地表凋落物對油松、沙棘人工林土壤呼吸的影響

謝育利, 陳云明,, 唐亞坤, 吳 旭, 溫 杰

(1.中國科學院 教育部 水土保持與生態環境研究中心, 陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100)

地表凋落物對油松、沙棘人工林土壤呼吸的影響

謝育利1, 陳云明1,2, 唐亞坤2, 吳 旭1, 溫 杰3

(1.中國科學院 教育部 水土保持與生態環境研究中心, 陜西 楊凌 712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100)

通過對黃土丘陵區油松、沙棘人工林自然組(含凋落物)和去凋組(不含凋落物)土壤呼吸、5 cm土壤溫度和含水量的監測，研究地表凋落物對土壤呼吸的影響。在兩種林分內分別設置20 m×20 m樣地，樣地內隨機設置5個觀測點，于2015年6月到2016年5月使用LI-8100系統進行監測。結果表明：(1) 自然組油松林和沙棘林土壤呼吸季節動態及日動態均表現為單峰型變化曲線，沙棘土壤呼吸年均值[2.10 μmol/(m2·s)]顯著高于油松[1.56 μmol/(m2·s)，p<0.05]；去除凋落物后，兩種林分土壤呼吸與自然組具有相似的季節及日動態特征，但土壤呼吸年均值不存在顯著性差異。(2) 沙棘林自然組土壤呼吸年均值顯著高于去凋組[1.58 μmol/(m2·s)，p<0.05]，凋落物呼吸對土壤總呼吸的貢獻率為15.81%；油松林自然組與去凋組土壤呼吸年均值差異不顯著，凋落物呼吸對土壤總呼吸的貢獻率僅為1.61%。(3) 自然組和去凋組中油松、沙棘林土壤呼吸與溫度均存在顯著指數關系(p<0.05)，與含水量則存在顯著線性負相關關系(p<0.05)；兩組處理土壤溫度和含水量對土壤呼吸的單獨解釋量均較低(0.05%～37.82%)，土壤呼吸主要受到溫度和含水量共同作用的影響(8.01%～66.44%)。地表凋落物顯著提高了沙棘林土壤呼吸的Q10和土壤呼吸量，但僅顯著提高了油松林的Q10，對土壤呼吸量并未顯著增加。油松林作為黃土丘陵區水土保持及生態恢復的造林樹種更有利于該地區林地碳匯功能的提升。

凋落物; 人工林; 土壤呼吸; 土壤溫度; 土壤含水量

土壤呼吸是陸地生態系統碳素從土壤中返回大氣的主要途徑[1]，不僅維持著全球碳平衡，而且對調節全球氣候也起著非常重要的作用[2]。其形式包括根系呼吸、土壤有機質呼吸和凋落物呼吸,其中凋落物是土壤呼吸地上碳源的重要組成部分，在保持水土、涵養水源、保育生物多樣性、幼苗更新以及物質循環中具有十分重要的地位[3]，且地表凋落物分解占土壤呼吸的8%～48%[4]。Raich等[5]研究發現森林土壤呼吸速率與凋落物量顯著正相關，去除凋落物后土壤呼吸總量顯著降低。余再鵬等[6]研究也表明，去除凋落物導致米老排人工林土壤呼吸顯著減少29.8%。凋落物顯著影響土壤呼吸是由于凋落物會改變土壤有機質供應,影響地表微環境條件(溫度、濕度等因子)進而降低或增加土壤呼吸速率[7-8]。

