全 文 ：第 28卷　第 4期 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Vol. 28　 No. 4
　 2008年 8月 Journal o f Central South Univ er sity o f Fo rest ry& Techno log y Aug. 2008　
文章编号: 1673- 923X ( 2008) 04- 0118- 05
樟树人工林土壤呼吸的动态变化
王光军 1 ,李树战 1 ,闫文德 1 ,郑　威 1 ,禹　茜 2
( 1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院 ,湖南 长沙 410004; 2.河南荥阳市林业局 ,河南 郑州 450100)
摘　要: 　以长沙市城市森林中的樟树人工林为研究对象 ,用 LI-CO R-6400-09测定樟树人工林生长期土壤呼吸的日变化、全年的季
节变化 ,并分析其与土壤温度因子之间的关系 .结果表明:土壤呼吸的日变化呈单峰曲线 ,最高值出现在 15: 00～ 20: 00,最低值均出现
在早晨 5: 00～ 6: 00,与 5 cm 处土壤温度变化相一致 ,呈显著正相关 ;季节变化呈不规则的曲线格局 ,年均土壤呼吸速率为
443. 52 mg· m- 2 h- 1,最大值为 976. 54 mg· m- 2 h- 1,出现在 7月下旬 5 cm处土壤温度最高时 ,最小值为 23. 13 mg· m- 2h- 1 ,出现在
1月下旬 5 cm处土壤温度最低时 ;樟树人工林土壤呼吸的季节变化与土壤温度呈显著的指数相关 ,拟合方程为 Rs= 0. 159 8e0. 135 5t ,
R2= 0. 949, P < 0. 000,土壤温度可以分别解释土壤呼吸变化的 94. 9% ;土壤呼吸温度敏感性 Q10值为 3. 88.
关键词: 　森林生态学 ;樟树人工林 ;土壤呼吸 ;日动态 ;季节动态
中图分类号: 　 S718. 5　　　　文献标志码:　 A
Diurnal and Seasonal Dynamics of Soil Respiration
InCinnamomum camphora Plantation
WANG Guang-jun
1 , LI Shu-zhan
1 , Y AN Wen-de
1 , ZHENG Wei
1 , YU Qian
2
( 1. Sch ool of Life Science and Technology, Cent ral South Univ ersi ty of Forest ry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;
2. Forest ry Bureau of Xingyang , Zhengzhou 450100, Henan, China)
Abstract: Taking Cinnamomum camphora plan tation among Ch angsha s urban fores t s as s tud y object and using LI-CO R-6400-09
gashouse to link LI-COR-6400 po rtable CO2 /H2O analysi s sys tem, th e paper conducted a s tud y of the diu rnal and seasonal d ynamics
of soi l respi ration d uring i ts grow th. The resul ts sh ow th at th e diurnal ch ang e of i ts soil respi ration accords wi th that of it s soil
t emperatu re at 5 cm dep th , both having a signi fican t posi tiv e relation ship in betw een w i th a single v alue peak and taking on the high es t
value at 15: 00～ 20: 00 and the low es t at 5: 00～ 6: 00; that i t h as a s eas onally ir regular curvi linear pat tern of CO2 f lux proces s: it s
averag e soi l respi ration being 443. 52 mg· m- 2 h- 1, i ts highest being 976. 54 mg· m- 2 h- 1 in late July and it s lowes t being 23. 13
mg· m- 2h- 1 in late January; th at the s easonal ch ang e of i ts soil temperatu re has an index relation w i th th at of i ts soil respi ration and
th e former can ex plain 94. 9% of the ch anges in th e lat ter; and that the relationship betw een soil respi ration rate ( Rs ) and soil
t emperatu re ( t ) can be described by the reg res sion equation: Rs= 0. 159 8e0. 135 5t (R 2= 0. 949, P < 0. 000) and the s ensi tivi ty Q10v alue
is 3. 88.
