全 文 ：林业科学研究　2007, 20 (6) : 820～825
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2007) 0620820206
华北山区非主要生长季典型人工林土壤呼吸变化特征
王鹤松 1 , 张劲松 13 , 孟 平 1 , 高 峻 1 , 贾长荣 2
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 ,国家林业局林木培育重点实验室 ,北京　100091; 2. 济源市国有大沟河林场 ,河南 济源　454650)
摘要 : 2005年 11月至 2006年 3月 ,利用 L i28100土壤呼吸自动观测系统及 AR2A2ECH土壤温度湿度自动观测系统 ,
观测了华北山区 30年生侧柏和 25年生栓皮栎林土壤呼吸速率与土壤温度及湿度 ,分析了非主要生长季土壤呼吸
变化特征。结果表明 : (1)晴或多云条件下 , 2种人工林林地土壤呼吸速率都明显高于阴天 ,但日变化均不明显 ;整
个非主要生长季 ,土壤呼吸速率 (SRR )呈现出明显的日际变化特征 ; 2005年 11月至 2006年 1月 , SRR呈显著降低
的趋势 ,在 2月份 ,维持在相对较低水平 ,进入 3月中旬则迅速回升 ,降雪使 SRR均有不同程度的增加 ;整个非主要
生长季 ,侧柏林地与栓皮栎林地的平均 SRR分别为 0. 61、0. 39μmol·m - 2 ·s- 1。 ( 2) 2种人工林林地地表及地下
5、10、15、20 cm深处土壤温度与 SRR都存在显著的指数相关关系 ( p < 0. 01) ,且 5 cm深处的土壤温度与 SRR的相
关性最好 ,侧柏和栓皮栎在该深处的 Q10值分别是 2. 280和 1. 602;侧柏、栓皮栎林地 SRR与土壤含水量分别呈显著
的线性相关关系、多项式相关关系 ( p < 0. 01)。这 2种人工林林地 SRR与 5 cm深处的土壤温度和土壤含水量均有
很好的复相关关系 ( p < 0. 01) ,且比较偏相关系数表明 :影响 2种林地土壤呼吸速率的最主要土壤环境因子都是土
壤温度。
关键词 :华北山区 ;侧柏 ;栓皮栎 ;土壤呼吸 ;非主要生长季
中图分类号 : S714. 3 文献标识码 : A
收稿日期 : 2006209204
基金项目 : 科技部社会公益性项目 (2003D IB4J142)、国家十五攻关课题 ( 2004BA510B11)及黄河小浪底森林生态系统定位研究站基金
资助项目部分研究内容
作者简介 :王鹤松 (1968—) ,男 ,辽宁沈阳人 ,博士生 , wanghs119@ sohu. com3 通讯作者 :张劲 ,研究员 , E2mail: zhangjs@ caf. ac. cn
So il Resp ira tion of the Represen ta tive Artif ic ia l Forests D ur ing the
M inor Grow ing Sea son in the H illy Reg ion of North2Ch ina
WANG He2song1 , ZHANG J in2song1 , M ENG Ping1 , GAO Jun1 , J I A Chang2rong2
(1. Research Institute of Forestry, CAF; Key Laboratory of Tree B reeding and Cultivation, State Forestry Adm inistration, Beijing　100091, China;
2. Dagouhe Forest Farm, J iyuan　454650, He’nan, China)
Abstract: Soil resp iration of two rep resentative artificial forests during the m inor growing season in the hilly region of
North2China, in case of 30 years old P la tycladus orien ta lis and 25 years old O uercus variabili, were analyzed. Soil
resp iration rate was measured by L i28100 automatic monitoring system, and the soil temperature and soil water con2
tent was measured by AR2A2ECH automatic monitoring system from Nov. of 2005 to Mar. of 2006 . The main re2
sults are as follows: ( 1 ) For both the two artificial forests, soil resp iration rate ( SRR ) in clear2cloudy day was
markedly higher than that in overcast day, but the diurnal variation of SRR was not apparent under the two weather
conditions. Daily SRR changed significantly, and characterized with that SRR decreased sharp ly from November to
January of the next year, and maintained at a relatively low value in February, and then increased rap idly after the
m iddle ofMarch. Snowing made SRR rise varying extents during this season. The average SRR of P la tycladus orien2
ta lis and O uercus variabili were 0. 61μmol·m - 2 ·s- 1 and 0. 39μmol·m - 2 ·s- 1 respectively in the whole m inor
第 6期 王鹤松等 :华北山区非主要生长季典型人工林土壤呼吸变化特征
growing season. (2) Significant relationship were found between the two artificial forests SRR and soil temperatures
at the 0, 5, 10, 15 and 20 cm dep th from the soil surface ( p < 0. 01) , which could be well described by exponential
equations, and the best significant relationship happened at the 5 cm dep th, where Q10 of Pla tycladus orien ta lis and
O uercus variabili were 2. 280μmol·m - 2 ·s- 1 and 1. 602μmol·m - 2 ·s- 1 respectively. SRR was also correlated
with the soilwater content ( p < 0. 01) , the regression equation for P la tycladus orien ta lis was linear, butmultinom ial
for O uercus variabili. SRR was significantly related to soil temperature ( Ts) and soil water content ( SW ) at 5 cm
dep th. Ts was the most important factor that effected on SRR for both the two artificial forests through comparing the
partial coefficient of Ts and SW at the 5 cm dep th.
