地被物載量和密實度對3種林型土壤呼吸的影響

李飛 趙彬清 周曉霞 劉婉云 胡海清 孫龍

摘要：森林火災改變林下死地被物床層結構，而死地被物床層結構又通過影響地被物溫濕度和土壤理化性質等，進而影響土壤呼吸速率。而這到底對土壤呼吸影響多大目前還說不清楚。因此，本實驗于2013年8～11月，在哈爾濱市城市林業示范基地研究了3種主要人工林型（白樺林、興安落葉松林和蒙古櫟林）死地被物層床層結構特點，并連續監測了不同床層結構下，3種林型8～11月各月份土壤呼吸速率。結果表明死地被物床層結構對土壤呼吸有顯著的影響。3種林型各載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，地被可燃物載量處理對土壤呼吸影響顯著。其中白樺林9月份差異變化最顯著，蒙古櫟林8月份差異變化最顯著，興安落葉松林8月份差異變化最顯著。3種林型各密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態>全部清除地被可燃物，地被可燃物密實度處理對土壤呼吸影響顯著。其中白樺林9月份差異變化最顯著，蒙古櫟林8月份差異變化最顯著，興安落葉松林10月份差異變化最顯著。研究結果為進一步開展科學的森林地被可燃物管理以及計劃火燒對森林生態系統的影響提供科學依據。

關鍵詞：地被物可燃物；床層結構；土壤呼吸；載量

中圖分類號：S714

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0038-04

全面了解土壤呼吸釋放C0₂到大氣中的變化規律以及調控因子，對理解和預測未來全球氣候變化具有重要的意義。目前，在土壤呼吸調控因子方面研究的比較深刻和透徹。許多研究表明，土壤呼吸和溫度之間有明顯的相關關系，如線性關系，指數關系和Arrhenius方程等。一般認為，土壤溫度是土壤呼吸的主要調控因子；干旱半干旱地區，土壤水分往往取代土壤溫度成為土壤呼吸的主要控制因子。土壤呼吸速率與土壤濕度之間的關系也可用多種方程函數來表示，常用的有線性方程、二次方程和雙曲線方程等；此外降水，土壤有機酸、氮含量，植被類型等對土壤呼吸也有顯著地影響。死地被物層是森林土壤中最重要的一部分，它綜合影響著地被物的濕度，土壤理化性質等。然而，地被可燃物床層結構變化對土壤呼吸影響也是很大的，但是目前這方面關注的還很有限。研究并揭示森林采伐、集材運材、跡地清理等森林作業對土壤呼吸的影響及其作用機理，對改善人為擾動對森林生態系統的負面影響、減少C02釋放，提高林地生產力和林地更新質量有重要理論價值和實際意義。研究表明皆伐后地被可燃物結構改變，林地表層土壤溫度明顯升高。壓實主要造成土壤容重和機械阻力增加，土壤通氣性、持水性和滲透性降，土壤內化學元素吸收受到限制，進而影響植物正常生長。同時壓實還降低土壤微生物活性和土壤表面CO₂釋放速率。

北方林區是我國森林火災的多發地區，森林火災在很大程度上改變了森林死地被物床層結構，進而對森林生態系統的結構和功能都產生了不同程度的影響。因此，本實驗選擇哈爾濱市城市林業示范基地的白樺（Betula platyphylla）林，興安落葉松（Larix gmelini）林，蒙古櫟（Quercus mongolica）林三種林分作為研究對象，研究人為處理條件下地被可燃物物層床層結構對土壤呼吸速率的影響，為進一步加深理解計劃火燒后可燃物床層結構的變化對生態系統的影響提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

哈爾濱城市林業示范基地位于黑龍江省哈爾濱市南崗區，經緯度：45°43'463"～45°43'464"N，126°37'457"～126°7'458"E，地形平緩，土壤為地帶性黑鈣土，水分條件良好，屬于溫帶季風性氣候，年平均氣溫3.5℃，年積溫2.757℃，年降水量534mm。本研究地點位于該區白樺（Betulaplatyphylla）林，興安落葉松（Larix gmelini）林，蒙古櫟（Quercus mongolica）林內。

1.2 研究方法

于2013年8～11月，用LI-6400光合作用分析儀（配帶土壤呼吸室）對白樺林，興安落葉松林，蒙古櫟林進行土壤呼吸測定，兩周一次，同時測定了土壤5cm溫度。對死地被物層進行控制，8月份在3種林分內分別進行載量調查，確定各林分內自然狀態下地被可燃物載量。進一步依據自然狀態下森林地被物載量特征，設置為地被可燃物全部去除，地被可燃物去除50%，自然狀態下載量等3種處理模式，定期監測土壤呼吸。同時設置樣方對林下死地被物層密實度進行處理，在3種林分內設置自然狀態，壓實處理以及全部清除地被物等3種處理，同步檢測土壤呼吸動態變化。

1.3 數據統計和分析

本試驗采用Microsoft Excel 2003對數據進行處理，并用SPSS16.0對結果進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 地被可燃物床層結構的量化

