兩種石漠化區退耕林型的土壤呼吸及模型模擬

鄭威, 何峰, 譚一波, 申文輝

廣西壯族自治區林業科學研究院，南寧 530002

兩種石漠化區退耕林型的土壤呼吸及模型模擬

鄭威*, 何峰, 譚一波, 申文輝

廣西壯族自治區林業科學研究院，南寧 530002

為了解石漠化區退耕還林林分的土壤呼吸動態及特征, 采用 Li-8100土壤碳通量測定系統對桂西石漠化區銀合歡、柚木退耕林的土壤呼吸進行測定。結果表明: 兩種林分土壤呼吸速率均呈現夏季高、冬季低的季節動態特征, 銀合歡和柚木林土壤呼吸年均值分別為(2.94±0.42)和(2.85±0.46) μmolCO2m-2·s-1, 土壤呼吸的季節動態主要由土壤溫度決定。基于日最低氣溫的單因子指數模型對兩種林分的土壤呼吸擁有良好擬合效果, 利用該模型計算得銀合歡林和柚木林的土壤呼吸年CO2通量分別為42.31和39.44 t·hm-2·a-1, 與同氣候帶森林土壤呼吸通量相近。

鄭威, 何峰, 譚一波, 等.兩種石漠化區退耕林型的土壤呼吸及模型模擬[J].生態科學, 2017, 36(5): 138-143.

ZHENG Wei, HE feng, TAN Yibo, et al.Soil respiration and model simulation for two plantation types belong to conversion of cropland to forest project in karst area[J].Ecological Science, 2017, 36(5): 138-143.

*通信作者:鄭威(1982—), 男, 河南林州人, 高級工程師, 主要從事森林生態學研究, E-mail:zhengwei8686@163.com

石漠化區; 退耕還林; 土壤呼吸; 銀合歡; 柚木

1 前言

土壤呼吸是土壤排放 CO2至大氣的過程[1], 為第二大陸地碳通量[2], 對維持大氣 CO2濃度有著重要作用, 在全球碳循環過程有著重要地位。石漠化區在我國陸地生態系統中占有重要比重, 但土壤呼吸的相關研究卻相對較少。丁訪軍等對我國黔中石漠化多種植被類型及演替類型的土壤呼吸及影響因子進行了研究[3-7], 胡樂寧等[8]研究了石漠化不同土壤類型的土壤呼吸, 但已有研究主要針對石漠化山地, 而關于石漠化區退耕還林的相關研究極為稀少,對于退耕林的土壤呼吸等碳循環過程認識極為欠缺,但由于我國退耕還林的巨大規模, 因此開展相關研究有著重要意義。

廣西石漠化區面積居全國第 3, 在我第一輪退耕還林中完成面積1481萬畝, 為廣西森林覆蓋率直接貢獻近4%[9], 成為區域碳循環及碳平衡動態研究的重要組成部分。本研究在桂西石漠化重災區, 以銀合歡、柚木退耕林分為對象, 測定其土壤呼吸并建立測算模型, 可為評估退耕還林林分碳平衡及碳匯功能提供基礎數據。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

試驗地位于廣西百色市平果縣太平鎮境內(23°36′12″N、107°28′44" E), 地處桂西南右江河畔,屬南亞熱帶季風氣候區, 年平均降雨量 1200—1500 mm, 其中5—9月降雨占全年降雨70%以上,年均溫度在 19—21.5 ℃之間, 年平均日照時數1600 h, 年均蒸發量1572 mm。所選銀合歡Leucaena glauca和柚木Tectona grandis林地原為石漠化山地山腳處墾荒形成的玉米種植耕地, 2007年由廣西林科院營建為石漠化區退耕還林示范林, 林分基本情況見表1。林地內巖石裸露率高、土層薄,土壤呈斑塊狀分布, 成土母巖以石灰巖為主, 土壤主要為棕色和黑色石灰土。研究區2014年9月至 2015年 8月日最高氣溫(TAMAX)、日最低氣溫(TAMIN)如圖1所示。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗方案

