全 文 ：第 22卷　第 1期 中　南　林　学　院　学　报 Vol. 22　 No. 1
　 2002年 3月 JOU RN AL OF CENT RAL SOUT H FO RESTRY UNIV ERSITY Mar. 2002　
⒇
[文章编号 ] 1000- 2502( 2002) 01- 0011- 06
樟树人工林林地 CO2释放量的研究
方　晰 ,田大伦 ,张仕吉
(中南林学院资源与环境学院 ,中国湖南 株洲 412006)
[摘　要 ]　对湖南省株洲市樟树人工林不同坡向 (南、北坡 )林地 CO2释放量进行定位观测 .结果表明:樟树人工林林地 CO2释放量
一般是在 0. 040 6～ 0. 422 9 g· m- 2h- 1之间 ,平均值为 0. 266 9 g· m- 2h- 1 ,且呈一定的季节变化 ;坡向对林地 CO2释放量的影响不
明显 ;林地 CO2释放量与各层土壤温度、含水量在一定范围内呈线性相关性 ;林地 CO2释放量昼夜变化有一定规律性 .根据观测的林
地 CO 2 释放量日平均值计算得出 ,樟树人工林林地释放 CO2 通量估计范围为 13. 56～ 94. 42 kg· hm- 2 d- 1 ,平均为
61. 78 kg· hm- 2d- 1.
[关键词 ]　樟树人工林 ; 林地 ; CO2释放量
[中图分类号 ]　 S792. 23; S713; S718. 55+ 4. 2　　　 [文献标识码 ]　 A
A Study of Forest Soil CO2 Release Rates
in the Artif icial Forests of Cinnamomum camphora ( L. ) Presl
FANG Xi, TIAN Da-lun, ZHANG Shi-ji
( Col leg e of Resou rces and Environm ent of C SFU, Zhuzh ou 412006, Hunan, China)
Abstrct: Located observation of the soil CO2 releas e f rom dif ferent slopes in the artif icial forest s of Cinnamomum camphora ( L. ) Presl
has been conducted in Zhu zhou, Hunan. Resul t s sh ow that th e soil CO2 release in such forest s is in th e range of 0. 040 6～
0. 422 9 g· m-2h-1, th e averag e valu e being 0. 266 9 g· m-2h-1 wi th a certain seas onal ch ang e; that th e soil CO2 release is the high es t
in summer and the low es t in th e winter; that there i s no signi fi cant dif f erence of CO 2 release betw een the fores ts on di f feren t slop es;
th at th e soil CO2 releas e i s of a posi tive linear correlation w ith th e soil t emperature and soi l moisture at a certain range; and th at th e
soil CO2 releas e ch ang es wi th a reg ular ci rcadian rh ythm. Based on the calculation of observed d ata, th e soil CO2 f lux was in the range
of 13. 56～ 94. 42 kg· hm-2d-1 , and the av erage value, 61. 78 kg· hm-2d-1.
Key words: arti ficial forest s of Cinnamomum camphora; f ores t soil; CO 2; release rate
CO2是引起全球变化的重要温室气体 ,在由温室气体引起的全球变化问题中 ,监测 CO2浓度的变化 ,研究
其在自然界中的吸收与排放过程 ,对于全面探讨全球变化及其影响具有十分重要的意义 .在 CO2浓度升高对
陆地生态系统的直接影响方面 ,业已开展了大量的模拟实验研究 [ 1] ,这些工作有助于了解全球变化后植物及其
他生物对 CO2浓度升高的响应 .在土壤释放 CO2方面 ,以往的研究多从土壤呼吸的角度揭示一些土壤有机体
代谢的过程机理 ,并把土壤呼吸作为土壤生产力的反映 ,然而从环境的角度出发 ,我们更应关心土壤圈中 CO2
的含量及其与大气圈的交换规律 .
森林是陆地生态系统的主体 ,森林土壤是 CO2重要的源和汇 .据报道 ,森林土壤中的碳占全球土壤有机碳
的 73% ,可见 ,在全球碳平衡中森林土壤有机碳具有重要的地位 .本文中对樟树 Cinnamomum camphora L.
