全 文 ：秦岭小陇山锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸特征*
康永祥1 摇 夏国威1,2 摇 刘建军1**摇 周摇 威1 摇 陈光平2
( 1西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100; 2贵州省扎佐林场, 贵州修文 550201)
摘摇 要摇 2011 年 5 月—2012 年 4 月,利用 Li鄄6400 系统测定秦岭小陇山锐齿栎林皆伐迹地的
土壤呼吸速率,研究锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸速率日动态、月动态和土壤温湿度以及土壤
理化性质对土壤呼吸的影响.结果表明: 皆伐迹地和锐齿栎对照林地的土壤呼吸日动态和月
动态均表现为单峰曲线,与土壤温度变化趋势相似;皆伐迹地和对照林地土壤呼吸速率的月
均最大值均出现在 7 月,分别为 4. 63 和 4. 01 滋mol·m-2·s-1,月均最小值均出现在 2 月,分
别为 0. 10 和 0. 30 滋mol·m-2·s-1;皆伐后 4 ~ 6 个月,皆伐迹地土壤呼吸速率月均值大于对
照林地,此后则小于对照林地;土壤温度、湿度及二者交互作用的多元回归模型能够解释皆伐
迹地土壤呼吸速率变化的 89. 6% ~90. 8% ,解释对照林地的 94. 7% ~ 95. 5% ;利用指数方程
计算两样地土壤呼吸的 Q10值,皆伐迹地和对照林地土壤呼吸的 Q10值分别为 3. 47 ~ 4郾 22 和
3. 54 ~ 3. 96;皆伐迹地和对照林地年土壤碳释放量分别为 344. 8 和 512. 9 g·m-2,冬季土壤碳
释放量分别为 24. 2 和 40. 9 g·m-2,占全年的 7. 0%和 8. 0% .
关键词摇 锐齿栎林摇 皆伐迹地摇 土壤呼吸速率摇 土壤温度摇 土壤湿度
文章编号摇 1001-9332(2014)02-0342-09摇 中图分类号摇 S718. 55摇 文献标识码摇 A
Soil respiration characteristics in the clear鄄cutting site of Quercus aliena var. acuteserrata
forest in Xiaolong Mountain in Qinling Mountains. KANG Yong鄄xiang1, XIA Guo鄄wei1,2, LIU
Jian鄄jun1, ZHOU Wei1, CHEN Guang鄄ping2 ( 1 College of Forestry, Northwest A&F University,
Yangling 712100, Shaanxi, China; 2 Zhazuo Forest Farm, Xiuwen 550201, Guizhou, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(2): 342-350.
Abstract: By using Li鄄6400 portable photosynthesis system with soil chamber, the soil respiration
rates (Rs) of Quercus aliena var. acuteserrata forest land (control site) and their clear鄄cutting site
were measured in Xiaolong Mountain of Qinling Mountains from May 2011 to April 2012 to under鄄
stand the diurnal and monthly dynamics of soil respiration rate and the influences from soil tempera鄄
ture, soil moisture, soil physical and chemical properties. The results showed that both diurnal and
monthly dynamics of soil respiration rate presented a single鄄peak curve, similar to the variation of
soil temperature at the clear鄄cutting and control sites. During the study period, the maximum
monthly mean values of soil respiration rate at the clear鄄cutting and control sites occurred in July
(4. 63 and 4. 01 滋mol·m-2·s-1, respectively) and the minimum values presented in February
(0. 10 and 0. 30 滋mol·m-2·s-1, respectively). Soil respiration rate in 4-6 months after clear鄄
cutting was higher than at the control site, and became lower afterwards. 89. 6% -90. 8% of soil
respiration rate variation was interpreted by the multiple regression models of soil temperature, soil
moisture and their interaction at the clear鄄cutting site, and 94. 7% -95. 5% at the control site. The
Q10 values computed by exponential equations were 3. 47-4. 22 and 3. 54-3. 96 at the clear鄄cutting
and control sites, respectively. The C fluxes at the clear鄄cutting and control sites were 344. 8 and
512. 9 g·m-2 annually, and 24. 2 and 40. 9 g·m-2 in winter, respectively.
Key words: Quercus aliena var. acuteserrata; clear鄄cutting site; soil respiration rate; soil tempera鄄
ture; soil moisture.
*“十二五冶农村领域国家科技计划项目(2011BAD38B0603)和林业公益性行业科研专项(200904004)资助.