Key words: hilly region of North2China; P la tycladus orien ta lis; O uercus variabili; soil resp iration; m inor growing sea2
son
土壤是陆地生态系统中最主要的碳库 ,碳储量
约占生物圈陆地总碳储量的 2 /3,土壤呼吸是土壤
碳库输出及全球碳循环的主要途径。每年土壤呼吸
释放到大气中的 CO2是化石燃料燃烧释放的 10倍
以上 [ 1 ] ,土壤呼吸即便发生较小的变化 ,也会显著地
影响大气中的 CO2浓度 [ 2 ] ,进而影响气候变化。森
林土壤是陆地最大的碳存储库 ,占全球土壤碳的
73% [ 3 ] ,在全球碳循环等方面发挥重要作用。森林
土壤呼吸是当前陆地生态系统碳循环和全球变化研
究的一个重要内容。现有森林土壤呼吸的研究多集
中在主要生长季 ,而有关非主要生长季的研究相对
较少。非主要生长季的土壤呼吸虽明显小于主要生
长季 ,但作为全年土壤呼吸的一部分 ,在某种程度上
决定了整年的土壤呼吸速率 [ 4 ]。目前 ,仅国外有关
于非主要生长季土壤呼吸的研究报道 [ 5, 6 ]。研究森
林非主要生长季土壤呼吸有助于进一步揭示森林全
年的土壤呼吸变化特征 ,进而全面地了解森林生态
系统的碳收支情况。
目前我国的森林面积约为 1. 747亿 hm2 ,其中
人工林面积达 0. 533亿 hm2 ,人工林面积居世界首
位 ,且每年增加 10～15 ×106 hm2 ,但森林土壤呼吸
的主要研究对象多为温带和亚热带气候区的森林生
态系统 [ 7～14 ] ,且有关暖温带地区仅有对主要生长季
节的人工林林地土壤呼吸的报道 [ 15～18 ]。我国北方
大部分地区属于暖温带气候区 ,不同的地带由于其
地形、降水条件不同 ,造成了具体生态环境的不同 ,
因此 ,深入研究我国北方地区非主要生长季节人工
林林地土壤呼吸具有十分重要的科学意义。华北山
区地处暖温带气候区 ,一直是我国林业生态建设的
重点区域。本研究以该地区侧柏 ( P la tycladus orien2
ta lis Franco )和栓皮栎 (O uercus variabili B l. )典型树
种为例 ,利用由 L i28100土壤呼吸自动观测系统测定
得到的土壤呼吸数据 ,结合土壤水分及温度观测数
据 ,分析土壤呼吸变化特征 ,为精确计算非主要生长
季节人工林林地土壤呼吸总量提供科学依据。
1 试验设计
1. 1 试验区概况及试验材料
试验地位于黄河小浪底森林生态系统定位研究
站 (35°01′N , 112°28′E)站区内。该定位研究站隶
属于中国森林生态系统定位研究网络 (CFERN ) ,站
区 (试验区 )位于河南省济源市境内 ,地貌类型属华
北石质山区。气候属暖温带大陆性季风气候 ,年平
均气温 12. 4～14. 3 ℃,全年日照时数为 2 367. 7 h,
年日照率为 54% , ≥0 ℃的多年平均积温为 5 282
℃,历年平均降水量 641. 7 mm, 6—9月多年平均降
水量为 438. 0 mm,占全年降水量的 68. 3%。试验区
林分以人工林为主 ,侧柏、栓皮栎为该地区代表性
树种。
综合考虑林分密度 ,土层厚度 ,林下植被等因
素 ,在试验区内选取代表性的侧柏、栓皮栎人工
林样地 ,样地位于半阳坡中部的退耕还林地。土
壤类型为褐土。侧柏林龄为 30 a, 林分密度
1 455株 ·hm - 2 ,平均株高 7. 2 m ,平均胸径 10. 3
cm ,郁闭度 0. 8 ,平均土层厚度 25 cm。栓皮栎林
龄为 25 a,林分密度 1 890株 ·hm - 2 ,平均株高
7. 5 m ,平均胸径 10. 8 cm ,郁闭度为 0. 9 ,平均土
层厚度为 40 cm。
1. 2　研究方法
1. 2. 1 土壤呼吸观测 采用 L i28100便携式红
