劉 智，閆文德，王光軍，鄭 威，梁小翠，宿少鋒

（中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

去根處理對(duì)樟樹林土壤呼吸的影響

劉 智，閆文德，王光軍，鄭 威，梁小翠，宿少鋒

（中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

采用L?-8100開路式土壤С通量測(cè)定系統(tǒng)，對(duì)去根處理的樟樹人工林土壤呼吸進(jìn)行了為期1 a的觀測(cè)。結(jié)果表明：去根處理和對(duì)照的土壤呼吸速率均呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化，土壤СO2呼吸速率月平均值變化動(dòng)態(tài)呈單峰曲線；對(duì)照處理土壤呼吸速率變化范圍為1.426～5.641μmol?m-2s-1，去根處理后的土壤呼吸速率范圍為1.137～4.257μmol?m-2s-1；去除根系的土壤呼吸速率與5 cm 土壤溫度之間均呈顯著指數(shù)相關(guān)（P=0.000），與5 cm 土壤濕度之間呈二次曲線相關(guān)（P=0.012）。根系是影響土壤СO2通量的一個(gè)重要因子。

土壤呼吸；樟樹人工林；土壤溫度；土壤濕度

全球變暖對(duì)自然生態(tài)和人類生存環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生并將繼續(xù)產(chǎn)生顯著影響，對(duì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。根據(jù)?PСС第四次評(píng)估報(bào)告公布的數(shù)據(jù)，全球СO2排放總量將從2000年的400億t增加到2030年的497～767億t；2100年后，СO2排放量的中位數(shù)約為750億t/年。土壤又是一個(gè)巨大的碳庫(kù)，土壤碳庫(kù)微小的變化可能導(dǎo)致大氣СO2濃度的變化[1]，土壤呼吸作為全球土壤碳庫(kù)循環(huán)的主要通量過程，是在土壤新陳代謝功能過程中產(chǎn)生大量的СO2，并向大氣釋放СO2的過程。它包括微生物的呼吸、根系的呼吸和地下動(dòng)物的呼吸三個(gè)生物過程，以及一個(gè)非生物過程：即在高溫條件下的化學(xué)氧化過程[2-4]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要的組成部分，森林土壤有機(jī)碳在全球碳平衡中具有重要的地位，研究森林土壤呼吸對(duì)于探討全球СO2變化及其影響具有十分重要的意義。

樟樹Cinnamomum camphora為亞熱帶常綠闊葉林的代表樹種，為亞熱帶地區(qū)重要的用材和特種經(jīng)濟(jì)樹種。本研究對(duì)樟樹人工林去根處理的樣地СO2通量進(jìn)行定位研究，目的在于揭示樟樹人工林林地根系和土壤呼吸生態(tài)因子之間可能的聯(lián)系，從而為氣候變暖研究提供中國(guó)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究樣地位于湖南省森林植物園（113°01′～113°02′E, 28°06′～ 28°07′N），面積 140 hm2，森林覆蓋率90%，海拔50～106 m，丘崗地貌，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均氣溫16.9 ℃，極端最高溫40.6 ℃，極端最低溫-9.5 ℃，年均降水量1 400.6 mm，年均相對(duì)濕度80%，日照時(shí)數(shù)年均1 726 h，土壤系第四季紅壤粘土母質(zhì)上發(fā)育的酸性紅壤，pH值4.0～5.5。研究的對(duì)象是20多年生樟樹人工林，林中生長(zhǎng)有毛泡桐Paulownia tomaentosa、白櫟Quercus fabri、糙葉樹Aphananthe aspera、 泡 桐Paulownia fortunei，草本植物有雞矢藤Paederia scandens、酢漿草Oxalis comicuata等。樟樹群落凋落物年歸還量3.26 t/hm2，地表凋落物覆蓋厚度為1.5～2.5 cm，凋落物主要以葉為主，占總凋落物量的60.59%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

2009年8月，在湖南省植物園樟樹林人工林內(nèi)，設(shè)置4 m×3 m的長(zhǎng)方形樣地，采用挖壕法對(duì)樣地進(jìn)行去根處理，即在樣地四周挖壕溝，垂直挖深0.5 m×0.8 m（不見根系的深度），切斷根后插入9層塑料膜以阻止根向樣地內(nèi)生長(zhǎng)[5]。每塊樣地對(duì)角分別嵌入PVС土壤環(huán)（Φ 21 cm×H 8 cm），平放夯入土中2 cm以上，共設(shè)置6塊去根樣地，每塊樣地之間相隔5 m以上。另外設(shè)置對(duì)照樣地6塊。