**通讯作者. E鄄mail: ljj@ nwsuaf. edu. cn
2013鄄05鄄24 收稿,2013鄄10鄄30 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 2 月摇 第 25 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2014, 25(2): 342-350
摇 摇 森林生态系统能够吸收大气中 CO2,是一个潜
在的碳库[1],而森林土壤释放的 CO2是全球碳循环
中一个重要的碳源[2],其动态变化对全球土壤碳循
环产生深远影响.森林作为碳源或碳库是由林型、林
种、林龄以及森林经营措施决定的[3-5] .森林经营措
施主要包括林地施肥、土壤改良、林火管理、森林采
伐等,其中,森林皆伐对林地产生极大的干扰并改变
土壤碳动态[5] .森林皆伐后,林地小气候环境、根系
密度、微生物群落、有机质更新速度以及土壤养分循
环将发生变化,进而在一定时期内影响森林土壤呼
吸[6-8] .
目前,关于森林皆伐后土壤呼吸如何变化存在
较大争议.有研究表明,美国佛罗里达州湿地松(Pi鄄
nus elliottii)林皆伐后第 1 年土壤呼吸速率约为 29
年生湿地松林的 2 倍[9];缅因州红云杉(Picea ru鄄
bens)和香脂冷杉(Abies balsamea)林皆伐后第 1 个
生长季的土壤呼吸速率比对照林地提高 16% [3] .而
另有研究表明,安大略湖区域糖槭(Acer saccharum)
和黄桦(Betula alleghaniensis)林皆伐后第 1 个生长
季的土壤呼吸受到抑制[10];萨斯喀彻温省北美短叶
松(Pinus banksiana)皆伐后第 1 个生长季的土壤呼
吸约为对照林地的 40% [7];密歇根州阔叶林皆伐后
第 1 个生长季的土壤呼吸速率无显著变化[11];中国
福州杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林皆伐后
第 1 年皆伐迹地和对照林地土壤呼吸速率无显著差
异[12] .
秦岭林区锐齿栎(Quercus aliena var. acuteserra鄄
ta)林面积和蓄积量分别为 8. 64 伊 105 hm2 和
6. 28伊107 m3,占该林区有林地的 39. 4%和 36. 7% ,
是该林区主要的森林类型[13] . 目前,对秦岭林区锐
齿栎林土壤呼吸的研究主要集中在环境因素和根系
生物量变化对土壤呼吸的影响[14-15]、自养呼吸和异
养呼吸对土壤呼吸的贡献[14,16]、土壤呼吸年碳通量
估算[14,16]等方面. 因此,本文对锐齿栎林皆伐迹地
的土壤呼吸速率及其影响因素进行研究,为准确评
估秦岭林区碳收支提供基础数据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于西秦岭北坡小陇山林区(34毅07忆—
34毅24忆 N,105毅42忆—106毅00忆 E),海拔 1550 ~ 2100
m.该区位于暖温带向北亚热带的过渡地带,属暖温
带湿润气候区,年均温 7. 2 益,7 月平均气温 20. 3
益,12 月平均气温-1. 7 益,逸10 益年积温 2480 益,
年降水量 757 mm,年均蒸发量 1012 mm,年均相对
湿度 78% ,年均日照时数 1553 h.
样地设在小陇山林业科学研究所沙坝实验基地
168 林班 2 小班内,海拔 1650 m.土壤类型为山地棕
壤,土层厚度 40 ~ 80 cm.伐前样地林分结构为复层
结构,优势树种为锐齿栎,平均树高 13. 6 m,平均胸
径 12. 9 cm,林龄 26 ~ 30 年,郁闭度 0. 8;林下主要
灌木种类有短萼忍冬(Lonicera brevisepala)、三桠乌
药( Lindera obtusiloba)、托柄菝葜 ( Smilax discotis)
等;草本层盖度 20% ,主要种类有七叶鬼灯擎
(Rodgersia aesculifolia)、多叶韭 ( Allium plurifolia鄄
tum)等. 2011 年 1 月进行皆伐,将采伐剩余物和伐
除灌木进行火烧处理. 8 月,皆伐迹地草本盖度为
90% ,主要种类有荆芥(Nepeta cataria)、藜(Chenop鄄
odium album)、马刺蓟(Cirsium monocephalum)、抱茎
小苦荬( Ixeris sonchifolia)和丛毛羊胡子草(Eriopho鄄
rum comosum)等.
1郾 2摇 试验设计
2011 年 5 月,选取未皆伐锐齿栎林为对照林
地,在皆伐迹地和对照林地分别随机设置 6 个 2 m伊
2 m样方,每个样方内设置 1 个内径 10. 5 cm、高
10. 0 cm的 PVC土壤呼吸环.设置样方时,对照林地
避开大树和灌丛,皆伐迹地避开火烧地,同时设立明
确标志,以保证土壤呼吸环在整个测定期间位置
不变.
