全 文 ：牛7 7一
第1 7卷第5期
1 9 9 7年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
冬 I )
V0】_l 7．No．5
SeD．， 1997
北京山区辽东栎林土壤释放 CO
的模拟实验研究
蒋高明 黄银晓
f中国科学院植物研究所，北京，100093)
7 2,／2o 1 2
■蔓 模拟北京山区辽东栎林群落，对该类型土壤释放 CO 过程进行了连续3a的实验研究，结果表明 辽东
栎林土壤呼吸强度平均为5 92士1 32t~molCO2【Ⅱ一。s_。，在不同月份中， 8月份最高，ioft]最低，依次为8月>
7月>64>9月>10月(P
林土壤释放 cO2的通量估计范匿为171．5~275．1kgCO~hm d～．平均为223．3kgCO2hm一 d 。
／
关-调 塑 兰坠
噼 ⋯ sTuDY oN THE MEAsuREMENT oF co
2 EM IssIoN
FROM THE SOIL OF THE SIMULATED Quercus
Liaotungensis FOREST SAM PLED
FROM BEIJING MOUNTAIN AREAS
Jiang Gaoming Huang Yinxiao
(Institute ofBotany，Academia Sinlea，Beijing，100093．China)
Abstract The simulated Quercus liaotungensis was planted and the soil respiration was
measured，the soil and trees of Ouercus liaotungensis and some grass species being sampled
from a deciduous forest in Beijing mountain areas．The three—year’s experiments showed
that the soil respiration of Quercus liaotungensis forest averaged 5．92± 1_321~mol CO2m
s_。，in which the highest appeared in August，while the lowest in October．The series of
soil respiration was arranged：August>July>June>September>October(P < 0．05)．
During the daytime，there was a peak value of soil respiration around 13：00 O’clock．There
existed a good linear correlation between soil respiration and ground temperature(r 一
0．5668，P < 0．001， 一94)．Based on the three—year measurement，the soll CO flux was
estimated that the range of flux was 1 71．5～ 275．1kg CO2 hm d～ ，and average value
223．3kgCO2 hm d ．
’国家 自然科学基金项目 高雷明，项斌、白彩云参加部分实验工作，特此致谢
收稿日期：1995-10—11，修改穑收到 日期：1996-o9 12。
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478 生 态 学 报 l 卷
Key words： Quercus liaotungensis，Soil respiration，CO2 flux，Simulated experiment
CO 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 COz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 CO 浓度升
高对陆地生态系统的直接影响方面，业已开展了大量的摸拟实验研究 。 ，这些工作有助于了解 球变化
后植物及其他生物对CO 浓度升高的响应 。在土壤释放 CO 方面，国内有人研究了农田生态系统捧放 CO
规律0]．国外不仅开展了自然生态系统释放 COz过程的测定- ．还进行了 CO 浓度升高对土壤呼吸影响
方面的模披实验研究 呻 。陆地生态系统排放CO 研究的最终目的．是确定陆地生态系统在全球性碳循环
过程中源和库的关系及其对全球变化的贡献 。在这项基础研究方面．国内虽然开展了农田排放CO 的测
定，但对自然生态系统(森林、草地等)土壤碳释放的了解还不够完全，需要进一步研究这些不同类型的生
态系统对碳循环的贡献。本文选择我国北方山地落叶同叶林辽东栎林群落，对其土壤和草本层释放CO 。的
过程进行了连续h 的模拟实验研究．旨在了解该群落土壤释放 CO 的规律，寻找影响土壤呼吸的生态因
素，从而为全球变化研究提供中国暖温带落叶阔叶林生态系统方面的基础实验数据
1 材料与方法
1．1 网室栽培实验
材料取 自北京西山，土壤为山地褐土 1991年u月购置 辽东栎(Quercus liaotungensis)大树苗 (7年生
苗，胸径约]0cm)，装运至北京中国科学院植物研究所植物园嗣室。在1．5m×1．5m的水池泥中填土lm厚+