土壤溫度和含水量都是影響土壤呼吸的關鍵環境因素，通常情況下土壤溫度顯著影響微生物分解、根系呼吸及酶和基質的擴散，因此被認為是土壤呼吸的主要控制因素[9]。然而土壤水分較低時，微生物分解、根系呼吸及酶和基質的擴散受到土壤水分限制而降低[10]，從而影響根系、根際微生物的活性[11-12]以及土壤有機質的分解速率[9,13-14]。而不同林分凋落物對溫度和含水量的影響并不一致，周小剛等[15]研究發現刺槐林地表凋落物可以顯著提高土壤含水量，李曉杰等[16]研究表明杉木林凋落物對土壤含水量無顯著影響，但可以顯著提高土壤溫度0.3℃，米櫧林則顯著提高了0.3℃的土壤溫度和1.5%的土壤含水量。另外有研究發現，在自然狀態下，土壤呼吸的溫度敏感性(Q10)會隨著底物供應能力的變化而發生改變，而底物供應能力的變化受到溫度的調控，凋落物改變了地表微環境的溫濕度，進而會影響溫度敏感性[7-8,17]，但凋落物對Q10值的影響具有不確定性，不同凋落物可能顯著提高Q10值，也可能顯著降低Q10值[16]。此外，關于土壤呼吸與土壤溫度和含水量之間關系的研究大多集中于土壤呼吸與溫度和含水量的相關性，而土壤溫度和含水量各自對土壤呼吸的單獨解釋量以及二者對土壤呼吸的交互作用仍需進一步深入分析[3,6,16,18-21]。因此，研究不同林分凋落物對土壤呼吸的影響有助于揭示凋落物對土壤呼吸的影響機制，為準確評估不同樹種凋落物對土壤呼吸的貢獻以及林分碳吸存潛力提供參考[21]。

黃土丘陵區屬于典型的生態脆弱區，水土流失嚴重，人工造林是該地區水土流失治理和生態恢復的主要措施，目前人工林面積已經占到該地區森林面積的59.8%[22]。近年來，有關土壤呼吸方面的研究不斷增多，而黃土丘陵區油松和沙棘人工林凋落物對土壤呼吸的影響目前還缺乏相關報道[3,15-16,19,23-25]。鑒于此，本文以黃土丘陵區主要造林樹種油松(Pinustabulaeformis)和沙棘(Hippophaerhamnoides)純林為研究對象，于2015年6月—2016年5月采用野外觀測方法分別觀測自然組(含凋落物)與去凋組(不含凋落物)土壤呼吸、土壤溫度和土壤含水量，分析油松林和沙棘林凋落物對土壤呼吸的影響，以期對比兩種造林樹種土壤碳釋放過程，揭示不同凋落物對土壤呼吸的影響機制，為該區基于固碳減排模式下人工造林樹種的選擇提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西安塞縣中國科學院安塞水土保持綜合試驗站(109.32°E，36.85°N，海拔1 198 m)，該地區年平均氣溫8.8℃，極端最高和最低溫度分別為36.8℃和-23.6℃。年降水量500 mm左右，其中全年72.9%的降雨集中于6—9月，具有明顯的季節性干旱。土壤以黃綿土為主，土壤容重約為1.32 g/cm3，土壤孔隙度為57.77%；主要植物有油松(Pinustabulaeformis)，沙棘(Hippophaerhamnoides)，白羊草(Bothriochloaischaemum)，細裂葉蓮蒿(Artemisiagmelinii)等。

試驗樣地位于安塞試驗站的山地試驗場。2015年調查的油松人工林造林密度為1 300(株/hm2)，林下草本植物主要為甘草(GlycyrrhizauralensisFisch)，鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)以及狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)等；沙棘人工林為2 000(株/hm2)，林下草本植物主要為白羊草(Bothriochloaischaemum(L.)Keng.)等。油松、沙棘樣地概況見表1。

表1 樣地基本概況

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 2015年4月底，在油松、沙棘人工林中分別選擇20 m×20 m的標準樣地，在每塊樣地內隨機設置5個測量點，每個測量點設置4個土壤呼吸環，分別做2種處理：(1) 保留凋落物(保持自然狀態的凋落物)為自然組；(2) 去除凋落物(使用尼龍網包裹土壤呼吸環以防止凋落物落入環中)為去凋組。每種處理每個測量點設置2個重復。土壤呼吸環在測定前4周打入，其中每個土壤呼吸環內徑20 cm，高度10 cm，距離樹干距離為30 cm，打入土壤后離地高度為3 cm。