外气体分析仪 (美国 , L icor B iosciences) ,分别对
上述 2个样地的土壤呼吸速率进行观测。每个样
地内随机选取 5个样点 ,每个样点用 PVC环打入
土层 8 cm ,露出地面 1 cm与气室紧密接触 ,待 7
128
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 20卷
d后 PVC环已与土壤接触紧密 ,开始测量。于每
天 12: 00时同时观测 5个样点 ,取各样点平均观
测值作为该日的土壤呼吸速率 [ 19 , 20 ] 。选择与平
均观测值最接近的样点 , 每旬连续测量 3 d,每小
时观测 1 次。观测期为 2005 年 11 月 1 日至
2006年 3月 31日。
1. 2. 2 土壤温度和湿度观测 在每个样地的 5个
样点中心处 ,使用 AR2A2ECH土壤温度湿度自动观
测系统观测土壤温度及土壤体积含水量。土壤温度
测定深度 :表层 (0 cm)、5、10、15、20 cm,土壤湿度测
定深度 20 cm。所采用的土壤温度传感器、土壤含水
量传感器分别为 A107 (美国 , YSI)和 ECH2 O (美国 ,
Decagon)。数据采集器为 AR528A2SE,每 2 m in采集
1次 ,每 30 m in存取 1次平均值。观测期为 2005年
11月 1日至 2006年 3月 31日。
1. 2. 3 数据分析 采用回归分析法 ,利用 SPSS11.
5, Office excel 2003等软件完成。
2　结果与分析
2. 1　土壤呼吸速率的变化规律
2. 1. 1　土壤呼吸速率的日变化规律 由图 1可
知 ,在晴或多云条件下 ,侧柏及栓皮栎林地土壤呼
吸速率 ( SRR )明显高于阴天 ,且在 2种天气条件
下 , SRR的日变化都不明显。SRR低且日变化不明
显的主要原因在于 :整个非主要生长季土壤温度
低 ,且日内变化幅度小 ;另外 ,期间林木耗水量及
降水少 ,使得土壤含水量较低。计算表明 :侧柏林
地在晴或多云和阴天 2种天气条件下的 SRR 日均
值分别为 0. 64、0. 43μmol·m - 2 · s- 1 ,栓皮栎林
地则为 0. 41、0. 34μmol·m - 2 ·s1。
图 1　非主要生长季典型天气侧柏和栓皮栎林地土壤呼吸速率日变化规律
图 2　非主要生长季侧柏和栓皮栎林地土壤呼吸速率的日变化规律
228
第 6期 王鹤松等 :华北山区非主要生长季典型人工林土壤呼吸变化特征
2. 1. 2　土壤呼吸速率的日际变化特征 从图 2可
以看出 , SRR呈现出明显的日际变化特征。2005年
11月至 2006年 1月 , SRR呈显著降低的趋势。这是
由于随着气温的降低及降水的减少、林木叶片的脱
落及耗水量的降低 ,导致土壤温度和含水量均有所
降低 ,最终影响到 SRR。在 2月 , SRR 变化不大 ,维
持在相对较低水平 ;进入 3月 ,随冬季结束及初春来
临 ,气温回升较快 , SRR也随之增加。2005年 12月
底和 2006年 1月中下旬的 2次降雪 ,导致土壤水分
略有上升 ,使侧柏和栓皮栎人工林林地的 SRR均有
不同程度的增加。在整个非主要生长季 ,侧柏林地
的 SRR平均值为 0. 61μmol·m - 2 · s- 1 ,栓皮栎林
地为 0. 39μmol·m - 2 ·s- 1 ,明显低于纬度相近地区
针、阔叶人工林林地土壤呼吸速率的全年平
均值 [ 15, 21 ]。
2. 2 土壤呼吸与主要环境因子的关系
2. 2. 1　温度对土壤呼吸速率的影响 　将各日的
SRR与各日不同深度的土壤温度进行了回归分析 ,
结果 (表 1、图 3)表明 :侧柏和栓皮栎人工林林地的
土壤温度 ( Ts)与 SRR 都存在显著的相关关系 ( p <
0. 01) ;但栓皮栎林地的 SRR 与 Ts的相关性要好于
侧柏林地。比较 SRR与不同深度 Ts的相关系数可
