林火干擾對土壤呼吸的影響研究

王飛龍

摘 要：林火是森林生態系統碳收支平衡的重要干擾因子，與森林生態系統的植被類型、結構、地表腐殖質層和土壤理化性質等密切相關。林火破壞了森林生態系統碳平衡和碳分配格局，對土壤溫度、土壤含水量、植物根系及土壤微生物活性亦產生重大的影響，是導致土壤碳儲量動態變化的重要因子。火干擾所排放的含碳氣體對物質循環、能量流動和信息傳遞具有重要影響，進而影響森林生態系統的碳平衡及氣候變化，從而對土壤呼吸速率產生重要影響。目前，國內外有關土壤呼吸的研究主要集中在林木生長季節，火干擾條件下非生長季土壤呼吸的定量描述及影響機理對科學評價和預測林火對土壤呼吸的影響具有重要的作用。

關鍵詞：林火干擾；土壤呼吸；影響

1 國內研究現狀

我國對土壤呼吸的研究開展得較晚，早期有對農田不同土地利用方式對土壤呼吸影響的研究，近些年來的研究涉及到了森林、草原、凍原和沙漠等多種不同類型的生態系統，特別是對草原生態系統的研究較多，研究內容由對不同生態系統土壤通量的簡單估算逐漸轉移到影響土壤呼吸的環境因素、土壤呼吸的調控機理、土壤呼吸對不同干擾因子的響應等問題上來，研究內容越來越豐富，研究的問題也越來越深入。

近年來，森林、草原、凍原和沙漠等多種不同類型生態系統土壤呼吸的研究不斷開展。有專家通過量化北方森林土壤呼吸和木質殘體分解釋放出的CO2，得出土壤呼吸和木質殘體分解釋放的CO2通量是北方森林生態系統輸入大氣圈的最主要的碳源，北方森林生態系統中植物根系自養呼吸對土壤總呼吸的貢獻率平均值為32%，變動范圍為2%～60%；也有專家利用Li-Cor6400-09土壤呼吸測量系統對我國亞熱帶地區3種主要林型的土壤呼吸進行了測定，得出土壤呼吸速率日變化在11：00～12：00達到峰值，1：00～3：00最小；季節變化中，7、8月達到峰值，12月和翌年1月最小。還有專家對長白山高山苔原季節性雪斑土壤呼吸對溫度的響應研究發現：從海拔2036m到2260m，積雪期土壤呼吸分別占全年的42.5%（125.4gC·m-2·a-1）和49.7%（128.7gC·m-2·a-1），升溫后，平均增加的呼吸量為22.65gC·m-2·a-1，而冬季呼吸量則減少10.81gC·m-2·a-1。有人分析了土壤性狀對沙漠逆轉過程的響應。也有人研究了高寒草甸冬季碳排放特征及其對溫度的敏感性，得出溫度是高寒草地冬季土壤呼吸的主要控制因子，能解釋44%以上的呼吸速率變異。