同时移栽辽东栎(树高控制在3m以内，以不穿过网室顶部为宜)，以及辽东栎林下主要草本层植物的地下
根茎 主要有披针苔(Carextanceolata)、矮丛苔草(c．Aunitia)、羊胡子草(c．rigescens)等。填土尽量以自然
土层为序，分布植物根系盈种子库的土壤在最上层 共在10个水泥弛中种植10株辽东栎并种植上述相应的
草本植物。草本层生长后覆盖度>95
1．2 土壤释放cO 的测定
传统的土壤释放 CO。测定方法为碱石灰吸收法。‘。 】1J，最近发展了红外 CO 分析法_ ，本实验采用
后者 。1992年6月～l994年10月，分不同季节进行测定 将绿色草本层在根处剪断捡净，鳍出土壤，从而去除
植物地上部光合作用对土壤呼吸的影响。所测定的土壤呼吸包括植物根系、微生物、土壤动物的呼吸及有
机物分解释放的CO。(但不包括植物地上部呼吸)，即土壤释放 CO 的强度。用自行设计的小型同化籍装置
孽在上述土壤上，同化箱底部埋入土壤约5cm。同化籍用钢筋 (雪6ram)及聚氯乙烯塑料布制成 ，大小为
20era×20cm×15era。尺寸据送气流量而定，该设计选
到每分钟换气次数1～2次要求 。进气FI参考气体用
FC—I粉尘采样器(流量2o～30 L min )取自讨梢上龋
2m处。进(出)气151 CO 浓度用 GXH一305便携式红外气
体分析仪测定．量程0～lO00,~mol tool～，零点飘移≤
3 O ，满量程／3h。气路系统经2瓶无永氯化钙干燥。每
次测定进行2次平行实验。同时测定大气 COz浓度、大
气湿度、大气温度和地面温度、大气压等参数
1．3 结果计算
土壤呼吸和草本层光合作用(另文发表)的测定结
果．以下式计算：
R(Pn)一 AC ·F ·K
×
P l
R(Pn)，土壤 呼吸(光 合作用)强度，~radt CO。
m_ 。 ；△c，进出气 口CO 2浓度差， rⅡnl tool ；F，气泵
流量．L s ；A．同化籍面积，m。iP⋯P．实测与标准大
气压．×10 Pa；K，CO 浓度校正系数，计算公式为：
替
皆
群
月份 M明th
图1 不同月份中模拟辽东栎土壤呼哑强度的变化
Fig．1 Changes of soil respiration in tb．e stimu—
lated n∞ liaodungensis Forest in
different months
S ；暑 8 一 ∞
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5期 蒋高明等：北京山区辽东栎林土壤释放 CO 的模拟实验研究 479
K 一 ×
K值单位为 mo[L ；z，箱内温度，℃。
2 结果与讨论
模拟实验中，辽东栎林土壤呼吸强度平均为5．92士1．32~tmo]CO zm s ．其中1992、1993、1 994测定结
果分别为6．25d=I．36、6．23士1．73、5．31士0．89／~mol CO棚 _”s_。(表1)。从不同年份平均趋势来看．呼吸强
度在各年间是相对稳定的。但是不同季节的差异却十分明显，如1993年夏季(7、8月)为7．03t~ ol CO m
s_。．而秋季为5，21~mol CO m_ s ，前者为后者的134 。不同月份中．8月最高达7．O34-1．70~mo[CO：m
s～
，lOB份最低为4．75士1．09~moL CO 2m s ，依次是8月>7月>6B>9月7>10月(尸<0．05，圈1)。该趋
势与国外一些报道非常接近_5 。．这种整异主要与土壤温度等因子的变化有关。
观 晡 竺 大 ．大气 度 地面Gro温度und 大气压 土壤呼哑 ‰ ％
r
co ⋯ e
A i r pr essu Soil
⋯
re~pirad o
—
a
state (zmo mol <~mol 1 ) ( J (℃) ” ⋯ ～ uJ}m s—
Note：(~>Clear．③Cloudy to clear，@Cloudy．④Clowdy to rainiag·⑤Raining tO clear，@Raining to cMudy
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生 态 学 报 1 7卷
2．2 土壤释放 cO 的日变化
土壤呼吸的日变化曲线如图2(未列出全部)。可以看出，13：∞为土壤呼吸的最高值，而9：00以前或
15：o。以后刚相对较低 ，这一变化挡势主要与一天内温度的变化有关 如实验观测到的最大值为11．14,umol
CO 2m s (1993—08—02的I3：00，地面温度35℃)．而最低值只有2．57~~mo1 CO2m—s (1993 10—12的9：00，
地面温度15 c)两者相差4．3倍。日变化幅度还受到天气状况影响，如1993—10—12天气胡，温度变化于15～
1 6．5℃间，日平均湿度>74．8 ，呼吸值变化于5．25～5．66,umol CO2m—s 间，相差仅0．44．umol CO2m
s I而1994—09—19，晴，温度24．0～33．5℃，平均湿度34．5 ，呼吸值变化于4．∞～7．17,umol CO2 rr- s ，变
化幅度选3．08t~mol C02rG s～。
2．3 影响土壤呼吸的因素
温度、湿度、大气压、COz浓度等对土壤呼吸有所影响 湿度越高，意 味着土壤越湿润，CO 在土壤中的
溶解随之加快 ， 而提高土壤中的CO 浓度(淹水状态下CO 浓度可达1×10‘～3X10 tmoltool--)，土壤释
放 CO z的强度也国之提高，湿润土壤与干燥土壤 CO 释放量分别为17．8和11．8gm—d 【【 ；大气 CO 浓度升
