全 文 ：林业科学研究　２０１６，２９（１）：５３ ６０
ＦｏｒｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈ
　　文章编号：１００１１４９８（２０１６）０１００５３０８
米槠人促更新林皆伐火烧后初期
土壤 ＣＯ２通量动态
徐凯健，林伟盛，杨智杰，任　婕，刘小飞，熊德成，谢锦升，杨玉盛
（福建师范大学地理科学学院，湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州　３５０００７）
收稿日期：２０１５０６１５
基金项目：国家自然科学基金重点项目“常绿阔叶林人促更新对红壤有机质维持的作用机制”（３１１３００１３）
作者简介：徐凯健（１９９１—），硕士生．主要研究方向：森林生态系统碳循环．Ｅｍａｉｌ：ｐｈｏｅｎｉｘｍａｘ＠ｑｑ．ｃｏｍ
 通讯作者：硕士，助理实验师．主要研究方向：森林生态系统碳氮循环．电话：１５６５９１９２６１２．Ｅｍａｉｌ：ｗｅｉｌｓｎｌｉｎ＠ｆｊｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
摘要：［目的］为科学评价皆伐、火烧对中亚热带常绿阔叶林不同深度土壤有机碳吸存的影响，［方法］以福建省中亚
热带３６年生米槠人促更新林为研究对象，采用非散射红外 ＣＯ２浓度探测仪和 Ｌｉｃｏｒ８１００土壤碳通量系统，并结合
Ｆｉｃｋ扩散法计算并分析０ ８０ｃｍ不同深度土层ＣＯ２通量的日动态特征。［结果］表明：（１）火烧地（ＲＢ）和皆伐地
（ＲＲ）不同土层ＣＯ２浓度均出现明显下降，其中，对照（ＣＫ）地土壤ＣＯ２浓度值（０ ８０ｃｍ）分别是 ＲＢ和 ＲＲ的１．
９、１．３倍；（２）各试验地土壤ＣＯ２通量（０ ８０ｃｍ）表现为ＲＢ（１．９９μｍｏｌ·ｍ
２·ｓ－１）＞ＲＲ（０．９９μｍｏｌ·ｍ２·ｓ－１）
＞ＣＫ（０９６μｍｏｌ·ｍ２·ｓ－１），除２０ ４０ｃｍ土层外，ＲＢ土壤各层ＣＯ２通量均显著高于ＲＲ和 ＣＫ（Ｐ＜００５）；（３）
试验地不同土层ＣＯ２通量（０ ８０ｃｍ）日变化幅度表现为 ＲＢ＞ＲＲ＞ＣＫ，其中，ＲＢ土壤各层的变化幅度均显著大
于ＲＲ和ＣＫ（Ｐ＜０．０５），而ＲＲ与ＣＫ间的差异表现在０ ５、１０ ２０、２０ ４０ｃｍ土层（Ｐ＜０．０５）；（４）拟合分析表
明，各试验地不同深度土壤ＣＯ２通量与土壤温度呈显著相关，且 ＲＢ的决定系数（Ｒ
２）显著高于ＲＲ和ＣＫ；不同试验
地各土层温度、含水量的双因素模型拟合效果均优于单因素模型；Ｑ１０值显示，皆伐、火烧后初期土壤各层的温度敏
感性得到明显提高。
关键词：土壤ＣＯ２通量；土壤深度；皆伐；火烧；土壤ＣＯ２浓度
中图分类号：Ｓ７１４ 文献标识码：Ａ
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣＯ２ＥｆｌｕｘｉｎＳｏｉｌＰｒｏｆｉｌｅｓａｆｔｅｒＣｌｅａｒｃｕｔｔｉｎｇａｎｄＰｒｅｓｃｒｉｂｅｄ
ＢｕｒｎｉｎｇｏｆＮａｔｕｒａｌＲｅｇｅｎｅｒａｔｅｄＣａｓｔａｎｏｐｓｉｓｃａｒｌｅｓｉｓＳｅｃｏｎｄａｒｙＦｏｒｅｓｔ
ｉｎＳｕｂｔｒｏｐｉｃａｌＣｈｉｎａ
ＸＵＫａｉｊｉａｎ，ＬＩＮＷｅｉｓｈｅｎｇ，ＹＡＮＧＺｈｉｊｉｅ，ＲＥＮｊｉｅ，ＬＩＵＸｉａｏｆｅｉ，ＸＩＯＮＧＤｅｃｈｅｎｇ，ＸＩＥＪｉｎｓｈｅｎｇ，ＹＡＮＧＹｕｓｈｅｎｇ
（ＣｏｌｅｇｅｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙＢｒｅｅｄｉｎｇＢａｓｅｏｆＨｕｍｉｄＳｕｂｔｒｏｐｉｃａｌＭｏｕｎｔａｉｎＥｃｏｌｏｇｙ，
ＦｕｊｉａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００７，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｌｅａｒｃｕｔｉｎｇ＆ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄｂｕｒｎｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓｉｎｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅ
ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎｅｓｅｆｏｒｅｓｔｒｙ，ｗｈｉｃｈｎｏｔｏｎｌｙｈａｓａｓｔｒｏｎｇｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｎｗｏｏｄｌａｎｄ，ｂｕｔａｌｓｏｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｉｎ
ｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｃｌｅａｒｃｕｔｉｎｇａｎｄｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄｂｕｒｎｉｎｇｏｎ
ｔｈｅｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｕｐｔａｋｅａｎｄｓｔｏｒａｇｅｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓｉｎｍｉｄｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌｅｖｅｒｇｒｅｅｎｂｒｏａｄｌｅａｖｅｄｆｏｒｅｓｔ，ｔａｋ
ｉｎｇ３６ｙｅａｒｏｌｄｎａｔｕｒａｌｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄＣａｓｔａｎｏｐｓｉｓｃａｒｌｅｓｉｓｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｔａｎｄｉｎＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅＦｉｃｋ’
ｓｄｉｆｕｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｄａｉｌｙｄｙｎａｍｉｃｃｈａｎｇｅｓｏｆｓｏｉｌＣＯ２ｆｌｕｘｆｒｏｍ０ｔｏ８０ｃｍｄｅｐｔｈｏｆｓｏｉｌ．
ＡｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＣＯ２ｆｌｕｘａｎｄｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｍｏｉｓｔｕｒｅｉｎｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓｗａｓａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇ
ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｓｆｏｌｏｗｓ：（１）ＴｈｅＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉ
林　业　科　学　研　究 第２９卷
ｃａｎｔｌｙａｆｔｅｒｃｌｅａｒｃｕｔｉｎｇａｎｄｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄｂｕｒｎｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｃｌｏｓｅｒｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｄｅｃｌｉｎｅ．Ｆｒｏｍ０ｔｏ８０
ｃｍｓｏｉｌｄｅｐｔｈ，ｔｈｅｍｅａｎｄａｉｌｙＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｅｄ（ＣＫ）ｐｌｏｔｗａｓ１．９ｔｉｍｅｓｉｎｒｅｓｉｄｕｅｂｕｒｎｔ（ＲＢ）
ｐｌｏｔａｎｄ１．３ｔｉｍｅｓｉｎｒｅｓｉｄｕｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎ（ＲＲ）ｐｌｏｔ．ＡｎｄｂｏｔｈｉｎＲＢａｎｄＲＲｐｌｏｔ，ｄｉｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｏｆｓｏｉｌＣＯ２ｃｏｎ
ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．（２）ＴｈｅｄａｉｌｙｄｙｎａｍｉｃｃｈａｎｇｅｓｏｆＣＯ２ｆｌｕｘｉｎｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓｈｏｗｅｄａｍｏｎｏｐｅａｋ
ｔｒｅｎｄ，ｗｉｔｈｉｔｓｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｍａｉｎｌｙｆｒｏｍ１２：３０ａｍｔｏ１５：３０ｐｍａｓｗｅｌａｓｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｆｒｏｍ６：３０ｐｍｔｏ９：３０
ｐｍ，ｔｈｅｍｅａｎｄａｉｌｙｓｏｉｌｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎｉｎＲＢｐｌｏｔ（１．９９μｍｏｌ·ｍ２·ｓ－１）ｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎＲＲｐｌｏｔ
（０．９９μｍｏｌ·ｍ２·ｓ－１）ａｎｄＣＫｐｌｏｔ（０．９６μｍｏｌ·ｍ２·ｓ－１），ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｏｉｌＣＯ２ｆｌｕｘｉｎａｌｔｈｅｔｅｓｔｐｌｏｔｓｄｅ
ｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｓｏｉｌｄｅｐｔｈ．ＴｈｅｄａｉｌｙａｖｅｒａｇｅＣＯ２ｆｌｕｘｉｎｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｏｆＲＢｐｌｏｔｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒ
ｔｈａｎｔｈｅｏｔｈｅｒｓ，ｅｘｃｅｐｔｆｏｒｔｈｅｓｏｉｌｄｅｐｔｈｆｒｏｍ２０ｔｏ４０ｃｍ．ＡｎｄｔｈｅｒｅｗａｓｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅｏｎｄａｉｌｙＣＯ２
ｆｌｕｘｉｎｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓｏｆＲＲａｎｄＣＫｐｌｏｔ．（３）Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｉｕｒｎａｌｒａｎｇｅｏｆｓｏｉｌＣＯ２ｆｌｕｘｉｎＲＢｐｌｏｔ（１４７％）ｗａｓ
ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅＲＲ（９９％）ａｎｄｔｈｅＣＫｐｌｏｔ（６６％），ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｓｏｍｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆＲＢｖｓ．
ＲＲａｎｄＣＫ（Ｐ＜０．０５），ｗｈｉｌｅｔｈｅＲＲｖｓ．ＣＫａｌｓｏｅｘｉｓｔｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｅｒｅｎｃｅ（Ｐ＜０．０５）ｉｎ０－５ｃｍ，１０－２０
ｃｍａｎｄ２０－４０ｃｍｓｏｉｌｌａｙｅｒ．（４）ＢｙｐｌｏｔｉｎｇＣＯ２ｆｌｕｘｖｓ．ｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅＣＯ２ｅｆｌｕｘｏｆｄｉｆ
ｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓｏｉｌｃｏｒｅｌａｔｅｄｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｙｗｉｔｈｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎａｌｐｌｏｔｓ，ａｎｄｔｈｅＱ１０ｖａｌｕｅｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｉ
ｔｉｖｉｔｙｏｆｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｔｅｒｃｌｅａｒｃｕｔｉｎｇａｎｄｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄｂｕｒｎｉｎｇ．Ｂｕｔｔｈｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｗａｓ
ｎｏｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈＣＯ２ｅｆｌｕｘ．Ａｎｄｔｈｅｈｙｂｒｉｄｍｏｄｅｌｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅａ
ｍｏｒｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｐｒｅｄｉｃｔｏｒｏｆＣＯ２ｄｙｎａｍｉｃｓｔａｔｅｉｎａｌｔｅｓｔｉｎｇｐｌｏｔｓ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｃｌｅａｒｃｕｔｉｎｇ＆ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄｂｕｒｎ
ｉｎｇｃｏｕｌｄｄｅｆｉｎｉｔｅｌｙａｆｅｃｔＣＯ２ｆｌｕｘｉｎｄｅｅｐｓｏｉｌａｓｗｅｌａｓｉｔｓｄａｉｌｙｄｙｎａｍｉｃ，ａｎｄｗｏｕｌｄａｌｓｏｃｈａｎｇｅｔｈｅｓｏｉｌＣＯ２ｆｌｕｘ
ｏｆｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｒｅｓｐｏｎｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌＣＯ２ｅｆｌｕｘ；ｓｏｉｌｄｅｐｔｈ；ｃｌｅａｒｃｕｔｉｎｇ；ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄｂｕｒｎｉｎｇ；ｓｏｉｌＣＯ２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
土壤呼吸是土壤向大气中释放 ＣＯ２的过程，是
全球陆地碳循环的重要环节［１］。全球每年由土壤呼
吸产生的碳通量远高于使用化石燃料产生的碳释放
总量［２］。土壤中的ＣＯ２来源可分为土壤动物、植物
根系和微生物的自养呼吸，以及土壤有机质和植物
凋落物分解产生的异氧呼吸两部分［３］。一般土壤
ＣＯ２浓度伴随土壤深度的增加而增加
［４］，土壤内部
ＣＯ２浓度的垂直差异导致其不断向地表移动，因此，
土壤呼吸是不同深度土壤ＣＯ２浓度和扩散机制共同
作用的结果。深层土壤（２０ｃｍ以下）的有机碳储量
通常占土壤总量的一半以上，是土壤碳循环中的关
键部分［５］；同时，土壤有机碳的矿化过程在土壤底层
和表层（０ ５ｃｍ）也同等重要［６］；然而，当前大多数
的相关研究只关注土壤表层的呼吸动态，忽略对深
层部分的探索［７］。深层土壤在环境因子（温度、湿
度和氧气）、土壤因子（尤其是养分有效性）、微生物
以及土壤有机碳自身稳定性等方面均与表层土壤存
在明显的差异［５，８－１０］，因此，研究深层土壤呼吸对外
界环境变化的响应尤为重要。
皆伐、火烧是我国南方经济林造林最常用的营
林措施，其结果不仅对林地产生强烈干扰，同时导致
土壤的理化性质发生改变［１１］。近年来，已有部分学
者针对皆伐、火烧开展相关研究［１１－１４］，但对皆伐、火
烧后土壤呼吸变化，特别是针对不同深度土壤呼吸
的研究仍然缺乏。因此，本文使用ＳＣ８０００便携式土
壤ＣＯ２测定仪，结合垂直扩散模型
［１５－１６］对不同土壤
深度（１０、２０、４０、６０、８０ｃｍ）的 ＣＯ２通量进行估算，
探讨皆伐（保留采伐剩余物）和火烧（无采伐剩余
物）对中亚热带米槠（Ｃａｓｔａｎｏｐｓｉｓｃａｒｌｅｓｉ（Ｈｅｍｓｌ．）
Ｈａｙ．）次生林土壤呼吸日动态的影响，以期更科学
地评价皆伐、火烧等营林措施对亚热带常绿阔叶林
地土壤碳吸存动态的影响。
１　材料与方法
１．１　研究区概况
试验样地位于福建省三明市金丝湾的陈大林业
采育场（２６°１９′Ｎ，１１７°３６′Ｅ），样地总面积达１７．１
ｈｍ２。地处戴云山脉西北、武夷山脉东南面，属中亚
热带季风性气候，年均降水量１７４９ｍｍ，年均气温
１９．１℃。地形以低山丘陵为主，平均海拔３３０ｍ，平
均坡度２５° ３５°，该区的土壤厚度超过１ｍ，且主要
是由黑云母花岗岩发育的红壤。土壤部分理化性质
见表１。试验地的拟采伐林分为１９７８年经强度择伐
后人促更新的米槠次生林，该林分密度为２６５０株
４５
第１期 徐凯健，等：米槠人促更新林皆伐火烧后初期土壤ＣＯ２通量动态
·ｈｍ－２，平均树高１９．７ｍ，平均胸径１３．５ｃｍ。主要
树种 为 米 槠、木 荷 （ＳｃｈｉｍａｓｕｐｅｒｂａＧａｒｄｎ．ｅｔ
Ｃｈａｍｐ．）和闽粤栲（ＣａｓｔａｎｏｐｓｉｓｆｉｓａＲｅｈｄ．ｅｔＷｉｌｓ）
等，其中，米槠为优势树种。林下植被主要是毛冬青
（ＩｌｅｘｐｕｂｅｓｃｅｎｓＨｏｏｋ．ｅｔＡｒｎ．）、狗骨柴（Ｄｉｐｌｏｓｐｏｒａ
ｄｕｂｉａ（Ｌｉｎｄｌ．）Ｍａｓａｍ．）、矩形叶鼠刺（Ｉｔｅａｃｈｉｎｅｎｓｉｓ
Ｈｏｏｋ．ｅｔＡｒｎ．）和狗脊蕨（Ｗｏｏｄｗａｒｄｉａｊａｐｏｎｉｃａ（Ｌ．
ｆ．）Ｓｍ．）等。
表１　试验地土壤本底属性（０ ８０ｃｍ）
土层／ｃｍ
有机Ｃ含量／
（ｇ·ｋｇ－１）
Ｃ储量／
（ｔ·ｈｍ－１）
全Ｎ／
（ｇ·ｋｇ－１）
酸碱度
ｐＨ
土壤密度／
（ｇ·ｃｍ－３）
微生物量碳／
（ｇ·ｋｇ－１）
细根生物量／
（ｇ·ｍ－２）
０ １０ ２８．３２±２．５１ ２５．６５±２．３７ １．７４±０．１７ ４．４±０．０５ ０．９５±０．０３ ４７６．０３±３３．２０ １４１．１６±７．１３
１０ ２０ １５．３２±４．１０ １４．５７±２．１５ １．２４±０．５０ ４．４±０．１１ １．０４±０．０３ ３７７．３９±３５．２０ ５９．９０±５．２８
２０ ４０ １１．５０±０．９８ ２２．１６±４．６３ ０．６１±０．０１ ４．３±０．２７ １．２０±０．０６ ３１７．３４±４３．１０ ７０．８０±４．９９
４０ ６０ ８．２１±０．６１ １９．２３±６．４０ ０．５０±０．０７ ４．４±０．２０ １．３１±０．０７ ２２０．８６±３２．１０ ３９．３６±５．１１
６０ ８０ ６．２５±０．０７ １７．１９±３．２２ ０．３８０±０．１１ ４．４±０．０６ １．３７±０．０７ １３３．８０±２８．４０ ４１．８９±２．８７
　　注：表中数据为均值±标准差。