2014年8月, 在所選銀合歡和柚木林分內各設置3塊20 m×20 m樣方, 對其中林木進行每木檢尺, 調查灌、草蓋度、多樣性等指標。采用斑塊累積法計算林地的土壤覆蓋率, 即逐一測定每一土壤斑塊面積,然后累積可得樣方土壤覆蓋面積及覆蓋率。

在每個樣方內隨機選擇3個樣點放置PVC連接環(Φ21 cm× H 8 cm), 環插入土壤4 cm。連接環放置1個月后, 開始土壤呼吸測定, 測定時間為2014年9月—2014年8月, 每月測定1次, 測定選擇非雨日9:00—11:00進行。采用LI-8100便攜式土壤碳通量測定系統進行測定。測定土壤呼吸速率的同時, 采用LI-8100同步測定5 cm處土壤溫度(TS)、土壤濕度WS。土壤樣品采集時間為2014年9月, 每塊樣地取3個重復, 測定pH、有機碳(C)、全氮(N)、全磷(TP)、全鉀(K)、速效磷(AP)、交換性鈣(Ca)。土壤養分狀況見表2。

表1 林分的基本特征Tab.1 The charactoristics of the two CCFP plantations

圖1 研究區日最高氣溫和日最低氣溫Fig.1 Daily maximum air temperature and minimum air temperature in study area

表2 林分的的土壤養分含量Tab.2 The nutrient content of soil in two CCFP plantation

2.2.2 數值計算與分析

采用指數方程(式 1)分別構建土壤呼吸與土壤溫度、日最低氣溫、日最高氣溫的關系, 采用二次曲線模型(式 2)與冪函數模型(式 3)擬合土壤呼吸與土壤濕度的關系, 同時采用(式 4, 式 5)建立土壤呼吸與土壤溫度、土壤濕度間的雙因子模型。

式中:R為土壤呼吸,α、b和c是模型參數;Q10為土壤呼吸溫度敏感性指數[26];T為測定日土壤溫度、日最高氣溫、日最低氣溫;W為測定日土壤含水量。

林分土壤的月土壤呼吸CO2通量和年CO2通量分別采用月平均值法(見式 6, 將每月測定土壤呼吸平均值視作為該月土壤呼吸平均值)和模型法(見式1, 基于日最低氣溫建立), 將所得通量然后扣除裸露巖石部分, 可得林分的實際CO2通量。

式中:f(R)代表全年的土壤呼吸通量(t CO2·hm-2);i為測定月份;Ri為該月土壤呼吸測定均值;Di為i月的天數。

數據統計分析用 SPSS13.0軟件, 用Origin 8.0軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 土壤呼吸季節動態

銀合歡、柚木林土壤呼吸速率的季節波動一致,均呈現出夏季高、冬季低的特征。銀合歡林土壤呼吸最大值出現在6月, 最小值出現在1月; 柚木林土壤呼吸在9月最大, 2月最小。銀合歡林土壤呼吸年均值為(2.94±0.42) μmolCO2·m-2·s-1, 較柚木林(2.85±0.46) μmolCO2·m-2·s-1高出 3.16%。

銀合歡林、柚木林的土壤溫度、土壤濕度的季節動態相似, 土壤溫度最高值出現在 8月, 最低值出現在2月, 年測定均值分別為(20.13±1.65)和(20.35±1.75) ℃, 且兩者差異顯著。銀合歡林、柚木林的土壤濕度的年均值為(0.26±0.02)和 (0.27±0.02) m3·m-3,土壤濕度自3月起逐漸增大至7月, 此后呈減少趨勢。