Key words: f ores t ecology; Cinnamomum camphora plantat ion; soi l respiration; diu rnal dynamic; s easonal dynamic
土壤有机碳库是陆地生态系统的最大碳库 ,贮存的碳高达 170 PgC,约占世界土壤碳总储量的 11% [1 ] .在陆
地生态系统中 ,土壤呼吸是土壤碳库中 C素返回大气的主要途径 [ 2] .森林是陆地上面积最大的生态系统 ,在全
球碳平衡中森林土壤有机碳具有重要的地位 ,研究土壤呼吸对于探讨全球 CO2变化及其影响 ,一直是全球气候
变化研究中的焦点之一 .土壤呼吸指土壤由于代谢作用而释放 CO2的过程 ,它包括 3个生物学过程 (植物的根
收稿日期: 2007-08-10
基金项目: 湖南省杰出青年基金项目 ( 07 JJ1004) ;国家林业局“ 948”项目 ( 2007-4-19) ;国家自然科学基金 ( 30571487) ;湖南省科技厅重点
项目 ( 06F J3083、 05NK3026) ;中南林业科技大学青年科学研究基金 ( 07024B) .
作者简介: 王光军 ( 1966- ) ,男 ,河南信阳人 ;副教授 ,博士研究生 ,主要从事城市森林生态学研究 ;中南林业科技大学 2005级生态学博士
生 . E-mai l: w anggj652@ 163. com
DOI : 10. 14067 /j . cnki . 1673 -923x . 2008. 04. 032
系呼吸、土壤微生物的异氧呼吸以及土壤动物呼吸 )和一个非生物学过程 (少量的土壤有机物氧化而产生的
CO2 )
[3 ]
.每年通过土壤呼吸释放的 CO2达 68～ 100 Pg C[4, 5] ,约占大气中 CO2的 10% ,是化石燃料燃烧释放 CO2
的 10倍之多 [6 ] .土壤呼吸作用的变化能显著减缓或加剧大气中 CO2的释放 ,进而影响气候变化 .控制土壤呼吸
作用能有效地缓和大气中 CO2浓度的升高和全球变暖 [ 7] .许多研究表明 ,土壤呼吸不仅受土壤温度、含水量、降
水、凋落物以及理化性质等非生物因子的影响 ,还受植被类型、根系生物量等生物因子和土地利用及干扰方式
(施肥、灌溉、火烧、放牧、开垦 )等人类活动的综合影响 [ 8, 9] .这些因素中 ,土壤温、湿度对土壤呼吸影响最大 ,温
度变化可以解释日变化和季节性变化的大部分变异 [10 ] ,是影响土壤呼吸的主要因素之一 [9 ];在日时间尺度上 ,
土壤呼吸的主导限制因子是温度 [11, 12 ] ,在季节尺度上 ,土壤呼吸则受到温度与水分的共同影响 [12, 13 ] .
樟树 Cinnamomum camphora人工林是亚热带城市森林中最具有代表性的树种之一 ,在我国森林资源中占
有十分重要的地位 ,具有较高的生产潜力 ,对维持区域生态平衡起着巨大的调节作用 .由于亚热带森林生态系
统碳源 /汇功能对气候变化反应较敏感 ,因而对樟树人工林生态系统土壤呼吸的研究具有十分重要的理论和应
用价值 ,有助于揭示土壤温度对土壤呼吸的影响及其变化规律 ,从而为科学估算我国亚热带人工林森林土壤碳
库动态和人工林生态系统碳平衡研究提供基础数据 .