1郾 3摇 分析方法
1郾 3郾 1 土壤呼吸测定 摇 将土壤呼吸室 Li鄄6400鄄09
(Li鄄Cor, Inc. , Lincoln, NE)连接到 Li鄄6400 便携式
红外气体分析仪,测定土壤呼吸速率. 在生长季,每
次测定前一天将 PVC 土壤呼吸环内及周围的绿色
植物齐地剪除;冬季,每次测定前一天将 PVC 土壤
呼吸环内积雪清除,测量完成后将 PVC 土壤呼吸环
内积雪填至原来厚度,以避免绿色植物或积雪影响
土壤呼吸速率.测定时间为 2011 年 5 月—2012 年 4
月,每月选择非雨雪天进行测定,2011 年 5—10 月
每月测定 2 ~ 3 次,其余每月测定 1 次,共测定 22
次.皆伐迹地和对照林地每次各测定 1 天,时间为
10:00—14:00,每个观测点每 2 h测定 2 次. 2011 年
7 月(夏季)和 12 月(冬季),测定皆伐迹地和对照
林地土壤呼吸速率 8:00—20:00 的日变化.
1郾 3郾 2 土壤温湿度测定摇 在测定土壤呼吸速率的同
时,利用 Li鄄6400 自带的温度探针测定 5 和 10 cm深
度处土壤温度.同时利用 Hydrosense 便携式土壤水
分测量仪测定 5 和 10 cm 深度处土壤湿度. 利用
3432 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 康永祥等: 秦岭小陇山锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸特征摇 摇 摇 摇 摇
HOBO室外温湿度记录仪对皆伐迹地和对照林地距
离地表 1. 3 m处的空气温湿度进行连续监测,每 2 h
记录一次,用来估算土壤温度和土壤呼吸碳释放量.
1郾 3郾 3 土壤理化性质测定摇 2011 年 10 月下旬,在皆
伐迹地和对照林地 6 个样方附近用土钻取 0 ~ 10
cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm和 30 ~ 40 cm 土层土壤,
将土壤样品带回实验室. 采用 Liqui TOC 总有机碳
分析仪测定土壤全碳含量,采用半自动凯氏定氮仪
K9840 测定土壤全氮含量;采用电位法测定土壤
pH值.
1郾 4摇 数据处理
利用 SPSS 16. 0 和 Excel 2007 软件进行数据统
计分析.采用双尾 t 检验对皆伐迹地和对照林地的
土壤呼吸速率、土壤温度和湿度进行差异显著性分
析(琢= 0. 05) [17],利用 Correlate鄄partial 模块对土壤
呼吸速率与土壤理化性质进行相关和偏相关分析.
对土壤呼吸速率(Rs)进行自然对数转换得到
lnRs,利用逐步回归法对土壤呼吸速率与土壤温度、
湿度及二者相互作用进行多元回归分析[18-19]:
lnRs =a+bT+cW+dTW
式中: Rs 为土壤呼吸速率(滋mol·m-2·s-1);T 为
土壤温度 (益);W 为土壤湿度 (% ); a、 b、 c、 d 为
参数.
利用指数模型[20]拟合土壤呼吸速率与土壤温
度的关系:
Rs =琢e茁T
式中:琢为 T=0 益时的土壤呼吸速率;茁为温度反应
系数.
土壤呼吸对温度变化的敏感性通常用 Q10值描
述,Q10表示土壤温度每增加 10 益造成土壤呼吸改
变的熵. Q10值一般根据土壤呼吸速率指数模型中温
度反应系数 茁值来计算[21]:
Q10 =e10 茁
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤温度和呼吸速率日动态
由图 1 可以看出,夏季(2011 年 7 月),锐齿栎
林皆伐迹地和对照林地 5 和 10 cm深度处土壤温度
均随时间的推移呈逐渐上升的趋势,皆伐迹地 5 cm
深度处土壤温度最大值出现在 17:00,10 cm深度处
土壤温度最大值出现在 19:00,与 9:00 时相比,分
别升高 10. 6 和 7. 5 益;对照林地 5 和 10 cm深度处
土壤温度最大值均出现在 19:00,且整体变化趋势
较平稳,与 9:00 时相比,分别升高 4. 5 和 2. 9 益 .皆
伐迹地 5 和 10 cm深度处土壤温度均显著高于对照
林地.锐齿栎林皆伐迹地和对照林地土壤呼吸速率
的日动态趋势相同,均表现出单峰曲线.皆伐迹地土
壤呼吸速率峰值出现在 17:00,与 5 cm 深度处土壤
温度峰值出现的时间一致;对照林地土壤呼吸速率
峰值出现在 15:00,比 5 和 10 cm深度处土壤温度峰
值出现的时间提前了 4 h.皆伐迹地和对照林地土壤
呼吸速率日变化范围分别为 2. 64 ~ 5. 96 和 3. 31 ~
4. 37 滋mol·m-2·s-1,皆伐迹地土壤呼吸速率日变
化幅度大于对照林地,而且 13:00 后皆伐迹地土壤
呼吸速率显著高于对照林地.
