桉树人工林土壤呼吸与土壤养分关系研究

周建辉，魏国余，竹万宽



桉树人工林土壤呼吸与土壤养分关系研究

周建辉1，魏国余2，竹万宽3＊

(1. 宁夏回族自治区固原市原州区叠叠沟林场，宁夏 固原 756000；2. 广西壮族自治区国有高峰林场，广西 南宁 530001；3.国家林业局桉树研究开发中心，广东 湛江 524022)

为探究桉树人工林土壤呼吸速率与土壤养分含量及其化学计量比之间的关系，本文以尾叶桉、粗皮桉、托里桉、赤桉、尾巨桉5个桉树林分及1个湿加松林分为研究对象，测定并分析土壤呼吸与土壤养分之间的关系。结果表明：土壤呼吸速率年均值为尾叶桉和托里桉林显著高于其他林分，其值分别为3.57±0.41 μmol·m-2·s-1与3.72±0.20 μmol·m-2·s-1，表现出空间异质性。土壤呼吸速率与土壤有机碳含量无显著相关性。土壤呼吸极小值与表层土壤C/P和N/P表现出显著正相关性。土壤呼吸与土壤化学性质之间的相互关系表现并不明显。

桉树人工林；土壤呼吸；土壤养分；化学计量

土壤碳以CO2的形式从土壤向大气圈的流动是土壤呼吸作用的结果[1]。土壤呼吸作为森林土壤碳库主要的输出过程之一，占森林生态系统碳排放的30% ~ 80%[2]，是陆地生态系统中仅次于光合作用的第二大碳循环途径[3]。土壤呼吸作为全球碳循环的重要一环，其产生的微小变动可能可对全球碳循环过程产生显著影响[4]。森林土壤呼吸具有很强的时间和空间异质性，受到生物与非生物因素等的综合影响。目前，对森林土壤呼吸影响因素的研究主要包括自然因子(土壤温度和土壤湿度及其综合作用、土壤因子、气候变化、大气CO2浓度升高、氮沉降)、生物因子(土壤微生物、植被因子)和干扰因子(火干扰、采伐、施肥、降水)[5]。土壤作为森林生态系统的主要组成部分，对其元素化学性质的研究对于理解养分的可获得性以及碳、氮、磷等元素的循环和平衡机制具有重要意义[6]。土壤有机碳、氮、磷的含量会直接影响植物根系的生命活动、土壤微生物的数量、地表凋落物的分解速率以及土壤有机碳和养分的长期积累[7]，进而可能会引起土壤呼吸组分中3个主要组分(根呼吸、根际微生物呼吸和土壤有机质呼吸)[8]的变异。因此，研究土壤养分含量及其化学计量比对土壤呼吸的影响机制，对于估算森林土壤碳通量具有重要作用。

桉树()是三大速生树种之一。截至2015年，我国桉树人工林面积已达4.5 × 106hm2，是华南地区最重要的速生丰产树种[9]。目前，关于桉树人工林土壤呼吸与土壤理化性质关系尚未见报道。本研究以雷州半岛5个桉树人工林为研究对象，对其土壤呼吸速率进行连续观测，并测定各林分土壤有机碳、氮、磷含量，以探讨桉树林分土壤呼吸与土壤生态化学计量之间的关系特征，旨在为桉树人工林碳通量估算提供数据支持。

1 试验地概况

2 研究方法

2.1 研究方法

本研究以尾叶桉()、粗皮桉()、托里桉()、赤桉()、尾巨桉(×)5个桉树林分及1个湿加松()林分为研究对象，样地基本情况见表1。

2016年1月，在每个林地中分别随机设置6个2 m × 2 m的样方。在各样方的对角线交叉位置设置1个内径20 cm，高12 cm的PVC呼吸环，将PVC呼吸环底端朝下垂直于地表插入土壤中，环顶部距离土壤表面3 cm，安装时应尽量做到一次到位，避免反复操作造成的土壤扰动。2016年3月开始，利用美国LI-8100A Automated Soil CO2Flux System，连接20 cm呼吸气室，在每个月中下旬选择晴好天气进行测定。开始测定前检查PVC呼吸环安放是否正常，并剪除PVC环内可见植物。每个林分每月测定1次，测定时间为8:00—18:00，测定间隔为1 h，每次测定重复3次。