１．２　研究方法
１．２．１　样地设置　２０１２年１—２月对拟采伐米槠人
促更新次生林进行皆伐，并将采伐剩余物设置２种
处理，即保留（ＲＲ）和火烧（ＲＢ），火烧时间为２０１２
年３月２８日。每种处理面积约２０ｍ×２０ｍ，各处理
设置３个重复，６块样地的立地条件相似，按随机区
组排列，试验同时选择未皆伐样地为对照（ＣＫ）。
１．２．２　土壤剖面的 ＣＯ２浓度观测　皆伐、火烧后，
于２０１２年４月初在各试验样地内分别挖取深度１ｍ
的标准剖面，使用环刀法取得土样以测量土壤含水
率、孔隙度、有机碳含量及微生物量等指标，结束后
修平剖面，并在１０、２０、４０、６０、８０ｃｍ深度分别插入
ＰＶＣ管，布设监测土壤 ＣＯ２浓度装置。实验装置布
设后稳定一段时间，于２０１２年４月２１日至２７日，
对每块试验地分别进行７ｄ每天持续２４ｈ的观测，
观测期间天气条件稳定、无降雨干扰。选用 ＳＣ８０００
便携式土壤ＣＯ２测定仪（ＧＭＴ２２０系列，芬兰）连续
监测土壤各深度土层的 ＣＯ２浓度。该仪器由主机、
连接线和ＣＯ２检测器三部分组成，其中，检测器采用
新型硅基非散射红外ＣＯ２设备（ＮＤＩＲ），能够连续测
量土壤ＣＯ２浓度变化，同时避免灰尘、水汽等的影
响。在测定ＣＯ２浓度时，将检测器安置在不同的土
壤深度，然后连续测量不同土层ＣＯ２浓度，并自动保
存数据，仪器测定时间步长为３０ｍｉｎ。
１．２．３　土壤剖面 ＣＯ２通量计算　在测得土壤 ＣＯ２
浓度后，依据Ｆｉｃｋ气体扩散法计算土壤剖面 ＣＯ２通
量（ＦＳ）：
Ｆｓ＝－Ｄｓ
ΔＣ（ｚ）
Δｚ
（１）
　　式（１）中：Ｄｓ为土壤中 ＣＯ２的扩散系数（ｍ
２·
ｓ－１）；Ｃ为深度ｚ（ｍ）土壤的ＣＯ２浓度（μｍｏｌ·ｍ
－３）。
Ｄｓ＝εＤα （２）
　　式（２）中：ε为相对气体扩散系数；Ｄａ为自由大
气ＣＯ２扩散系数
［１７］。关于ε的计算模型较多，课题
组的前期研究表明［１８］，使用 Ｍｏｌｄｒｕｐ扩散模型计算
的土壤表层ＣＯ２通量值与使用 Ｌｉ８１００腔室法的实
测结果值最接近，并达极显著相关（Ｒ２＝０．６４，ｐ＜
０．０１）［１９］。因此，本文选用该模型估算土壤剖面
ＣＯ２通量的变化。Ｍｏｌｄｒｕｐ模型的计算公式为：
ε＝（φ－θ）
２．５
φ
（３）
　　式（３）中：θ为土壤体积含水量（ｃｍ３·ｃｍ－３），φ
为土壤孔隙度［１７］。
１．２．４　土壤表层的 ＣＯ２通量观测　采用 Ｌｉ８１００
腔室法同时段对各试验样地的土壤表层（０ ５ｃｍ）
ＣＯ２通量进行日动态观测。
１．２．５　土壤剖面的温度与含水量观测　在土壤垂
直剖面各土层中分别插入 ２支温度和水分探头
（Ｈ２ＯＭｏｄｅｌＥＣ５，英国），进行实时持续观测，其时
间步长与土壤ＣＯ２浓度观测一致。
１．３　数据处理
使用ＳＰＳＳ１９．０和 Ｏｒｉｇｉｎ８．０软件进行数据处理
及图形绘制。对所用数据均进行前处理，并通过正态
分布检验和Ｆ检验，使用剔除异常值后的均值进行计
算和分析。采用指数模型（Ｒ＝ａ×ｅｂＴ）、线性模型（Ｒ
＝ａ×Ｗ＋ｂ）及双因素模型（Ｒ＝ａ×ｅｂＴ×Ｗｃ）（式中：Ｒ
为土壤呼吸通量；ａ、ｂ、ｃ为参数；Ｔ为土壤温度，Ｗ为
土壤含水量）拟合不同营林措施下土壤剖面ＣＯ２通量
与土壤温度、含水量的关系，并计算土壤各层的温度
敏感性指数Ｑ１０值（Ｑ１０＝Ｒ
（Ｔ＋１０）／ＲＴ＝ｅ１０ｂ）［２０］。
５５
林　业　科　学　研　究 第２９卷
２　结果与分析
２．１　不同更新方式下土壤剖面ＣＯ２浓度日变化
对ＲＲ、ＲＢ及 ＣＫ进行土壤 ＣＯ２浓度动态监测
结果（图１）显示：各试验地土壤 ＣＯ２浓度均随土壤
深度的增加而增大，其中，ＣＫ土壤ＣＯ２浓度（０ ８０
ｃｍ）日变化范围为３０９９ １４２５０μｍｏｌ·ｍｏｌ－１，ＲＲ
和ＲＢ土壤ＣＯ２浓度（０ ８０ｃｍ）日变化范围则分
别为１７１５ １０４００、７９８ ９０００μｍｏｌ·ｍｏｌ－１，ＣＫ
的土壤ＣＯ２浓度（０ ８０ｃｍ）日均值分别是皆伐和
火烧后的１．３倍和１．９倍。ＣＫ各土层（１０、２０、４０、
６０、８０ｃｍ，下同）的 ＣＯ２浓度日均值分别是３４１９、
５３５０、７３７４、９３８３、１２４２７μｍｏｌ·ｍｏｌ－１；与 ＣＫ相
比，ＲＲ各土层 ＣＯ２浓度值依次下降了 ２４．８３％、
２０９４％、１８．３３％、２０．０１％、２９．２９％；而 ＲＢ各土层
ＣＯ２浓度值则分别下降了 ６６．７８％、４６．０２％、
４７５２％、４３．４３％、５０．５３％。此外，各试验地不同深
度土层ＣＯ２浓度均大体呈单峰变化曲线，但峰值的
出现时间存在一定差异，表明皆伐和火烧处理初期
并未改变深层土壤ＣＯ２通量的日变化趋势。
图１　不同营林措施下土壤剖面的ＣＯ２浓度、土壤ＣＯ２通量、土壤温度及土壤含水量日动态
６５
第１期 徐凯健，等：米槠人促更新林皆伐火烧后初期土壤ＣＯ２通量动态
２．２　不同试验地土壤ＣＯ２通量变化及垂直分布