1.2.2 土壤呼吸、土壤溫度及土壤含水量測定 采用土壤碳通量測定系統(LI-8100，LI-COR，USA)的便攜式呼吸室(8100—104)測定土壤呼吸(Rs)，土壤溫度(T)及土壤含水量(W)使用LI-8100系統自帶的溫度探針及含水量探頭(ML2x)與土壤呼吸同步測定，測定深度均為5 cm。觀測時間為2015年6月至2016年5月，觀測方法[23]為：生長季(4—10月)每月觀測3次，每次測定時間為9：00—11：00；非生長季(11—3月)每月觀測1次，每次測定時間為9：00—11：00；旺盛生長季(6—10月)加強觀測：每月進行3次日動態觀測，每次測定時間為6：00—18：00，每2 h測定1次。

1.3 數據處理

1.3.1 變異系數

CV=(SD/mean)×100%

(1)

式中：CV是變異系數；SD是標準差；mean是均值。

1.3.2 方程擬合 土壤呼吸[Rs，μmol/(m2·s)]與土壤溫度(T，℃)采用指數方程[16]擬合；與土壤含水量(W，%)采用線性方程[16]擬合，溫度敏感性方程如下：

Q10=e10b

(2)

式中：b是擬合參數；Q10為溫度敏感性。季節動態及季節尺度土壤呼吸與溫度和含水量回歸采用每天均值，日動態及日尺度土壤呼吸與溫度和含水量的回歸采用每2 h觀測均值。

1.3.3 年土壤呼吸量計算[26]：

Rs=∑Fk·Δtk

(3)

式中：Δtk=tk+1-tk表示每兩個觀測值之間的天數；Rs表示土壤呼吸總量；Fk表示tk+1-tk之間的土壤呼吸均值。

1.3.4 凋落物對土壤呼吸的貢獻率計算[16]

凋落物對土壤呼吸的貢獻率=凋落物層呼吸/自然組呼吸×100%

凋落物層呼吸=自然組呼吸-去凋組呼吸

1.3.5 凋落物量測定 在每個樣地內分別放置4個直徑為36 cm的圓形凋落物收集網，每月月底收集一次凋落物，帶回實驗室于烘箱65℃下烘干至恒重后稱其質量。

1.3.6 數據分析 本研究使用Excel軟件對土壤呼吸數據進行整理和計算，使用Sigmaolot 10.0繪圖。使用R-freedom software version 3.2.2中的冗余分析(RDA)量化溫度和含水量對土壤呼吸的解釋量，使用SPSS 16.0(SPSS,USA)對油松林和沙棘林土壤呼吸差異性進行分析以及進行土壤呼吸與土壤溫度、含水量和凋落物的方程擬合，使用一般線性模型(GLM)對Q10曲線參數進行顯著性檢驗[27-28]。

2 結果與分析

2.1 油松、沙棘人工林土壤呼吸、土壤溫度和含水量季節動態

觀測期間油松、沙棘人工林自然組與去凋組土壤呼吸均呈現單峰型曲線變化(圖1A，圖2A)，最高值均出現在6月，最低值均出現在2月。油松林自然組和去凋組土壤呼吸年均值分別為1.56 μmol/(m2·s)和1.54 μmol/(m2·s)，變異系數分別為40.42%和43.60%；沙棘林自然組和去凋組土壤呼吸年均值分別為2.10 μmol/(m2·s)和1.58 μmol/(m2·s)，變異系數分別為45.52%和48.51%。油松林自然組土壤呼吸年均值高于去凋組，但差異不顯著(p>0.05)；沙棘林自然組土壤呼吸年均值則顯著高于去凋組(圖3)(p<0.05)。兩種林分自然組與去凋組土壤溫度差異均不顯著(p>0.05)，且變化趨勢一致，整體均表現為單峰曲線(圖1B，圖2B)，最高值均出現在7月。油松林自然組土壤含水量與去凋組差異不顯著(p>0.05)，而沙棘林自然組土壤含水量顯著高于去凋組(p<0.05)，但兩種林分土壤含水量變化具有相似的動態特征，6—8月較低，12月達到最高值，之后又逐步降低(圖1C，圖2C)。

