全 文 ：亚热带天然阔叶林转换为杉木人工林
对土壤呼吸的影响∗
张　 睿１，２ 白　 杨１，２ 刘　 娟１，２∗∗ 姜培坤１，２ 周国模１，２ 吴家森１，２ 童志鹏３ 李永夫１，２
（ １浙江农林大学浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室， 浙江临安 ３１１３００； ２浙江农林大学亚热带森林培育国家
重点实验室培育基地， 浙江临安 ３１１３００； ３临安市林业局， 浙江临安 ３１１３００）
摘　 要　 采用静态箱⁃气相色谱法对浙江省临安市玲珑山风景区天然阔叶林和由天然阔叶林
改造的杉木人工林的土壤呼吸进行 １年的定位监测．结果表明：天然阔叶林和杉木人工林土壤
ＣＯ２排放速率均呈现一致的季节性变化规律即夏秋季高、冬春季低；天然阔叶林和杉木人工林
土壤 ＣＯ２排放速率分别为 ２０．０～１１１．３和 ４．１～１１８．６ ｍｇ Ｃ·ｍ
－２·ｈ－１；天然阔叶林土壤 ＣＯ２年
累积排放通量（１６．４６ ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１）显著高于杉木人工林（１１．９９ ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１） ．天然
阔叶林和杉木人工林土壤 ＣＯ２排放速率与土壤含水量均没有显著相关性，而与 ５ ｃｍ处土壤温
度呈显著指数相关，Ｑ１０值分别为 １．４４和 ２．９７；天然阔叶林土壤 ＣＯ２排放速率与土壤水溶性碳
（ＷＳＯＣ）含量无显著相关性，杉木人工林土壤 ＣＯ２排放速率与 ＷＳＯＣ含量呈显著相关．天然阔
叶林转换为杉木人工林显著降低了土壤 ＣＯ２排放，提高了土壤呼吸对环境因子的敏感性．
关键词　 森林转换； 天然林； 人工林； 土壤 ＣＯ２排放； 水溶性有机碳
∗浙江省科技创新团队项目（２０１２Ｒ１００３０⁃１１）、浙江省自然科学基金项目（ＬＹ１５Ｃ１６０００４）、浙江农林大学人才启动基金项目（２００９ＦＲ０３５）和浙
江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室开放基金项目（ＫＦＪＪ２０１２００２）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｌｉｕｊｕａｎ＠ ｚａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１５⁃０１⁃０４收稿，２０１５⁃０７⁃２０接受．
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）１０－２９４６－０７　 中图分类号　 Ｓ１７４　 文献标识码　 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ｔｏ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａ⁃
ｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ Ｃｈｉｎａ． ＺＨＡＮＧ Ｒｕｉ１，２， ＢＡＩ Ｙａｎｇ１，２， ＬＩＵ Ｊｕａｎ１，２， ＪＩＡＮＧ Ｐｅｉ⁃ｋｕｎ１，２， ＺＨＯＵ
Ｇｕｏ⁃ｍｏ１，２， ＷＵ Ｊｉａ⁃ｓｅｎ１，２， ＴＯＮＧ Ｚｈｉ⁃ｐｅｎｇ３， ＬＩ Ｙｏｎｇ⁃ｆｕ１，２ （ １Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ
Ｃａｒｂｏｎ Ｃｙｃｌｉｎｇ ｉｎ Ｆｏｒｅｓｔ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌｉｎ’ ａｎ
３１１３００， Ｚｈｅｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２Ｎｕｒｔｕｒｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ Ｓｉｌｖｉｃｕｌ⁃
