合肥市森林土壤呼吸特点及其影响因子

安徽农业大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 3 ) ： 3 9 3 - 3 9 6 J o u r n a l o f An h u i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y 合肥 市森林土壤 呼吸特点及 其影响 因子 周海莲 ， 孙 刚， 张 凯， 徐小牛 ( 安徽农业大学林学与园林学院， 合肥 2 3 0 0 3 6 ) 摘要： 对合肥市安徽农业大学校园水杉林和蜀山森林公园马尾松林土壤呼吸进行比较研究， 揭示了两林分 土壤呼吸与气温、 地温、 土壤含水量等影响因子之间的关系。位于市区的安徽农业大学校 园水杉林土壤呼吸速率 日均值 为0 8 O 1 5 9 tL m o l m s ， 近郊森林公 园的马尾松 林为 0 8 54 4 9 ix m o l m s ； 两林 分的土壤 呼吸 存在显著 差异 ( P 0 0 0 0 1 ) 。 关键词 ： 土壤 呼吸； 土壤水分 ； 温度 ； 城市环境 ； 城 市森林 中图分类号： $ 7 3 1 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 2 - 3 5 2 X( 2 0 0 9 ) 0 3 - 0 3 9 3 - 0 4 So i l r e s pi r a t i o n a n d i t s c o nt r o l l i n g f a c t o r s o f u r b a n f o r e s t e c o s y s t e m i n He f e i ZHOU Ha l l i a n， S UN Ga n g， ZHANG Ka i ， XU Xi a o ni u ( S c h o o l o f F o r e s t r y a n d L a n d s c a p e A r c h i t e c t u r e ， A n h u i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， H e f e i 2 3 0 0 3 6 ) Ab s t r a c t： I n o r d e r t o r e v e a l t he r e l a t i o n s hi ps b e t we e n s o i l r e s p i r a t i o n r a t e a n d a i r t e mpe r a t u r e，s o i l t e mpe r a t u r e a n d mo i s t u r e，a n e x p e r i me n t wa s c o n du c t e d t o i n v e s t i g a t e t he c h a r a c t e ris t i c s o f u r b a n s o i l r e s p i r a t i o n u n de r Me t as e q u o i a gl y p t o s t r o b oi de s a n d Pi nu s ma s s o ni a na s t a n d s g r o wi n g o n un i v e r s i t y c a mp us a n d s u bu r b a n f o r e s t p a r k i n He f e i ， r e s p e c t i v e l y T h e r e s u l t s h o w e d t h a t t h e d a i l y a v e r a g e r a t e s o f s o i l r e s p i r a t i o n we r e ， r e s p e c t i v e l y ， 0 8 0 1 5 9 a n d 0 8 54 4 9 mo 卜m s u nd e r Me t as e q u o i a gl y pt o s t r o b o i d e s a n d Pi nu s ma s s o ni an a s t a n d s T he r e e x i s t e d s i g ni fic a n t d i f f e r e n c e s i n s o i l r e s p i r a t i o n b e t we e n t he t wo f o r e s t s t a nd s Ke y wo r d s： s o i l r e s p i r a t i o n； s o i l mo i s t u r e； t e mp e r a t u r e； u r b a n e n v i r o n me n t ； u r b a n f o r e s t 土壤呼吸作为土壤碳 的主要输出途径和重要的 大气 C O ： 源， 对其进行精确测定 已成为全球变化研 究 中的关键问题之一。