此外，油松林自然組與去凋組土壤呼吸年呼吸總量分別為19.24 tCO2/(hm2·a)和18.93 tCO2/(hm2·a)圖3，凋落物呼吸對全年土壤呼吸的貢獻為1.61%，土壤呼吸與凋落物積累量不存在相關性(圖4A)；沙棘林自然組與去凋組土壤呼吸年呼吸總量分別為23.72 tCO2/(hm2·a)和19.97 tCO2/(hm2·a)，凋落物呼吸對全年土壤呼吸的貢獻為15.81%，土壤呼吸與凋落物積累量呈顯著線性正相關(p<0.05)(圖4B)。

圖1油松林自然組與去凋組土壤呼吸、土壤溫度和土壤含水量季節動態

2.2 旺盛生長季油松、沙棘人工林土壤呼吸、土壤溫度和含水量日動態

油松、沙棘人工林自然組與去凋組土壤呼吸及土壤溫度均呈現單峰曲線的日動態變化特征。土壤呼吸最高值集中出現在10：00—12：00(圖5A—E，圖6A—E)，土壤溫度則集中在14：00(圖5F—J，圖6F—J)，12：00之前土壤呼吸大都隨著溫度升高呈上升趨勢，12：00之后溫度繼續上升土壤呼吸保持不變甚至出現了下降趨勢(圖5A—J，圖6A—J)。土壤含水量則表現為下降趨勢，通常在12：00達到最低值，隨后緩慢回升(圖5K—O，圖6K—O)。自然組油松林日均值為1.41～2.42 μmol/(m2·s)，變異系數為8.59%～14.54%，沙棘林為1.86～2.58 μmol/(m2·s)，變異系數為3.99%～13.74%；去除凋落物后，油松林日均值為1.36～2.18 μmol/(m2·s)，變異系數為8.68%～15.85%，沙棘林為1.30～2.40 μmol/(m2·s)，變異系數為7.78%～15.57%。油松林自然組與去凋組土壤呼吸、土壤溫度和含水量差異均不顯著(圖5，p>0.05)，沙棘林自然組土壤呼吸和土壤含水量則大多顯著高于去凋組(圖6，p<0.05)。

注：*表示自然組與去凋組差異顯著(p<0.05)，下同。

圖2沙棘林自然組與去凋組土壤呼吸、土壤溫度和土壤含水量季節動態

圖3 油松林和沙棘林自然組與去凋組土壤呼吸年均值

2.3 油松、沙棘人工林土壤呼吸與土壤溫度和含水量的關系

在季節尺度上，兩種林分自然組與去凋組土壤呼吸與土壤溫度之間均存在顯著指數關系(p<0.01)，與土壤含水量之間均存在顯著線性負相關關系(p<0.01，表2)。自然組油松林溫度敏感性(Q10)顯著低于沙棘林(p<0.01)，Q10值分別為1.48，1.49；去除凋落物后，油松林和沙棘林溫度敏感性均顯著降低，Q10值分別為1.42，1.47，但沙棘林Q10值仍然顯著高于油松林(p<0.01)。采用RDA量化季節尺度土壤溫度和含水量對土壤呼吸的解釋量，結果發現土壤溫度能夠單獨解釋油松林中自然組和去凋組土壤呼吸季節變化的37.82%和20.65%，沙棘林中自然組和去凋組土壤呼吸季節變化的7.87%和13.13%。兩種林分中土壤含水量對土壤呼吸季節變化的解釋量都比較低，只有0.23%～5.96%。而土壤溫度與含水量的交互作用能夠解釋油松林中自然組和去凋組土壤呼吸季節變化的8.01%和24.04%，沙棘林中自然組和去凋組土壤呼吸季節變化的38.64%T 30.91%(表3)。油松林中凋落物去除后，降低了土壤溫度對土壤呼吸0.4倍的單獨解釋量，提高了土壤水分16.03的單獨解釋量，提高了溫度和含水量2倍的交互解釋量；而沙棘林中凋落物提高了土壤溫度對土壤呼吸變異0.83倍的單獨解釋量，提高了土壤含水量2.09的單獨解釋量，降低了0.2倍的交互解釋量(表3)。

