桂西南石漠化區(qū)蜆木林土壤呼吸空間變異研究

申文輝, 鄭威, 何琴飛, 何峰

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桂西南石漠化區(qū)蜆木林土壤呼吸空間變異研究

申文輝, 鄭威*, 何琴飛, 何峰

廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院, 南寧 530002

通過對石漠化區(qū)蜆木林土壤呼吸及其影響因子的測定和分析, 研究蜆木林土壤呼吸的空間變異性。結果表明: 隨取樣面積增大, 土壤呼吸速率變異系數(shù)從25.64%增至48.48%; 土壤呼吸空間變異幅度為46.84%, 高于其他環(huán)境因子, 土壤溫度和pH變異幅度最小。土壤呼吸僅與土壤溫度間存在顯著相關關系, 與其他因子無顯著相關性。在95%置信水平、85%估計精度下, 蜆木林土壤呼吸測定取樣需大于37個, 而土壤溫度、土壤pH僅需1個取樣即可, 樣本容量計算可明顯降低取樣工作量。

土壤呼吸; 空間變異; 石漠化區(qū); 蜆木林

1 前言

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)至大氣系統(tǒng)的第二大碳通量[1], 在維系大氣—陸地碳平衡中有著重要作用, 土壤呼吸的波動可能會引起大氣CO2濃度的響應, 進而影響全球氣候變化進程。因此, 對土壤呼吸的精確測定成為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容。土壤呼吸受土壤溫度、水分[2]、pH值[3]、土壤基質(zhì)[4]和降雨[5]、植被類型、地形因子等眾多因子影響, 在不同空間尺度上均表現(xiàn)極強的空間變異, 為準確測算生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸帶來困難。

蜆木為常綠高大喬木, 是桂西南石漠化區(qū)廣泛分布的特有原生植物和建群樹種, 其與肥牛樹、金絲李等構成了最具代表性的石灰?guī)r季節(jié)性雨林頂級演替群落[6]。由于歷史人為破壞, 蜆木林分布面積大量減少, 對于蜆木林保護和研究工作成為桂西南石漠化區(qū)生態(tài)修復的重要任務。目前, 對蜆木林生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在其生物學特性[6–7], 種群結構、動態(tài)和發(fā)育[8–9], 群落多樣性[10]等方向, 而生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動等功能過程的研究涉及很少, 未能充分闡明這一頂極演替群落的生態(tài)過程及服務價值。

石漠化是我國當前面臨的重要環(huán)境威脅, 面積達1200萬公頃, 是區(qū)域碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容。本文選擇在桂西南石漠化重災區(qū)開展蜆木林土壤呼吸空間變異的研究, 主要目的在于揭示蜆木土壤呼吸及相關環(huán)境因子的空間變異性, 探索土壤呼吸空間變異的控制因子, 為蜆木林碳循環(huán)研究提供基礎數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

試驗地位于廣西龍州縣境內(nèi)的弄崗國家級自然保護區(qū)弄崗片區(qū), 保護區(qū)年平均氣溫約22 ℃, 年積溫7400—7800 ℃; 年均降雨量1200—1500 mm, 集中于5—9月(占76%), 平均風速0.8—1.4 m·s–1。蜆木林林地土壤類型有原始石灰土、黑色石灰土、棕色石灰土、水化棕色石灰土及淋溶紅色石灰土。

試驗用蜆木林地理位置為東經(jīng)106°56￠372, 北緯22°27￠532, 為1979年劃定為自然保護區(qū)后自然演替至今的林分。在林地內(nèi)設置6個20 m×20 m樣方, 記錄其坡度、坡向、坡位等地理因子, 對其中林木(胸徑>5 cm)進行每木檢尺。樣地基本概況如下:

2.2 研究方法

2.2.1 土壤呼吸測量

土壤呼吸速率()測定時間為2014年11月24—25日, 所用儀器為LI-8100便攜式碳通量測定系統(tǒng)。在每個樣方內(nèi)隨機設置10個土壤呼吸測定點, 測定點位于蜆木樹干2 m半徑范圍內(nèi)。測定前1個月安放PVC基座(Φ21 cm×H8 cm)并插入土壤4 cm左右, 測定前1天將基座內(nèi)的綠色植物齊地剪掉。每個測定點測定3個循環(huán), 取平均值, 整個樣地內(nèi)共計獲得60個土壤呼吸觀測值。

