葉功富，黃石德?，楊智杰，陳楨，朱洪如

(1.福建省林業(yè)科學研究院;2.福建師范大學;3.福建農林大學;4.福建省林業(yè)調查規(guī)劃院:350000，福州)

土壤的嚴重侵蝕會導致土壤有機碳庫的大量損失，并降低土壤的質量;因此，水土保持措施作為一項維持土壤肥力的措施在土壤侵蝕嚴重的地區(qū)被廣泛采用。然而它因改變了微地形的形態(tài)，引起土壤水分、結構、有機質質量分數及養(yǎng)分質量分數的變化［1-3］，勢必會影響土壤微生物的分解活動，從而改變土壤呼吸速率的特征。我國存在大面積的侵蝕退化地區(qū)，據報道2005年我國水土流失面積達356萬km2，每年土壤流失總量高達 50 多億 t［4］，大量的水土保持措施被應用，而水土保持措施的廣泛使用必然會對原先自然狀態(tài)的土壤碳排放進程施加重大影響，從而改變其對未來全球氣候變化的反饋機制。目前，有關水土保持措施對土壤的效應研究仍局限在土壤的結構特征變化、土壤的水庫及碳庫效應等方面［5-6］，對土壤碳排放及其響應機制的相關研究涉及較少;因此，筆者選擇土壤侵蝕嚴重地區(qū)的閩西北不同類型的板栗(Castanea mollissima)林為研究對象，比較分析有無施行水土保持措施的土壤含水量、土壤呼吸季節(jié)動態(tài)的差異，同時探討采取水土保持措施后，土壤呼吸季節(jié)動態(tài)以及土壤溫度和濕度對土壤呼吸影響的變化情況，進而為土壤侵蝕嚴重地區(qū)固碳減排模式的評估提供技術支撐。

1 試驗地概況

試驗地位于福建西部長汀縣河田鎮(zhèn)(E 116°18′～116°31′，N 25°33′～ 25°48′)，屬中亞熱帶季風氣候區(qū)。年均降雨量1 737 mm，年均氣溫17.5～18.8℃，平均無霜期260 d，平均日照時間1 924.6 h，≥10℃積溫為4 100～4 650℃。河田鎮(zhèn)屬河谷盆地，土壤屬山地紅壤，成土母巖屬粗晶花崗巖。土層雖然深厚，但結構疏松，含砂量大，結構不良，抗蝕能力差，是南方水土流失最嚴重的土壤類型。地帶性植被(常綠闊葉林)破壞殆盡，而板栗作為長汀縣土壤侵蝕嚴重區(qū)域進行植被恢復的重要舉措以及當地的特色產業(yè)而被大力推廣。

本研究共選擇了4種不同類型的板栗林作為供試樣地，每公頃栽植均為390株左右。其中樣地Ⅰ和Ⅱ為2003年種植，樣地Ⅰ板栗林采用的是順坡種植，無施用任何水土保持輔助措施;而樣地Ⅱ則在種植板栗當年，進行梯田整地，其中梯面寬2.5～3 m，另于翌年在梯田內側挖深寬均為30 cm的蓄水溝，外側作埂，埂高15 cm。樣地Ⅲ和Ⅳ則為1996年種植，樣地Ⅲ板栗林亦是順坡種植，無任何水土保持輔助措施，而樣地Ⅳ則在種植的當年，進行梯田整地，梯面寬2.5～3 m，另在翌年在梯田內側挖深寬均為30 cm的蓄水溝，外側作埂，埂高15 cm。4個供試板栗林具體特征及土壤(0～10 cm)基本理化性質分別如表1和表2所示。

