時(shí)應(yīng)貴,林偉盛,胥 超,劉小飛,陳仕東,熊德成,楊智杰,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,三明 365000

人工林在我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)占據(jù)重要作用,面積達(dá)到6933 萬(wàn)hm2,占世界人工林總面積的26.2%,居各國(guó)之首[1],在我國(guó)“森林碳匯”中占據(jù)重要作用。在我國(guó)南方,火燒已經(jīng)成為人工造林中清理采伐跡地最經(jīng)濟(jì)的方式[2],但這種傳統(tǒng)人工造林方式將加快幼林土壤有機(jī)碳分解,增加土壤碳排放,給人工林“碳匯”功能造成極大的影響[3—5]。因此,深入了解火燒對(duì)土壤碳排放的影響,成為研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳排放的重要組成。

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)第二大碳通量,在調(diào)節(jié)土壤碳庫(kù)與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[6—7]?；馃軌蚩焖偾宄炝诌^(guò)程中的采伐剩余物及灌木雜樹(shù)[8],但火燒過(guò)程產(chǎn)生的大量黑色殘余物(灰分、木碳等)及養(yǎng)分,影響土壤溫度、土壤含水量及土壤養(yǎng)分等環(huán)境因子[9—13],直接改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和活性,刺激土壤微生物生長(zhǎng)等,影響土壤呼吸[14—17]。由于采伐剩余物的數(shù)量與質(zhì)量的區(qū)別,產(chǎn)生不同的火燒強(qiáng)度與土壤呼吸,導(dǎo)致目前有關(guān)火燒強(qiáng)度對(duì)土壤呼吸的影響還未有較為明確的結(jié)論[18]。同時(shí)造林初期植被稀疏較幼小,對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感,增加了森林土壤碳排放量精確評(píng)估的難度[19—20]。

中國(guó)的亞熱帶是全球生產(chǎn)力最高的地方之一,是中國(guó)最重要的人工林區(qū)域[21],火燒是傳統(tǒng)人工造林最常用營(yíng)林方式[2,22],同時(shí)該地區(qū)氣候特殊,春季夏季降雨頻繁,占年降水量的60%以上[22—23],將導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失[24—25]；這些人為和自然因素的結(jié)合將改變土壤通氣情況[26]、呼吸的底物有效性[27]、以及土壤微生物與植物根系的生理活性[28—29],影響土壤呼吸[30]；尤其短期降水的不確定[31—32]加劇了亞熱帶森林土壤呼吸的變異,增加了對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳排放精確評(píng)估的難度。

本研究通過(guò)高頻觀測(cè)中亞熱帶常綠闊葉米櫧次生林皆伐后,煉山造林初期土壤呼吸與土壤溫度、含水量及降水的動(dòng)態(tài)變化,分析不同火燒強(qiáng)度對(duì)中亞熱帶人工造林初期階段碳循環(huán)的影響,以期能夠?yàn)槲覈?guó)人工造林中使用火燒方式提供科學(xué)依據(jù),并為精確評(píng)估森林碳排放提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 觀測(cè)期間大氣溫度與降水量 Fig.1 Air temperature and precipitation during the observation period

試驗(yàn)樣地位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站-陳大觀測(cè)點(diǎn)(26°19′ N,117°36′ E),平均海拔330 m,以低山丘陵為主,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降水量1749 mm,年均氣溫19.1 ℃,土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤,土層厚度超過(guò)1 m。皆伐前林分為1978年經(jīng)強(qiáng)度擇伐后人促更新的米櫧次生林,林分密度為2650 株/hm2,平均樹(shù)高19.7 m,平均胸徑13.5 cm。主要樹(shù)種為米櫧(Castanopsiscarlesii)、閩粵栲(CastanopsisfissaRehd)、木荷(Schimasuperba)等,以米櫧為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。林下植被主要有毛冬青(IlexpubescensHook)、狗骨柴(Tricalysiadubia)、矩圓葉鼠刺(Iteachinensis)、沿海紫金牛(Ardisiapunctata)、狗脊蕨(Woodwardiajaponjca)等[33]。該林分0—80 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量85.34 t/hm2,年均凋落物量5.81 t hm-2a-1；年平均氣溫為20.1℃,年平均降雨量為1670 mm,1959年至2006年間測(cè)量,約80%的降雨量發(fā)生在3月至8月之間；同時(shí)研究區(qū)人工造林中,多使用人工控制火燒煉山的方式(火燒清理采伐剩余物),但由于凋落物含量較多,煉山面積較大,不慎時(shí)可能發(fā)生大面積森林火災(zāi)。觀測(cè)期間樣地氣溫最高出現(xiàn)在7、8兩月(圖1)；4—12月總降水量1472.4 mm,主要集中在4月(269.8 mm)、6月(292.4 mm)和11月(281 mm)。