2.2.2 環(huán)境因子測定

采用Li-8100-201 Omega、Li-8100-202同步測定各測定點5 cm處的土壤溫度()、濕度()。土壤取樣在當天進行, 在距土壤呼吸環(huán)外壁15 cm范圍內(nèi)品字形取樣并混合, 取樣深度依土層厚度而定(<20 cm), 測定pH值、有機碳(C)、速效氮(N)、速效磷(P)和交換性鈣(Ca), 土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定, 有機質(zhì)至有機碳換算系數(shù)按1.9; 速效氮測定采用氫氧化鈉堿解擴散法; 速效磷采用碳酸氫鈉法; pH值采用電位法測定; 土壤容重采用環(huán)刀法測定。

2.2.3 數(shù)值計算與分析

本研究中土壤呼吸變異性包含樣點、樣方和樣地3個尺度, 樣點尺度基于單個測定點, 樣方尺度基于單個樣方內(nèi)測定點; 樣地尺度指基于樣地內(nèi)所有測定點。采用單因素方差分析和LSD多重比較檢驗不同樣方、坡位、坡度等條件下, 林木平均胸徑、平均樹高、土壤呼吸、土壤溫度、土壤濕度等因子的差異性。土壤呼吸影響因子與土壤呼吸間相關關系采用Pearson相關分析法。采用主成分分析法提取環(huán)境因子, 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析用SPSS13.0軟件, 用Sigmaplot 10.0軟件作圖。采用以下公式確定取樣樣品量:

=22/2

式中:代表合理的樣本容量, Z代表置信水平下的系數(shù),為樣品標準差,代表試驗允許的誤差。

表1 樣地基本概況

3 結果與分析

3.1 不同取樣面積的土壤呼吸變異

從圖1可以看出, 隨著樣方面積的增大, 土壤呼吸速率的變異系數(shù)也隨之增大, 其中從3個樣方面積增至4個樣方面積時, 土壤呼吸變異快速增加, 原因可能在于樣方4的土壤呼吸速率顯著小于其他樣方所引起。

在樣地尺度上, 土壤呼吸變異幅度最高, 達48.48%, 其次為Ca、P、,、pH變異最小。在樣方尺度上, 各樣方內(nèi)土壤呼吸變異范圍為16.72%—50.57%, 差別較大;、pH因子在樣方內(nèi)變異很小。多數(shù)情況下, 樣地尺度上土壤呼吸及各因子變異系數(shù)高于樣方尺度。

表2 土壤呼吸及其影響因子的均值及變異系數(shù)

注: 表中字母的異同代表該因子在不同樣方間是否存在顯著性差異。

3.2 土壤呼吸在地形因子上的變異

圖2所示為土壤呼吸速率在不同地形因子上的變異。土壤呼吸變異在下、中坡位差異不大, 但在坡向、坡度上變異幅度不一致, 其中在坡向207°、坡度45°上變異較大, 其所對應樣方為4、5、6號。

3.3 土壤呼吸與其影響因子的相關關系

在樣地尺度上, 土壤呼吸與5cm土壤溫度間存在極顯著相關性(表3), 但與其他因子間均無顯著相關關系, 因子間也無顯著相關性。樣方尺度上, 樣方2和樣方3內(nèi)的土壤呼吸和5 cm處土壤溫度存在顯著性相關, 與其他因子均無顯著相關性。

3.4 蜆木林環(huán)境因子的降維處理

對蜆木林環(huán)境因子進行主成分分析(表4), 取特征值大于1的為主成分, 前3個主成分累計占到總方差的72.28%, 表明前3個主成分反映了72.28%的環(huán)境因子信息。第1主成分主要反映了C、N、Ca、pH等土壤基質(zhì)信息, 第2主成分反映的則是土壤濕度、速效磷, 第3主成分反了了土壤溫度、濕度。

表3 土壤呼吸及其影響因子相關關系表

表4 主成分分析表

3.5 合理樣本量的確定

由于各指標的空間變異程度不同, 在同一置信水平和測定精度下, 各指標的最小采用樣本量大小不同(表5), 土壤呼吸變異系數(shù)最大, 其最小取樣樣本量也最大。土壤呼吸速率在95%置信水平、85%估計精度下需取樣37個, P、Ca需取樣12、15個, 土壤溫度和pH值少量取樣即可。