冬季(2011 年 12 月),锐齿栎林皆伐迹地和对
照林地 5 和 10 cm深度处土壤温度随时间的推移变
化幅度较小,均<1. 1 益,而且 10 cm 深度处土壤温
度均大于 5 cm深度处,皆伐迹地与对照林地各层土
壤温度差异均不显著. 皆伐迹地土壤呼吸速率峰值
出现在 17:00,与 5 cm深度处土壤温度峰值出现的
时间相同,而对照林地土壤呼吸速率峰值出现在
11:00,比 10 cm深度处土壤温度峰值出现的时间提
前 2 h.皆伐迹地和对照林地土壤呼吸速率变化范
图 1摇 锐齿栎林皆伐迹地土壤温度和土壤呼吸速率的日变化
Fig. 1摇 Diurnal variation of soil temperature and soil respiration
rate in the clear鄄cutting site of Quercus aliena var. acuteserrata
forest.
Rs:皆伐迹地土壤呼吸速率 Soil respiration rate in clear鄄cutting site;
Rs 忆:对照林地土壤呼吸速率 Soil respiration rate in control site; T5:皆
伐迹地 5 cm 深度处土壤温度 Soil temperature at 5 cm soil depth in
clear鄄cutting site; T5 忆:对照林地5 cm深度处土壤温度 Soil temperature
at 5 cm soil depth in control site; T10:皆伐迹地10 cm深度处土壤温度
Soil temperature at 10 cm soil depth in clear鄄cutting site; T10 忆:对照林地
10 cm深度处土壤温度 Soil temperature at 10 cm soil depth in control
site.下同 The same below.
443 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
围分别为 0. 17 ~0. 36和 0. 28 ~0. 41 滋mol·m-2·s-1,
17:00 前,皆伐迹地土壤呼吸速率显著小于对照林
地,17:00 之后,二者差异不显著.
2郾 2摇 土壤温度、湿度和呼吸速率季节动态
由图 2 可以看出,锐齿栎林皆伐迹地和对照林
地 5 和 10 cm深度处土壤温度均具有相似的季节变
化特征,最大值均出现在 7、8 月(夏季),最小值均
出现在 12 月和翌年 1 月(冬季).经统计分析,从全
年的观测数据来看,皆伐迹地 5 和 10 cm 深度处土
壤温度均值分别为 11. 2 和 10. 1 益,显著高于对照
林地(8. 8 和 8. 4 益).
锐齿栎林皆伐迹地和对照林地 5 和 10 cm深度
处土壤湿度的季节变化趋势相似,最大值出现在春
季和秋季.其原因可能是 3、4 月土壤开始解冻,大量
图 2摇 锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸速率、土壤温度和土壤湿
度的季节动态
Fig. 2摇 Seasonal variations of soil respiration rate, soil tempera鄄
ture and soil moisture in the clear鄄cutting site of Quercus aliena
var. acuteserrata forest.
W5:皆伐迹地 5 cm深度处土壤湿度 Soil moisture at 5 cm soil depth in
clear鄄cutting site; W5 忆:对照林地 5 cm深度处土壤湿度 Soil moisture at
5 cm soil depth in control site; W10:皆伐迹地 10 cm 深度处土壤湿度
Soil moisture at 10 cm soil depth in clear鄄cutting site; W10 忆:对照林地10
cm深度处土壤湿度 Soil moisture at 10 cm soil depth in control site.
的融冻水积累于土壤表层,导致春季土壤表层水分
含量较高;而由于秋季降水较多,且随气温下降,蒸
发量减小,导致土壤表层水分含量相对较高.从全年
的观测数据来看,皆伐迹地和对照林地 10 cm 深度
处土壤温度均大于 5 cm深度处;而皆伐迹地和对照
林地各层土壤湿度均无显著差异,可能是因为生长
季皆伐迹地草本覆盖度较大,具有较好的保水能力.
皆伐迹地和对照林地土壤呼吸速率具有明显的
季节动态,其变化趋势与土壤温度的季节变化趋势
一致,最大值均出现在 7 月,分别为 4. 63 和 4. 01
滋mol·m-2·s-1,最小值均出现在 2 月,分别为 0. 10
和 0. 30 滋mol·m-2·s-1 . 从全年的观测数据来看,
皆伐 迹 地 土 壤 呼 吸 速 率 的 月 均 值 为 2郾 51
滋mol·m-2·s-1,对照林地土壤呼吸速率的月均值
为 2. 39 滋mol·m-2·s-1,二者差异不显著. 皆伐后
4 ~ 6个月(2011 年 5—7 月),土壤呼吸速率的月均
值大于对照林地,6 月差异显著;此后皆伐迹地土壤
呼吸速率月均值均小于对照林地,2、10 和 11 月差
异显著.这可能是因为锐齿栎林皆伐后,土壤水热条
件的剧烈变化和细小采伐剩余物的输入为土壤微生
物异养呼吸提供了有利的环境条件和碳源,从而使
皆伐迹地土壤呼吸速率升高;而随着时间推移,皆伐
迹地林木根系大量死亡,导致林木根系自养呼吸减
少,与此同时,皆伐迹地土壤基质不断被土壤微生物
活动所消耗,且缺乏新的碳源,导致土壤异养呼吸下
降,因此皆伐半年后皆伐迹地土壤呼吸速率降低.
