1、采伐剩余物管理措施对杉木人工林土壤呼吸的影响解析第 49卷 第 5期 2013年 5月林业 科学SCIENTIASILVAESINICAEVol. 49, No. 5May , 2013doi :1011707/j1001-748820130504收稿日期 :20121108; 修回日期 :20130215。基金项目 :2011年 教育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 支持计划 (DB 168 ; 2012年 福 建 省 杰 出青 年科学基金项目 (2060203 。 *黄 志 群 为通 讯 作 者 。采 伐 剩 余 物 管 理 措 施 对 杉 木 人 工 林 土壤 呼 吸 的 影响*胡 振宏
2、1, 2范 少 辉3黄 志 群1, 2何 宗 明4余 再 鹏1, 2王 民煌1, 2翁贤权5(1湿润亚热 带 山 地生态 国 家 重 点实验室 培 育 基 地福 州 350007; 2福 建 师 范 大学 地 理 科学学院福 州 350007;3国 际 竹 藤 中 心北京 100102; 4福 建 农林大学林学院福 州 350002;5福 建 省 南 平 市峡 阳 国 有 林 场南 平 353005摘 要 :对 中国 亚热 带地区 5种 采 伐 剩 余 物 管 理 措 施 (收 获采 伐 剩 余 物和 地被 层 、 全 树 收 获 、 仅 收 获 树 干 和 树 皮 、采 伐 剩 余 物加 倍
3、 以及 炼 山 下 杉 木 人 工 林的 土壤 呼 吸 进行 定 位 研究 。 结果表 明 :处 理 15年 后 5种 采 伐 剩 余 物 管 理 措 施 对 杉 木 林 全 年和 不同 季 节 的 土壤 呼 吸 速率 、 土壤温 度以及 土壤湿 度 均 没 有 显 著 影响 ; 土壤 呼 吸 速率 呈 明 显 的季 节 动 态 , 最 高 值 出 现 在 2012年 6月 (3. 09molCO 2m 2s 1, 5种 处 理 平 均 值 , 最 低 值 则 出 现 在 2012年 2月(0. 69molCO 2m 2s 1 ; 土壤 呼 吸 速率 主 要 受土壤温 度 的 驱 动 , 土壤
4、温 度能 解 释 土 壤 呼 吸 速 率 变 化 的 55. 8% 72. 6%; 5种 处 理 样地 之 间 土 壤 呼 吸 Q 10值 和 年 通 量 差 异 均 不 显 著 , 处 理 样 地 的 平 均 值 分 别 为 2. 14和 701. 17gC m 2; 采 伐 剩 余 物 管 理 措 施 对 0 10cm 土层 冷 水 、 热 水 和 2mol L 1KCl 溶 液浸 提 的 土壤 可 溶 性 有 机 碳 含 量 没 有 显 著 影响 ; 冷 水 和 2mol L 1KCl 溶 液浸 提 的 土壤 可 溶 性 有 机 碳 含 量 分 别 与 取 样 月 份 和年 均土壤 呼
5、吸 速率 显 著 正 相 关 (P 0. 05 。 关键词 :采 伐 剩 余 物 管 理 ; 土壤 呼 吸 ; 温 度 ; 湿 度 ; 土壤 可 溶 性 有 机 碳中图分类号 :S714. 5; S750文献标识码 :A文章编号 :10017488(2013 05002406Effects of Harvest Residue Management on Soil Respiration of Chinese Fir PlantationsHu Zhenhong1, 2Fan Shaohui3Huang Zhiqun1, 2He Zongming4Yu Zaipeng1, 2Wang Minh
6、uang1, 2,Weng Xianquan5(1Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology Fuzhou 350007; 2College of Geographical Science ,Fujian Normal UniversityFuzhou 350007; 3International Center for Bamboo and RattanBeijing 100102; 4Forestry College ,Fujian Agriculture and Forestr