ｔｕｒｅ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌｉｎ’ａｎ ３１１３００， Ｚｈｅｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ３Ｌｉｎ’ａｎ Ｃｉｔｙ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｂｕｒｅａｕ，
Ｌｉｎ’ａｎ ３１１３００， Ｚｈｅｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（１０）： ２９４６－２９５２．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘｅｓ ｉｎ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｅｄ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
ｉｎ Ｌｉｎｇｌｏｎｇ Ｍｏｕｎｔａｉｎｓ Ｓｃｅｎｉｃ ｏｆ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ｗｅｒｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｔｉｃ ｃｌｏｓｅｄ ｃｈａｍｂｅｒ
ａｎｄ ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｓｈｏｗｅｄ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｓｅａｓｏｎａｌ
ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ａｎｄ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ
ｓｕｍｍｅｒ ａｎｄ ａｕｔｕｍｎ， ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍｓ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ ａｎｄ ｓｐｒｉｎｇ． Ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘｅｓ ｗｅｒｅ ２０．０－１１１．３ ａｎｄ
４．１－１１８．６ ｍｇ Ｃ·ｍ－２·ｈ－１ ｉｎ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ａｎｄ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｔｈｅ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ （１６．４６ ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１） ｗａｓ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ （１１．９９ ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１）． Ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｄｉｄ
ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ． Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｔｅｍ⁃
ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ５ ｃｍ ｄｅｐｔｈ． Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｎｏ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ
ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｗｈｉｌｅ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ
ｃｏｎｔｅｎｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ． Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃
ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ｔｏ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｂｕｔ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉ⁃
ｖｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆｏｒｅｓｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ； ｎａｔｕｒａｌ ｆｏｒｅｓｔ； ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｅｓｔ； ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｆｌｕｘ； ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ
ｃａｒｂｏｎ．
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 １０月　 第 ２６卷　 第 １０期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｏｃｔ． ２０１５， ２６（１０）： ２９４６－２９５２
　 　 大气中温室气体浓度的增加及其对全球气候变
暖的贡献是全球变化研究领域的热点问题．ＣＯ２ 是
重要的温室气体，大气中 ＣＯ２ 浓度由工业革命前的
２８０ μＬ·Ｌ－１增加到 ２００７ 年的 ３８０ μＬ·Ｌ－１［１］ ．作为
陆地生态系统的重要组成部分，森林生态系统占全
球陆地面积的 ３３％，森林土壤碳库占全球土壤碳储
量的 ４０％左右［２］，森林土壤呼吸占生态系统呼吸总
量的 ６０％～９０％，是全球碳循环的关键部分［３－４］ ．因
此，森林在调节全球气候变化、维持全球碳平衡中具
有重要作用．
土地利用变化通过改变植被和土壤碳库的方式
使土壤理化性质和微生物活性发生改变，显著影响
了土壤 ＣＯ２ 排放［５］ ．土地利用及覆被变化是当前生
物圈碳循环的最主要人为驱动因素之一，根据 ＩＰＣＣ
的报告，２０世纪 ９０ 年代土地利用和覆被变化每年
排放出 １．６ Ｐｇ Ｃ，仅次于化石燃料燃烧，成为大气中
第二大人为碳源［１］ ．中国亚热带地区南北跨越超过
１０个纬度带，面积约占中国陆地面积的 １ ／ ４．该地区
具有四季分明、冬冷夏热、湿润多雨和水热同期的特
点，天然常绿阔叶林是当地地带性植被，伴随着南方
商品林基地建设和山地综合开发，大面积的天然阔
叶林经皆伐、炼山后转换为人工林，这种转换明显改
变了土壤呼吸．Ｌｉｕ 等［６］研究表明，我国亚热带天然
阔叶林转换为毛竹林对土壤 ＣＯ２ 排放无显著影响，
但施肥、翻耕等集约经营措施显著增加了土壤 ＣＯ２
排放；吴君君等［７］研究表明，我国中亚热带地区米
槠（Ｃａｓｔａｎｏｐｓｉｓ ｃａｒｌｅｓｓｉ）天然林转换为米槠人工林后
土壤 ＣＯ２ 排放通量下降了 ２２％；而褚金翔等［８］在四
川的研究表明，冷杉（Ａｂｉｅｓ ｆａｂｒｉ）天然林转变为云杉
（Ｐｉｃｅａ ａｓｐｅｒａｔａ）人工林后，土壤 ＣＯ２ 排放通量增加
了 ２９％．目前，由于研究区域森林类型、样地概况和
管理措施的差异等，森林转换对土壤呼吸的影响尚
无定论．
中国人工林面积达 ０．６２×１０８ ｈｍ２，居世界第一
位．杉木（Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍｉａ ｌａｎｃｅｏｌａｔａ）人工林具有生长
迅速、生产周期短、生物量积累快、异龄择伐作业方
式等特点，因此，大面积的天然阔叶林转换为杉木人
工林，杉木林成为我国亚热带地区重要的商品林．本
文以亚热带地区 ２ 种典型森林类型为研究对象，研
究了天然阔叶林转换为杉木人工林后土壤 ＣＯ２ 排
放和环境因子对其的影响，为科学评价亚热带地区
森林转换对土壤碳循环和全球气候变化的影响提供