2郾 3摇 土壤呼吸作用与土壤温度和湿度的关系
由图 3 可以看出,锐齿栎林皆伐迹地和对照林
地土壤呼吸速率与 5 和 10 cm深度处土壤温度均呈
显著的指数关系. 5 和 10 cm深度处皆伐迹地的 Q10
值分别为 3. 47 和 4. 22,对照林地的 Q10值分别为
3郾 54 和 3. 96. 5 cm 深度处,两样地的 Q10值相差较
小,而 10 cm深度处,皆伐迹地的 Q10值明显大于对
照林地,说明 10 cm 深度处土壤温度升高对皆伐迹
地土壤呼吸速率的影响大于对照林地. 两样地 10
cm深度处的 Q10值>5 cm 深度处,表明深层土壤温
度变化对土壤呼吸速率影响相对较大.
摇 摇 由表 1 可以看出,锐齿栎林皆伐迹地和对照林
地土壤呼吸速率与 5 和 10 cm深度处土壤湿度均呈
显著的一元二次函数关系. 根据方程,当 5 cm 深度
处土壤湿度 < 15郾 2% 或 10 cm 深度处土壤湿度
<26郾 3%时,皆伐迹地土壤呼吸速率随着土壤湿度
的增加而增大,当土壤湿度高于这一阈值时,土壤
呼吸速率随土壤湿度的增加而减小;当5 cm深度
5432 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 康永祥等: 秦岭小陇山锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸特征摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸速率与土壤湿度的关系
Table 1摇 Relationships of soil respiration rate with soil moisture in the clear鄄cutting site of Quercus aliena var. acuteserrata
forest
土壤深度
Soil depth
(cm)
皆伐迹地 Clear鄄cutting site
Rs =aW2 +bW+c R2 P
对照林地 Control site
Rs =aW2 +bW+c R2 P
5 Rs =-0. 062W2 +1. 881W-10. 386 0. 48 0. 000 Rs =-0. 038W2 +1. 245W-6. 614 0. 52 0. 000
10 Rs =-0. 018W2 +0. 947W-8. 896 0. 52 0. 000 Rs =-0. 015W2 +0. 790W-7. 709 0. 54 0. 000
图 3摇 锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸速率与土壤温度的关系
Fig. 3摇 Relationships between soil respiration rate and soil tem鄄
perature in the clear鄄cutting site of Quercus aliena var. acuteser鄄
rata forest (n=65).
**P<0. 01.
处土壤湿度 < 16郾 4% 或 10 cm 深度处土壤湿度
<26郾 3%时,对照林地土壤呼吸速率随着土壤湿度
的增加而增大,当土壤湿度高于这一阈值时,土壤呼
吸速率随土壤湿度的增加而减小.
摇 摇 土壤呼吸速率受多种因素的影响,土壤温度和
湿度是影响土壤呼吸速率的 2 个重要因素. 由偏相
关分析可知,剔除土壤湿度对土壤呼吸速率的影响
后,锐齿栎林皆伐迹地和对照林地各层土壤呼吸速
率与土壤温度的相关系数均有不同程度的提高;同
样在剔除土壤温度的影响后,两样地各层土壤呼吸
速率与土壤湿度的相关系数也有相应的提高. 这表
明,土壤温度和湿度能够相互掩盖彼此之间与土壤
呼吸速率的相关关系.因此,单一环境因素不能充分
描述土壤呼吸速率的变化特征,在构建土壤呼吸速
率与土壤温度、土壤湿度的模型时,应同时考虑二者
的单独及交互作用.
由表 2 可以看出,皆伐迹地和对照林地 5 和 10
cm深度处土壤温度和湿度均对 lnRs 有显著影响,
而只有对照林地 10 cm深度处土壤温度和湿度的交
互作用对 lnRs 有显著影响. 皆伐迹地 lnRs 与 5 cm
深度处土壤温度和湿度的相关性较强,对照林地
lnRs 与 10 cm深度处土壤温度和湿度的相关性较强,
且对照林地 lnRs 与各层土壤温度和湿度的相关性均
高于皆伐迹地.与土壤呼吸速率的温度或湿度模型相
比,考虑土壤温度和湿度及二者交互作用的多元回归
模型的相关性有所升高,这表明多元回归模型对土壤
呼吸速率变化的解释能力高于单因素模型.