1　样地概况
试验地位于湖南省长沙市中南林业科技大学城市森林生态站 (东经 112°48′,北纬 28°03′) .当地属典型的亚
热带湿润季风气候 ,年平均气温 17. 2℃ , 1月最冷 ,平均气温 4. 7℃ ,极端最低气温 - 11. 3℃ ; 7月最热 ,平均气
温 29. 4℃ ,极端最高气温 40. 6℃ ;无霜期为 270～ 300 d,日照时数年均 1 677. 1 h;雨量充沛 ,年平均降水量 1
422 mm ,降水主要集中在 3至 7月 ,平均降水量为 814. 8 mm,占全年总降水的 57. 3% . 2006年降水及土壤 5 cm
深度温度见图 1.其地层主要是第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾 ,属典型红壤丘陵区 (见表 1) .
表 1　样地土壤理化性质
Table 1　 Physical and chemical properties of plot soil
土壤深度 /cm 有机碳 / (mg· g- 1 ) 全氮 / ( mg· g- 1 ) 碳氮比 土壤密度 /( g· m- 3 ) 总孔隙度 /% pH值
0～ 10 23. 74 3. 1 7. 66 1. 41 76. 2 4. 05
10～ 20 8. 59 1. 4 6. 14 1. 46 74. 8 3. 58
　　研究样地海拔高度为 75～ 110 m ,坡度为 5°～ 15°;樟树人工林林龄约 49 a,平均树高 19 m,平均胸径 23. 1
cm,郁闭度为 0. 8;混生树种有山矾 Symplocos caudata Wall. ex A. DC.、糙叶树 Aphananthe aspera Planch、柘
树 Cudrania tricuspidata Bur. ,林下灌木有大青 Clerodendron cyrtophyl lum Turcz、野鸦椿 Euscaphis japonica
Dippel等 ;草本以淡竹叶 Lophantherum gracile Brengn.、酢浆草 Oxal is. corniculata L.、鸡矢藤 Paederia
scandens. Merr.和商陆 Phy tolacca. acinosa Roxb.为主 .
图 1　 2006年 5 cm处土壤温度和大气降水量
Fig. 1　 The soil temperature at 5 cm depth and precipitation in 2006
119第 4期 王光军等:樟树人工林土壤呼吸的动态变化
2　材料和方法
2. 1　试验设计
在中南林业科技大学城市森林生态站试验样地的樟树人工林内设置 3个样点 ,样点间相隔不少于 25 m,每
个样点设 3个重复 ,共 9个测点 .测定前 ,将内径为 10. 5 cm (与呼吸室内径相同 )、高 4. 5 cm的土壤环 ( PVC管 )
压入土壤 2 cm左右 ,剪去环内所有植物的地上部分 ,砸实外圈土壤以防漏气 , 24 h之后开始测量 ,同时 ,用 Li-
cor-6400-09的土壤温度探针测定 5 cm处土壤温度 .将土壤环长期定位放置 .测量土壤呼吸季节变化从 2006年
1月初开始至 12月底结束 ,每两星期的上午 9: 00～ 11: 00测定 1次 ,土壤呼吸日动态变化分别于 2006年 4月 23
日、 6月 23日、 8月 29日和 10月 24日进行 ,每次从早晨 7: 00开始 ,第二天早晨 5: 00结束 ,每间隔 2 h测定 1次 ,
一天共测 12次 .
2. 2　分析方法
土壤有机碳用重铬酸钾氧化 - 外加热法测定 ;全氮用半微量凯氏法测定 ; p H值采用电位法测定 ;土壤密
度用环刀法测定 ;孔隙度用环刀法测定 [14 ] .
土壤温度用曲管地温计测定 ,每天 8: 00, 14: 00, 20: 00人工观测样地内的大气和土壤温度 ;降雨量用虹吸
式雨量计测定 .
土壤呼吸用 Li-co r-6400-09土壤呼吸测定系统测定 .
数据统计分析用 SPSS13. 0软件分析 ,用 Sigmaplot 9. 0做图 .
3　结果与分析
3. 1　土壤呼吸速率的日动态
土壤呼吸日变化分别于 2006年 4月 23日、 6月 23日、 8月 29日和 10月 24日进行了 24 h监测 ,每间隔 2 h测
定 1次 .从 4月至 10月 4次测得的土壤呼吸日变化结果表明 ,土壤呼吸日变化均为单峰曲线 (见图 2) .