基础数据．
１　 研究地区与研究方法
１􀆰 １　 研究区概况
研究区位于浙江省临安市西北部玲珑山
（３０°１４′ Ｎ，１１９° ３９′ Ｅ），为天目山支脉，主峰海拔
３５９ ｍ，气候属中纬度北亚热带季风气候，年平均气
温 １５．８ ℃，７月平均气温 ２８．１ ℃，１ 月平均气温 ３．４
℃，平均日照时数 １９３９ ｈ，年均降水量 １６１３．９ ｍｍ，
降水天数 １５８ ｄ，无霜期 ２３７ ｄ．试验期间样地平均气
温 １８ ℃，最高气温出现在 ７ 月，为 ３２．３ ℃，最低气
温出现在 １ 月，为 ４．５ ℃，年累积降雨量为 １５０７．４
ｍｍ（图 １）．土壤为发育于凝灰岩的黄红壤．
１􀆰 ２　 试验设计
研究区原为天然次生阔叶林，２０世纪９０年代
图 １　 试验期间样地月降雨量和月平均温度、５ ｃｍ土层温度
和 ０～２０ ｃｍ土层土壤含水量的季节变化
Ｆｉｇ．１　 Ｍｏｎｔｈｌｙ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅａｎ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａ⁃
ｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｅａｓｏｎａｌ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ５ ｃｍ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ
ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ （０－２０ ｃｍ） ｉｎ ｓｉｔｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｐｅｒｉｏｄ．
ＢＬ： 天然阔叶林 Ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ； ＣＦ： 杉木人工林 Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ． Ⅰ： 月降雨量 Ｍｏｎｔｈｌｙ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉ⁃
ｏｎ； Ⅱ： 月平均温度 Ｍｏｎｔｈｌｙ ｍｅａｎ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．
７４９２１０期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 张　 睿等： 亚热带天然阔叶林转换为杉木人工林对土壤呼吸的影响　 　 　 　 　 　
表 １　 试验地主要特征和 ０～ ２０ ｃｍ土层土壤性质
Ｔａｂｌｅ １　 Ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｔｅｓ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ０－２０ ｃｍ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ｐＨ 有机碳
Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃ
（％）
全 Ｎ
Ｔｏｔａｌ Ｎ
（ｇ·ｋｇ－１）
碳氮比
Ｃ ／ Ｎ
土壤容重
Ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ
（ｇ·ｃｍ－３）
年凋落物量
Ｌｉｔｔｅｒ ｆａｌｌ
（ ｔ·ｈｍ－２·ａ－１）
ＢＬ ４．９６ａ ２．１２ａ １．３６ａ １５．４８ａ １．２７ａ ５．０９ａ
ＣＦ ４．８２ａ １．３３ｂ １．０１ｂ １３．１２ｂ １．２４ａ １．５１ｂ
ＢＬ： 天然阔叶林 Ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ； ＣＦ： 杉木人工林 Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ． 同列不同字母表示差异显著（Ｐ＜０．０５）Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ
ｓａｍｅ ｃｏｌｕｍｎ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
初，一部分天然次生阔叶林改造为杉木人工林，另一
部分保留了原来的天然次生林．选择坡度和坡向基
本一致、毗邻的天然阔叶林和杉木林作为试验用林．
其中，天然阔叶林林龄 ２０～２５ 年，郁闭度 ７０％，平均
胸径 １６．７ ｃｍ，主要优势树种有青冈（Ｃｙｃｌｏｂａｌａｎｏｐｓｉｓ
ｇｌａｕｃａ）、苦槠（Ｃａｓｔａｎｏｐｓｉｓ ｓｃｌｅｒｏｐｈｙｌｌａ）、木荷（ Ｓｃｈｉ⁃
ｍａ ｓｕｐｅｒｂａ）等，林下主要灌木有山苍子（Ｌｉｔｓｅａ ｃｕｂｅ⁃
ｂａ）、山胡椒（Ｌｉｎｄｅｒａ ｇｌａｕｃａ）等，覆盖度 ７０％；杉木
林林龄 ２０年，郁闭度 ７０％，平均胸径 １５．３ ｃｍ，树高
１２ ｍ，林下灌木稀少，草本层仅有少量蕨类植物．试
验设天然阔叶林和杉木人工林 ２ 个处理，每处理 ４
个重复，采用随机区组设计．样地主要特征和土壤理
化性质见表 １．
２０１３年 １—１２月，采用静态箱⁃气相色谱法对天
然阔叶林和杉木人工林的土壤呼吸进行测定．采样
箱为组合式，由顶箱和底座组成，制作材料均为
ＰＶＣ 板．静态箱尺寸为 ３０ ｃｍ × ３０ ｃｍ × ３０ ｃｍ［９］ ．试
验开始前 １ 个月埋入静态箱底座．采样时间为
８：００—１０：００［１０］ ．采样时，将顶箱插入底座凹槽中，
灌入适量蒸馏水液封，用注射器分别于液封后 ０、
１０、２０、３０ ｍｉｎ采集抽样 ６０ ｍＬ置于大连光明化工设
计研究院生产的铝箔采气袋，密封带回实验室．气样
利用岛津 ＧＣ⁃２０１４ 气相色谱仪测定 ＣＯ２ 浓度．土壤
ＣＯ２ 通量的计算公式为：
Ｆ＝ ρ×ｄｃ
ｄｔ
× Ｖ
Ａ
× ２７３
２７３＋ｔ
式中：Ｆ为 ＣＯ２ 排放速率（ｍｇ Ｃ·ｍ
－２·ｈ－１）；ρ为标
准状态下气体密度（０．５３６ ｋｇ·ｍ－３）；ｄｃ ／ ｄｔ 为气体
浓度随时间的变化率；Ｖ为采样箱的有效空间体积；
Ａ为采样箱中覆盖的土壤表面积； ｔ 为采样时温度
（℃）．
在采集气体的同时，记录地下 ５ ｃｍ 土壤温度．
每试验小区采集 ０～２０ ｃｍ土层土壤样品，土壤样品
充分混匀后带回实验室．测定土壤含水量、土壤水溶
性碳（ＷＳＯＣ）．土壤水溶性碳的测定参照 Ｗｕ 等［１１］
的方法，称取土壤鲜样 ５ ｇ置于 ５０ ｍＬ离心管中，加
入 ３０ ｍＬ 蒸馏水， ２５ ℃ 下振荡 ３０ ｍｉｎ （ ２００
ｒ·ｍｉｎ－１），离心 １０ ｍｉｎ（３５００ ｒ·ｍｉｎ－１），通过 ０．４５
μｍ滤膜过滤到塑料瓶中，用岛津 ＴＯＣ⁃ＶＣＰＨ有机碳
分析仪测定滤液中有机碳含量．用电位法测定土壤
ｐＨ；用烘干法测定土壤含水量；半微量开氏法分析
土壤全 Ｎ含量；重铬酸钾氧化⁃外加热法测定土壤有
机质含量［１２］ ．
１􀆰 ３　 数据处理
采用 Ｅｘｃｅｌ ２００７ 和 ＳＰＳＳ １７．０ 软件进行数据统
计分析．采用 ｔ 检验分析天然阔叶林和杉木人工林
土壤 ＣＯ２ 排放、土壤含水量、土壤温度和水溶性碳
含量的差异（α＝ ０．０５）．用一元和多元线性回归分析
法分析土壤 ＣＯ２ 排放通量与土壤温度、含水量和水
溶性有机碳的关系．图表中数据为平均值±标准误．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 土壤 ＣＯ２ 排放季节动态
由图 ２可以看出，天然阔叶林和杉木人工林土壤
ＣＯ２ 排放速率均呈明显的季节变化，即夏秋季高、冬
春季低；天然阔叶林和杉木人工林土壤 ＣＯ２ 排放速率
分别为 ２０．０～１１１．３、４．１～１１８．６ ｍｇ Ｃ·ｍ－２·ｈ－１ ．天然
阔叶 林 土 壤 ＣＯ２ 年 累 积 排 放 通 量 为 １６􀆰 ４６
ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２ ·ａ－１ ，显著高于杉木人工林（ １１􀆰 ９９
图 ２　 天然阔叶林和杉木人工林土壤呼吸季节动态
Ｆｉｇ．２　 Ｓｅａｓｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃
ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ａｎｄ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ．
不同字母表示差异显著（Ｐ ＜ ０． ０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｍｅａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
８４９２ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 ２　 土壤呼吸速率（Ｒｓ）与地下 ５ ｃｍ土壤温度（Ｔ）、含水量（Ｗ）和水溶性碳含量（ＷＳＯＣ）的回归方程
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｏｉｌ ＣＯ２ ｅｆｆｌｕｘ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ５ ｃｍ ｄｅｐｔｈ， ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ
ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ （ＷＳＯＣ） （ｎ＝１２）
项目
Ｉｔｅｍ
ＢＬ
方程 Ｅｑｕａｔｉｏｎ Ｒ２
ＣＦ
方程 Ｅｑｕａｔｉｏｎ Ｒ２
温度 Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒｓ ＝ ２６．５８ ｅ０．０３７ Ｔ ０．３３∗ Ｒｓ ＝ ４．６９ｅ０．１１０ Ｔ ０．７１∗∗
含水量 Ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ － ０．０３ － ０．００
ＷＳＯＣ － ０．３０ Ｒｓ ＝ ０．７５１ＷＳＯＣ ＋１７．０６ ０．５２∗∗
多元线性回归方程
Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ
－ ０．２３ ｌｇＲｓ ＝－１．２１４＋０．０４０Ｔ＋０．５４６ｌｇＷ＋
０．６５８ｌｇＷＳＯＣ
０．７５∗∗
∗Ｐ＜０．０５； ∗∗Ｐ＜０．０１．
ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１）；因此，天然阔叶林转换为杉木
人工林显著降低了土壤 ＣＯ２ 排放．
２􀆰 ２　 土壤温度、含水量和水溶性有机碳季节动态
天然阔叶林和杉木人工林地下 ５ ｃｍ 土壤温度
的季节趋势一致（图 １），夏季较高、冬季较低，７ 月
地下 ５ ｃｍ土壤温度出现最大值，为 ３０．２ ℃，１２月出
现最小值，为 ４．６ ℃，２ 种林地之间土壤温度没有显
著差异．
　 　 天然阔叶林和杉木人工林 ０ ～ ２０ ｃｍ 土层土壤
含水量分别为 １２．５％ ～ ３０．８％和 １８．６％ ～ ３４．８％，年
均值分别为 ２４．８％和 ２９．８％，天然阔叶林转换为杉
木林后土壤含水量显著增加（图 １）．
天然阔叶林和杉木人工林土壤水溶性有机碳含
量（ＷＳＯＣ）均呈现明显的季节变化，夏秋季较高、冬
春季较低（图 ３）．天然阔叶林和杉木人工林土壤
ＷＳＯＣ 含量分别为 ４９． ２ ～ １３１． ５ 和 ３８． ６ ～ １３７􀆰 ２
ｍｇ·ｋｇ－１，年均值分别为 ８３．２ 和 ７３．６ ｍｇ·ｋｇ－１，天
然阔叶林转换为杉木人工林后土壤水溶性有机碳含
量下降了 １１．５％．
２􀆰 ３　 环境因子对土壤 ＣＯ２ 排放的影响
由表 ２可以看出，两种林地土壤 ＣＯ２ 排放速率
图 ３　 天然阔叶林和杉木人工林土壤水溶性有机碳含量
（ＷＳＯＣ）季节动态
Ｆｉｇ．３　 Ｓｅａｓｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ
ｃｏｎｔｅｎｔ （ＷＳＯＣ） ｉｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｂｒｏａｄ⁃ｌｅａｖｅｄ ｆｏｒｅｓｔ ａｎｄ Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｆｉｒ ｐｌａｎｔａｔｉｏｎ．