3.2 土壤呼吸與環境因子間的關系

兩種林分中, 土壤呼吸與土壤溫度、日最高氣溫、日最低氣溫間均存在顯著正相關關系(表3)。銀合歡、柚木林中土壤呼吸與土壤溫度間相關性最高,分別達到0.947、0.837, 土壤呼吸與日最低氣溫間的相關性高于日最高氣溫。在銀合歡林中土壤呼吸與土壤濕度間存在顯著相關性, 但柚木林中兩者無顯著相關。

根據相關分析結果, 采用不同模型對土壤溫度、土壤濕度、日最低氣溫度與土壤呼吸分別進行回歸分析(表4), 結果表明單因子指數模型擁有良好的擬合效果。在銀合歡林中, 基于土壤溫度和最低氣溫指數模型分別可解釋土壤呼吸速率變異的96.9%、95.1%, 在柚木林中分別為83.7%、79.7%。在銀合歡林中土壤濕度雖然與土壤呼吸間存在顯著相關關系, 但常用的二次線性模型和冪函數模型并不能很好反應兩者間的關系, 因而采用土壤溫度、土壤濕度雙因子模型建立與土壤呼吸間關系時, 模型判定系數反而較單因子模型有所降低。因此, 可采用土壤溫度、最低氣溫的單因子指數模型對石漠化區銀合歡、柚木林的土壤呼吸進行模擬研究。

3.3 土壤呼吸年累積量

銀合歡林中采用月平均值累積所得土壤呼吸CO2通量為 40.72 t·hm-2·a-1, 基于最低氣溫的指數模型所得土壤呼吸 CO2通量為 42.31 t·hm-2·a-1(表5), 相對平均偏差為 1.91%, 依據土壤覆蓋率進行計算后, 分別為 18.43 t·hm-2·a-1和 19.15 t·hm-2·a-1。柚木林中月平均值和模型計算 CO2通量分別為39.93 t·hm-2·a-1、39.44 t·hm-2·a-1, 兩者相對偏差僅為0.6%, 進行土壤覆蓋率折算后, 分別為 8.56 t·hm-2·a-1、8.45 t·hm-2·a-1。采用指數模型計算所得銀合歡林土壤呼吸CO2年通量高出柚木林7.27%, 但考慮土壤覆蓋率后, 銀合歡林高出柚木林 121%, 表明兩種林分土壤呼吸CO2通量差異主要由土壤覆蓋率所決定。

圖2 土壤呼吸、土壤溫度、土壤濕度的季節動態Fig.2 Seasonal pattern of soil respiration rate, soil temperature and soil moisture

表3 土壤呼吸與土壤溫度、土壤濕度、最低氣溫間的相關分析Tab.3 Correlations between soil CO2 flux rates, soil temperature, soil moisture and minimum temperature

4 討論

銀合歡、柚木退耕林的土壤呼吸年均值為(2.94±0.42)、(2.85±0.46) μmolCO2·m-2·s-1, 與鼎湖山闊葉林的土壤呼吸年均值(2.83 μmolCO2·m-2·s-1)[10]相近。研究表明土壤呼吸與年均降水和年均氣溫存在顯著正相關性[11], 本研究區氣溫、降雨條件與鼎湖山相近, 土壤呼吸的水熱驅動因子具有相似性。鼎湖山闊葉林土壤有機質含量遠高于本研究林分[12],可為微生物提供更多的碳源供應, 從而增大土壤呼吸速率, 但鼎湖山地處我國重度酸雨區, 其土壤pH[12]顯著小于本研究區, 對鼎湖山闊葉林土壤呼吸又存在顯著的抑制作用[13], 多種因素共同作用下導致兩種石漠化退耕林與同氣候區鼎湖山闊葉林差異不大。此外, 比較黔中石漠化區闊葉林[6]與相同緯度區闊葉林的土壤呼吸[14]也可發現兩者差異不大, 表明石漠化山地巖石裸露率高、土壤斑塊化嚴重等特殊條件并未對顯著影響土壤呼吸的實際測定值, 其影響主要體現在土壤呼吸尺度擴展時扣除無土壤呼吸巖石面積。