圖4 油松林和沙棘林土壤呼吸與凋落物相關性

在日尺度上，兩種林分自然組與去凋組土壤呼吸與土壤溫度之間均存在顯著指數關系(p<0.05)，與土壤含水量之間均存在顯著線性負相關關系(p<0.05，表4)。RDA分析結果顯示，兩種林分自然組土壤呼吸主要受到溫度和含水量的交互作用(15.42%～66.44%)，去除凋落物后，土壤溫度和含水量對土壤呼吸日尺度變異的單獨解釋量為1.61%～17.12%，交互作用為33.66%～55.74%(表5)。

表2 季節尺度土壤呼吸與土壤溫度和含水量函數擬合

注：**表示擬合方程達到顯著水平(p<0.01)；不同小寫字母表示相同林分不同處理間差異(p<0.01)；不同大寫字母表示相同處理不同林分間差異(p<0.01)。

表3 季節尺度土壤呼吸與土壤溫度和含水量的RDA分析

3 討 論

3.1 凋落物對季節尺度和日尺度土壤呼吸的影響

凋落物作為土壤呼吸底物的重要組成部分，顯著影響土壤呼吸。在本研究觀測期間(2015年6月—2016年5月)，凋落物對土壤呼吸量在季節尺度及日尺度上均有提高作用，其中對沙棘林的提高作用達顯著水平(p<0.05)，對油松林的提高作用則不顯著(p>0.05)。季節尺度油松林和沙棘林凋落物分別提高了7.23%和20.95%的土壤呼吸，日尺度上提高了4.76%～15.82%和7.50%～74.64%。周小剛等[15]研究發現，凋落物顯著影響土壤呼吸，去除凋落物后土壤呼吸顯著減少了22%。余再鵬等[6]研究表明，去除凋落物分別顯著降低了米老排和杉木人工林29.8%和6.1%的土壤呼吸。其原因可能是去除凋落物一方面減少了有機碳的輸入，同時也去除了生長在凋落物上的微生物，可能改變土壤微生物群落結構，進而降低土壤呼吸速率[29]。然而，沙棘林凋落物呼吸對全年土壤呼吸的貢獻為15.81%，油松林卻只有1.61%。兩個林分凋落物呼吸對土壤呼吸貢獻不同，可能與不同林分凋落物積累量、分解速率不同有關[16]。在本研究觀測期間，沙棘林月均凋落物積累量高于油松林，分別為4.47 kg/m2和1.60 kg/m2。楊萬勤等[30]研究發現針葉林C/N、木質素/N、萜類物質和酚類物質含量較高，分解較慢，易形成酸性粗腐殖質，抑制土壤微生物活性，土壤微生物群落生長和繁衍受到限制。這可能是油松林凋落物對土壤呼吸貢獻量較沙棘林低的原因。