表1 不同树种林分样地基本情况

2.2 土壤理化性质测定

2016年7月，在每个林分中随机挖取6个土壤剖面，划分土壤层次0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm四层进行取样，每层约取300 g土壤样品，用于测定土壤化学性质。有机碳含量采用重铬酸钾氧化-容量法测定。全氮采用凯氏法。全磷采用碱熔-钼锑抗比色法。

2.3 数据处理

采用SPSS 19.0对不同桉树人工林土壤呼吸速率及土壤理化性质进行差异分析和相关性分析，数据处理及图表制作采用Excel 2016软件。

3 结果与分析

3.1 土壤呼吸速率年均值差异特征

从图1可知，土壤呼吸速率年均值为尾叶桉林(3.57±0.41 μmol·m-2·s-1)和托里桉林(3.72±0.20 μmol·m-2·s-1)显著高于其他林分(<0.05)，其两者之间无显著差异(>0.05)，其他林分之间亦无显著差异(>0.05)。尾叶桉林土壤呼吸变异程度高于其他林分，赤桉林土壤呼吸变异程度最低。

图1 不同桉树林分土壤呼吸速率年均值

3.2 土壤有机碳、氮、磷含量及其化学计量比差异特征

由表2可知，表层土壤有机碳含量表现为：托里桉林显著大于尾叶桉、粗皮桉、赤桉和湿加松林，尾巨桉林显著大于尾叶桉林(<0.05)，其他林分间差异不显著(>0.05)；10 ~ 20 cm土层有机碳含量在不同林分中无明显差异；20 ~ 40 cm土层托里桉林显著大于尾叶桉和尾巨桉林(<0.05)，其他均表现为差异不显著(>0.05)；40 ~ 60 cm土层托里桉林显著大于尾叶桉、尾巨桉和湿加松林，粗皮桉林显著大于尾叶桉林(<0.05)，其他均表现为差异不显著(<0.05)。尾叶桉、粗皮桉、托里桉、赤桉、尾巨桉和湿加松林0 ~ 60 cm土壤全氮含量分别为1.32、1.44、1.83、1.46、1.52和1.43 g∙kg-1，6个林分土壤全氮含量随土层深度加深的变化与有机碳相似，即随着土层加深而减小。表层土壤的全氮含量表现为：托里桉和尾巨桉林均显著大于尾叶桉和粗皮桉林(<0.05)，其他均表现为差异不显著(>0.05)；10 ~ 20和20 ~ 40 cm各林分间均表现为无显著性差异(>0.05)；40 ~ 60 cm土层粗皮桉和托里桉林均显著大于尾巨桉和湿加松林(<0.05)，其他表现为无显著性差异(>0.05)。

尾叶桉、粗皮桉、托里桉、赤桉、尾巨桉和湿加松林0 ~ 60 cm土壤全磷含量分别0.63、0.74、0.71、0.68、0.88和0.84 g∙kg-1，土层之间全磷含量规律不明显。表层土壤全磷含量表现为：尾巨桉和湿加松林显著大于其他林分，粗皮桉显著大于尾叶桉、托里桉和赤桉(<0.05)，其他均表现为无显著性差异(>0.05)；10 ~ 20 cm土层尾巨桉和湿加松林显著大于尾叶桉和赤桉林(<0.05)，其他均表现为无显著性差异(>0.05)；20 ~ 40 cm土层粗皮桉、尾巨桉和湿加松林均显著大于尾叶桉林(<0.05)，其他均表现为差异不显著(>0.05)；40 ~ 60 cm除尾巨桉和湿加松林显著大于其他林分外均无显著差异。6个林分C/N化学计量比自表层而下无明显的变化规律，主要原因是腐殖质层养分的分解释放及植被根系吸收利用程度不同。有机碳、氮、磷的化学计量比方差分析结果表明，C/N除40 ~ 60 cm土层尾叶桉林显著小于其他林分外，其他土层林分间均无显著差异。表层土壤C/P表现为：托里桉林显著小于其他林分，10 ~ 20 cm土层赤桉显著大于尾巨桉和湿加松林，20 ~ 40 cm土层托里桉显著大于尾巨桉和湿加松林，40 ~ 60 cm土层粗皮桉和托里桉显著大于尾叶桉、尾巨桉和湿加松林(<0.05)，其他均表现为无显著性差异(>0.05)；表层土壤N/P表现为：托里桉显著大于粗皮桉和湿加松林，10-20 cm土层各林分间无明显差异，20 ~ 40 cm土层尾叶桉和托里桉林显著大于尾巨桉林，40 ~ 60 cm土层粗皮桉和托里桉林显著大于尾巨桉和湿加松林(<0.05)，其他均表现为无明显差异(>0.05)。

