火烧强度对苏南地区植被土壤呼吸的影响研究

朱益平，石 静，王冲冲，章晓宇，吴涵波

（南京森林警察学院，江苏 南京210023）

土壤被称为陆地上的碳储存库，其碳储量大大高于陆地植被和大气。土壤碳释放会引起生态系统中碳含量的巨大变化，土壤碳释放主要通过土壤呼吸（Soil Respiration，Rs）作用实现。土壤呼吸的主要来源有植物根系和微生物的自养呼吸、土壤微生物分解土壤有机质和植物凋落物的异养呼吸、土壤的动物呼吸、土壤碳酸盐等无机盐的水解等[1]。森林土壤呼吸的变化会对全球碳平衡产生深远的影响[2]。

森林土壤呼吸作用包含多重物理、化学和生物过程，影响因素较为复杂[3]，其中森林火灾通过影响森林生态系统中的生物和非生物因素进而影响森林土壤呼吸。研究表明，火烧强度和火烧时间会影响土壤呼吸速率[4]。在Wüthrich的研究中，低强度火烧没有对可燃物土壤呼吸或微生物量产生显著影响，但是高强度火烧对两倍载量的可燃物火烧20 h后，土壤呼吸显著增强[5]。李攀在2013年对大兴安岭火烧迹地土壤呼吸的研究中也证明了土壤呼吸的整体表现为重度火烧＞轻度火烧＞对照样地[6]。与此同时，也有研究认为火烧对土壤呼吸起抑制作用[7-8]。所以，火烧对土壤呼吸速率的影响还需要结合生物群落、土壤微生物等生物因素和土壤温湿度、土壤结构、土壤PH值等非生物因素综合考虑。

近年来，我国关于森林火灾对土壤碳排放的影响研究受到越来越多学者的关注，但是主要集中在东北大小兴安岭地区以及内蒙古地区，对东南一带研究鲜有报道。对此，本文以苏南地区火烧迹地为代表，对不同强度火干扰后植被的土壤呼吸速率进行测量，为定量评价苏南森林生态系统碳减排增汇效益提供基础数据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究地位于苏州市吴中区光福镇香雪村潭山山顶近西侧（31°15＇N，120°21＇E）。年降雨量1 641.9 mm，处于北亚热带湿润季风气候区，土壤类型以沙质土为主。主要树种为麻栎（Quercus acutissima Carruth.）、马尾松（Pinus massoniana Lamb.）以及一些杂灌木等。研究区于2016年3月26日发生森林火灾，森林火灾持续时间为3小时左右，过火面积0.46 hm2；火灾原因为游客吸烟，主燃物为地表腐殖质与杂灌木，林木直接损失较小。

1.2 样地设置

根据苏州市吴中区森林防火指挥中心的扑火记录，找到火烧迹地位置，在火烧迹地内根据火烧强度划分轻度、中度火烧区，并以临近立地条件和林分条件与火烧迹地相似的未烧样地作为对照样地，利用机械布点方法分别设置10 m×10 m的实验样地3个，共9个实验样地（表1）。火烧强度划分依据样地内植被死亡率，轻度为0～30%，中度为30%～60%[9]。

表1 实验样地基本情况

1.3 土壤呼吸测定方法

在本研究中，土壤呼吸速率采用Li-Cor公司的LI-8100A土壤呼吸测定系统进行测定。从2018年4月开始，在每个样地内按照矩阵排列布置4个PVC土壤环（图1）。将直径12 cm，高8 cm的PVC土壤环压入土中，测量每个土壤环露出地面的高度，并将此高度设为仪器中的Chamber Offset值，确保PVC土壤环在整个测定期间位置保持不变。第一次测定应安排在PVC土壤环全部布置完毕24小时后。本研究测定时间段为2018年4月至2018年12月，每2个月测定1次，共5次。测定土壤呼吸的同时，用LI-8150自带的土壤温度探头（p/n 8100-201）和GS1型土壤水分探头（p/n 8100-202）测定5 cm处的土壤温度和电压值，并利用Li-8100A自带的换算公式将电压值转化为土壤含水率。

图1 PVC土壤环布点示意

1.4 数据处理

使用Excel 2016对土壤呼吸速率、土壤温度和土壤含水率进行初步统计和处理。使用IBM SPSS Statistics 24统计软件对各样地的土壤呼吸速率、土壤温度和土壤含水率进行平均值、标准差等数据计算与分析。使用Origin 2017绘制动态规律曲线和散点图。

2 结果与分析

2.1 火烧后土壤呼吸速率、土壤温度以及土壤含水率的变化情况

在火烧迹地和对照样地中，土壤呼吸速率（RS）的变化都呈现出较为显著的变化，变化趋势相似，并在特定月份达到峰值（图2）。RS在4-8月期间呈现出增长趋势，在8-12月期间呈现出下降趋势。在对照样地中，RS的最大值出现在8月（5.11±0.59）μmol CO2m-2s-1，最小值出现在12月（1.47±0.11）μmol CO2m-2s-1；在低强度火烧迹地中，RS的最大值出现在8月（5.7±0.26）μmol CO2m-2s-1，最小值出现在12月（2.06±0.12）μmol CO2m-2s-1；在中强度火烧迹地中，RS的最大值出现在8月（6.4±0.36）μmol CO2m-2s-1，最小值出现在12月（2.34±0.22）μmol CO2m-2s-1。对照样地、轻度火烧迹地、中度火烧迹地RS的平均值分别为（3.02±0.26）μmol CO2m-2s-1，（3.43±0.15）μmol CO2m-2s-1，（3.84±0.28）μmol CO2m-2s-1。与对照样地相比，无论是低强度火烧还是中强度火烧，RS平均值均有所升高。