1.2 樣地設(shè)置

2011年11月在米櫧天然更新次生林(總面積為17.1 hm2)通過(guò)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)布設(shè)12塊5 m×20 m地表徑流收集固定場(chǎng)(P1-P12),其中P1—P9為擬皆伐地,P10-P12為保留對(duì)照樣地(CT)[25]。2011年12月對(duì)P1-P9進(jìn)行皆伐,移除主要樹(shù)干部分后將采伐剩余物均勻覆蓋地表。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的太陽(yáng)曝曬,于2012年3月28日對(duì)P3—P8樣地的采伐剩余物進(jìn)行火燒。由于破位差異對(duì)森林生產(chǎn)力的影響,上坡位的林分生產(chǎn)力低于下破位,使得采伐剩余物在不同坡位產(chǎn)生明顯的自然差異。上坡采伐剩余物數(shù)量低于下坡,火后下坡位的土壤表層上灰燼明顯高于上坡位,產(chǎn)生不同火燒強(qiáng)度。其中P3、P5、P6處于中上坡位,火燒過(guò)程中火燒強(qiáng)度較低(LF),而P4、P7、P8火燒過(guò)程中火燒強(qiáng)度較高(HF)。坡向都為東偏南,坡度都在29°—35°。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤呼吸測(cè)定：利用腔室法進(jìn)行土壤呼吸測(cè)定,在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地步驟5個(gè)PVC呼吸圈,呼吸圈單個(gè)內(nèi)徑20 cm高度為10 cm,將PVC一端削尖插入土壤3—5 cm,采用Li- 8100進(jìn)行土壤呼吸速率觀測(cè)。土壤呼吸的測(cè)定時(shí)間：2012年3月28日起至6月1日,每天測(cè)量一次,到6月1日后選擇在6月8、10、19和30日各測(cè)定一次,而從7月到12月間,于每月的中旬(15日左右)及月底(30日左右)各選擇一天測(cè)量,每次測(cè)定的時(shí)間均選擇在上午9:00—11:00,觀測(cè)持續(xù)10個(gè)月。

土壤溫度與含水量測(cè)定：在土壤10 cm深處安裝ECH2O(Model EC- 5,Decagon 公司,英國(guó))溫度和水分探頭,連續(xù)測(cè)量土壤含水量和溫度。

大氣溫度及降水量的測(cè)定：通過(guò)前期安裝的自動(dòng)小型氣象站進(jìn)行觀測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)所用數(shù)據(jù)均進(jìn)行前處理,并通過(guò)正態(tài)分布檢驗(yàn)和F檢驗(yàn),剔除異常值。通過(guò)ANOVA方差分析并使用q檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較,分析不同火燒強(qiáng)度下土壤呼吸速率的差異顯著性。通過(guò)指數(shù)模型與線性模型分別對(duì)土壤呼吸與土壤溫度、土壤含水量進(jìn)行擬合,公式如下：

土壤呼吸與土壤溫度采用指數(shù)模型擬合：

R=a×ebT

(1)

其中,R為土壤呼吸速率,a、b為參數(shù),T為土壤溫度。土壤呼吸與土壤含水量采用線性模型擬合：

R=a×W+b

(2)

式中,R為土壤呼吸速率a、b為參數(shù),W為土壤含水量[34]。使用SPSS 19.0和Origin 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖形繪制。圖表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同火燒強(qiáng)度對(duì)土壤溫度、含水量的影響