3.3 土壤呼吸速率与土壤养分含量及其化学计量比的相关关系

对土壤呼吸速率和不同层次土壤养分含量及其化学计量比进行相关性分析(表3)可知，土壤呼吸速率与土壤有机碳、全磷含量及C/N均无显著相关(>0.05)。20 ~ 40 cm土层土壤呼吸速率极小值与全氮含量呈显著正相关(<0.05)，均值和极大值与N/P呈显著正相关。0 ~ 10 cm土层土壤呼吸速率极小值与C/P和N/P均呈显著正相关(<0.05)。

表2 土壤有机碳、氮、磷含量及其化学计量比差异分析

注：不同土层中，同列数据后不同小写字母表示林分间差异达0.05显著水平。

表3　相关性分析

注：*表示<0.05。

4 结论与讨论

森林生态系统中植被类型、气象和土壤条件及土壤微生物组成的空间异质性引起其土壤呼吸的空间异质性，此异质性表现在各种尺度上，空间上相距很近的点之间呼吸速率可能相差很大[10]。本研究尾叶桉林和托里桉林土壤呼吸速率年均值显著高于其他林分，表现出空间上的变异性。然而，尾叶桉林和托里桉林两者之间以及其他4个林分无显著性差异，也说明了土壤呼吸的空间变异性程度可能因为林分类型、林内气象条件、土壤质量及微生物组成的综合影响而降低。

本研究土壤表层(0 ~ 10 cm)有机碳含量基本高于全国0 ~ 10 cm均值24.56 g∙kg-1，说明研究地表层土壤碳蓄积能力较强。然而，土壤呼吸速率与土壤有机碳含量并未表现出显著相关性，说明研究地土壤有机碳含量对土壤呼吸并未产生限制作用。土壤C/P可以表征土壤有机质被微生物矿化的速度，以及对磷素的释放能力或者由外界固定磷素的潜力。C/P较低说明微生物分解土壤有机质的矿化作用对促进磷素释放潜力较大[11]。土壤N/P可以表征养分对植物生长的限制和饱和状况，指示养分的供给程度。本研究中，土壤呼吸极小值与表层土壤C/P和N/P表现出显著正相关性，说明土壤呼吸速率可能在受到温、湿度或其他主导因子抑制时，土壤养分含量的比例变化会对土壤呼吸产生调节作用。

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Study on the Relationship between Soil Respiration and Soil Nutrients inPlantations

ZHOU Jian-hui1, WEI Guo-yu2, ZHU Wan-kuan3

(1.2.)

In order to investigate the relationship between soil respiration, soil nutrients and their stoichiometric ratios inplantations, soil respiration was continuously monitored in plantations of six different species:,,,,×and. Analyses of relationships between soil respiration and soil nutrients showed that annual average soil respiration in(3.57±0.41 μmol·m-2·s-1) and(3.72±0.20 μmol·m-2·s-1) plantations was significantly higher than in those of other species. No significant correlations were found between soil respiration rates and soil organic carbon contents, but a significant positive correlation was found between minimum soil respiration values and surface soil C/P and N/P ratios. In general, relationships between soil respiration and soil chemical properties were not obvious.

plantations; soil respiration; soil nutrient; stoichiometry

S714.5

A

国家重点研发计划课题(2016YFD0600505, 2016YFD0600504)；广东省林业科技创新项目(2014KJCX021-04)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(CAFYBB2017QA032, CAFYBB2017QA033)。

周建辉(1981— )，男，助理工程师，主要从事人工林培育工作。

竹万宽(1989— )，男，硕士，研究实习员，主要从事桉树林CO2通量变化研究，E-mail: zwk_2015@163.com.