图2 土壤呼吸速率变化

在实验期间的各实验样地中，土壤温度的最大值均为8月，最小值均为12月（图3）。在对照样地中，土壤温度最大值为（20.5±0.1）℃，最小值为（8.8±0.1）℃，年平均值为（14.0±0.1）℃；在低强度火烧迹地中，土壤温度最大值为（22.3±0.1）℃，最小值为（9.2±0.1）℃，年平均值为（15.1±0.1）℃；在中强度火烧迹地中，土壤温度最大值为（24.8±0.2）℃，最小值为（10.1±0.1）℃，年平均值为（16.4±0.1）℃。

与对照样地相比，低强度火烧迹地的年平均土壤温度要高0.9℃，中强度火烧迹地的年平均土壤温度要高2.4℃。

实验中土壤含水率受测量前降水以及地势的影响比较大，具有偶然性和较大不确定性，故土壤含水率随月份变化趋势不明显（图4）。

图3 土壤温度变化

图4 土壤含水率变化

2.2 土壤呼吸速率与温湿度因子之间的关系

通过绘制土壤呼吸速率与土壤温度的散点图以及与土壤含水率的散点图，可以看出土壤温度与土壤呼吸速率呈现显著的正相关关系，土壤湿度与土壤呼吸速率在15%～35%含水率范围内也呈现出一定的正相关关系（图5）。

3 讨论

3.1 火烧对土壤呼吸速率的影响

图5 土壤呼吸速率与温湿因子散点图

在此研究中，火烧迹地土壤呼吸速率在2018年4-8月升高，在2018年8-12月降低，与对照样地相比，无论是低强度火烧还是中强度火烧，RS平均值均有所升高，且中强度火烧＞低强度火烧＞对照样地。此结果与文献中结论相接近[10-11]。

火烧后，地表较厚的腐殖质层被烧除，地下根系遭到破坏，导致火烧迹地根系自养呼吸降低，所以火烧迹地的土壤呼吸速率低于对照样地[12]。但是，伴随着火烧后大量灰分物质分解，微生物活动和植物生长得到了良好的养分物质基础[13]，至次年生长季节，火烧迹地接受阳光照射后，萌发大量一年生草本植物，地下根系的生长和活跃的微生物活动提高了火烧迹地的土壤呼吸速率，并且中度火强度的提高比低度火强度显著。为进一步探究火干扰对土壤呼吸速率的影响机理，还需要更深入的研究火干扰后土壤呼吸组分的变化情况，以及量化土壤呼吸组分。

3.2 火烧后土壤呼吸速率与土壤温度和土壤含水率的关系

本项研究中，土壤呼吸速率与土壤温度存在较为相似的同步变化规律。在温度最高的8月，土壤呼吸速率达到峰值，在温度较低月份，土壤呼吸速率也相对较低。通过土壤呼吸速率与土壤温度关系的散点图，也可以看出土壤呼吸速率与土壤温度呈现正相关的变化趋势。与对照样地相比，火烧迹地的土壤温度相对较高，其中中度火强度土壤温度的升高比低度火强度升高的显著，一方面是因为火烧破坏了森林林冠层，烧除了地表腐殖质层，使火烧迹地可以获得更多的太阳辐射，地表温度升高所导致的[14]；另一方面，因为火烧使火烧迹地的地表呈现黑色，黑色也可以吸收更多的太阳辐射，导致温度升高。

苏州实验地区处于北亚热带湿润季风气候区，年降雨量1641.9 mm，雨水充沛。在本项研究中，土壤含水率在15%～35%范围内，土壤含水率与土壤呼吸速率呈现出正相关的趋势，但是相关性没有土壤温度对土壤呼吸速率的影响显著。土壤含水率对土壤呼吸速率的影响具有阈值效应，在适中的土壤水分条件下土壤呼吸达到阈值，而土壤水分过多或过少都将会削弱土壤呼吸作用，此结果与文献中的相关结论相符[6]。

4 结论

测定了苏州市吴中区光福镇潭山火烧一年后土壤呼吸速率的变化，以及土壤温湿因子的变化。研究表明，火干扰导致该地区一年后土壤呼吸速率显著升高。在所测的环境因子中，土壤温度对土壤呼吸速率的影响呈现正相关的趋势，土壤含水率对土壤呼吸速率的影响在一定土壤含水率范围内也呈现出正相关趋势，且火烧后土壤温度对土壤呼吸速率的影响更为显著。

土壤呼吸是一个极其复杂的过程，涉及生物学、生态学、物理学等多个学科，受到多种因素的综合作用，仅仅一两个因子不能完全反映对土壤呼吸的作用，而且土壤呼吸对火干扰的响应也较为复杂。本研究只是对火干扰后土壤呼吸的短期变化，至于在更长时间尺度上的变化还有待更加深入的研究。