7、y University Fuzhou 350002; 5Xiayang State Forest Farm of Fujian ProvinceNanping 353005Abstract :We measured monthly soil respiration (R s in a 15year-old replanted Chinese fir plantation which waslocated in subtropical China and subjected to five harvest residue management treatmentsThe treatments
8、included :whole tree harvest plus forest floor removal , whole tree harvest ,stem only harvest , double the residue , and burning the residueRepeated measures ANOVA showed that harvest residue management had little effects on R s rate , soil temperature and soil moisture in the whole year or four di
9、fferent seasonsSoil respiration displayed obvious seasonal dynamics , with the maximum happening in June 2012(3. 09mol CO 2m 2s1, averaged from five treatments and the minimum happing inFebruary 2012(0. 69mol CO 2m2s1Soil temperature was found to be the most important factor controlling thetemporal
10、pattern of soil respiration , accounting for 55. 8%72. 6%of variations in R s rateThere were no significant differences in temperature sensitivity of R s (Q 10 and annual soil CO 2emission among treatments , and the mean values of five treatments were 2. 14and 701. 17gC m 2, for Q 10and annual soil
11、CO 2emissionHarvest residue treatment had nosignificant effects on dissolved organic carbon (DOC concentrations (010cm depth extracted by water , hot water or2molL 1KClDOC concentrations extracted by water and 2mol L1KCl were correlated positively with annual R s rateand the R s rate in the given mo
12、nth when soil samples were collected , respectivelyKey words :harvest residue management ; soil respiration ; temperature ; moisture ; soil dissolved organic carbon土壤 碳 储 量 是 陆地 植 被 碳 储 量 的 2 3倍 , 而 土 壤 呼 吸是 陆地生态 系统 向 大 气 释 放 CO2的第二大 途 径 (Luo et al , 2006 , 每 年 由 土壤 呼 吸过 程 释 放 到大 气 中的 CO2是 化 石 燃 料 燃
13、 烧 释 放 的 10倍 以 上 (Peng et al , 2009 。 森 林 作 为 陆 地 生 态 系 统 的 主 体 , 维 持 着全 球 86%的植 被 碳 库 和 73%的 土壤 碳 库 (Lal , 2005 。 随 着 人 工 林 种 植面 积 不 断 扩 大 , 人 工 林 在 全 球 碳 循 环 中 占 据 了 越 来 越 重 要 的 位 置 (Lal , 2005; Huang et al , 2012 。 在中国 , 森 林 碳 汇 主 要 来 自 人 工 林的 贡 献 (方 精 云 等 , 2001 。 人 工 林 在 减 缓 全 球 气候 变化 中的 地 位 举