土壤呼吸及其影响因素的研 究， 是预算全球碳素平衡和变化潜在效应的基础， 并 且在 目前全球温暖化的背景下 ， 土壤呼吸与温室效 应之间正反馈关系势必影响到未来陆地生态系统功 能与全球变化的趋势。土壤呼吸是指土壤释放 C O 的过程 ， 它包括植 物根系呼吸和异养呼吸 ( 土壤 微生物及土壤动物 呼吸 ) 。影响土壤 呼吸的 因素很 多， 概括起来包括生物因素和非生物因素两大方面， 其温度被认为是控制土壤呼吸的主要因素。有关土 壤呼吸的研究已有较多报道 ， 但是就城市森林土 壤呼吸的研究却很少 。作者就合肥城市森林土壤的 呼吸特点进行研究 ， 旨在探讨 城市森林土壤呼吸的 主要控制因素。 1 试验地概 况 本试验选择位于市区的安徽农业大学校 园水杉 ( Me t a s e q u o i a g l y p t o s t r o b o i d e s H u e t C h e n g ) 片林 和 近郊 蜀 山森 林 公 园 的 马尾 松 ( P i n u s ma s s o n i a n a L a m b ) 林为研究对象， 设置固定样地 ( 1 0 m1 0 m) 。水杉林位 于校 园南侧 ， 靠 近长江西路 ， 林地凋 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 3 - 1 3 基金项目： 国家自然科学基金项 目( 3 0 7 7 1 7 1 9 ) 资助。 作者简介： 周海莲( 1 9 8 1 一 ) ， 女 ， 硕士研究生； 徐小牛( 1 9 6 1 一 ) ， 男， 博士， 教授， 博士生导师。 通讯作者( C o r r e s p o n d i n g a u t h o r ) E m a i l ： x n x u 6 1 y a h o o t o m c l l 3 9 4 安徽农业大学学报 2 0 0 9正 落物层明显但不发达 ， 林下植被仅有草本植物 ， 其覆 盖度约 8 0 ， 土壤呈弱碱性 。马尾松林位于西郊森 林公园大蜀山西北坡 中部 ， 系 2 0世纪 5 0年代末营 造的人工林 ， 近 2 0年来没有人为经营 ， 林下植被发 育较好 ， 特别是大量灌木生长 ， 并有草本植物 ， 凋落 物层发育较好 。土壤是辉长岩风化母质上发育起来 的黄棕壤， 土层较厚 ， 质地粘重 ， 呈弱酸性。 2 研 究方法 2 1 土壤呼吸的测定 于 2 0 0 8年 31 1月 ， 利用 L i 6 4 0 0 - 0 9土壤呼吸 仪定期测定土壤表面的 C O ：通量。测定时尽量选 取晴朗天气 ， 于观测前 1 天 ， 在试验地随机布置 5个 内径 1 0 8 c m、 高 4 5 e m的 P V C土壤环 ， 将土壤环 压入土中2 e m， 以减少布置土壤环对土壤环境的影 响。测定时每小时测 1 次， 5次重复， 取平均值。与 此同时 ， 用 L i - 6 4 0 0光合作用分析系统配带 的温度 探针测定 1 0 c m深的土壤温度 。多点取样测定土壤 1 0 c m深处的含水量。此外 ， 观测 期间在两林分 内 暑 g 糌 誊 g 吕 褂 皆 熊 菩 二 g 瓣 蚩 还布设了纽扣 自记温度计 ， 观测地表温度变化 。 2 2 数 据分 析 采用 O ffic e e x c e l 2 0 0 3 、 S P S S等软件处理数据 。 土壤呼吸速率与温度之间的关系采用指数模型模拟 R = o e加 ，R 为土壤呼吸速率 ， 为气温， 0为温度 为 0 时的土壤呼吸速率， b为温度反应系数。 3 结果与分析 3 1 土壤呼吸的日变化 在本试验期 间， 两林分土壤 呼吸的 E t 变化如图 1所示。安徽农业大学校园水杉林土壤 呼吸速率的 最大值E t 平均值出现于7月， 土壤呼吸速率基本上 随着测量时间变化呈上升趋势， 最大值出现在下午 1 6 ： 0 0 ， 其变化范围为 0 5 9 2 3 0 Ix m o l m s ； 日平均最低值出现在 3月， 其 日变化表现上升午后 略 有 下 降，变 化 幅 度 小 ( 0 3 8 0 9 5 Iz m o l m s ) 。 7月土壤呼吸速率的 E l 均值是 3月 的 1 9 6倍 。5月和 1 1 月的水杉林土壤呼吸值差不 多， 但 5月的变化幅度明显 比 1 1月要大。 