表4 日尺度土壤呼吸與土壤溫度和含水量的函數擬合

注：T(Q10)，土壤呼吸與土壤溫度指數回歸；W(L)，土壤呼吸與土壤含水量線性回歸；*表示擬合方程達到顯著水平(p<0.05)。

表5 日尺度土壤呼吸與土壤溫度和含水量的RDA分析

3.2 凋落物對土壤呼吸與土壤溫度和含水量之間關系的影響

在本研究中，季節尺度及日尺度上用指數方程分別擬合油松林和沙棘林兩組凋落物處理土壤呼吸與土壤溫度之間的關系達顯著水平(p<0.05)，與以往研究結果一致[16,18-19,21]，但土壤呼吸與土壤含水量之間的關系表現為線性負相關，與李曉杰等[16]土壤呼吸與土壤含水量顯著正相關的研究結果相反。車升國等[29]研究發現土壤含水量對土壤呼吸具有雙向調節作用，土壤水分處于相對缺水狀態時，土壤含水量的增加會促進土壤呼吸，相反當土壤水分超過某個閾值時，土壤水分增加會抑制土壤呼吸。越來越多的研究表明，水分對土壤呼吸的影響具有復雜性與不確定性，不同生態系統土壤水分與呼吸之間分別存在正相關、負相關及不相關關系。多數生態系統土壤水分含量在永久萎蔫點與田間持水量之間時，隨著含水量提高，根系發育良好，根際微生物新陳代謝加強，土壤呼吸增加明顯，因此土壤呼吸與土壤含水量呈顯著正相關[25]。土壤含水量在一定的范圍內(田間持水量和萎蔫系數之間)時，含水量對土壤呼吸沒有顯著影響。而土壤含水量超過田間持水量后，土壤水分飽和，氧氣向土壤中擴散受阻，根系和微生物呼吸受到抑制，隨著土壤含水量的增加土壤呼吸速率反而下降。在我們的研究中，2015年6—8月試驗樣地降雨量僅為潛在蒸發量的12%，9月份之后干旱狀況得到緩解。但在季節動態中，土壤溫度對土壤呼吸的控制作用大于含水量(表3)。2015年9—12月，隨著降雨量的增加，土壤含水量逐漸升高，但溫度逐漸降低，土壤呼吸也逐漸下降。2016年1—5月土壤含水量呈現下降趨勢，但此時溫度逐漸增加，土壤呼吸呈增加趨勢。因此導致本研究土壤呼吸與含水量出現了負相關關系。由此可見土壤呼吸影響因素眾多，影響機制復雜，不同條件下影響和決定土壤呼吸的機制有所變化，因此土壤含水量對土壤呼吸的影響無法用統一的方程表達式來描述。

圖5 油松林自然組和去凋組土壤呼吸(A-E)、土壤溫度(F-J)和土壤含水量(K-O)6-10月日動態

圖6 沙棘林自然組和去凋組土壤呼吸(A-E)、土壤溫度(F-J)和土壤含水量(K-O)6-10月日動態

本研究中油松林和沙棘林自然組土壤呼吸溫度敏感性均顯著高于去凋組(表2)，這可能是因為凋落物層對生態系統的環境、土壤和植被均有一定的影響[25]，通過在土壤和大氣之間形成的緩沖層調控著土壤小氣候[20]，為微生物維持了適宜的環境使得微生物具有較好活性，因而對溫度變化更為敏感[17]。自然組油松林土壤呼吸溫度敏感性均顯著低于沙棘林(p<0.01)。不同森林類型土壤呼吸溫度敏感性的差異可能是底物供應的季節變化差異所造成[17]。Janssens等[31]研究發現，在相同的溫度變化范圍內底物供應的季節變化越大，土壤呼吸的溫度敏感性就越大。韓其晟等[32]研究發現闊葉林凋落物更容易被土壤微生物分解利用，較針葉林具有更高的物質循環速率，因此闊葉林底物供應的季節變化更大，進而具有更高的土壤呼吸溫度敏感性。而去除凋落物后油松林土壤呼吸溫度敏感性也顯著低于沙棘林(p<0.01)，這可能是因為不同林分根際土壤微生物對溫度響應的不同。Balser和Wixon[33]對3個不同生態系統的根際土壤微生物種群結構進行研究后發現，微生物種群數量和結構特征會顯著地影響到土壤呼吸的溫度敏感性，不同種群結構的微生物具有不同的溫度敏感性。而細菌由于個體小，代謝強，繁殖快，與土壤接觸面積大，導致細菌起主要作用的微生物群落具有較高的溫度敏感性。張海涵等[34]研究發現，油松林和沙棘林均具有豐富的土壤微生物，而沙棘林較油松具有更豐富的細菌微生物群落。這可能是去除凋落物后沙棘林土壤呼吸溫度敏感性仍顯著高于油松林的原因。此外，研究表明針葉林根系可能會對溫度產生適應，而落葉闊葉林則對溫度變化較為敏感[31]，而在本研究中，關于油松和沙棘兩種林分根系呼吸機制的差異有待于進一步研究。