14、足 轻 重 , 而 人 工 林 的 经 营 与 管 理 是 实 现 和 增强 其 碳 汇 功 能 的重 要 途 径 (Jandl et al , 2007; 闫 美 芳 等 , 2010 。土壤 呼 吸 主 要 与 土壤 生 物 活 动 和 土壤 孔隙 中 气 体 的 扩 散 有 关 , 后 两 者 均 受 到 土 壤 性质 和植 被 类 型 的 影响 (Luo et al , 2006 。 根 呼 吸 和 根 际 微 生 物 呼 吸是 土壤 呼 吸 的 主 要 来 源 , 其 次 为 地 上 和 地 下 凋 落 物 (凋 落 物 叶 、 木 质 残 体 和 死 亡 根 系 及 土壤 有 机
15、质 的 矿 化 (Trumbore , 2000; Schaefer et al , 2009 。 研 究 表 明 , 土 壤 呼 吸 具 有 高 度 的 时 空 变 异 性 (Bond-Lamberty et al , 2010 。 时 间 尺 度 上 土 壤 呼 吸 主 要 受土壤温 湿 度 及 两 者 交 互 效 应 的 控 制 (Luo et al , 2006; Vincent et al , 2006 , 而 在 空间 尺 度上 , 主 要 通 过 生 物 因 子 (细 根 生 物 量 、 土壤 有 机 质 含 量 、 土壤 微 生 物 量及 植 被 生 产 力 等 和 非 生 物
16、 因 子 (土 壤 温 湿 度 、 土壤 孔 隙 度 和 近 地 面 大 气 状 况 等 对 土 壤 呼 吸 产 生 影 响 (Bond-Lamberty et al , 2010; Sheng et al , 2010 。 近 年 来 , 随 着 对 温 室 气 体 排 放 的 重 视 , 做 了 很 多 有 关 土壤 呼 吸 的研 究 工作 , 包括 全 球 尺 度 土壤 呼 吸 的研究 , 不同 纬 度 带 、 不同 生态 系统 、 不同 森 林 类 型 以 及 不 同 土 地 利 用 下 土 壤 呼 吸 的 研 究 (Vincent et al , 2006; Bond-Lambert
17、y et al , 2010; Sheng et al , 2010 。 森 林 采 伐 剩 余 物 管 理 是 人 工 林 营 造 时 常见 的 经 营 措 施 (Huang et al , 2012 , 关 于 采 伐 剩 余 物 管 理 措 施 对 人 工 林 土壤 呼 吸 的 影响 , 以 往 的研究大 多 关 注 造 林 初 期 的 影响 , 而 对 造 林 较 长 时 间 (10年 后 的 影响 还 很 少 报 道 。中国 亚热 带地区与 全 球 同 纬 度 地区 相 比 , 森 林 生态 系统 生 产 力 高 、 碳 储 量 大 , 生态 过 程对 气候 变化 的 响应 多 样
18、(陈 光 水 等 , 2005 , 被 誉 为 回归 线 上 的 “ 绿 洲 ” 。 鉴 于 种 植面 积 、 木 材 生 产 量 和 木 材 用 途 等 方面的 情 况 , 杉 木 (Cunninghamia lanceolata 是 该 区 最 重 要 的 人 工 造 林 树 种 之 一 (Huang et al , 2012 , 而 国 内 有 关 杉 木 林 采 伐 剩 余 物 管 理 的研究 还 未 见 报 道 。 本研究在 杉 木 中 心 产 区福 建 省 南 平 市峡 阳 国 有 林 场 , 基 于 以 往 立 地 管 理 措 施 对 杉 木 人 工 林 生 长 和 土壤 理 化
19、 性质 等 方面的 长 期 定 位 研究 (Huang et al , 2012 , 对 5种 采 伐 剩 余 物 管 理 措 施 下 15年 生 杉 木 人 工 林 土壤 呼 吸 、 土壤温湿 度进行 为 期 1年的 观 测 , 并 同 期分 析 0 10cm 土层 冷 水 、 热 水 和 2mol L 1 KCl 溶 液浸 提 的 土壤 可 溶 性 有 机 碳 含 量 , 以 探 讨 采 伐 剩 余 物 管 理 措 施 对 杉 木 林 土壤 呼 吸 的 影响 , 为 研 究 亚热 带地区森 林 管 理 措 施 对 人 工 林 碳 排 放 的 影响 提供理论 基 础 。1研究 区 概 况试