Presl.人工林不同坡向林地 CO2释放量进行定位研究 ,目的在于揭示樟树人工林林地 CO2释放量数据范围和
季节变化规律及其与土壤温度、含水量等某些可控环境因子可能的联系 ,寻找影响土壤 CO2释放量的生态因
⒇ [收稿日期 ] 2001-07-30
[基金项目 ] 国家重点野外台站资助项目、国家自然科学基金重大项目 ( 39899370- 01)、国家林业局重点科研项目 ( 96- 34)和湖南省科委
重大项目 ( 99 JZY1004)资助 .
[作者简介 ] 方　晰 ( 1968- ) ,女 ,广西邕宁人 ,讲师 ,博士生 ,主要从事森林生态学的教学与科研工作 .
DOI : 10. 14067 /j . cnki . 1673 -923x . 2002. 01. 003
子 ,从而为全球变化研究提供中国亚热带森林生态系统方面的基础实验数据 .
1　试验地概况
试验区地处于湘中偏东、湘江中游 .地理位置为:东经 112°54′,北纬 27°50′.海拔 50～ 200 m,相对高度 100
m ,属低山丘陵区 .气候系典型的亚热带湿润气候区 ,年降水量 1 185. 8～ 1 912. 2 mm ,年平均降水量为 1 430. 8
mm,集中于 4～ 7月份 ;年相对湿度为 80% ,年平均气温为 17. 4℃ (见图 1) .本区地层古老 ,母岩为变质板页岩
为主 ,风化程度较深 ,土壤为森林红壤 ,呈酸性 ,地带性植被为常绿阔叶林 .本次研究的对象是 15年生樟树人工
林 ,郁闭度为 0. 7～ 0. 8.在造林前进行了平梯整地 ,造林后处于半自然状态 ,间有泡桐 Paulownia fortunei
Hemsi等树种 ,林下植被主要是草本植物 .选取了同一山体樟树人工林南坡、北坡作为观测点 ,各观测点的基本
情况如下 .
图 1　株洲地区气温、降水量变化图
　　 Fig. 1　 Changes of air temperature and
precipitation in Zhuzhou district
1. 1　南　坡
平均坡度为 15°,土壤层较厚 ,面积为 2. 4 hm2 ,郁闭度为 0. 7,
因进行过造林整地 ,土壤原始层次被破坏 ,土壤剖面层次变得复
杂 ,翻土层下面原腐殖质、原淋溶层发育都很薄 ,林地表面多为凋
落物覆盖 .
1. 1. 1　土壤剖面形态特征
A0 (枯枝落叶层 ) 0～ 2 cm,枯枝落叶较多 ,表层小石砾较多 ,
较湿 .
A1 (腐殖质层 ) 2～ 6 cm ,浅黑色 ,细根多 ,石砾较多 ,砂壤质
地 ,土层稍紧 ,土壤湿润 ,无泡沫反应 .
A2 (淋溶层 ) 6～ 23 cm ,棕黄色 ,根多 ,石砾多 ,为多砾质粘壤
土质地 ,土层稍紧 ,土壤湿润 ,较粘手 ,无泡沫反应 .
B(沉积层 ) 23 cm以下 ,红色 ,石砾较少 ,为少石砾粘壤土质地 ,土层较紧 ,土壤湿润 ,粘手 ,有少量根 ,无泡
沫反应 .
1. 1. 2　土壤理化性质 (见表 1)
表 1　南坡林地不同土壤深度的理化性质
Table 1　 Soil physical and chemical properties of forest land on the south slope
土壤深度 pH值 有机质含量
/( g· 100 g- 1) 全氮含量/( g· 100 g- 1 )
不同土层不同直径土壤颗粒的组成 /%
> 3
mm
3～ 1
mm
1～ 0. 05
mm
0. 05～ 0. 01
mm
0. 01～ 0. 005
mm
0. 005～ 0. 001
mm
< 0. 001
mm
0～ 6 cm
6～ 23 cm
23 cm以下
3. 6
4. 45
4. 07
4. 05
2. 85
1. 13
0. 15
0. 11
0. 07
10. 0
13. 0
8. 2
5. 0
4. 3
3. 7
9. 2
17. 2
16. 6
24. 4
13. 2
15. 9
11. 9
8. 3
10. 6
18. 7
14. 9
15. 8
24. 8
29. 1
29. 2
1. 2　北　坡
北坡平均坡度为 20°左右 ,郁闭度约 0. 8～ 0. 9,土层较薄 ,土壤剖面特征如南坡一样受人为的影响很大 ,但
翻土层下面的原腐殖质、原淋溶层较南坡厚 ,林地表层为枯枝落叶覆盖 .