表4 基于環境因子的土壤呼吸模型參數Tab.4 Parameters of soil respiration models based on some environmental factors

表5 土壤呼吸CO2年通量Tab.5 Annual CO2 flux of soil respiration (t·hm-2 ·a-1)

銀合歡林土壤呼吸年均值較柚木林高 3.16%,土壤呼吸CO2年通量高出7.27%。土壤呼吸受植被覆蓋影響較大[7], 原因在于植被覆蓋改變所帶來根系、土壤溫、濕度[15]、養分含量[16]以及土壤碳庫[17]狀態的改變。本研究中, 銀合歡林的土壤有機碳及N、P、K、Ca含量均高于柚木林, 成為其土壤呼吸較高的可能原因。另一方面, 柚木林土壤溫度顯著高于銀合歡林, 雖然兩者絕對差值很小, 但在一定程度上也可能引起土壤呼吸的增大。多種原因導致銀合歡林土壤呼吸略高于柚木林。

土壤呼吸主要植物根系自養呼吸和土壤微生物的異養呼吸所組成, 其中微生物異養呼吸受到土壤溫度直接控制, 而植物根系的自養呼吸受自身生長節律影響, 與土壤溫度的季節變化相對一致, 因而土壤溫度為季節尺度上土壤呼吸的主要控制因子[18],兩者呈現出相近的季節動態。土壤濕度與土壤呼吸的關系具有復雜性和不確定性, 土壤濕度過大或過小均會抑制土壤呼吸[19]。土壤干旱條件下, 降水會在一定時間內顯著刺激土壤呼吸[20]。而在雨季土壤濕度持續處于高水平時, 降水會使土壤呼吸會受到抑制, 與持續時間呈負指數關系[21], 因而土壤呼吸和土壤濕度間關系復雜, 在銀合歡林中兩者存在顯著相關性, 但在柚木林中兩者無顯著相關。

土壤溫度與土壤呼吸間存在顯著指數關系, 與在不同區域、生態系統的研究結論一致[22-25], 但基于土壤溫度、林內氣溫等建立的擬合模型因為數據獲取困難, 存在難以應用的情況。本研究中, 土壤溫度與當日最低氣溫間存在極顯著相關關系, 因而采用該地日最低氣溫建立的指數方程也擁有良好的擬合效果, 同時數據易于獲取, 可廣泛用于該區域石漠化山地柚木和銀合歡林的土壤CO2的測算研究。

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Soil respiration and model simulation for two plantation types belong to conversion of cropland to forest project in karst area

ZHENG Wei, HE Feng, TAN Yibo, SHEN Wenhui
Guangxi Forestry Research Institute,Nanning530002,China

In order to determine the soil respiration dynamics in plantations planted by conversion of cropland to forest project(CCFP).The Li-8100 was used to measure the soil respiration rate(R) inLeucaena glaucaandTectona grandisplantation in karst area.The results showed that soil respiration rate of two plantations had same seasonal pattern.Rwas higher in summer and smaller in winter; the annual average ofRinLeucaena glaucaandTectona grandisplantation was(2.94±0.42) and (2.85±0.46) μmolCO2m-2·s-1, respectively.Seasonal pattern ofRwas mainly driven by soil temperature.The single factor exponential model based on daily minimum air temperature had great fitting for soil respiration rate in both plantations.The annul CO2flux ofRcalculated by exponential model inLeucaena glaucaandTectona grandiplantation was 42.31 and 39.44 t·hm-2·a-1, respectively.

karst area; conversion of cropland to forest project;Leucaena glauca;Tectona grandis; soil respiration.

2016-09-02;

2016-10-27

廣西科技廳基本業務費項目(林科201403號); 廣西自然科學基金(2014GXNSFBA118109)

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.05.018

S718.55

A

1008-8873(2017)05-138-06