20、验 地 位 于 福 建 省 南 平 市 峡 阳 国 有 林 场 (11759 E , 2648 N , 属 于 武 夷 山 系 南 伸 支 脉 , 海 拔 200 260m , 坡 度 28 36 。 本 区 属 中 亚热 带海 洋 性 季风气候 , 年 平 均气温 19. 5 , 1月 平 均气温 9. 7 , 7月 平 均气温 28. 7 , 极 端 最 低气温 和 最 高 气 温 分 别 为 5. 8 和 41 。 年 均 降 水 量 1653mm , 降雨 集 中在 3 8月 , 年 平 均 蒸 发量 1143 mm , 年 平 均 相 对 湿 度 83%。 根 据 南 平 市 延 平
21、 区 气 象 站 测 量 的 气 象 数 据 , 201107 201206试 验地 月 降雨 量 和月 平 均气温见图 1。 试 验地 土壤均 为 绿 泥 片 岩 发 育 的 轻 黏 质 山 地 红 壤 , 表 层 疏 松 , 土 层 深 厚 , 土壤 肥 沃 , 但均含 有少量 的 石 砾 。 林 下 常见 植 被 主 要 有 观 音 座 莲 (Angiopteris fokiensis 、 狗 脊 (Woodwardia japonica 、 五 节 芒 (Miscanthus floridulus 和 芒 萁 (Dicranopteris dichotoma 等 。 试 验 地前 茬
22、为 29年 生 一 代 杉 木 纯 林 。 试 验地 为 杉 木 纯 林 , 概 况 见 表 1 。图 1201107 201206期 间 试 验地 月平 均气温 和月 降雨 量Fig1Monthly precipitation and mean air temperature between July 2011and June 2012at study site2研究方 法随 机区 组 设 计 试 验地 , 共 设 4个 区 组 , 每 个 区 组 设 5个 处 理 小 区 , 小 区 面 积 为 600m 2( , 和 区 组 小区 为 20m 30m , 区 组 小 区 为 24m 25
23、m 。 1996年 10月 一 代 杉 木 林 皆 伐 后 进 行 采 伐 剩 余 物 处 理 , 1997年 1月 造 林 后不 再 进行 处 理 , 造 林 密 度 为 每 小 区 150株 (2500株 hm 2, 5个 处 理 分 别 为 :收 获采 伐 剩 余 物和 地被 层 (BL0; 全 树 收 获 (BL1; 仅 收 获 树 干 和 树 皮 (BL2; 采 伐 剩 余 物加 倍 , 将 BL1处 理 中的 采 伐 剩 余 物 移 放 至 此 小 区 (BL3; 炼 山 , 将采 伐 剩 余 物和 地被 层 火 烧 (SB 。 试 验地 一 代 杉 木 林 皆 伐 后 产 生 的
24、 采 伐 剩 余 物 生 物 量约 为 26. 1Mg hm 2, 地 被 层 生 物 量约 9. 9Mg hm 2。表 14个区 组 0 10cm 土 层 土 壤 理化 性质 和 杉木 生 长情 况Tab1Soil physical and chemical properties of soil in 0 10cm layer and Chinese fir plantation growth at four blocks区 组 Block土壤 全 碳Soil total C /(g kg 1土壤 全 氮Soil total N /(g kg 1土壤 C /N 值Soil C /Nvalue
25、土壤 pH 值Soil pHvalue土壤 密 度Soil density /(g cm 3树 高Treeheight /mDBH /cm 25. 51. 7615. 494. 651. 01 0. 0516. 2 0. 7519. 8 0. 73 30. 31. 7116. 324. 610. 91 0. 0215. 3 0. 5017. 7 0. 62 25. 01. 7114. 374. 721. 04 0. 0514. 1 0. 4416. 2 0. 54 27. 91. 7615. 884. 290. 92 0. 0515. 7 0. 4918. 0 0. 972011年 7月 在