2 研究方法

2.1 試驗設計與土壤呼吸測定

在4種不同類型的板栗林樣地內，分別設立1塊20 m×20 m的標準樣地，按隨機取樣原則，于每個標準地內分別布設5個土壤呼吸觀測點。在每個土壤呼吸觀測點上將自制的內徑為20.4 cm，高為7.5 cm的PVC環(huán)敲入土壤中，其中PVC環(huán)插入土壤約4 cm，保留環(huán)內的土壤表層枯落物，同時齊地剪去地面植被。測量在埋設PVC環(huán)24 h后開始，并保持PVC環(huán)在整個測定期間位置不變［7］。土壤呼吸速率采用Li-8100土壤CO2測量系統(tǒng)測定。于2009年3月開始，在每月下旬選擇晴朗無風天氣，于09:00—11:00期間觀測1次(謝錦升等［8］研究表明09:00—11:00測得的土壤呼吸速率與土壤呼吸1 d的均值接近)，連續(xù)重復觀測3 d，取3 d的平均值作為該月土壤呼吸速率值，土壤呼吸的測定至2010年9月結束。利用Li-8100附帶的土壤溫度探頭測定5 cm深土壤溫度。在測定土壤呼吸的同時，在各土壤呼吸觀測點附近隨機打土鉆，取樣深度為0～5 cm，用小鋁盒取土樣，帶回實驗室，采用烘干法測定土壤含水量。

表1 4個供試板栗林試驗地的基本概況Tab．1 Basic status of sample plots in four Castanea mollissima plantations

表2 4個供試板栗林試驗地土壤(0～10 cm)基本理化性質Tab．2 Physical and chemical properties of soil in four Castanea mollissima plantations

2.2 數據分析

所有的統(tǒng)計分析都在SPSS13.0軟件中進行，用One-Way ANOVA檢驗土壤含水量、土壤呼吸在有無采取水土保持措施的差異性，用非線性回歸方程回歸檢驗土壤呼吸與土壤溫度以及土壤溫、濕度間的相關性。所有統(tǒng)計的顯著性水平均為P=0.05。用Excel 2003軟件作圖。

土壤呼吸溫度響應用Q10方程［9］進行模擬。

式中:Rs為土壤呼吸速率(soil respiration rate)，μmol/(m2·s);R10為土壤溫度為10℃時土壤呼吸速率，亦稱為參考呼吸(reference respiration)，μmol/(m2·s);t為5 cm處土壤溫度，℃;Q10為土壤呼吸的溫度敏感性指數(temperature sensitivity index)，即溫度每升高10℃土壤呼吸速率變化的比率。

溫度和濕度對土壤呼吸的綜合作用采用雙因素模型

式中:W為0～5 cm土壤含水量，%;a、b、c為模型參數［10］。

3 結果與分析

3.1 對土壤水分的影響

如圖1所示，順坡種植的樣地Ⅰ土壤含水量在8.29% ～23.29%之間，平均含水量為14.48%;采取水土保持措施后，樣地Ⅱ土壤含水量在9.03% ～26.01%之間，平均含水量為17.15%，僅比樣地Ⅰ有一定程度的增加，但未達到顯著水平(P＞0.05)。1996年順坡種植的樣地Ⅲ土壤含水量在9.57%～25.73%之間，平均含水量為16.79%，與樣地Ⅰ和樣地Ⅱ無顯著差異(P＞0.05);采取水土保持措施后，樣地Ⅳ的土壤含水量有顯著增加(P＜0.05)，其含水量在10.59%～29.27%之間，平均含水量達到20.20%。試驗結果表明，采取水土保持措施后，樣地的土壤水分狀況得到一定程度的改善，尤其隨著采取水土保持措施年限的延長，其對土壤水分時空分布影響更為顯著。

圖1 不同板栗林樣地土壤含水量的月動態(tài)Fig．1 Monthly dynamic of soil water contents in different Castanea mollissima plantations

3.2 對土壤溫度季節(jié)動態(tài)變化的影響

水土保持措施的施用對板栗林土壤溫度季節(jié)變化動態(tài)無明顯影響，如圖2所示，無論是否采取水保措施以及施用年限的不同，4個板栗林樣地的土壤溫度均呈明顯的單峰曲線變化，從3月開始逐漸升高，5—6月間4個板栗林的土壤呼吸速率值先后達到其最大值。之后逐漸降低，12月—翌年1月達到最低值，爾后又逐漸升高。如圖2所示，樣地Ⅰ、Ⅱ觀測期間土壤平均溫度分別為21.81和22.63℃，無顯著差異(P＞0.05)。樣地Ⅲ、Ⅳ觀測期間土壤平均溫度差異更小，分別為22.64和22.36℃。試驗結果表明，水土保持措施的施用對土壤溫度的影響有限。