知 , SRR与 5 cm深的 Ts的相关性最好 (表 1) ,回归
方程分别为 :
侧柏林地 : SRR = 0. 348e0. 082 4Ts ( F = 69. 268 >
F (0. 01) = 6. 63, r = 0. 708, n = 152 ) (1)
栓皮栎林地 : SRR = 0. 281e0. 047 1Ts ( F = 33. 111 >
F (0. 01) = 6. 63, r = 0. 659, n = 152) (2)
式 (1)、( 2 )中 : SRR 为土壤呼吸速率 (μmol·
m
- 2 ·s- 1 ) , Ts为 5 cm深度处土壤温度 (℃)。
由表 1还可知 ,除 5 cm深处的土壤温度外 ,地
表 Ts与 SRR相关性最好 ; 10 cm以下 ,随着深度的
增加 , Ts与 SRR的相关系数越来越低。这是由于土
壤微生物主要分布在土壤表层 , SRR 对表层土壤温
度的变化比较敏感 [ 9 ]。
表 1不同深度处土壤温度 ( Ts)与土壤呼吸速率 ( SRR )的回归关系及 Q 10值
土层深度 / cm
侧柏林地
回归方程 相关系数 Q10
栓皮栎林地
回归方程 相关系数 Q10
0 (地表 ) SRR = 0. 335e0. 082 2Ts 0. 638 2. 275 SRR = 0. 272e0. 046 9Ts 0. 581 1. 598
5 SRR = 0. 348e0. 082 4Ts 0. 708 2. 280 SRR = 0. 281e0. 047 1Ts 0. 659 1. 602
10 SRR = 0. 321e0. 086 5Ts 0. 588 2. 375 SRR = 0. 269e0. 048 1Ts 0. 580 1. 618
15 SRR = 0. 287e0. 088 9Ts 0. 548 2. 433 SRR = 0. 266e0. 048 3Ts 0. 525 1. 629
20 SRR = 0. 292e0. 090 3Ts 0. 513 2. 467 SRR = 0. 262e0. 049 1Ts 0. 500 1. 634
图 3　非主要生长季节土壤呼吸速率与 5 cm深度处土壤温度的关系
　　分析 Q10值的垂直变化特征表明 (表 1) : 2种人
工林林地的 Q10值都随着土壤深度加大而增大 ,但侧
柏林地的 Q10值高于栓皮栎林地 ,说明温度升高对侧
柏林地土壤呼吸的提升作用要大于栓皮栎。
2. 2. 2　土壤含水量对土壤呼吸速率的影响 　回归
分析表明 :侧柏和栓皮栎人工林林地的 SRR都与土
328
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 20卷
壤含水量 (SW )存在显著的相关关系 ( p < 0. 01) (图
4) ,但它们的相关模型有一定差异 ,回归方程分
别为 :
侧柏 : SRR = 0. 033SW + 0. 243 ( F = 152. 096 >
F (0. 01) = 6. 63, r = 0. 75, n = 152) (3)
栓皮栎 : SRR = - 0. 002 3SW 2 + 0. 087SW -
0. 395 9 ( F = 22. 226 > F ( 0. 01) = 4. 79, r = 0. 607,
n = 152 ) (4)
式 (3)、( 4 )中 : SRR 为土壤呼吸速率 (μmol·
m
- 2 ·s- 1 ) , SW 为土壤体积含水量 ,以 %表示。
从图 4及式 (3)、(4)可知 ,侧柏林地 SRR随 SW
的增加而增加 ,二者呈线性相关关系 ;栓皮栎林地
SRR与 SW 呈多项式相关 , SRR先随 SW 的增大而增
大 , SW 达到 20%以后 , SW 继续增加时 , SRR 会减
弱。这说明侧柏林地土壤水分相对较低 , SRR 在该
范围内随土壤水分的增加而增加 ,栓皮栎林地土壤
水分的变化范围则较大 ,超出了一定范围后 , SRR随