和地下 ５ ｃｍ土壤温度之间均呈现显著指数相关，与
土壤含水量之间没有相关性．根据土壤 ＣＯ２ 排放通
量与温度指数关系 ｙ ＝ ａｅｋＴ，则温度效应系数 Ｑ１０ ＝
ｅ１０ ｋ，计算出天然阔叶林和杉木人工林土壤呼吸的温
度敏性指数 Ｑ１０值，分别为 １．４５ 和 ２．９７．这表明温度
每升高 １０ ℃，２种林地土壤呼吸速率分别增加 １．４５
和 ２．９７倍，表明天然阔叶林转换为杉木人工林后土
壤呼吸对温度的敏感程度增强．天然阔叶林土壤
ＣＯ２ 排放速率与土壤水溶性碳含量之间没有相关
性，杉木人工林土壤 ＣＯ２ 排放速率和土壤水溶性碳
含量之间呈显著相关（表 ２）．包括地下 ５ ｃｍ 土壤温
度、土壤含水量和土壤水溶性碳含量的多元回归模
型能较好地模拟杉木人工林土壤 ＣＯ２ 排放速率与
环境因子之间的关系，Ｒ２ ＝ ０．７５．
３　 讨　 　 论
３􀆰 １　 土壤 ＣＯ２ 排放
天然阔叶林和杉木人工林土壤 ＣＯ２ 排放速率
均呈明显的季节变化，夏秋季较高，冬春季较低．这
与 Ｙｉ等［１３］和 Ｓｈｅｎｇ等［１４］对亚热带森林土壤 ＣＯ２ 排
放速率季节变化动态规律研究一致．天然阔叶林和
杉木人工林土壤 ＣＯ２ 年累积排放通量分别为 １６．４６
和 １１．９９ ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１，本研究结果符合中国森
林土壤呼吸年排放通量变化范围 （ ８． ６５ ～ １１０􀆰 ７
ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１） ［１５］，与王光军等［１６］对湖南杉木林
土壤 ＣＯ２ 年累积排放通量（１５．８５ ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１）
研究基本相同，但明显低于我国亚热带米槠天然林土
壤 ＣＯ２ 年累积排放通量 （ ４１． ６２ ｔ ＣＯ２ ·ｈｍ
－２ ·
ａ－１） ［７］，高于中亚热带地区果树和林地的年累积排
放通量（分别为 ７．１９和 ５．４２ ｔ ＣＯ２·ｈｍ
－２·ａ－１） ［１７］，
这可能是由于林地类型和森林经营模式的差异引
起的．
３􀆰 ２　 环境因子对土壤 ＣＯ２ 排放的影响
土壤温度是影响土壤 ＣＯ２ 排放的最主要环境
９４９２１０期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 张　 睿等： 亚热带天然阔叶林转换为杉木人工林对土壤呼吸的影响　 　 　 　 　 　
因素之一［１８］ ．本研究表明，两种林地土壤 ＣＯ２ 排放
速率均与地下 ５ ｃｍ土壤温度呈显著的指数相关，这
与对亚热带森林土壤的研究结果相符［７，１９］ ．Ｑ１０是表
征土壤呼吸速率对土壤温度的敏感性系数，根据指
数方程 Ｑ１０ ＝ｅ１０ ｋ（ｋ为拟合常数）计算得到天然阔叶
林和杉木人工林 Ｑ１０分别为 １．４４ 和 ２．９７［２０］，这与陈
光水等［１５］报道的中国森林土壤 Ｑ１０值为 １．３３ ～ ５．５３
的结果相符．本研究表明，天然阔叶林转换为杉木人
工林增强了土壤呼吸对土壤温度的敏感性．
本研究表明，两种林地土壤含水量与土壤呼吸
速率之间没有显著相关性，这主要是由于本研究区
域属于亚热带季风湿润性气候，降水丰富，林分郁闭
度大，林地蓄水持水能力较强，天然阔叶林和杉木人
工林两种林地土壤年平均含水量分别为 ２４．９％和
２９．８％，因此，土壤水分不是限制土壤呼吸的关键因
子，这与对亚热带针阔混交林［２１］以及对亚热带毛竹
林、针阔混交林和针叶林［２２］的研究结果一致．与 ６
月相比，７月两种林地土壤 ＣＯ２ 排放速率均显著降
低（图 ２）．这是由于在亚热带地区持续干旱天气中，
当土壤含水量低于 ２２．０％时，土壤含水量成为土壤
呼吸的主要影响因素［２３］ ．尽管 ７ 月均温为全年最
高，但累积降水量为全年最低（图 １），导致天然阔叶
林和杉木人工林两种林地土壤含水量最小值均出现
在 ７月，分别为 １２．５％和 １８．６％，因此，土壤呼吸速
率降低．另外，杉木人工林土壤含水量较高，而土壤
呼吸较小，这可能是由于杉木人工林土壤孔隙被水
分占据，导致土壤中 ＣＯ２ 和 Ｏ２ 的扩散速率减小，进
而影响土壤呼吸［２４］ ．
土壤水溶性碳（ＷＳＯＣ）是土壤有机碳中最活跃