火燒的第一個(gè)月內(nèi)(3月28日—4月19日期間),高(HF)與低(LF)火燒強(qiáng)度處理中土壤平均溫度分別是20.45 ℃和22.89 ℃,比對(duì)照(CT)高4.08 ℃和6.53 ℃；且該時(shí)期土壤溫度波動(dòng)劇烈,HF、LF和CT樣地土壤溫度變化幅度(最大值與最小值之差除以平均值)分別是69.6%、87.5%和34.4%。在4月19日—6月19日期間,3個(gè)處理之間土壤溫度差異減少,CT、HF與LF樣地土壤平均溫度分別是21.38 ℃、22.77 ℃和21.49 ℃。但在6月19日之后,HF與LF樣地土壤平均溫度分別是22.29 ℃和25.53 ℃,比CT樣地高1.92 ℃和5.15 ℃；且該時(shí)期土壤溫度波動(dòng)劇烈,HF、LF及CT樣地土壤溫度波動(dòng)幅度分別為65.2%、78.9%及61.5%(圖2)。

圖2 不同處理下土壤溫度的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil temperature under different treatments圖中虛線表示不同階段

土壤含水量在火燒后的前期(3月28日—5月18日)略高與對(duì)照處理。其中,HF與LF處理平均含水量分別為26.5%和24.5%,比CT分別高4.1%和2.0%；且該時(shí)期土壤含水量波動(dòng)劇烈,HF、LF及CT樣地土壤含水量變化幅度分別為100.5%、70.8%及97.3%。5月18日—7月15日期間,CT土壤平均含水量21.0%,比LF與HF處理平均含水量分別高0.8%及3.8%。在7月15日—9月30日,HF與LF處理平均含水量分別為21.2%和18.4%,比CT高6.3%和3.6%。在9月30日之后,HF和LF處理平均含水量分別為18.2%和21.4%,比CT高2.7%和5.8%(圖3)。

圖3 不同處理下土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of soil moisture content under different treatments

2.2 不同火燒強(qiáng)度下土壤呼吸的動(dòng)態(tài)變化

火燒對(duì)土壤呼吸速率表現(xiàn)出明顯的時(shí)間差異(圖4)。在T1階段(3月28日—5月18日),火燒顯著增加了土壤呼吸速率(P<0.05),其中在T1a階段(3月28日—4月18日),HF、LF和CT土壤呼吸速率分別為(4.35±0.75)μmol m-2s-1、(3.60±0.69)μmol m-2s-1和(2.36±0.23)μmol m-2s-1；火燒后T1b階段(4月18日—5月18日),HF與LF處理無(wú)顯著差異(P>0.05),但都顯著高于CT處理(P<0.05),土壤呼吸速率分別為(4.54±1.15)μmol m-2s-1、(4.17±0.95)μmol m-2s-1及(2.66±0.72)μmol m-2s-1。而在T2階段(5月18日—8月15日),對(duì)照處理高于火燒處理,但未有顯著差異(P>0.05)。T3階段(8月15日之后),對(duì)照處理顯著高于火燒處理(P<0.05),火燒處理之間無(wú)顯著差異(P>0.05),HF、LF和CT土壤呼吸速率分別為(2.34±0.45)μmol m-2s-1、(2.63±0.56)μmol m-2s-1及(3.90±0.34)μmol m-2s-1(圖4)。

圖4 不同處理下土壤呼吸速率的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil respiration under different treatments圖中豎線表示不同階段;T1:3月28日—5月18日；T1a：3月28日—4月18日；T1b：4月18日—5月18日；T2：5月18日—8月15日；T3：8月15日—;不同小寫字母代表同一階段不同處理顯著差異

圖5 不同處理下不同階段CO2累計(jì)排放量Fig.5 Accumulative CO2 emissions in different periods under different treatments