2郾 4摇 土壤理化性质对土壤呼吸的影响
由表 3 可以看出,锐齿栎林皆伐迹地和对照林
地的土壤全碳和全氮含量随土层加深均逐渐减小,
C / N呈波动性减小,pH 值变化不显著. 锐齿栎林皆
伐后,0 ~ 10 cm土壤全碳和全氮含量均小于对照林
地,C / N和 pH值无显著变化;其他各层土壤全碳和
全氮含量均大于对照林地,C / N 小于对照林地,pH
值变化不显著.
摇 摇 由表 4 可以看出,锐齿栎林皆伐迹地的土壤呼
吸速率与 0 ~ 10 cm 土层土壤全碳含量、20 ~ 30 cm
土壤全氮含量呈显著正相关;对照林地土壤呼吸速
率与 0 ~ 10 cm土层土壤全碳含量呈显著正相关.这
表明,土壤表层碳含量对土壤呼吸速率影响较大.
2郾 5摇 土壤碳释放量的估算
由图 3 可以看出,5 和 10 cm 深度处土壤温度
模型均对锐齿栎林皆伐迹地和对照林地的土壤呼吸
表 2摇 锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸速率与土壤温度和湿度
的多元回归模型
Table 2摇 Multiple regression models of soil respiration rate
against soil temperature and soil moisture in the clear鄄
cutting site of Quercus aliena var. acuteserrata forest
样地
Plot
土壤深度
Soil depth
(cm)
回归模型
Regression model
R2 P
皆伐迹地 5 lnRs=-1. 708+0. 122T+0. 032W 0. 91 <0. 001
Clear鄄cutting site 10 lnRs=-1. 732+0. 139T+0. 017W 0. 90 <0. 001
对照林地 5 lnRs=-1. 378+0. 125T+0. 038W 0. 95 <0. 001
Control site 10 lnRs=-1. 615+0. 172T+0. 035W
-0. 002TW
0. 96 <0. 001
643 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 3摇 锐齿栎林皆伐迹地各土层土壤理化性质
Table 3摇 Soil physical and chemical properties at different soil depths in clear鄄cutting site in Quercus aliena var. acuteserrata
forest
样地
Plot
土壤深度
Soil depth
(cm)
全碳
Total C
(g·kg-1)
全氮
Total N
(g·kg-1)
C / N pH
皆伐迹地 0 ~ 10 20. 48依3. 20Aa 2. 13依0. 43Aa 9. 78依1. 63Aa 5. 81依0. 51Aa
Clear鄄cutting site 10 ~ 20 15. 78依3. 19Aab 1. 82依0. 27Aa 8. 67依1. 08Aa 5. 81依0. 44Aa
20 ~ 30 11. 71依3. 71Abc 1. 29依0. 40Ab 9. 11依0. 94Aa 5. 84依0. 33Aa
30 ~ 40 9. 04依4. 29Ac 1. 15依0. 44Ab 7. 76依2. 56Aa 5. 94依0. 28Aa
对照林地 0 ~ 10 24. 93依7. 94Aa 2. 61依0. 87Aa 9. 77依1. 83Aa 5. 84依0. 52Aa
Control site 10 ~ 20 14. 98依5. 38Ab 1. 38依0. 53Ab 11. 03依1. 53Ba 5. 62依0. 60Aa
20 ~ 30 7. 20依3. 32Ac 0. 74依0. 30Bbc 9. 80依3. 02Aa 5. 98依0. 52Aa
30 ~ 40 4. 26依2. 58Ac 0. 51依0. 25Bc 8. 08依2. 05Aa 5. 87依0. 40Aa
同列不同小写字母表示同一样地不同土层深度间差异显著,不同大写字母表示同一土层深度不同样地间差异显著(P<0. 05)Different lowercase
letters in the same column indicated significant difference among different soil depth in the same plot, and different capital letters in the same column indi鄄
cated significant difference between clear鄄cutting site and control site in the same soil depth at 0. 05 level.
速率变化有较强的解释能力.选用 5 cm深度处土壤
温度模型估算皆伐迹地和对照林地土壤呼吸年碳释
放量.首先,建立皆伐迹地和对照林地 5 cm 深度处
土壤温度与皆伐迹地气温的线性模型:
T5 =0. 716Ta+1. 242摇 (R2 =0. 93,P<0. 001)
T5 忆=0. 690Ta忆+1. 895摇 (R2 =0. 94,P<0. 001)
式中:T5和 T5 忆分别为皆伐迹地和对照林地 5 cm 深
度处土壤温度;Ta和 Ta忆分别为皆伐迹地和对照林地
气温.