的组分，它可以直接被微生物分解转化为其他产
物［２５－２６］，土壤 ＣＯ２ 的排放很大程度上依赖于土壤有
机化合物的转化效率［９］ ．本研究表明，杉木人工林土
壤 ＣＯ２ 排放速率与土壤水溶性碳含量呈显著相关，
这与对板栗林［２７］以及对林地和果树［１７］的研究结果
一致．这主要是温度的季节性变化引起的，夏季温度
高，植物生长旺盛根系分泌物增多，进而增大土壤水
溶性有机碳含量，同时，微生物的活性增高，加快土
壤有机质的矿化，提高土壤活性有机碳含量，进而增
大土壤 ＣＯ２ 排放［１７］ ．但天然阔叶林土壤 ＣＯ２排放速
率和土壤水溶性碳含量之间没有相关性，这与
Ｚｈａｎｇ等［２８］对我国亚热带地区雷竹林土壤 ＣＯ２ 排
放速率与土壤水溶性碳含量无显著相关性结果一
致．Ｌｉｕ等［６］研究表明，我国亚热带地区天然阔叶林
土壤 ＣＯ２排放速率和土壤水溶性碳含量之间没有相
关性，但当天然阔叶林转换为毛竹林后土壤 ＣＯ２ 排
放速率和土壤水溶性碳含量呈显著相关，这与本研
究中天然林转换为杉木人工林后土壤 ＣＯ２ 排放速
率和土壤水溶性碳含量呈显著相关的结果一致．本
研究中，天然阔叶林转换为杉木人工林后，ＷＳＯＣ 年
平均含量下降 １１．５％，土壤 ＣＯ２ 年累积排放通量下
降了 ２７．２％，这表明土壤水溶性碳含量降低可能是
导致土壤 ＣＯ２ 排放通量下降的原因之一．
本研究中，多元线性回归的结果表明，包括地下
５ ｃｍ土壤温度、土壤含水量和土壤水溶性碳含量的
多元回归模型能较好地模拟杉木人工林土壤 ＣＯ２
排放速率与环境因子之间的关系．
３􀆰 ３　 森林转换对土壤呼吸的影响
土地利用变化是通过改变植被和土壤碳库的方
式来影响大气温室气体的浓度，进而影响全球气候
的变化．森林转换是土地利用变化的一种常见方式，
森林的管理措施可以改变林型的群落结构、土壤理
化性质，直接或间接影响土壤 ＣＯ２ 排放［２９］ ．本研究
表明，天然阔叶林转为杉木人工林后，杉木人工林土
壤 ＣＯ２ 年累积排放量减小 ２７． ２％． Ｐａｙｅｕｒ⁃Ｐｏｉｒｉｅｒ
等［３０］在加拿大魁北克的研究发现，黑云杉天然林经
过皆伐形成云杉人工林后土壤呼吸下降 １５．７％；吴
君君等［７］在我国亚热带的研究表明，米槠天然林经
过皆伐、火烧、挖穴造林和幼林抚育形成米槠人工林
后土壤呼吸年通量下降了 ２２．０％．本研究中，天然阔
叶林转换为杉木人工林后土壤呼吸下降的原因有：
１）土壤有机碳含量下降．土壤呼吸包括自养呼吸（根
系）和异养呼吸（微生物、土壤小动物） ［３１］，其中异
养呼吸很大程度上依赖土壤有机碳的分解，约占土
壤呼吸的 ４５％～５０％［３２］，杉木人工林土壤有机碳含
量为 １．３％，比天然阔叶林降低了 ３７．３％，土壤异氧
呼吸降低．２）土壤水溶性碳含量下降．水溶性碳是土
壤有机碳中容易分解的组分，天然阔叶林转化为杉
木人工林后，土壤水溶性碳年平均含量下降了
１１􀆰 ５％，导致土壤 ＣＯ２ 排放降低．３）凋落物量下降．
凋落物在森林生态系统营养物资循环中起着重要作
用，为微生物的活动和植物的生长提供所有的养
分［３３－３４］，凋落物的数量和分解速率很大程度上影响
土壤 ＣＯ２ 通量［３５］，据 Ｒａｉｃｈ 等［２０］估算凋落物和土
壤有机质分解释放的 ＣＯ２ 占全球土壤呼吸释放 ＣＯ２
通量的 ７３．５％．本研究中，天然阔叶林转换为杉木人
工林后，年累积凋落物量降低了 ７０．３％（表 １），从而
降低了凋落物分解，导致土壤 ＣＯ２ 排放降低．４）可能
０５９２ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
是由于杉木人工林土壤含水量高，土壤孔隙被水分
占据，限制了 ＣＯ２ 和 Ｏ２ 的扩散，进而影响了土壤呼
吸［２４］ ．
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作者简介　 张　 睿，男，１９８９年生，硕士研究生． 主要从事土
壤碳汇与全球气候变化研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈｆｚｒ７６３１４１５５９＠ １６３．
ｃｏｍ
责任编辑　 孙　 菊
２５９２ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