图 2　樟树人工林林土壤呼吸日变化动态
Fig. 2　 Diurnal dynamics of soil respiration in the Cinnamomum camphora artif icial forest in 2006
120 中　南　林　业　科　技　大　学　学　报 第 28卷
　　由图 2可知 , 4月土壤呼吸日平均速率为 344. 84 mg· m- 2 s- 1 ,最高峰出现在 17: 00,为 429. 26
mg· m- 2s- 1 ,最低值出现在早晨 5: 00,为 277. 68 mg· m- 2 s- 1; 6月土壤呼吸日平均速率为 920. 31
mg· m- 2s- 1 ,最高峰出现在 19: 00,为 1 059. 7 mg· m- 2s- 1 ,最低值出现在早晨 5: 00,为 831. 12 mg· m- 2 s- 1 ; 8
月土壤呼吸日平均速率为 889. 89 mg· m- 2s- 1 ,最高峰出现在 19: 00,为 1 004. 26mg· m- 2 s- 1 ,最低值出现在早
晨 7: 00,为 801. 51 mg· m- 2 s- 1 ; 10月土壤呼吸日平均速率为 375. 25 mg· m- 2s- 1 ,最高峰出现在 15: 00,为 454.
61 mg· m- 2s- 1 ,最低值出现在早晨 5: 00,为 335. 33 mg· m- 2 s- 1 .月土壤呼吸速率最高峰和土壤温度的日最高
值提前到 15: 00,它们最低点都出现在凌晨 5: 00～ 6: 00.这种规律与土壤温度的变化规律完全一致 ,即土壤呼吸
日变化最高峰出现在 5 cm土壤温度的最高时刻 ,最小值出现在土壤温度的最低时刻 .
这与蒋延玲等 [15 ]在长白山阔叶红松林土壤呼吸日动态表现十分相似 ,即土壤呼吸作用的变化比气温的变
化滞后 ,而与土壤温度变化相一致 ,最高峰与最低值出现时间十分接近 .土壤呼吸作用的这种规律性变化主要
由于温度促进了土壤微生物活动 ,使其分解作用增强 ,因而土壤呼吸作用增强 .这一动态变化规律与国内外关
于森林土壤呼吸作用的研究结果相近 [16, 17 ] .
3. 2　土壤呼吸速率的季节动态
樟树人工林土壤呼吸呈现显著的季节性动态变化 (见图 3) .从 2月初开始 ,随着气温的上升 ,土壤呼吸速率
随着土壤温度的升高而增大 ,这个过程一直持续到 6月下旬 ,之后土壤呼吸在一个较高值的范围内波动 ,稍有
上升 ,到 7月底时 ,土壤呼吸达到一年中呼吸速率的最大值 ,为 976. 54 mg· m- 2s- 1 ,这个过程一直持续到 9月
初 , 9月上旬开始 ,土壤温度大幅下降 ,引起土壤呼吸迅速下降 .全年樟树人工林土壤呼吸的变化范围为
23. 13(± 2. 11)～ 976. 54(± 96. 31) mg· m- 2 s- 1 ,全年平均呼吸速率为 443. 52 mg· m- 2 s- 1 .这主要是进入 3月
后 ,土壤温度上升到 10℃以上 ,是植物生长季的初期 ,根际呼吸开始加强 ,引起土壤呼吸的迅速增长 , 6～ 9月是
土壤温度最高的月份 ,植物光合作用最强时期 ,此期间雨水丰富 ,土壤含水量变化显著 ,此时干湿交替会加速土
壤微生物分解地面的凋落物 ,刺激微生物生长 ,这也是土壤呼吸最大的时期 . 10月土壤温度逐渐下降 ,土壤呼
吸速率也呈下降的趋势 .