g g 料 营 壹 篓 ； 吕 目 斟 营 琶 口 殳 崔 2 亏 们 董 鲁 专 刍 2 暑 口 0 11 _霜邑 2 1 0 力 叠 口 0 葛 一 d 窨 2 l 1 0 臣 ； 0 葛一 d s 2 一 1 0 3 6卷3期 周海莲等合肥市森林土壤呼吸特点及其影响因子 3 9 5 从整体上看 ， 蜀山马尾松林 土壤 呼吸速率 13均 值要比校园水杉林大。马尾松林土壤呼吸 日平均最 大值 出现在 5月 ， 最大瞬时值出现在早上 9时 ， 变化 范围为 2 5 75 6 7 g mo l m s ； 日均最低值 出 现在 3月 ， 其 日变 化基 本呈 上 升趋 势 ， 变 化 值为 0 7 7 0 9 1 mo 卜m s ； 5月土壤呼吸均值是 3 月的 4 9 8倍 。其次， 蜀 山马尾松林 土壤 呼吸在 1 1 月和 7月也较高， 1 1月 的 日变化不 明显 ， 而 7月整 体上呈现上升趋势， 但在午间出现低值。在观测的 一 年时 间里 ， 校 园水杉林 土壤 呼吸 速率 日均值 为 0 8 O 1 5 9 p , m o l m s ( 最低值在 3月份 ， 日平 均值为 0 8 0 p m o l m s ； 最 高值在 7月份 ， 日平 均值 为 1 5 9 p mo l m s ) ； 蜀 山马 尾 松林 为 0 8 5 4 4 9 p , m o l m s ( 最低值在 3月份 ， 日平 均值为 0 8 5 p mo l m s ； 最高值在 5月份 ， 日平 均值为 4 4 9 p , mo l m s 一) ， 统计分析显示两地土 壤呼吸速率差异显著 ( P 0 0 0 0 1 ) 。 g 口 趸墨 蒌 量 譬 球 3 2 土壤温度对土壤呼吸的影响 根据 同步测定 的土壤呼吸速率和土壤 1 0 c m温 度数据 ， 校 园水杉林 土壤呼吸速率与土壤温度呈显 著相关关系 I 8 J ， 拟合得到 ： = 0 3 0 4 7 e ( =0 7 1 3 ) 然而 ， 指数模 型不能很好地描述蜀山马尾松林 土壤呼吸与土壤温度的关系 ， 随着土壤温度的变化 ， 土壤呼吸变化不甚明显 ( 图 2 ) 。说明土壤温度是影 响水杉林土壤呼吸的主要 因素 ， 而蜀山马尾松林土 壤呼吸受土壤温度的影响较小。这可能与马尾松林 群落结构较复杂 ， 在季节周期 中土壤温度变化不甚 明显 ， 或许是根系呼吸影响 、 林下植物生长情况等因 素 ， 。 另外， 两林分土壤呼吸速率与地表土温之间没 有显著 的相关性 ( 图 3 ) 。表明地表温度不是影响城 市森林土壤呼吸速率 的主导因子。 吕 已 要 喜 嘉 譬 磷 图 2 水杉林 ( o) 和马尾松 林 ( ) 土壤 呼吸速率与土壤温度 的关系 F i g u r e 2 R e l a t i o n s h i p s b e t w e e n s o i l r e s p i r a t i o n a n d s o i l t e mp e r a t u r e i n Me t a s e q u o i a g l y p t o s t r o b o i d e s s t a n d( o )i n t h e f o r e s t p a r k and P i n u s ma s s o n i a n a s t a n d( )i n t h e u n i v e r s i t y c a m p u s 三 瓣 蕾 缎c - H 吾 誊 图 3 水杉林( O) 和 马尾松林( ) 土壤呼吸速率与地表土温的关系 F i gur e 3 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l r e s p i r a t i o n a n d s u Y f a c e s o i l t e m p e r a t u r e u n d e r Me t a s e q u o i a g l y p t o s t r o b o i d e s s t a n d( o)i n t l l e f 0 r - e s t p a r k a n d P i n u s ma s s o n i a n a s t a n d( )i n t h e u n i v e r s i t y c a m p u s 3 3 土壤含水量对土壤呼吸的影响 蜀山马尾松林土壤含水量远高于校园水杉林土 壤， 土壤呼吸前者也是大于后者， 但这并不能说明土 壤含水量和土壤呼吸的关系， 在整个生长季期间 ， 两 林分土壤含水量变化较小 ， 土壤含水量和土壤呼吸 不存在指数相关 ( 图 4 ) ， 二次方程能反映出两者之 害 H g 眉 d s 2 l 1 安徽农业大学学报 2 0 0 9焦 间的关系。相关关系不显著 ， 二次方程表达式如下。 