利用相应的线性模型及连续监测的气温日均值
分别计算出皆伐迹地和对照林地 5 cm 深度处土壤
温度日均值.将 5 cm深度处土壤温度日均值代入土
壤呼吸温度模型计算出每天土壤呼吸碳释放量,以
天为步长进行累加得到土壤呼吸年碳释放量,计算
公式如下:
表 4摇 锐齿栎林皆伐迹地各土层土壤理化性质与土壤呼吸
速率的相关性分析
Table 4摇 Correlation analysis between soil respiration rate
and soil physical and chemical properties in different soil
depths in the clear鄄cutting site of Quercus aliena var.
acuteserrata forest
样地
Plot
土壤深度
Soil depth
(cm)
全碳
Total C
全氮
Total N
C / N pH
皆伐迹地 0 ~ 10 0. 967** 0. 408 0. 440 0. 060
Clear鄄cutting 10 ~ 20 0. 855 0. 560 0. 700 -0. 157
site 20 ~ 30 0. 793 0. 894* -0. 404 0. 183
30 ~ 40 0. 705 0. 130 0. 874 -0. 402
对照林地 0 ~ 10 0. 941* 0. 854 0. 059 -0. 213
Control site 10 ~ 20 0. 553 0. 809 -0. 835 0. 274
20 ~ 30 0. 167 0. 136 0. 212 -0. 311
30 ~ 40 0. 703 0. 723 0. 280 -0. 444
*P<0. 05; **P<0. 01.
摇 摇 Ra =移
366
i = 1
Rsi 伊 10 -6 伊 3600 伊 24 伊 12
式中:Ra为土壤呼吸年碳释放量(g·m-2);Rsi为第 i
天土壤呼吸速率(滋mol·m-2·s-1).
本研究中,计算了皆伐迹地和对照林地 2011 年
5 月 1 日—2012 年 4 月 30 日的土壤碳释放量, 取
i=366,计算得到皆伐迹地土壤呼吸年碳释放量为
344. 8 g·m-2,对照林地为 512. 9 g·m-2 . 可见,对
照林地土壤呼吸年碳释放量大于皆伐迹地. 皆伐迹
地冬季土壤呼吸碳释放量为 24. 2 g·m-2,占全年的
7. 0% ;对照林地冬季土壤呼吸碳释放量为 40郾 9
g·m-2,占全年的 8. 0% . 可见,冬季土壤呼吸对全
年土壤呼吸碳释放量的贡献不大.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 皆伐对土壤呼吸的影响
林木根系自养呼吸和土壤微生物异养呼吸是森
林土壤呼吸的主要来源,森林皆伐后,活根系死亡量
的增加会降低土壤自养呼吸,而采伐剩余物的输入
会增加土壤中可用基质的量,进而促进土壤异养呼
吸[11] .另外,皆伐后林地土壤温度的升高也将进一
步提高土壤微生物异养呼吸和剩余活根系的自养呼
吸.有研究认为,森林皆伐后土壤呼吸速率会出现短
暂的升高,而后皆伐迹地土壤呼吸速率将低于未伐
林地[7,11-12,22] .例如,田纳西州阔叶混交林皆伐后
4 ~ 6个月土壤呼吸速率高于对照林地,此后则低于
对照林地[11];福州杉木人工林皆伐后前 4 个月土壤
呼吸速率显著高于对照林地,此后则低于对照林
地[12];亚热带季风区杉木人工林皆伐及火烧后前 5
个月,皆伐样地和火烧样地土壤呼吸速率均高于对
7432 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 康永祥等: 秦岭小陇山锐齿栎林皆伐迹地土壤呼吸特征摇 摇 摇 摇 摇
照林地,从皆伐后第 6 个月开始,对照林地土壤呼吸
速率大于皆伐迹地[22] . 本研究中,小陇山锐齿栎林
皆伐后 4 ~ 6 个月(2011 年 5—7 月)土壤呼吸速率
大于对照林地,而从 2011 年 8 月开始,皆伐迹地土
壤呼吸速率小于对照林地(图 2). 皆伐后土壤呼吸
速率短时期升高可能是因为微生物异养呼吸和剩余
活根系自养呼吸增大,随后皆伐迹地土壤呼吸速率
下降可能是因为皆伐后对采伐剩余物的火烧处理和
凋落物的消失减少了碳输入[23],一段时期后,微生
物异养呼吸会消耗掉大量的土壤碳[22],这将进一步
减少皆伐迹地土壤碳含量,进而降低皆伐迹地土壤
呼吸速率. 另外,根呼吸占土壤呼吸的 50% [24],所
以皆伐迹地林木活根系的减少也会导致土壤呼吸速
率的降低.