26、每 个 试 验 小 区 沿 对 角 线 分 布 5个 PVC 材 质 的 土 壤 环 , 土 壤 环 内 径 20. 0cm 、 高 6cm , 将 土壤 环 底 部 削 尖 后 埋 入 地 下 3cm , 为 便 于 环 内土壤 更 好 地与 外 部 土壤 进行 水 汽 交 换 , 将 埋 入 地 下 部 分 侧 边 钻 4个 直 径 为 0. 5cm 的 圆 孔 。 土 壤 环 在 试 验 小 区设 置 24h 后 开 始 第 1次测 量 , 此 后 土 壤 环 位 置 保 持 不 动 , 并 在 每 次 测 量 前 齐 地 剪 除 环 内 绿色 植 物 。 201107 201206,
27、每 月 中 旬 选 取 2 3天 , 尽 可 能 选 择 晴 朗 无 风 的 天 气 , 利 用 Li-8100开 路 式 土壤 碳 通 量 观 测 系统 (Li-8100, Li-cor 公 司 , 美 国 观 测 土 壤 呼 吸 速 率 , 每 个 土 壤 环 测 定 时 间 设 为 2min 。 根 据 研 究 结 果 , 亚 热 带 杉 木 人 工 林 上 午 9:00 12:00土壤 呼 吸 速率 与 一 天 的 平 均 值较 接 近 (Sheng et al , 2010 , 故 每 次测 量 均选择 此 时 段 。 在 每 次测 量 土壤 呼 吸 速率 的 同时 , 利 用 数
28、字 式 瞬 时 温 度 计 (AM 11T , Avalon 公 司 , 美 国 测 定 地 下 10cm 深处 的 土壤温 度 和 离 地 1m 高 的 气温 , 采 用 时 域 反 射 仪 (TDR (Model TDR300, Spectrum 公 司 , 美 国 测定地 下 0 12cm 土层土壤 体 积 含 水 量 。 为 了 减少 土壤 水 分 测定 的 误 差 , 将 烘 干法 测 得的 土 壤湿 度 和 与 TDR300测定 的 结果进行 对 照 , 并 建 立 2者之间 的 一 元 线 性 方 程 W =0. 7351W+7. 3965 (R 2=0. 8961 来 校 正
29、TDR300测 量 的 数值 , 式 中 W为 烘 干法 测 量 的 土 壤 湿 度 , W为 仪 器 测 量 的 土 壤 湿 度 。2011年 8月在 每 个 试 验 小 区 沿 对 角 线 分 布 12个 样点 , 用 内 径 3. 7cm 的 土 钻钻 取 0 10cm 土层 土 样 , 风 干 后 过 2mm 筛 , 先 后 用 冷 水 、 热 水 和 2mol L 1KCl 溶 液 浸 提 该 层 土 壤 可 溶 性 有 机 碳 含 量 , 方 法 参 见 文 献 (Jones et al , 2006 。 具 体 步 骤 为 :称 取 10g 风 干 土 样于 50mL 离 心 管
30、 中 , 在 室 温 状 态 下 加 入 40mL 去 离 子 水 , 将 水 土 混 匀 后 放 置 在 转速 为 270r min 1的 摇 床 上 震 荡 30min , 之 后 再放 入 离 心 力 为 2600g 的 离 心 机 中 离 心 10min , 待离 心 完 成后 将 上 清 液 过 0. 45m 孔 径 滤器 并 提取 分 析 。 冷 水 浸 提 完 成 后 再 将 土 样 先 后 继 续 进 行 热 水 和 2mol L 1KCl 溶 液浸 提 , 浸 提 过 程与 冷 水 浸 提 过 程 类 似 , 热 水 浸 提 须 将 土 样 放 入 80 热 水 中 恒 温
31、放 置 18h 后进 行 提 取 。 所 有 滤 液 中 的 有 机 碳 含 量 测 定 均 在 总 有 机 碳 分 析 仪 (TOC-VcpH , Shimadzu 公 司 , 日本 上 进 行 。 土 壤 全 碳 、 全 氮 含 量 采 用 碳 氮 元 素 分 析 仪 (Vario Max , Elementar 公 司 , 德 国 测定 ; pH 值 采 用 电 位 法 测 量 ; 土壤 密 度 采 用 环 刀 法 测定 。 为 分 析 土 壤 温 度 和 土 壤 湿 度 对 土 壤 呼 吸 的 影 响 , 分 别选择 双 因 素 关 系模 型 和 单 因 素 关 系模 型进 行 拟 合 :R =a e bT W c ; R =a e bT ; R =aW b 。式 中 :R 为 土壤 呼 吸 速 率 ; T 为 10cm 深 处 土 壤 温 度 , W 为 0 12cm 土层土壤含 水 量 , a , b 和 c 为 待 定 参 数 。Q10值 采 用指 数 关 系模 型 Q10=e 10b 进行 计 算 。 以 每 月 测定 的 土壤 呼 吸 速率 代表 该 月 平 均土壤 呼 吸 速率 , 通 过 累 加计 算 求 得 当 年 土壤 呼 吸 年 通 量 。 采 用 重 复 测 量 方 差 分 析
