值范围为1.3～3.3[33]，本研究中土壤呼吸的Q10值处于正常范围之内。用指数模型解释2013年10月至2014年9月1年间T对RS变化的影响为84.8%，2013年10月至2014年3月的Q10值小于2014年4—9月，由于2014年4—9月研究区的温度处于逐渐上升的阶段，植物根呼吸酶和土壤微生物酶活性增强，土壤呼吸也逐渐增强，温度敏感性较大。

致谢：广西壮族自治区林业科学研究院谭一波老师提供林地土壤理化性质数据，广西师范大学环境与资源学院简小冬同学协助实验，在此一并表示感谢!

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(责任编辑赵粉侠)

Study on Soil Respiration ofEucalyptusurophylla×E.grandisinPlantation Under Different Management

Wu Huajing1, Liang Shichu1,2, Tian Feng1, Hu Lening3, Tian Huali1

(1. College of Life Science, Guangxi Normal University, Guilin Guangxi 541004, China; 2. Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection, Ministry of Education, Guilin Guangxi 541004, China; 3. College of Resource and Environment, Guangxi Normal University, Guilin Guangxi 541004, China)

A tract of 3 years oldEucalyptusurophylla×E.grandisinin Nanning Qipo Forest Farm was selected as research subject. To monitor the monthly variation of soil respiration rate and analyze the effects of different management and soil temperature on soil respiration rate, were measured from October 2013 to September 2014, by using Li-8100 automated soil carbon flux system. The results showed that there were obvious seasonal variation of soil respiration rate ofEucalyptussp. forest, displaying a double-peak curve in October 2013 and June 2014. Soil respiration rate differed significantly under different management (P< 0.05), the soil respiration rate displaying an order of 2 m × 3 m planting density was higher than 4 m × 3 m planting density, 0.8 kg/plant fertilizer application was higher than 0.6 kg/plant, weeding was higher than not weeding. The soil respiration rate had significant exponential correlation related to soil temperature from October 2013 to September 2014 (P< 0.01), and soil temperature could be held responsible for 84.8% variation of soil respiration,theQ10value was 1.610.

Eucalyptusurophylla×E.grandis, management measure, soil respiration rate, soil temperature,Q10value