1. 2. 1　 土壤的剖面形态特征
A0 (枯枝落叶层 ) 0～ 1 cm,枯枝落叶较多 ,表层石砾较多 ,表层较干 ,内层较湿 .
A1 (腐殖质层 ) 1～ 5 cm ,浅黑色 ,细根多 ,石砾较多 ,多石砾砂壤质地 ,团粒结构 ,无泡沫反应 .
A2 (淋溶层 ) 5～ 51 cm,棕黄色 ,根多 ,石砾多 ,为多砾质粘壤土质地 ,土层较松 ,土壤湿润 ,无泡沫反应 .
B(沉积层 ) 51 cm以下 ,棕红色 ,石砾多 ,为多石砾粘壤土质地 ,土层较松 ,土壤湿润 ,有少量大根 ,无泡沫反
应 .
12 中　南　林　学　院　学　报 第 22卷
1. 2. 2　土壤理化性质 (见表 2)
表 2　北坡林地不同土壤深度的理化性质
Table 2　 Soil physical and chemical properties of forest land on the north slope
土壤深度 pH值 有机质含量
/( g· 100 g- 1) 全氮含量/( g· 100 g- 1 )
不同土层不同直径土壤颗粒的组成 /%
> 3
mm
3～ 1
mm
1～ 0. 05
mm
0. 05～ 0. 01
mm
0. 01～ 0. 005
mm
0. 005～ 0. 001
mm
< 0. 001
mm
0～ 5 cm
5～ 51 cm
51 cm以下
3. 38
4. 08
4. 13
3. 05
1. 48
0. 48
0. 17
0. 08
0. 06
21. 3
29. 8
33. 2
5. 0
4. 6
7. 4
12. 4
8. 7
12. 1
16. 2
18. 1
3. 5
10. 3
8. 5
18. 6
20. 6
11. 8
7. 0
14. 2
18. 5
19. 2
2　研究方法
根据地形、地势 ,在南坡、北坡林地内 ,分别在山坡中部进行定点测定和采样 .
土壤 pH值、全 N含量、有机质含量、机械组成等按常规分析方法 [2 ]测定 .
林地 CO2释放量的测定采用田间容量法 [3 ] , Ba ( O H) 2吸收法 , HCl滴定法 .定点测定于 1999年 7月到 12
月进行 ,每月随机测 2～ 3 d,每天每点重复测定 2～ 3次 .测定时间均为上午 9∶ 50至 10∶ 50. 8月、 9月间分别
在南坡进行一次昼夜变化观测 ,每隔 4 h一次 .
用曲管地温表定点测定土壤距地表 0、 5、 10、 15、 20 cm处的地温 ,测定 5、 10、 15、 20 cm处土壤自然含水量 ,
二者均和 CO2释放量的测定同点同步进行 .
3　结果分析
3. 1　不同坡向 (南、北坡 )林地 CO2释放量的比较
对樟树人工林不同坡向 (南坡、北坡 )的林地 CO2释放量的连续测定结果见表 3.由表 3可知 ,樟树人工林
林地 CO2释放量的变动范围在 0. 040 6～ 0. 422 9 g· m- 2h- 1之间 ,平均值为 0. 266 9 g· m- 2h- 1 ,均值的大小
为南坡> 北坡 .用 t检验法对南北坡向林地 CO2释放量平均值的差异显著性进行分析 ,结果表明 ,南坡与北坡
林地 CO2释放量平均值之间差异不显著 (见表 4) ,说明坡向对林地 CO2释放的影响不明显 .