本次試驗對死地被物層床層結構量化主要考慮地被物載量和密實度2個指標。研究中通過前期測定進行死地被物層載量和密實度梯度設置。自然狀態下死地被可燃物床層量化見表1。

2.2 3種林型地被可燃物載量對土壤呼吸的影響

根據野外測得的數據分析得出，白樺林8～11月份3種載量處理模式下土壤呼吸動態變化如圖1所示。自然狀態載量處理下土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率達最大值為6.59μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%處理下土壤呼吸速率先升高后降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為3.17μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除處理下土壤呼吸速率一直降低，8月份土壤呼吸速率達最大值為2.31μmol/㎡·s。3種載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中9月份和10月份不同處理導致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

蒙古櫟林8～11月份3種載量處理模式下土壤呼吸動態變化如圖2所示。自然狀態載量處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達最小值為3.42μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達最小值為2.37μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除處理下土壤呼吸速率先持平后下降，10月份土壤呼吸速率持平為1.90μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為1.21μmol/㎡·s。3種載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中8月份不同處理導致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

興安落葉松林8月N11月份3種載量處理模式下土壤呼吸動態變化如圖3所示。自然狀態載量處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，8月份土壤呼吸速率達最大值為4.64μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為1.56μmol/㎡·s。地被可燃物清除50%處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率達最大值為2.36μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為1.28μmol/㎡·s。地被可燃物全部清除土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率達最大值為1.20μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達最小值為0.67μmol/㎡·s。3種載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，其中8月份和10月份不同處理導致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

3種林型各載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，可以認為地被可燃物載量處理對土壤呼吸影響顯著。

2.3 3種林型地被可燃物密實度對土壤呼吸的影響

根據野外測得的數據分析得出，白樺林8～11月份3種密實度處理模式下土壤呼吸動態變化如圖4所示。壓實處理下土壤呼吸速率先升高后降低，9月份土壤呼吸速率達到最大值為6.86μmol/㎡·s。自然狀態處理下土壤呼吸速率先升高后降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為4.00μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物處理下土壤呼吸速率一直降低，8月份土壤呼吸速率達到最大值為1.41μmol/㎡·s。除8月份壓實處理下土壤呼吸速率略低于自然狀態下土壤呼吸速率外，其他各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態>全部清除地被可燃物，其中9月份和10月份不同密實度處理導致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

蒙古櫟林8月～11月份3種密實度處理模式下土壤呼吸動態變化如圖5所示。壓實處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達到最小值為2.10μmol/㎡·s。自然狀態處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達到最小值為1.34μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物處理下土壤呼吸速率先降低后升高，10月份土壤呼吸速率達到最小值為1.11μmol/㎡·s₀3種密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態>全部清除地被可燃物，其中8月份和11月份不同密實度處理導致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

興安落葉松林8月～11月份3種密實度處理模式下土壤呼吸動態變化如圖6所示。壓實處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為3.70 μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達到最小值為1.65μmol/㎡·s。自然狀態處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，10月份土壤呼吸速率達到最大值為2.41μmol/㎡.s，9月份土壤呼吸速率達到最小值為1.40μmol/㎡·s。全部清除地被可燃物處理下土壤呼吸速率先降低后升高再降低，8月份土壤呼吸速率達到最大值為1.81μmol/㎡·s，11月份土壤呼吸速率達到最小值為0.79μmol/㎡·s。3種密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態>全部清除地被可燃物，其中10月份不同密實度處理導致土壤呼吸速率變化差異最顯著。

3種林型各密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態>全部清除地被可燃物，可以認為地被可燃物密實度處理對土壤呼吸影響顯著。

3 結論與討論

白樺林8月～11月份土壤呼吸速率先升高后降低，蒙古櫟林8月～11月份土壤呼吸速率先降低后升高，興安落葉松林8月～11月份土壤呼吸速率先降低后升高再降低。3種林型相似溫濕度變化下土壤呼吸變化趨勢明顯不同，說明溫度、濕度及其相互作用與土壤呼吸速率變化相關性擬合不好。本文認為導致不同林型土壤呼吸與各自土壤溫濕度關系不夠密切的原因在于實驗林場的人為干擾較強烈和受城市效應的影響，使得其他影響因素在土壤呼吸測定中成為主要影響因素，從而影響了土壤呼吸與土壤溫濕度的相關性。

但3種林型各載量處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足自然狀態載量處理>地被可燃物清除50%>地被可燃物全部清除，可以認為地被可燃物載量處理對土壤呼吸影響顯著。土壤表層凋落物的聚集會使土壤表層釋放CO₂量增加。3種林型各密實度處理模式下，各月份土壤呼吸速率均滿足壓實處理>自然狀態>全部清除地被可燃物，地被可燃物密實度處理對土壤呼吸影響顯著。有研究表明，壓實使土壤生產力大大下降，土壤呼吸產生的CO₂不能及時釋放出來。本文認為壓實處理監測得出數據與相關研究出現差異的原因在于壓實程度的不一致，較輕微程度的凋落物壓實處理有助于土壤呼吸CO₂的釋放。