利用Ｆｉｃｋ扩散法计算 ＲＢ、ＲＲ和 ＣＫ各层土壤
ＣＯ２通量，结果（图１）显示：ＣＯ２通量日变化均呈单
峰型，其峰值出现在１２：３０—１５：３０。各试验地土壤
ＣＯ２通量的差异体现在０ ５、１０ ２０、４０ ６０、６０
８０ｃｍ土层中，ＲＢ各土层日均 ＣＯ２通量（分别为
５．６７、２．８６、０．８２、０．３９、０．２３μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１）均显
著高于 ＲＲ（分别为 ２．２７、１．２９、０．８１、０２９、０．１６
μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１）和 ＣＫ（分别为２．２９、１．４２、０．７４、
０．３３、０．２μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１；Ｐ＜０．０５），而ＲＲ与 ＣＫ
各层土壤日均ＣＯ２通量差异不显著（Ｐ＞０．０５），表
明火烧处理初期导致深层土壤ＣＯ２通量产生较大变
化，而皆伐处理初期并未产生类似的结果。此外，
ＲＢ、ＲＲ、ＣＫ土壤（０ ８０ｃｍ）的 ＣＯ２日通量分别为
１．９９、０．９９、０．９６μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１，且火烧后土壤
ＣＯ２通量更集中于土壤表层（比例由 ４６％提升至
５７％），这可能与不同处理初期各自土壤理化特性的
变化程度有关。
此外，ＲＢ、ＲＲ和ＣＫ土壤（０ ８０ｃｍ）ＣＯ２通量
的日变化幅度（以最大值与最小值之差除以平均值，
下同）分别为１４７％、９９％和６６％，且 ＲＢ在土壤各
层的ＣＯ２通量日变化幅度均显著高于 ＲＲ和 ＣＫ（Ｐ
＜０．０５；图２），ＲＲ与ＣＫ在０ ５、１０ ２０、２０ ４０
ｃｍ土层的日变化幅度存在显著差异（Ｐ＜０．０５）。
由此可见，皆伐和火烧初期均使不同深度土壤的
ＣＯ２通量日动态过程产生明显扰动，并加剧其变化
过程的不稳定性。
图２　不同深度土壤ＣＯ２通量与日变化幅度分布（图中不同大写字母表示同一深度土层不同处理间差异显著（ｐ＜０．０５））
２．３　土壤ＣＯ２通量与土壤温度、含水量的关系
２．３．１　土壤温度和含水量的日动态　ＲＢ、ＲＲ和
ＣＫ各土层之间土壤温度的日变化差异较大（图１），
其中，ＣＫ各土层温度的日变化相对平稳，无明显峰
值；而ＲＢ和ＲＲ与其自身 ＣＯ２通量变化模式类似，
呈明显的单峰型趋势（峰值时间为９：３０—１０：３０）；
各试验地各土层（０ １０、１０ ２０、２０ ４０、４０
６０、６０ ８０ｃｍ）土壤温度日变化幅度显示为ＲＢ（分
别为７４．８％、５２．０％、４５．５％、４５．０％、３６．３％）＞ＲＲ
（分别为 ２３．２％、２６．５％、１７．７％、１８．２％、１６．３％）
＞ＣＫ（分别为 ４．９８％、５．２１％、４．９７％、４．５２％、
４．１１％）。不同试验地土壤含水量的日变化也存在
明显差异，其中，ＲＲ各土层含水量日变化幅度较大
（２１％ ３２％），ＣＫ其次（５％ １７％），而 ＲＢ则相
对平稳（４％ １２％）；在１０、２０、４０ｃｍ土层，ＣＫ的平
均含水量显著高于ＲＲ与 ＲＢ（Ｐ＜０．０５），随着土壤
深度的下降，各试验地相同土层的平均含水量趋于
一致。
２．３．２　土壤温度、含水量对土壤ＣＯ２通量的影响　
运用指数模型（Ｒ＝ａ×ｅｂＴ）和线性模型（Ｒ＝ａ×Ｗ＋
ｂ）分别对土壤各层 ＣＯ２通量和土壤温度、含水量进
行拟合，结果（表 ２）显示：各试验地土壤（０ ８０
ｃｍ）ＣＯ２通量与土壤温度呈较好的指数关系（ｐ＜
００１），其Ｒ２分别为０．５４０ ０．７９７（ＲＢ）、０．４２３
０．６０８（ＲＲ）和０．１２８ ０．３８０（ＣＫ），整体表现为ＲＢ
＞ＲＲ＞ＣＫ；随土壤深度的增加，ＣＫ土壤的 Ｑ１０值呈
上升趋势，但皆伐、火烧后部分土层的 Ｑ１０值垂直变
化趋势不明显（如 ＲＢ、ＲＢ的 ６０ｃｍ层），且 ＲＲ和
ＲＢ不同深度土壤的 Ｑ１０值均显著高于 ＣＫ（ｐ＜
００５）。ＲＲ、ＲＢ和ＣＫ各土层 ＣＯ２通量与含水量线
性模型的Ｒ２普遍较低，但在相关性上，ＲＢ除８０ｃｍ
７５
林　业　科　学　研　究 第２９卷
土层外均达极显著相关（Ｐ＜０．０１），ＣＫ除２０、６０ｃｍ
土层外，其余土层也达到极显著相关（Ｐ＜０．０１）；火
烧后（ＲＢ）土壤（０ ６０ｃｍ）ＣＯ２通量与含水量的相
关系数（Ｒ２）均明显提高（Ｐ＜０．０１）。此外，采用土
壤温度与含水量的双因素模型（Ｒ＝ａ×ｅｂＴ×Ｗｃ），可
分别解释ＲＢ、ＲＲ和 ＣＫ各土壤深度土壤 ＣＯ２通量
变化的５３．６％ ９６．１％、４１．０％ ７２．９％和３９．７％
６５．４％，拟合结果明显优于以温度为单因子的指
数模型，表明土壤温度与含水量在较大程度上共同
影响土壤ＣＯ２通量的变化。
表２　各试验地不同深度土壤ＣＯ２通量与土壤温度、含水量的相关关系