校园水杉林 ： Y = 一0 05 2 3 x +2 3 4 0 6 x 一 2 4 5 0 7 R = 0 3 6 8 3 8 盘 重 量 j 巴 霭 莹 誉 鳢 f 蜀山马尾林 ： Y = 一0 0 0 4 7x +0 28 5 5x一2 0 88 7 R = 0 2 9 3 3 式中， y 表示土壤呼吸速率 ， 表示 1 0 c m土壤含水量。 0 1 0 2 03 0 4 0 5 土壤含水量， S o i l w a t e r c o n t e n t 图 4 水杉林 ( o ) 和马尾松 林( ) 土壤呼吸速率与土壤 含水量 的关 系 F i g u r e 4 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l r e s p i r a t i o n a n d s o i l w a t e r c o n t e n t u n d e r Me t a s e q u o i a g l y p t o s t r o b o i d e s s t a n d( o)i n t h e f o r e s t p a r k a n d P i n u s ma s s o n i a n a s t a n d( )i n t h e u n i v e r s i t y c a mp u s 4 小结与讨论 土壤呼吸具有强烈 的时空变异性 ， 其 中 13变 化也很剧烈。研究认为土壤呼吸的变化是由于气温 和地温的变化 引起 的 m ， 温度变化可能间接引 起土壤微生物和植物根系生理活性不同而导致土壤 呼吸速率的差异， 生物因素对土壤 C O 释放 的影响 也能导致土壤呼吸出现差异。许多研究得出土壤呼 吸和温度之间具有显著的相关性 ， 主要表现为线形 相关【 、 二次方程关系 和指数关系 。本研究 结果显示， 土壤呼吸随季节变化显著 ， 在 7月土壤温 度达到全年最高 ， 土壤微生物活性可能达到最大 ， 植 物光合作用处于全年最强时期 ， 使得校园水杉林土 壤呼吸速率达到全年最大值 ， 而蜀山马尾林则在 5 月份的呼吸值达到最大 ， 初步估计 由于蜀山林分资 源复杂， 微生物种类繁多， 此时微生物活动的影响大 于温度对土壤呼吸的影响 ； 在 1 年 的观测期 间可 以 发现水杉林土壤呼吸与土壤 1 0 c m温度存在一定 的 相关性 ， 而蜀山马尾松林则没有表现 出很明显 的相 关 ， 这说明土壤呼吸受控于多种 因素； 两林分土壤呼 吸与土壤含水量的关系不显著 ， 这表 明在 自然状态 下土壤水 分 不是 限制 该地 区土 壤 呼 吸的 主要 因 子 J ， 此结果与国内外 的部分研究结果相似。 参考文献 ： 1冯文婷， 邹晓明， 沙丽清， 等 哀牢山中山湿性常绿阔 叶林土壤呼吸季节和昼夜变化特征及影响因子比较 J 植物生态学报， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 1 - 3 9 2肖胜生， 叶功富， 郭瑞红， 等 不同林龄木麻黄人工林的 土壤呼吸比较分析 J 海峡科学， 2 0 0 8 ， 1 0 ( 2 ) ： 3 4 3 6 3张慧东， 周梅， 赵鹏武 ， 等 寒温带兴安落叶松林土壤 呼吸特征 J 林业科学， 2 0 0 8 ， 9 ( 4 4) ： 1 4 3 1 4 5 4王光军 ， 田大伦， 朱凡 ， 等 樟树人工林土壤呼吸的动态变 化 J 中南林业科技大学学报， 2 O 0 8 ， 4 ( 2 8 ) ： 1 1 8 1 2 2 5曹裕松， 李志安， 江远清， 等 陆地生态系统土壤呼吸研 究进展 J 江西农业大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 1 ) ： 1 3 8 1 4 3 6崔骁勇， 王艳芬 ， 杜占池 内蒙古典型草原主要植物群 落的初步研究 J 草地学报， 1 9 9 9 ， 7 ( 3 ) ： 2 4 5 2 5 0 7张东秋， 石培礼 ， 张宪洲 土壤呼吸主要影响因素的研 究进展 J 地球科学进展， 2 0 0 5 ， 2 0 ( 7 ) ： 7 7 8 - 7 8 5 8黄承才， 葛滢， 常杰， 等 中亚热带东部三种主要木本群 落土壤呼吸的研究 J 生态学报， 1 9 9 9 ， 1 9 ： 3 2 4 3 2 8 9L i e b i g M， D o r a n J W， G ard n e r J C E v a l u a t i o n o f a fi e l d t e s t k i t f o r m e a s u r i n g s e l e c t e d s o i l q u a l i t y i n d i c a t o r s f J A g ro J ， 1 9 9 6 ， 8 8 ( 4 ) ： 6 8 3 - 6 8 6 1 0 陈全胜 ， 李凌浩 ， 韩兴国，