1.2.2 土壤呼吸及溫度、濕度的測(cè)定

采用L?-8100開路式土壤С通量測(cè)定系統(tǒng)（L?СOR ?nc. , Lincoln, NE,USA）測(cè)定土壤呼吸速率、溫度和濕度（體積含水量SVС，%）。在每月8號(hào)和23號(hào)的9:00～11:00測(cè)定1次。如果遇到降水，延至天晴3 d后測(cè)量，如遇連陰天，在沒有降雨的天氣測(cè)量，全年共測(cè)定24次。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及作圖，并用SPSS13.0軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析和多重比較檢驗(yàn)土壤呼吸季節(jié)變化及去根和對(duì)照樣地之間土壤呼吸、溫度和濕度的顯著性。土壤呼吸與土壤5 cm溫度之間的關(guān)系采用以下指數(shù)模型[6-8]：y=aebt。式中：y為土壤呼吸速率；t為土壤溫度；a是土壤溫度為0 ℃時(shí)的土壤呼吸；b為溫度反應(yīng)系數(shù)[8]。Q10值采用以下公式確定[9]：Q10=e10b。式中b為土壤溫度反應(yīng)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 去除根系對(duì)土壤呼吸季節(jié)變化的影響

從去除根系和對(duì)照的土壤呼吸月平均值的動(dòng)態(tài)變化（見圖1）可以看出，對(duì)照和去根的土壤呼吸均存在明顯的季節(jié)性變化，呈單峰值曲線，土壤呼吸速率最大值出現(xiàn)在7月份；去根處理最小值出現(xiàn)在12月份，對(duì)照最小值出現(xiàn)在3月。對(duì)照的土壤呼吸速率變化范圍為1.426 ～ 5.641 μmol?m-2s-1，而去根的土壤呼吸速率范圍為 1.137 ～ 4.257 μmol?m-2s–1，對(duì)照土壤呼吸速率高于去根處理。2009年8、9、10月份，去根和對(duì)照之間的土壤呼吸值相差不大，可能與去根樣地內(nèi)的根系要經(jīng)過一段時(shí)間死亡，根系呼吸活動(dòng)逐漸停止有關(guān)，而在2010年5、6、7月份，二者存在明顯差異?？梢哉f明去除根系明顯導(dǎo)致土壤呼吸比對(duì)照的土壤呼吸降低，由此表明挖壕法降低了土壤呼吸量，去除根系對(duì)土壤呼吸速率產(chǎn)生了明顯的影響。

2.2 土壤呼吸與溫度的相關(guān)關(guān)系

去根和對(duì)照的5 cm土壤溫度的月動(dòng)態(tài)過程見圖2。由圖2可知，去根處理和對(duì)照的各月土壤溫度差異不大；兩者土壤溫度最高值均出現(xiàn)在8月，最低溫度出現(xiàn)在1月，年平均溫度是17.49 ℃，說明去根處理未改變土壤溫度。

如圖3所示，去除根系和對(duì)照處理方式的土壤呼吸速率與土壤溫度之間均呈現(xiàn)顯著指數(shù)相關(guān)（P＜0.001）?；貧w關(guān)系方程表達(dá)式如下。

圖1 去根和對(duì)照的土壤呼吸變化的比較Fig. 1 Comparison of soil respiration at 5 cm depth with different de-rooting treatments and control

圖2 去根和對(duì)照的土壤地表5 cm溫度的月動(dòng)態(tài)Fig. 2 Month dynamics of soil temperatures and moistures at 5 cm depth with different de-rooting treatments and control

圖3 去根土壤呼吸速率與5 cm土壤溫度的相關(guān)分析Fig. 3 Relative analysis between soil temperatures at 5 cm depth and soil respirations with different de-rooting treatments and control

去除根系:

對(duì)照:

式中：y表示土壤呼吸速率；t表示5 cm土壤溫度。在本試驗(yàn)中，樟樹林去除根系和對(duì)照處理土壤呼吸的溫度敏感系數(shù)Q10值分別為2.04和2.06。

2.3 去根土壤呼吸與土壤濕度的關(guān)系

去根5 cm土壤濕度變化范圍是8.63%～31.8%，對(duì)照5 cm土壤濕度變化范圍是7.32%～27.73%，差異顯著，去除根系增加了土壤的濕度（見圖4）。兩者最大值出現(xiàn)在5月份，最小值出現(xiàn)在10月份。

樟樹林去除根系和對(duì)照處理的土壤呼吸速率與土壤濕度之間均存在顯著曲線相關(guān)（P＜0.05，見圖5）?；貧w擬合它們之間的相互關(guān)系，可以得出如下兩個(gè)方程表達(dá)式。

除根系：

對(duì)照：

式中：y表示土壤呼吸速率，x表示5 cm土壤濕度。

圖4 去根和對(duì)照的土壤濕度的月動(dòng)態(tài)Fig. 4 Month dynamics of soil moisture at 5cm depth with different de-rooting treatments and control

圖5 去除根系土壤呼吸速率與5 cm 土壤濕度相關(guān)分析Fig. 5 Relative analysis between soil moistures at 5 cm depth and soil respirations with different de-rooting treatments and control

2.4 根系對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)