试验地
土壤深度／
ｃｍ
土壤温度
参数
ａ ｂ Ｑ１０ Ｒ２
土壤含水量
参数
ａ ｂ Ｒ２
双因素
Ｒ２
ＲＢ １０ １．５４７ ０．０６１ １．８４ ０．７９７ １９７．７３ －２９．４７ ０．２８５ ０．９６１
２０ ０．１１７ ０．１１３ ３．１０ ０．７１８ －５１１．０３ ９７．４０ ０．６４７ ０．８７６
４０ ０．０４３ ０．１４６ ４．３１ ０．７３２ ４８．７７ －８．８１ ０．６２１ ０．７６０
６０ ０．０７０ ０．０８４ ２．３２ ０．５４０ ２９．７１ －５．９５ ０．２１３ ０．６７５
８０ ０．０２５ ０．１３６ ３．９０ ０．５７２ －１．１０ ０．４８ ０．０１０ ０．５３６
ＲＲ １０ ０．１１３ ０．１４１ ４．１０ ０．６０８ ２０．４４ －１．７６ ０．１８８ ０．７２９
２０ ０．１０６ ０．１５１ ４．５３ ０．５６４ －３．４１ １．９９ ０．０６０ ０．５４０
４０ ０．０３１ ０．１５８ ４．８５ ０．６０５ －０．６６ ０．９６ ０．０３０ ０．５９７
６０ ０．０２７ ０．１１６ ３．１９ ０．５９６ １．８１ －０．１４ ０．２９８ ０．６２６
８０ ０．０１０ ０．３０２ — ０．４２３ －０．７０ ０．３４ ０．０２２ ０．４１０
ＣＫ １０ ０．１２８ ０．０２５ １．２８ ０．３８０ －１１．９１ ５．５９ ０．１３２ ０．５１３
２０ ０．７２０ ０．０７１ ２．０３ ０．３４０ １７．６３ －３．１９ ０．０２８ ０．４０５
４０ ０．６１３ ０．０９６ ２．６１ ０．２９６ －１０．０４ ３．０５ ０．１７７ ０．６５４
６０ ０．１５１ ０．１０７ ２．９２ ０．３３７ －２．４２ ０．９３ ０．０６２ ０．３９７
８０ ０．０８０ ０．１３３ ３．７８ ０．１２８ －１４．５９ ３．９４ ０．３５４ ０．４６６
　　注：表示差异显著（Ｐ＜０．０５），表示差异极显著（Ｐ＜０．０１），—表示数值存在异常。
３　结论与讨论
３．１　土壤ＣＯ２浓度垂直梯度的日动态
本研究中，ＲＲ、ＲＢ和 ＣＫ的土壤 ＣＯ２浓度均随
土层深度的增加而上升，这与多数关于森林土壤剖
面ＣＯ２浓度的研究结论一致
［２０－２１］。在整个观测期
间，ＣＫ土壤（０ ８０ｃｍ）的ＣＯ２浓度日均值（０ ８０
ｃｍ）分别是ＲＲ和ＲＢ的１．３、１．９倍。同时与ＣＫ相
比，皆伐、火烧后土壤各层的ＣＯ２浓度均发生了不同
幅度的下降，其中，土壤表层（１０ｃｍ）和底层（８０
ｃｍ）ＣＯ２浓度的降幅最大，ＲＢ各土层 ＣＯ２浓度的下
降幅度也明显高于ＲＲ。这可能与皆伐、火烧处理有
效降低了土壤密度，使土壤内部的微生物活性降低，
加速ＣＯ２在土壤中的移动和扩散速率有关
［２２－２３］；而
室内实验的结果表明，皆伐、火烧后初期，其土壤密
度（０ ８０ｃｍ）分别降低了１０．６５％、８２８％。对于
ＲＢ土壤各层 ＣＯ２浓度均显著低于 ＲＲ（Ｐ＜０．０５），
则可能是由于其表层土壤团聚体在高温火烧下遭到
破坏［２４］，导致表层土壤孔隙度进一步扩大，使聚集
在表层以下的土壤 ＣＯ２快速扩散至地表，最终造成
土壤深层 ＣＯ２浓度的大幅降低。此外，ＲＲ、ＲＢ和
ＣＫ的土壤 ＣＯ２日变化趋势均呈单峰型，且土壤表
层ＣＯ２浓度的变化幅度普遍高于土壤深层，与类似
的研究结果相近［２５］。
３．２　皆伐、火烧对土壤剖面 ＣＯ２通量日变化的
影响
　　皆伐和火烧作为我国常见的营林措施，会显著
改变林地土壤中植物根系、微生物的组成与活性
等［２６］，从而使土壤的 ＣＯ２通量发生变化。本研究
中，皆伐和火烧处理初期未改变土壤各层 ＣＯ２通量
的日变化趋势，ＲＢ、ＲＲ和 ＣＫ土壤的 ＣＯ２通量日变
化动态均呈单峰型，与刘乐中等［２６］对杉木林的相关
研究结果相似。研究发现，各土层温度的日变化亦
呈单峰型，其变化趋势与对应土层的土壤 ＣＯ２通量
变化一致，因此，温度可能是主导土壤ＣＯ２通量变化
趋势的主要原因（回归分析显示，各土层土壤温度与
ＣＯ２通量普遍呈极显著相关，ｐ＜０．０１）。此外，ＲＢ、
ＲＲ和ＣＫ土壤（０ ８０ｃｍ）的 ＣＯ２日通量表现为
ＲＢ（１．９９μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１）＞ＲＲ（０．９９μｍｏｌ·ｍ－２
·ｓ－１）＞ＣＫ（０．９６μｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１）。各试验地之
间土壤ＣＯ２通量的差异主要体现在０ ５、１０ ２０、
４０ ６０、６０ ８０ｃｍ土层中，表现为 ＲＢ土壤日均
ＣＯ２通量显著高于ＲＲ和ＣＫ（图２；Ｐ＜０．０５），这与
国内外针对土壤 ＣＯ２ 通量的相关观测结果相
８５
第１期 徐凯健，等：米槠人促更新林皆伐火烧后初期土壤ＣＯ２通量动态