3.3 對土壤呼吸季節(jié)動態(tài)的影響

試驗結果表明，水土保持措施的施用對板栗林土壤呼吸季節(jié)變化動態(tài)無明顯影響，如圖3所示，無論是否采取水土保持措施以及施用年限的不同，4個板栗林樣地的土壤呼吸速率均呈明顯的單峰曲線變化，從3月開始逐漸升高，5—6月間4個板栗林的土壤呼吸速率值先后達到其最大值。之后逐漸降低，12月—翌年1月達到最低值，爾后又逐漸升高。樣地Ⅰ、Ⅱ觀測期間土壤呼吸的平均速率分別為4.012 和 3.241 μmol/(m2·s)，但仍未達到顯著差異(P＞0.05);樣地Ⅲ、Ⅳ測定期間土壤呼吸的平均速率差異更小，分別為3.804和4.062 μmol/(m2·s)。變化幅度(最大值與最小值之差除以平均值)以樣地Ⅰ最大(186.51%)，其次為樣地Ⅱ(161.42%)，樣地Ⅲ最小(134.90%)。

圖3 不同板栗林樣地土壤呼吸速率的月動態(tài)Fig．3 Monthly dynamic of soil respiration rates in different Castanea mollissima plantations

3.4 土壤呼吸速率與土壤溫、濕度的關系

3.4.1 與土壤溫度的關系 參考呼吸R10和溫度敏感性指數Q10是反映土壤呼吸溫度依賴性的2個重要變量［9］。在樣地Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ中，土壤溫度能夠解釋土壤呼吸速率變化的50.6% ～57.3%(表3)，而在樣地Ⅳ中，土壤溫度則能解釋土壤呼吸速率變化的83.7%。順坡種植樣地Ⅰ、Ⅲ的R10分別為1.718和1.595 μmol/(m2·s);采取水土保持措施后，樣地Ⅱ、Ⅳ的參考呼吸R10均表現(xiàn)為一定程度的降低，但未達到顯著水平(P＞0.05)，分別為1.092和1.324 μmol/(m2·s)。順坡種植樣地Ⅰ、Ⅲ的 Q10分別為1.927和1.899，采取水土保持措施后，Q10均表現(xiàn)為略為增加，樣地Ⅱ和樣地Ⅳ的Q10分別為2.194和2.293。

3.4.2 土壤溫度和土壤濕度對土壤呼吸的綜合影響 由表4可知，在4種不同的板栗園類型中，土壤溫度和濕度綜合能解釋土壤呼吸速率變化的70.4%～90.7%，用土壤溫度和土壤濕度的雙因素模型顯然要優(yōu)于土壤溫度的單因素模型。其中順坡種植的樣地Ⅰ和樣地Ⅲ，土壤溫濕度分別能解釋土壤呼吸速率變化的70.4%和82.1%，而采取水土保持措施后，土壤溫濕度對土壤呼吸速率的變化施加更大的影響，樣地Ⅱ和樣地Ⅳ，土壤溫濕度分別能解釋土壤溫濕度分別能解釋土壤呼吸速率變化的72.9%和90.7%。

表3 不同板栗林土壤呼吸速率溫度模型參數Tab．3 Parameters of temperature models for soil respiration rate in different Castanea mollissima plantations

表4 不同板栗林土壤呼吸速率溫濕度模型參數Tab．4 Parameters of temperature and moisture models for soil respiration in different Castanea mollissima plantations