高会抑制土壤呼吸 。但在本实验中，上述两种现象没有得到验证。Carlyle等人[1 也没有发现土壤呼吸与
大气湿度之间存在显著相关性。可能的原因是 ：实验仅记录了大气湿度，未测定土壤含水量，用大气湿度难
以真实地反应土壤的湿润程度；CO 浓度虽有 日变化及季节动态(3a实验中 CO 变化于355～450~moi
tool 之间)，但太部分浓度处于380 mol mot 左右，CO 提高的幅度尚不至于引起对土壤呼吸的抑制。大
气压的变化甚小(表1)。
温度对根系呼吸、土壤微生物括动以及有机质分解等有促进作用，因而对土壤释放 CO 影响最大[1叫]，
有人认为夏季土壤 CO 释放强度是冬季的5倍[] 。选取94对测定值(均为瞬时值)，将实验中土壤呼吸与地
表温度做线性回归 ，得 出下式：
Y = 0．82+ 0．2 r= 0．5668 P< 0．001 = 94l
Y为土壤呼吸 ，舯 o1 CO mqs～} 为地面温度，℃。显著度检验达极显著相关 ，散点圈见圈3，说明温
度是影响土壤释放CO2的最主要因素。据上式可计算出，当温度由1o-c上升至20c时，土壤呼吸增加170
(即 Q 。一1．7)I由20"C升至30℃时，Q 。=1．42，平均 Q 。=1 51，该值低于农业土壤(Q 。=2．00)E”-。从而得
出，当温度每上升1o℃时，辽东栎林土壤释放CO 的强度增~U151 。
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3
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q O0 lI：00 13：o0 l5：00
时间(()出 ck)
图2 土壤呼吸日变化曲线
Fig．2 The curve of daily soft respiration changes
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地面温度 (℃)
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图3 土壤呼吸强度与地面温度之间时差系
Fig．3 The correlation between soil~espiration rate and
grouad temperatu~
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5期 蒋高明等：北京山区辽东栎林土壤释放 co 的模拟实验研究 481
2．4 辽东栎林释放 CO，通量
根据表1实测的土壤呼吸日平均值进行计算，
见表2。从而得 出辽东栎土壤释放 CO：的通量最低
值为17]．5 kg CO hm—d ．最高为275．1 kgCO2
hm—d ，平均为223．3 kgCO 2hm仆d 英国落叶
阔叶林土壤 CO2通量为103．9 kg CO2 hm仆d [43，
澳大利亚 Pinus radiata林土壤CO。通量夏季可达
213．6 kg CO z hm仆d L[ 。虽然本研究估计的通量
范围与国外的报道具有可比性，但仍显示 出数据
偏高。很可髓因为模拟实验居城市中．温度较高，
自然状态的气温约低于北京lo℃左右；另外．未测
定夜间的土壤呼吸尤其是冬季的土壤呼吸，致使
数据偏高。尽管如此．本实验 在控制条件下．观测
土壤呼吸随时间．季节、甚至年份变化及与环境困
表2 模拟辽东栎林土壤释放
oo】的通量(kg CO hm—d )
Tmhle 2 The~sttmated COj flux fr0m the soil of
the simulated& ero~s／ao／un~eRsis Forest
月份 Month
— — 平均 Mean
6 7 8 9 10
最低值 178．2 176．0 212．8 151．3 139 1 171 5
Mirti
最高值 288．1 328．8 342．1 224．3 222．0 275 1
Maxlmun
平均 218．2 252．4 277．5 187．8 180．8 223 3
M⋯
素的关系．得出土壤呼吸的通量。与在自然状态下同步进行的实验(另文待发)相辅相成，从不同的角度探
讨辽东栎林土壤释放 CO 的规律
3 结论
3．1 模拟辽东栎林土壤呼吸强度平均值为5．92士1．32tanol CO m s 呼吸强度以夏季较高．秋季较低；
在不同月份中则以8月最高，loYj最低，嵌次是8YJ>7月>6月>9月>lO月(P<0．05)。
3．2 土壤呼吸日变化以13：oo左右最高，9：D0 前或15：O0以后相对较低；日变化幅度随天气状况而发生
变化。
3．3 温度是影响土壤释放 CO z的关键困素．土壤呼吸 (y)与温度(x)之 间存在极显著相关，其关系式为；
Y=o．82+ o．23X．r=0．5668．P< 0．01( =94)。温度每上升 10c 土壤释放CO 的强度增加 1 51 。
3．4 模拟辽东栎林土壤释放CO 的通量最低值为171．5 kg CO hm仆d ．最高可达275．1kg CO hm。’。。d ，
平均为223．3 kg CO2hm仆d 。
3．5 本研究用随机几天的测定代表某月的土壤呼吸状况，在数据代表性方面可能显得单薄．数据仅反映
模拟辽东栎林土壤呼吸规律的基本趋势；另困条件限制未进行逐月尤其是冬季的测定，有待于进行深入的
研究 ‘
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