由圖6可知，根系呼吸占土壤呼吸的比例最大值出現(xiàn)在1月，為43.86%，最小值出現(xiàn)在10月，為0.09%，根系呼吸對(duì)土壤呼吸的年均貢獻(xiàn)率為23.09%。張憲權(quán)等[10]在東北林區(qū)土壤呼吸研究中發(fā)現(xiàn)，根系呼吸占土壤總呼吸平均為20%～30%，與本研究結(jié)果一致。

圖6 根系呼吸對(duì)土壤呼吸速率的貢獻(xiàn)率Fig. 6 Contribution rate of root respiration to soil respiration rate

3 結(jié) 論

本研究中去根處理顯著降低了土壤呼吸速率，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論一致[11-12]。但研究結(jié)果顯示土壤呼吸在去根初期并未明顯降低，數(shù)月后才顯著降低。原因在于挖壕法的目的是完全抑制挖壕的區(qū)域內(nèi)植物根的呼吸活動(dòng)[13]，但根從主干上被切斷后仍能存活一段時(shí)間并維持呼吸[14-15]，所以去根后土壤呼吸不會(huì)立即下降，隨后植物根系逐漸死亡而停止了呼吸活動(dòng)，另外寄生在被切斷根系上的微生物得不到營(yíng)養(yǎng)的供給也停止呼吸活動(dòng)[16]，此時(shí)去根處理的土壤呼吸與對(duì)照的相比有了明顯差異。

研究中，去根處理未改變5 cm處的土壤溫度。土壤溫度主要受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響，根系及微生物生命活動(dòng)雖然會(huì)產(chǎn)生一定熱量，但相較于太陽(yáng)輻射，其作用可以忽略不計(jì)。去根處理增加了土壤含水率，原因?yàn)槿ジ幚硪瞥送寥乐懈瞪砘顒?dòng)，降雨后土壤中的水分除通過下滲排出外得不到土壤中植物的吸收，從而增加了土壤的濕度。

在本實(shí)驗(yàn)所處地區(qū)，1月份最寒冷，天氣的平均氣溫最低，土壤中微生物生理活動(dòng)微弱，根呼吸所占比例最大；而10月份降水較少，氣候干燥，土壤含水量過低，根系或微生物活動(dòng)缺少所必需水分，因此產(chǎn)生的СO2的量將會(huì)減少[17]。這與王小國(guó)等[18]采用挖壕法計(jì)算的根呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)在5月最高、2月最低的結(jié)論相似。

本研究還對(duì)土壤呼吸與溫度、濕度之間進(jìn)行了相關(guān)性分析。溫度與土壤呼吸之間存在著顯著指數(shù)關(guān)系，這和國(guó)內(nèi)很多的研究結(jié)果是一致的。土壤水分對(duì)土壤呼吸的影響也比較顯著，森林土壤呼吸在一定范圍內(nèi)隨土壤濕度增大而增強(qiáng)，在接近土壤持水量的一定范圍內(nèi)，土壤呼吸量最高，在飽和或永久萎蔫含水量時(shí)，呼吸作用停滯。這表明土壤水分是影響植物群落土壤呼吸速率大小的重要因素之一。

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Effects of root exclusion on soil respiration in Cinnamomum camphora plantation

L?U Zhi, YAN Wen-de , WANG Guang-jun, ZHENG Wei, L?ANG Xiao-cui, SU Shao-feng
(School of Life Science and Technology, Сentral South University of Forestry and Technology, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina)

Soil respiration was measured with Li-8100 soil СO2eff l ux system in Cinnamomum camphora plantation in forest park of Сhangsha, Hunan, with de-rooting treatments and trenching method, from August 2009 to July 2010. The results show that the soil respiration had a signif i cant seasonal change both in the trenched plots and the control plots. The rates of soil СO2eff l ux were about 1.426 ～ 5.641 μmol?m-2s-1in the trenched plots, and 1.137 ～ 4.257 μmol?m-2s-1in the control plots, respectively. The soil respiration rate in the trenched plots exhibited a highly markedly exponential correlation with the soil temperature at 5 cm depth(P =0.000) ( without living roots) and a highly markedly quadric relationship with the soil moisture at 5 cm depth （P=0.012）. The results indicate that the root system was an important factor affecting soil СO2eff l ux, soil temperature and soil moisture in forest.

soil respiration; Cinnamomum camphora plantation; soil temperature; soil moistures

S792.23；S718.51+6

A

1673-923X (2012)05-0120-05

2011-05-20

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題（2011BAD38B0204）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NСET-10-0151）；湖南省科技廳項(xiàng)目（2010TP4011-3）；湖南省教育廳項(xiàng)目（湘財(cái)教字[2010]70號(hào)）；長(zhǎng)沙市科技局項(xiàng)目（K1003009-61）

劉 智(1980-)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事城市生態(tài)學(xué)研究

閆文德(1969-)，男，甘肅武威人，教授，博士，主要從事森林生態(tài)和城市生態(tài)學(xué)研究；E-mail: csfuywd@hotmail.com

[ 本文編校： 謝榮秀 ]