4 結論與討論

4.1 水土保持措施對土壤水分的影響

水土保持措施可以通過整地、溝埂的修筑引起微地形的變化，人為創(chuàng)造具有積水能力的“小水庫”，將水分臨時積蓄，以期達到時空調控水分的目的［3］。本研究結果表明水土保持措施的施行，對樣地土壤水分的改善起到一定的作用，尤其隨著水保措施施用年限的延長，其對土壤水分時空分配影響更為顯著。這與其他學者的研究結果類似，例如:劉娜娜［11］研究黃土高原地區(qū)梯田水土保持措施下的土壤水分效應時，認為在培肥條件好的梯田，隨著梯田施用年限的延長，其表土的持水能力也得到增強;曲繼宗等［12］也得出梯田的儲水性能及水分利用率隨著耕種年限的延長而增強的結論。

4.2 土壤呼吸對水土保持措施的響應

研究表明，水土保持措施的施用對板栗林土壤呼吸季節(jié)動態(tài)無明顯影響。水土保持措施的施用會改變土壤的水、熱環(huán)境，將已發(fā)育和未發(fā)育的土壤層次擾亂，使生土與熟土層混合，導致土壤結構、水分和有機質質量分數等發(fā)生改變［5］，勢必會影響土壤呼吸速率情況。本研究中樣地Ⅰ和Ⅲ的參考呼吸R10分別為1.718 和 1.595 μmol/(m2·s);而采取水土保持措施后，樣地Ⅱ和Ⅳ的R10均表現(xiàn)為一定程度的降低，分別為 1.092 和 1.324 μmol/(m2·s)。本研究表明水土保持措施對參考呼吸R10有一定程度的影響:本研究中的樣地Ⅱ和Ⅳ由于水土保持措施的施用，受到降水侵蝕造成的土壤擾動的影響較少，在較低的溫度下，土壤微生物的代謝活動劇減，活性減弱，逐漸進入休眠狀態(tài)［13］，故樣地Ⅱ和Ⅳ有較低的土壤呼吸速率;而樣地Ⅰ和Ⅲ由于未采取水土保持措施，降水的擊濺侵蝕加劇表層土壤的擾動，促進表層土壤CO2的釋放，因此在較低的土壤溫度下，仍具有較高的土壤呼吸速率。

Q10是檢驗土壤呼吸溫度依賴性的重要指標，被廣泛作為一個土壤呼吸溫度的敏感性因子，它反映了包含不同土壤微生物群落、根系及凋落物分解的溫度敏感性，受到微生物群落類型、凋落物輸入和根生物量等多因素的影響［14］。樣地Ⅰ和Ⅲ的溫度敏感性指數Q10分別為1.927和1.899，本研究結果發(fā)現(xiàn)水土保持措施的施用，其土壤呼吸的溫度敏感性有所增加。尤其是隨著施用年限的延長，趨勢更為明顯，樣地Ⅳ土壤呼吸的溫度敏感性Q10為2.293。這可能主要是由于采取水土保持措施的樣地Ⅱ和Ⅳ，土壤水分環(huán)境的改善，間接調節(jié)了土壤碳和養(yǎng)分的可利用狀況，從而促進了不同土壤微生物區(qū)系和植物根系的生長［15］，使其有較高的溫度敏感性指數。

本研究發(fā)現(xiàn)采取水土保持措施后，土壤溫度和土壤濕度對土壤呼吸速率的影響有一定程度的增強。這主要是由于采取水土保持措施后，改善了土壤的水分狀況、結構及土壤有機質質量分數，充足的水分和適宜的土壤結構，將給土壤微生物的分解提供一個更為良好的生存環(huán)境，使土壤呼吸對非生物因素(主要指溫度和濕度)的響應變得更為顯著。

從本研究結果發(fā)現(xiàn)當溫度較低時，采取水土保持措施的樣地明顯有更低的土壤呼吸速率(有較低的R10)，這是否表明水土保持措施的施用減少冬季土壤碳排放，從而有利于土壤的固碳作用?同時研究中發(fā)現(xiàn)采取水土保持措施土壤的溫度敏感性有所增加，然而在未來氣候變暖的可能場景下，采取水土保持措施的溫度敏感性如何變化，是否會在高溫下表現(xiàn)出自適應的機制，原先在低溫下因采取水土保持措施土壤所固定的那部分碳是否會被重新釋放出來，以及不同組分土壤呼吸對采取水土保持措施的響應是否存在差別?這些問題都有待于今后深入研究。

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