4 結 論

(1) 黃土丘陵區油松、沙棘人工林自然組與去凋組土壤呼吸具有相似的季節動態趨勢，最高值均出現在6月，最低值均出現在2月，且自然組沙棘林土壤呼吸年均值顯著高于油松林(p<0.05)。

(2) 凋落物呼吸對沙棘林土壤呼吸的貢獻量(3.75 tCO2/(hm2·a))高于油松工林(0.31 tCO2/(hm2·a))，兩種林分凋落物呼吸分別占林分土壤總呼吸的15.81%和1.61%。

(3) 兩種林分自然組與去凋組土壤呼吸與土壤溫度和含水量均存在顯著相關性(p<0.05)，土壤呼吸主要受到土壤溫度和含水量的共同作用，且凋落物顯著提高了兩種林分土壤呼吸的溫度敏感性。

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ImpactofAbovegroundLitterfallonSoilRespirationinthePinustabulaeformisandHippophaerhamnoidesPlantations

XIE Yuli1, CHEN Yunming1,2, TANG Yakun2, WU Xu1, WEN Jie3

(1.ResearchCenterofInstituteofSoilandWaterConservationandEcologicalEnvironment,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofEducation,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

The effects of surface litterfall on the soil respiration (Rs) were studied base on observation ofRs, soil temperature(T) and soil water content (W) at 5 cm depth under natural group (with litterfall) and exclusive group (without litterfall) treatments inPinustabulaeformisandHippophaerhamnoidesplantations in the hilly Loess Plateau region. Two plots (20 m×20 m) were established in these two plantations with 5 sampling points randomly set up in each plot.Rs,TandWwere simultaneously monitored by LI-8100 soil flux system from June 2015 to May 2016 in these plots. The results showed that: (1) the seasonal and daily variation ofRsin the two plantations under natural group exhibited unimodal curve, and the annual averageRsinH.rhamnoidesplantation [2.10 μmol /(m2·s)] was significantly higher than that inP.tabulaeformisplantation[1.56 μmol/(m2·s)，p<0.05]. After removal of the litterfall, seasonal and daily dynamic ofRsin the two plantations were similar to that in natural group, and the annual averageRsin exclusive group did not exhibit significant differences for both forest stands; (2) the annual averageRsin natural group was significantly higher than in exclusive group [1.58 μmol/(m2·s) ,p<0.05] forH.rhamnoidesplantation, with a contribution of 15.81% occupied by litterfall respiartion; however, no significant difference of annual averageRsbetween natural and exclusive group was observed inP.tabulaeformisplantation，and the contribution of litterfall to soil respiration was only 1.61%; (3)Rs under natural and exclusive groups were both exponentially correlated withTand negative linearly correlated withWon daily and seasonal scales in these two plantations (p<0.05);TandW(8.01%～66.44%) together could better explain the variation ofRsthanTorWalone (0.05%～37.82%) in both plantations under natural and exclusive group; litterfall significantly enhanced both the temperature sensitivity ofRsandRsamount inH.rhamnoidesplantation, but only significantly improved temperature sensitivity ofRsin theP.tabulaeformisplantation. As an important tree species for soil and water conservation and ecological restoration in the hilly Loess Plateau region, theP.tabulaeformiswas more conducive to the improvement of carbon sequestration function of forestland in the region.

litterfall; plantation; soil respiration; soil temperature; soil water content

S718.55

A

1005-3409(2017)06-0052-10

2016-12-12

2017-01-07

國家自然科學基金“黃土丘陵區油松和沙棘人工林的水分來源變化及其生理響應研究”(41501576);公益性行業(國家氣象局)科研專項(重大專項)“干旱氣象科學研究—我國北方干旱致災過程及機理”(GYHY2015060013)

謝育利(1989—),女,廣西玉林人,碩士研究生,主要研究方向:人工林土壤呼吸。E-mail:1406599313@qq.com

陳云明(1967—),男,陜西渭南人,博士,研究員,主要研究方向:黃土高原植被與水土保持。E-mail:ymchen@ms.iswc.ac.cn