3郾 2摇 土壤温湿度对土壤呼吸的影响
温度是影响土壤呼吸的重要因子,在一定温度
范围内,土壤呼吸强度与土壤温度有显著的正相关
关系[25] .森林皆伐后,林地温湿度将发生剧烈变
化[23] .本研究表明,锐齿栎林皆伐迹地土壤温度显
著高于对照林地(图 2),土壤呼吸速率与土壤温度
呈显著的指数关系(图 3),这与其他研究结果一致
[7,11,26-28] .刘建军等[14]研究表明,5 cm 深度处土壤
温度能够解释秦岭中段锐齿栎林土壤呼吸速率的
96. 9% ;常建国等[16]研究认为,5 cm 深度处土壤温
度能够分别解释秦岭东段锐齿栎林幼龄林和老龄林
土壤呼吸速率的 86. 8%和 86. 4% . 本研究表明,5
cm深度处土壤温度能够分别解释秦岭西段小陇山
锐齿栎林和皆伐迹地土壤呼吸速率的 87. 6% 和
88郾 6% ,10 cm 深度处土壤温度能够分别解释锐齿
栎林和皆伐迹地土壤呼吸速率的 88. 8%和 87. 7%
(图 3).
本研究中,锐齿栎林皆伐迹地和对照样地 5 cm
深度处的 Q10值基本相等,而皆伐迹地 10 cm深度处
的 Q10值大于对照林地,这可能是因为锐齿栎林皆
伐后,林地失去了树冠的保护直接暴露在阳光下,温
度升高对皆伐迹地土壤呼吸速率的影响较大. 在两
个样地中,5 cm深度处土壤呼吸的 Q10值均小于 10
cm深度处,这表明土壤呼吸速率对深层土壤温度变
化更为敏感,这与 Zhang等[29]研究结果相似. 本研
究中,两样地的 Q10值高于刘建军等[14]和常建国
等[16]估算的秦岭锐齿栎林的 Q10值,这可能与研究
样地的坡向、坡位、林龄及森林立地条件不同有关.
水分是影响土壤呼吸速率的又一重要因子,土
壤水分对土壤呼吸速率的影响较复杂,在不同的范
围内,土壤水分对土壤呼吸速率的影响不同[30-31] .
本研究中,锐齿栎林皆伐迹地和对照样地的土壤呼
吸速率与土壤湿度均呈显著的二次曲线关系,在一
定的土壤湿度范围内,土壤呼吸速率与土壤湿度呈
正相关,超过阈值后,土壤呼吸速率与土壤湿度呈负
相关.土壤湿度能够解释皆伐迹地土壤呼吸速率变
化的 48. 4% ~ 52. 1% ,解释对照林地的 51. 9% ~
53. 8% ,这与江西大岗山杉木林、常绿阔叶林土壤呼
吸速率[32]、长白山水曲柳(Fraxinus mandschurica)
根呼吸速率[33]和阔叶红松(Pinus koraiensis)林土壤
呼吸速率[34]与土壤湿度关系的研究结果一致.
一般来说,土壤温度和水分的多元回归模型对
土壤呼吸速率变化有较高的解释能力[19-22,28,35],这
是因为土壤温湿度交互作用影响着土壤呼吸速率.
本研究中,与土壤呼吸的温度模型和湿度模型相比,
土壤呼吸的温湿度多元回归模型对土壤呼吸速率变
化的解释能力有所提高,土壤温湿度及二者的交互
作用能够解释皆伐迹地土壤呼吸速率的 89. 6% ~
90. 8% 、对照林地的 94. 7% ~ 95. 5% ,而且对皆伐
迹地土壤呼吸速率变化的解释能力小于对照林地.
3郾 3摇 土壤理化性质对土壤呼吸的影响
土壤理化性质也是影响土壤呼吸的重要因素之
一.有研究表明,土壤呼吸受土壤全碳、全氮、C / N、
全磷、速效氮、速效磷、速效钾、土壤容重和 pH 等因
素的影响[36-38] .土壤碳含量是植物根系生长和土壤
微生物活动所需的重要物质,土壤碳含量影响着植
物生长和微生物群体的活性,进而影响土壤呼吸速
率的大小;土壤氮能够促进植物的生长,加速植物的
生长呼吸,通过影响生态系统生产间接影响土壤呼
吸;土壤碳氮比影响土壤微生物的分解活动和植物
根系的生长,因此土壤碳氮比强烈影响着土壤呼吸;
土壤 pH主要是通过调控土壤中化学反应和土壤酶
活性来影响土壤呼吸[39] . 本研究表明,土壤呼吸速
率与土壤全碳、全氮含量呈正相关,这与其他研究结
果一致[36-38,40-41] .
本文研究了秦岭小陇山皆伐对锐齿栎林土壤呼
吸速率的影响,但未区分皆伐后根系呼吸、矿质土壤
呼吸和凋落物层呼吸,未能计算各分室呼吸对土壤
呼吸的贡献,也没有对皆伐迹地土壤养分动态变化
进行测定,今后应进一步加强这方面的研究.
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作者简介 摇 康永祥,男,1963 年生,博士,教授,博士研究生
导师. 主要从事森林植物学和森林生态学研究. E鄄mail: yx鄄
kang@ nwsuaf. edu. cn
责任编辑摇 孙摇 菊
053 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