表 3　不同坡向林地 CO2释放量
Table 3　 Comparison of CO2 release in the forest land on diff erent slopes
坡　向 样本数
CO 2释放量
平均值
/ ( g· m- 2h- 1 ) 变化范围/ ( g· m- 2 h- 1)
标准差 变异系数
南坡 12 0. 274 2 0. 072 4～ 0. 422 9 0. 125 46
北坡 12 0. 259 5 0. 040 6～ 0. 403 0 0. 137 52
表 4　不同坡向林地 CO2释放量平均值的差异显著性分析
Table 4　 T test of the average CO2 release in the forest land on dif ferent slopes
林　　地 F F0. 01 t t0. 05 t 0. 01 显著性差异
南坡～ 北坡 0. 07 7. 95 0. 263 2. 074 2. 819 不显著
从南坡、北坡的环境状况
看 ,首先是同一山体 ,其成土母
岩均为变质板页岩 ,土壤剖面
的形态特征和理化性质 (见表
1、表 2)无显著差别 ;其次 ,南
北坡林地温度、含水量的平均
值没有明显的差异 (见图 3、图
4) ,故可认为南、北坡无明显的
空间差异 .但不同坡向的小气
候特征有一定的差异 ,从而影
响植被生长状况、生态环境和
土壤生物种类、数量及其活性 ,
因此 ,不同坡向林地 CO2释放量上还是各自有其特点 .从图 2中可以看出 ,在观测时期 ,除 7月份外 ,林地 CO2
释放量均是南坡> 北坡 ; 7月份却是北坡高于南坡 ,也是北坡林地 CO2释放量一年中的最大值 ,而南坡最大值
却出现在 8月份 .这一现象可能与坡向对林地温度、湿度的调节作用有关 .在试验区内 , 7月份为气温最高、降
水较少的月份 (见图 1) ,南坡因向阳受其影响最直接 ,林内土壤温度可高达 34. 5℃以上 ,而北坡在一定程度上
减弱了气温对林内土壤温度的影响 ,林内地温最高却在 30℃以下 .适宜的温度有利于根系、微生物及其他动物
的生命活动 ,而高温则会抑制根系、微生物、动物及各种土壤酶的活性 ,从而间接地影响了林地 CO2的释放量 .
13第 1期 方　晰等:樟树人工林林地 CO2释放量的研究
图 2　南、北坡林地 CO2的释放量的季节变化
Fig. 2　 Seasonal changes of CO2 release
图 3　南、北坡林地土壤温度的季节变化
Fig. 3　 Seasonal changes of soil temperature
3. 2　樟树人工林林地 CO2释放量与土壤水热条件的关系
土壤中的 CO2主要来源于土壤微生物、植物根系、土壤动物和原生动物共同作用的结果 .它们的生命活动
都受到土壤温度、湿度等外界因子的影响 .作为土壤生物总代谢强度反映的 CO2 ,一年中必有较强的季节变化 .
本研究中南、北坡林地 CO2释放量与土壤温度、土壤含水量的季节变化见图 2、 3、 4,即在试验时间内 ,林地 CO2
的释放量在夏季出现最大值 ,秋季次之 ,冬季降为最低值 .在试验区 , 5、 6月份降水较多 ,气温逐渐升高 ,到 7、 8
月份盛夏季节 ,气温升到最高 ,虽然降水相对减少 ,但由于森林植被郁闭度较大 ,对降水起截留阻挡再分配作
用 ,林地表层有枯枝落叶所覆盖 ,减少了地表的蒸发 ,很好地调节了林地温度、湿度 ,促进植物生长旺盛 ,植物根
系呼吸作用强度大 ,微生物活性强 ,林地 CO2的释放量表现为最大值 ;到秋季 ,气温缓慢下降 ,降水进一步减
少 ,出现了常见的“秋燥” ,在一定程度上抑制了林地生物的活动 ;进入冬季 ,气温降至一年中最低季节 ,植物、土
壤微生物生长减弱 ,有的甚至进入休眠状态 ,林地 CO2的释放量也相应降到了最低点 .