2 國外發展狀況

國外對陸地生態系統土壤呼吸的研究較早，但主要針對農田土壤系統，土壤呼吸用于評價土壤肥力和土壤中生物的活動，然而其他類型生態系統的研究出現的較晚，主要集中在科技發達的歐洲和北美國家。目前，國外對土壤呼吸有了較多的研究，營林措施：采伐、灌溉、放牧等，溫室效應、大氣CO2濃度升高、N沉降等。有專家研究發現對樹木進行環割處理的1～2個月內，土壤呼吸速率迅速下降約50%。也有專家在美國大平原的草地中進行刈割和遮蔭處理的試驗中發現，刈割和遮蔭處理使土壤呼吸在一周內降低了近70%。還有專家研究表明在23℃時土壤微生物呼吸速率最大。在根呼吸方面，當土壤溫度較低時，土壤呼吸速率主要受生物化學反應的限制，根呼吸也是隨著溫度的升高呈指數增加，而當溫度較高時，那些主要依賴擴散運輸的代謝底物和代謝產物（如糖類、O2、CO2等）就成了限制土壤呼吸速率的主要因子，有關土壤呼吸各組分所占的比例的研究表明，林木根系呼吸對土壤呼吸的貢獻率大約為5%～90%，主要集中在40%～60%，其他主要為土壤中異養微生物的呼吸作用對土壤呼吸的貢獻，這種巨大的差異與森林類型、林木生長階段、測定季節、測定時間、測定方法等密切相關，在北方森林生態系統中植物根系呼吸占土壤呼吸的50%～93%，溫帶森林生態系統中占33%～62%，熱帶森林生態系統中所占的比例較低。土壤呼吸速率對全球變化背景下的響應也成為國外有關土壤呼吸研究的熱點，CO2濃度升高后會促進生態系統凈初級生產力（NPP）和根系生物量的增加，根系生物量的增加必然導致根系自養呼吸量的提高，同時，NPP的增加亦導致陸地生態系統碳庫儲量的增加，從而使土壤呼吸碳排放增加，有專家研究分析得出，高濃度CO2使植物地下部分生物量增加了31.6%，細根生物量增加了96%，同時使細根周轉率增加，但在總的細根呼吸升高的同時，高濃度CO2可以導致單位根呼吸速率下降，這通常與細根氮含量的降低及儲存的碳含量的增加有關。

3 火燒研究狀況

1997年有專家采用密閉式靜態氣室法測定了不同歷史時期火燒樣地的土壤呼吸，測定的林型為落葉松林，土壤類型為沙壤土。重度火燒樣地內林木全部燒死，凋落物與地表植物全部燒光，其他一些草本和灌木植物已開始更新；中度火燒樣地內林木部分燒死，凋落物與地表植物全部燒光；輕度火燒樣地內林木受影響不大，凋落物與地表植物部分燒光。研究結果表明：重度火燒樣地的土壤呼吸<中度火燒樣地的土壤呼吸<對照樣地的土壤呼吸，其土壤呼吸速率分別為：1.07～1.5μmol·m-2·s-1、2.25μmol·m-2·s-1和4.16～4.2μmol·m-2·s-1，且林木根系對土壤呼吸的貢獻要大于其他植物、微生物及土壤動物對土壤呼吸的貢獻，林木根系對土壤呼吸的貢獻率在50%以上。有專家在我國大興安嶺地區利用Li-Cor8100土壤呼吸測量系統測量不同強度火干擾對大興安嶺落葉松林土壤呼吸的影響也得到相同的結論：在植物生長季節，土壤呼吸速率隨著火燒強度的增大而減小，過火樣地土壤呼吸速率平均值（3.25～4.36μmol·m-2·s-1）均小于對照樣地（5.13μmol·m-2·s-1），自養呼吸生長季平均值則呈現相似的趨勢，過火樣地（0.46～1.39μmol·m-2·s-1）同樣均小于對照樣地（1.59μmol·m-2·s-1）。

國外有專家采用微氣象法，研究了加拿大西部火干擾對北方森林生態系統恢復過程中土壤呼吸的影響，結果發現：火干擾使森林生態系統在恢復過程中土壤呼吸速率降低，在火后10～30年土壤呼吸速率恢復到火干擾前的水平。也有專家采用同樣的方法，在估算Alaska火燒跡地CO2釋放量時也發現，森林生態系統的固碳能力隨著火燒強度的增加而降低，火燒樣地的固碳能力小于未經火燒對照樣地。

還有專家采用密閉式動態氣室法利用土壤呼吸測量系統測定了火災后典型草原、森林生態系統碳儲量、土壤呼吸速率及微生物生物量，分析結果表明：在火干擾影響下，不同樣地土壤呼吸速率差異較大，輕度火干擾下土壤呼吸速率要大于重度火干擾下的土壤呼吸速率，原因為大量的碳在火燒過程中流失，大約有20%的凈初級生產力以CO2的形式釋放到大氣中，導致火燒后土壤呼吸速率減小。

參考文獻

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