近［２２，２６－２８］。火烧处理明显增加了深层土壤的 ＣＯ２
通量，这可能是由于火烧后不同土层密度、有机质含
量及微生物数量均低于未烧地［２７－２８］，从而直接或间
接增加了土壤的ＣＯ２通量
［２９］。Ｂａｕｈｕｓ等［２８］研究发
现，林木在火烧后会导致其土壤内微生物的呼吸量
明显上升，从而使 ＣＯ２通量大大超过原先水平。另
外，ＲＲ、ＲＢ和ＣＫ在２０ ４０ｃｍ土层的ＣＯ２通量差
异不显著，这可能与该层通常作为土壤有机层和矿
质层的分界区，其 ＣＯ２传输作用强烈有关，王超
等［１８］在对杉木林不同深度土壤 ＣＯ２通量的研究中
也发现类似结果。一般皆伐处理也会导致矿质土壤
中微生物活性及现存有机质分解速率的有效提
升［３０］，但本研究中，ＲＲ土壤剖面的 ＣＯ２通量与 ＣＫ
差异不显著，这可能与在皆伐处理初期，其土壤内部
环境的变化具有一定的时滞性有关［２２］。
皆伐、火烧处理同样改变了土壤剖面 ＣＯ２通量
的日变化幅度，表现为ＲＢ高于ＲＲ和ＣＫ（图２，Ｐ＜
０．０５），而ＲＲ与ＣＫ在０ ５、１０ ２０和２０ ４０ｃｍ
土层的变化幅度差异显著（Ｐ＜０．０５），这与目前针
对土壤表层的部分研究结果相近［２２－２３］。其差异的
产生可能是由于土壤中的细根受到火烧、皆伐的影
响而部分死亡，被微生物分解后释放出大量 ＣＯ２，而
不同土壤内分解速率的差异则会显著干扰其ＣＯ２通
量的变化［２５］；同时，森林经历皆伐、火烧失去茂密植
被覆盖物后，也会使其土壤温度和土壤内呼吸速率
变化过程的稳定性明显下降［１１］，如本研究中 ＲＲ、
ＲＢ不同土层温度的日变化幅度为 １６．３％
７４８％，ＣＫ的变化幅度则不足５．２％。对于 ＲＲ与
ＲＢ之间土壤ＣＯ２通量的显著差异，则可能与ＲＲ内
保留了采伐物以及土壤中细根的存活量更多有
关［３１］，其结果导致了 ＲＢ土壤剖面 ＣＯ２通量的日变
化幅度增大（Ｐ＜０．０５）。此外，亚热带阔叶森林土
壤表层０ ２０ｃｍ内的ＣＯ２通量约占土壤呼吸总量
的７４％，而火烧过后该比重会进一步提升至８６％，
这可能与ＲＢ表层的土壤团聚体在高温火烧后产生
破坏、土壤孔隙度进一步增大，使聚集在土壤表层以
下部分的ＣＯ２更多地扩散到地表有关
［２２，３２］。
３．３　土壤ＣＯ２通量对土壤温度、含水量的响应
ＲＲ、ＲＢ和 ＣＫ不同深度土壤 ＣＯ２通量与土壤
温度普遍达到极显著相关（Ｐ＜０．０１），这与多数研
究土壤温度与土壤 ＣＯ２ 通量关系的结论一
致［２２－２３，２６－２８］。其中，ＲＢ各土层 ＣＯ２通量与土壤温
度的Ｒ２最高，其能分别解释 ＲＢ、ＲＲ和 ＣＫ土壤各
层ＣＯ２通量变化的５４％ ７９．７％、４２．３％ ６０．８％
和１２．８％ ３８％，这可能是由于森林经历火烧后完
全失去地表植被覆盖物，使土壤温度的日变化幅度
明显增大［１１］，且火烧后土壤孔隙度上升，可能导致
土壤ＣＯ２通量更易受外界温度变化的影响
［１４］，Ｒｓｉｋ
等［３３］对亚寒带森林土壤的研究也得到类似结果。
另外，林地在经过皆伐、火烧后，其植物根系逐渐死
亡［３４－３５］，土壤ＣＯ２的来源逐渐以异氧呼吸方式为主；
而ＣＫ的土壤根系呼吸所占比重较大，其根系呼吸的
影响因素相对复杂［３６］，导致ＲＢ、ＲＲ的土壤ＣＯ２通量
与土壤温度具有更高的相关性。本研究中，ＲＢ、ＲＲ
和ＣＫ在１０ｃｍ与２０ｃｍ深度土壤ＣＯ２通量与温度的
相关性明显高于８０ｃｍ土层，这可能是由于土壤剖面
理化性质不均一造成的，因为试验地本底０ ２０ｃｍ
的土壤密度明显偏低（表１）。
相比土壤温度，土壤含水量对ＣＯ２通量影响的贡
献率普遍较低，这可能与土壤含水量变化常处在稳定
的阈值范围内［３７－３８］及在短期内的变化不显著有
关［１８］，如本研究中土壤含水量的变化幅度明显小于
土壤温度；但土壤剖面ＣＯ２通量与土壤温度、含水量
双因素模型的拟合效果十分显著，使用该模型可以共
同解释 ＲＢ、ＲＲ和 ＣＫ的土壤呼吸变化的５３６％
９６．１％、４１．０％ ７２．９％和３９．７％ ６５４％，结果明
显优于土壤温度单因素模型，表明含水量可能通过影
响土壤温度，进一步对ＣＯ２通量产生影响。此外，我
国森林土壤的Ｑ１０值一般为１．３３ ５．５３
［３９］，本研究中
土壤呼吸Ｑ１０值均处于该范围，同时ＲＢ、ＲＲ的土壤剖
面呼吸Ｑ１０值均明显高于ＣＫ，表明皆伐、火烧初期土
壤剖面呼吸速率的温度敏感性明显提升。
皆伐、火烧对森林生态系统的影响是一个复杂
的渐进过程，因此，未来还需要结合长期的定位观
测，同时进一步扩展对影响土壤呼吸的微生物群落
及酶等要素的研究，以便更深入地了解营林更新后
其整个生态系统碳吸存的变化过程。
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（责任编辑：徐玉秀）
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