多数研究者认为采用指数模型能够较好地描述土壤呼吸速率与温度之间的这种关系 [ 6, 18 ]: y= aebT .式中: y
为土壤呼吸 ; T为气温 ; a是温度为 0℃时的土壤呼吸速率 [18 ]; b为温度反应系数 .对樟树土壤呼吸速率与 5 cm
土壤温度进行相关分析 (见图 4) ,结果表明土壤呼吸速率与土壤温度之间呈显著指数相关 (P < 0. 01) .回归关
系方程表达式分别为: Rs= 26. 731e0. 135 5t , R2= 0. 949, P < 0. 000.土壤温度可以解释 94. 9%的土壤呼吸速率变
异 .这与杨春艳等 [19 ]在不同的研究区域温度与土壤呼吸之间存在着显著的指数关系的研究结果一致 .
图 3　土壤呼吸速度速率与地下 5 cm土壤温度的季
节变化动态
Fig. 3　 Seasonal dynamic of soil respiration ratio and
temperature in 5 cm depth soil in Cinnamomum
camphora plantat ion ecosystem in 2006
图 4　土壤呼吸与温度的关系
Fig. 4　 Relationship between soil respirat ion and
temperature
3. 3　土壤呼吸温度敏感性 (Q10 )状况
Q10值是表示土壤呼吸对温度变化响应的敏感程度 ,即温度每升高 10℃时土壤呼吸速率增加的倍数 . Q10值
121第 4期 王光军等:樟树人工林土壤呼吸的动态变化
通过下式确定 [18 ]: Q10= e10b .式中 ,b为温度反应系数 .计算出 2006年樟树人工林土壤呼吸速率 Q10值为 3. 88.这
一结果落到 Raich[ 4]从不同文献中得到的 Q10值在 1. 3～ 4. 1范围之间 .
按春 ( 3～ 5月 )、夏 ( 6～ 8月 )、秋 ( 9～ 11月 )、冬 ( 12～ 翌年 2月 )分别计算 Q10值为 2. 41、 1. 64、 3. 31、 8. 82,表
现出冬季温度低 ,具有较高 Q10值 ,夏季温度高 ,具有较低的 Q10值 .
4　结　论
樟树人工林土壤呼吸速率的日动态呈单峰曲线 ,主要受土壤温度变化影响 ,与土壤温度呈显著性相关 , R2
分别为 0. 772、 0. 862、 0. 821和 0. 810, P < 0. 01.
樟树人工林土壤呼吸速率季节动态变化呈不规则曲线格局 ,与土壤温度格局相近 ,全年土壤呼吸的变化范
围为 23. 13(± 2. 11)～ 976. 54(± 96. 31) mg· m- 2 s- 1 ,年均呼吸速率为 443. 52 mg· m- 2s- 1 .
樟树人工林土壤呼吸速率与土壤 5 cm深处温度呈极显著性指数相关 .全年樟树人工林土壤呼吸温度敏感
性 Q10值为 3. 88,在一年四季中 ,冬季的 Q10值最大 ,夏季的 Q10值最小 .
本文中在揭示樟树人工林土壤呼吸作用的日、季节动态的同时 ,分析了温度对樟树人工林土壤呼吸作用的
影响 .然而 ,在更多情况下是多个因子共同对土壤呼吸作用产生影响 .例如在许多研究中 ,对土壤呼吸与土壤水
分间的多元回归分析表明 ,在土壤年呼吸量的总变异中 ,这些环境因子的综合土壤呼吸模型解释了 67. 5%～
90. 6%的土壤呼吸变异 [ 19] .因而 ,今后的工作将进一步研究各影响因子对樟树人工林土壤呼吸作用的综合影
响 ,并且充分考虑城市中心与自然条件下的水热条件对樟树人工林的影响 .
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[本文编校:谢荣秀 ]
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