土壤水分的增加而降低。
图 4　侧柏和栓皮栎林地土壤呼吸速率与土壤含水量的相关性
2. 2. 3 土壤温度与土壤含水量对土壤呼吸的共同
影响 土壤呼吸受土壤温度与土壤水分的共同影
响 [ 22, 23 ]。本研究采用 5 cm深处的观测数据 ,分析
SRR与土壤温度 ( Ts)及土壤含水量 (SW )的关系 ,结
果表明 ,侧柏与栓皮栎林地 SRR与 Ts、SW 具有很好
的线性复相关关系 ( p < 0. 01) ,回归方程分别为 :
侧柏 : SRR = 0. 179 + 0. 034Ts + 0. 021SW ( F =
77. 351 > F0. 01 ( 2, 149) = 4. 61, r = 0. 841, n = 152) (5)
栓皮栎 : SRR = 0. 264 + 0. 014Ts + 0. 001SW
( F = 18. 920 > F0. 01 ( 2, 149) = 4. 61, r = 0. 693, n = 152)
(6)
式 (5)、( 6 )中 : SRR 为土壤呼吸速率 (μmol·
m
- 2 ·s- 1 ) , Ts为 5 cm深处的土壤温度 (℃) , SW 为
土壤体积含水量 ( % )。
侧柏林地 SRR 与 Ts、SW 的偏相关系数分别为
0. 599、0. 576,栓皮栎林地 SRR 与 Ts、SW 的偏相关
系数分别为 0. 529、0. 234,可见 ,影响这 2种林地土
壤呼吸速率的主要因子都是土壤温度。
3　结论与讨论
(1) 侧柏、栓皮栎林地在晴天或多云天气条件
下的土壤呼吸速率 ( SRR )明显比阴天的高 ,而且日
内变化都不明显。整个非主要生长季 , SRR 呈现出
明显的日际变化特征。2005年 11月至 2006年 1
月 , SRR呈显著降低的趋势 ,在 2月份 ,维持在相对
较低水平 ,进入 3月中旬则迅速回升。非主要生长
季初期 (11月及 12月 )的温度降低以及后期 ( 3月
左右 )的温度回升 ,是侧柏、栓皮栎林地 SRR大幅下
降和上升的主要原因 ;此期间的 2次降雪 ,导致土壤
含水量升高 ,使得 SRR有所提高。与已经报道的纬
度相近地区针叶人工林、阔叶人工林相比 [ 15, 21 ] ,本
试验区侧柏、栓皮栎人工林林地在非主要生长季内
的 SRR明显比全年的平均值低。
(2)侧柏、栓皮栎人工林林地的土壤温度与 SRR
都存在显著的指数相关关系 ( p < 0. 01) , 5 cm深处
的土壤温度与 SRR 的相关性最好 ,地表温度次之 ,
10 cm深以下 ,随着深度的增加 ,温度与 SRR的相关
系数越来越低。侧柏林地的 Q10值高于栓皮栎林地 ,
428
第 6期 王鹤松等 :华北山区非主要生长季典型人工林土壤呼吸变化特征
说明温度升高对侧柏林地土壤呼吸速率的提升作用
要大于栓皮栎。侧柏林地 SRR 与土壤体积含水量
(SW )存在显著的线性正相关关系 ( p < 0. 01) ,栓皮
栎林地 SRR与 SW 呈多项式相关关系 ( p < 0. 01) ,
SW 低于 20%时 , SRR 随 SW 的增加而增加 ,但高于
20%后 , SRR随 SW 的增加而减弱。2种林地 SRR与
土壤温度和湿度都具有很好的复相关关系 ( p <
0. 01) ,但土壤温度是 SRR的最主要影响因子。
(3)由于土壤呼吸存在着较大的空间变异性 ,
而受技术条件的限制 ,现有的仪器只能从一个点来
分析土壤呼吸速率的时间变化。虽然 L i28100配合
短期气室可以较方便地在短时间内对不同点的土壤
呼吸速率进行测量 ,但仍不能同时对多点进行连续
测量 ,而早先使用的碱液吸收法又存在着精度较低
的问题。故今后应进一步采用多通道的红外 CO2分
析系统 ,以期进一步揭示整个林分的土壤呼吸时空
变化规律。
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