图 4　南、北坡林地土壤含水量的季节变化
Fig. 4　 Seasonal changes of soil moisture content
14 中　南　林　学　院　学　报 第 22卷
表 5　南、北坡林地 CO2释放量与土壤温度、湿度的线性回归方程
　　　 Table. 5　 Linear regression equat ions for the relationsh ips between CO2 release and soil temperature or soil
moisture content
林　地 因　子 不同土壤层次的线性回归方程
0 cm 5 cm 10 cm 15 cm 平　均
南坡
温度 y= - 0. 07+ 0. 02x
r= 0. 86
y= - 0. 13+ 0. 02x
r= 0. 95
y= - 0. 12+ 0. 02x
r= 0. 95
y= - 0. 13+ 0. 02x
r= 0. 95
-
含水量 - y= - 0. 18+ 0. 02xr= 0. 54 y= - 0. 10+ 0. 02xr= 0. 47 y= 0. 03+ 0. 01xr= 0. 29 y= - 0. 13+ 0. 02xr= 0. 42
北坡
温度 y= - 0. 11+ 0. 02xr= 0. 92 y= - 0. 15+ 0. 02xr= 0. 95 y= - 0. 16+ 0. 02xr= 0. 95 y= - 0. 19+ 0. 02xr= 0. 94 -
含水量 - y= - 0. 16+ 0. 02xr= 0. 60 y= 0. 03+ 0. 01xr= 0. 30 y= 0. 08+ 0. 01xr= 0. 30 y= - 0. 08+ 0. 02xr= 0. 45
3. 2. 1　林地 CO2的释放量与土壤温度的关系
在图 2、图 3中 ,土壤温度季节变化与林地 CO2释放量季节变化总趋势比较一致 .由此可见 ,土壤温度对林
地 CO2释放量有重大的影响 .从南、北坡观测点的大量数据的分析结果 (见表 5)表明 ,南、北坡林地 CO2释放
量都与各层土壤温度有很显著的正相关关系 (r≥ 0. 86) .温度对根系呼吸、土壤微生物活动以及有机质分解等
有促进作用 ,因而对土壤释放 CO2影响最大 [4 ] .有人认为夏季土壤 CO2释放强度是冬季的 5倍 [5 ] ,本次研究也
验证了这一结论 ,这说明温度是影响土壤释放 CO2的最主要因素 .根据表 5可计算出 ,当地面温度由 10℃上
升至 20℃时 ,林地 CO2释放量增加 322% (即 Q10= 3. 22) ;由 20℃上升至 30℃时 , Q10= 1. 68,平均 Q10=
2. 45,该值高于农业土壤 (Q10= 2. 00) [5 ] .从而得出 ,在一定温度范围内 ,温度每上升 10℃ ,樟树人工林林地 CO2
释放量增加 245% ,但当温度过高时 ,土壤微生物和植物根系生命活动受到一定的影响 ,呼吸作用受到抑制 ,反
而引起林地 CO2释放量的减少 .在图 2中 ,南坡林地 CO2释放量 7月份较 8月份低 ,显然与 7月份高温季节造
成林内土壤温度超过 30℃以上有关 .
3. 2. 2　林地 CO2释放量与土壤含水量的关系
在图 2、图 4中 ,林地 CO2释放量随土壤水分减少而降低 ,说明林地 CO2释放量与土壤湿度也有一定的相
关性 .经过统计分析表明 (见表 5) ,南、北坡林地 CO2释放量与表层 ( 5 cm处 )土壤的含水量有较明显的正相关
性 (r≥ 0. 54) ,与各层加权平均含水量也有一定的正相关性 .这可能决定于湿度对土壤呼吸作用的影响 .湿度越
高 ,意味着土壤越湿润 , CO2在土壤中的溶解随之加快 ,从而提高土壤中 CO2浓度 (淹水状态下 CO2浓度可达
1× 104～ 3× 104μmo l· mo l- 1 ) ,土壤释放 CO2的强度也因之提高 ,湿润土壤与干燥土壤 CO2释放量分别为
17. 8和 11. 8 g· m- 2h- 1 [6 ] .一般认为合适湿度有利于可溶性有机质的增加 ,促进土壤微生物、植物的生长和活
动 .
图 5　南坡林地 CO2释放量昼夜变化图
　　 Fig. 5　 Dialy change of CO2 release in the forest
land on the south slope
3. 3　林地 CO2释放量的昼夜变化
图 5是 8月 8日、 9月 25日对南坡林地 CO2释
放量昼夜变化测定的结果 .
由图 5可以看出 ,在不同时间测定 ,林地 CO2释
放量昼夜变化都呈现一定的变化规律 .这一变化趋势
主要与 1天内温度的变化有关 ,如本次研究观测到 1
天时间内 , 6∶ 00～ 14∶ 00, CO2释放量随着土壤温度
的上升而增大 , 14∶ 00左右出现最高峰值 , 18∶ 00左
右出现第一个最低峰值 ;白天林地 CO2释放量高于夜
间 .此实验结果与同一气候带的杉木人工林林地 CO2
释放量研究结果 [3 ]相一致 .