表5 不同置信水平和估算精度下的采樣數(shù)量

4 討論

在各種空間尺度上土壤呼吸均存在變異[11], 常用變異系數(shù)進行描述。不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的空間變異也不相同, 變異系數(shù)多在20%—60%間[12], 本研究中土壤呼吸變異系數(shù)為48.48%, 但高于所測得環(huán)境因子的變異。

土壤溫濕度、基質(zhì)供應是土壤呼吸的重要控制因素[13], 但在本研究中, 土壤呼吸僅與土壤溫度存在顯著相關性, 與其他因子均無顯著相關性。在大尺度上土壤呼吸與土壤溫度的關系比較明顯, 而在樣地尺度上, 雖然可建立與土壤呼吸間的回歸方程, 但因土壤溫度的空間變異通常很小而難以應用。土壤濕度對土壤呼吸控制作用主要表現(xiàn)在極高或極低的脅迫情景下[14], 研究地林分郁閉度很高, 林下土壤濕度為(0.15±0.03) m–3·m–3, 處于適宜水平, 因而也不是土壤呼吸的控制因子。

地形因子的變化會引起光照、植被等因子隨之變化, 4、5、6號樣方所在的坡向、坡度下土壤呼吸速率變異較高, 原因可能在于其坡位正面朝陽, 太陽直射時間長, 生物多樣性高, 同時坡度較大使得土壤更難存留, 異質(zhì)性更高所引起。

土壤呼吸主要由土壤微生物和根系的代謝過程所產(chǎn)生, N、P、Ca等基質(zhì)供給的差異可能會引起土壤呼吸的差異。有研究發(fā)現(xiàn)土壤呼吸與土壤有機碳[15]、全氮[12]含量顯著相關, 但在本研究中土壤呼吸與土壤養(yǎng)分含量間無顯著相關性, 說明樣地尺度上土壤呼吸的變異原因的復雜性。在針葉林和楊樹人工林相關研究表明細根與土壤呼吸相似的空間異質(zhì)性[16–17], 因此, 細根生物量的差異可能是引起土壤呼吸空間異質(zhì)性的原因所在。

試驗中更多取樣量意味著更高的測定精度, 但需要更多的人力、物力及時間, 因此確定合理的取樣量有著重要意義, 需要在工作量和精確性上做出取舍。在研究中在95%置信水平和95%的精度要求下, 土壤呼吸的取樣量高達337個, 現(xiàn)實中受時間所限無法達到, 因此需要降低精確性要求。而土壤溫度和pH則需要樣本量極小, 無需過多取樣, 因此在研究中可采取合理的采樣策略以達到最優(yōu)結果。

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Spatial variation of soil respiration inforest in karst area in southwestern Guangxi, China

SHEN Wenhui, ZHENG Wei*, HE Qinfei, HE feng

Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530002, China

Soil respiration has obvious spatial variation in different scale. The soil respiration and its control factors were measured to detect the soil spatial variation in anforest in karst area. The results show that soil respiration rate has the largest variable coefficients than the other environment factors; pH and temperature of soil have the smallest variable coefficients. Soil respiration has the significant relationship with soil temperature, and no significant relationship with the other factors. To satisfying a 95% confidence level and 85% sampling precision, there are 37 samples needed to be measured for soil respiration at least, and only 1 samples for soil temperature and pH respectively. The calculation of sample capacity can reduce the sampling work in future.

soil respiration; spatial variation; karst area;forest

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.012

S718.55

A

1008-8873(2017)02-082-05

2015-09-28;

2015-10-20

廣西林業(yè)科技重大項目(桂林科字［2014］第2號); 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室自主課題(14-A-04-02); 廣西科技廳基本業(yè)務費項目(林科201413號)

申文輝(1972—), 男, 湖南常德人, 教授級高工, 主要從事森林培育研究, E-mail:shenwenhui2003@163.com

鄭威, 男, 博士, 高級工程師, 主要從事森林生態(tài)學研究, E-mail: zhengwei8686@163.com

申文輝, 鄭威, 何琴飛, 等. 桂西南石漠化區(qū)蜆木林土壤呼吸空間變異研究[J]. 生態(tài)科學, 2017, 36(2): 82-86.

SHEN Wenhui, ZHENG Wei, HE Qinfei, et al. Spatial variation of soil respiration inforest in karst area in southwestern Guangxi, China[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 82-86.