15第 1期 方　晰等:樟树人工林林地 CO2释放量的研究
3. 4　樟树人工林 CO2释放通量
　　表 6　樟树人工林林地释放 CO2的通量
　　 Table 6　 The est imated CO2 f lux from the soils of the artificial forest
of Cinnamomum camphora (L. ) Presl kg· hm- 2d- 1
CO 2的通量
7月 8月 9月 10月 11月 12月 月间平均
最低 88. 64 88. 66 72. 44 64. 88 28. 20 13. 56 59. 40
最高 94. 42 97. 01 76. 04 71. 74 28. 80 16. 90 64. 16
月内平均 91. 53 92. 84 74. 24 68. 31 28. 50 15. 24 61. 78
　　根据实测林地释放 CO2
日平均值进行计算 (见表 6) ,
从而得到湖南省樟树人工林林
地释放 CO2 通量最低值为
13. 56 kg· hm- 2d- 1 , 最 高 为
94. 42 kg· hm- 2d- 1 , 平 均 为
61. 78 kg· hm- 2d- 1 . 英 国 落
叶阔叶林土壤 CO2 通量为
103. 9 kg· hm- 2d- 1 [7 ] ,澳大利亚 Pinus radiata林土壤 CO2通量夏季可达 213. 6 kg· hm- 2d- 1 [4 ] .本次研究中
CO2的通量范围与国外的报道具有一定可比性 .
4　小　结
1)试验区内 ,樟树人工林林地 CO2释放量一般在 0. 040 6～ 0. 422 9 g· m- 2 h- 1之间变化 ,平均值为
0. 266 9 g· m- 2h- 1 ,且有一定的季节变化 ,即夏季较高 ,冬季较低 .
2)樟树人工林不同坡向 (南、北坡 )林地 CO2释放量平均值差异不显著 ,说明坡向对林地 CO2释放量的影
响不大 .
3)樟树人工林林地 CO2释放量与土壤表层温度、湿度在一定范围内呈一元线性正相关 .因此 ,可考虑在不
影响林木生长的条件下 ,通过人为宏观调控土壤的温度、湿度 ,改变土壤作为温室效应气体源的强度 ,以改善大
气环境质量 .
4)樟树人工林林地 CO2释放量在昼夜有一定变化规律 ,一般白天的释放量高于夜间 .
5)樟树人工林林地 CO2释放的通量最低值为 13. 56 kg· hm- 2 d- 1 ,最高为 94. 42 kg· hm- 2d- 1 ,平均为
61. 78 kg· hm- 2d- 1 .
[参　考　文　献 ]
[1 ]　徐德应 .大气 CO2增长和气候变化对森林的影响研究进展 [ J ].世界林业研究 , 1994, ( 2): 28-31.
[2 ]　中国土壤学会农业化学专业委员会 .土壤农业化学常规分析方法 [M ].北京:科学出版社 , 1984.
[3 ]　方　晰 ,田大伦 .杉木人工林林地 CO2释放量的研究 [ J ].林业科学 , 1997, 33( 2): 94-105.
[4 ]　 Carlyle J C, Than UBA. A biot ic cont rols of soi l respi ration betw een an eighteen-year-old Pinus rediata s tand in s outh-eastern Aus t ralia [ J] .
Th e Journal of Ecology, 1988, 76: 654-662.
[5 ]　杜宝华 .作物冠层内二氧化碳源、流研究的现状与展望 [ J] .中国农业气象 , 1994, 15: 44-48.
[6 ]　杜宝华 ,洪佳华 ,司可君 ,等 .农田土壤 CO2释放量的测定 [ J ].农业气象 , 1985( 2): 63-67.
[7 ]　 Anderson JM . Carbon dioxide evolution f rom tw o temperate, d ecid uous w oodland soi ls [ J ]. Jou rnal of Applied Ecology, 1973, 10: 361-368.
[本文编辑:胡曼辉 ]
16 中　南　林　学　院　学　报 第 22卷