火燒對(duì)土壤呼吸累計(jì)排放量也表現(xiàn)出明顯的時(shí)間差異(圖5)。在T1階段(3月28日—5月18日),火燒處理顯著高于對(duì)照(P<0.05),而兩個(gè)火燒強(qiáng)度處理之間無(wú)顯著差異(P>0.05),三個(gè)處理土壤CO2累計(jì)排放量分別為(845.50±192.39)g/m2、(747.47±160.19)g/m2及(482.12±92.26)g/m2,其中在T1a階段(3月28日—4月18日)火燒處理之間無(wú)顯著差異(P>0.05),但都顯著高于CT(P<0.05), 三個(gè)處理土壤CO2累計(jì)排放量分別為(363.76±66.14)g/m2、(301.18±58.97)g/m2及(197.10±19.42)g/m2；火燒后T1b階段(4月18日—5月18日),火燒處理土壤CO2累計(jì)排放量高于對(duì)照處理,且火燒強(qiáng)度越高土壤CO2累計(jì)排放量越高,同時(shí)三個(gè)處理無(wú)顯著差異(P>0.05),HF、LF和CT土壤CO2累計(jì)排放量分別為(518.12±135.26)g/m2、(475.24±108.30)g/m2及(303.81±78.82)g/m2；火燒后T2時(shí)期,各處理均無(wú)顯著差異(P>0.05),三個(gè)處理土壤CO2累計(jì)排放量分別為(1443.18±300.71)g/m2、(1501.29±366.78)g/m2及(1644.57±249.86)g/m2；火燒后T3時(shí)期,CT顯著高于其它處理,且HF與LF處理無(wú)顯著差異,三個(gè)處理土壤CO2累計(jì)排放量分別為(955.05±195.03)g/m2、(1083.96±250.13)g/m2及(1619.22±182.56)g/m2；整個(gè)觀測(cè)期間土壤CO2累計(jì)排放量未有顯著差異(P>0.05),三個(gè)處理土壤CO2累計(jì)排放量分別為(4125.62±893.64)g/m2、(4109.15±914.74)g/m2及(4246.82±691.37)g/m2。

2.3 不同火燒強(qiáng)度下土壤呼吸與土壤溫度、土壤含水量的關(guān)系

HF處理下僅在T1b、T1、T3時(shí)期,土壤呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)相關(guān)(P<0.01),其中僅在T3時(shí)期決定系數(shù)(R2)達(dá)到0.882,而其它時(shí)期時(shí)R2較低。LF處理下僅在T3時(shí)期,土壤呼吸與土壤溫度呈顯著的指數(shù)相關(guān)(P<0.01,R2=0.797),而其它時(shí)期均呈無(wú)相關(guān)(P>0.05),同時(shí)土壤呼吸與土壤含水量均無(wú)顯著的線性關(guān)系(P>0.05)。CT處理僅在T3時(shí)期,土壤呼吸與土壤溫度未呈顯著的指數(shù)相關(guān)(P>0.05),但在其它時(shí)期均呈顯著或極顯著相關(guān),但R2最大為0.435；同時(shí)此處理下土壤呼吸與土壤含水量?jī)H在T1a、T1時(shí)期呈顯著的線性關(guān)系(P<0.01)(表1)。

2.4 不同火燒強(qiáng)度下降水對(duì)土壤呼吸的影響

降水能夠影響土壤呼吸,甚至可以控制土壤呼吸。降水對(duì)土壤呼吸的影響有所差異,如4月6日、8日土壤呼吸增加,其中4月6日降雨后HF樣地土壤呼吸增加了13.4%,LF樣地土壤呼吸增加了5.7%,CT樣地土壤呼吸增加了7.5%；4月8日降雨后HF樣地土壤呼吸增加了116.6%,LF樣地土壤呼吸增加了44.9%,CT樣地土壤呼吸增加了17.2%。不同處理下土壤呼吸對(duì)連續(xù)降水響應(yīng)有所不同：4月14日—4月17日,降水導(dǎo)致土壤呼吸持續(xù)降低,其中HF、LF和CT變化幅度分別為62.8%、48.3%和19.6%；4月23日—4月26日,降水導(dǎo)致火燒處理土壤呼吸先增后減,但對(duì)照呈上升趨勢(shì),其中HF、LF和CT變化幅度分別為62.9%、51.1%和32.8%；4月28日—5月4日,降水導(dǎo)致不同火燒強(qiáng)度土壤呼吸呈現(xiàn)不同模式,HF處理土壤呼吸呈先增后減趨勢(shì),LF處理其土壤呼吸呈先減后增趨勢(shì),CT處理土壤呼吸也呈先減后增趨勢(shì),其中HF、LF和CT變化幅度分別為44.7%、42.5%和27.5%；5月8日—5月24日,降水導(dǎo)致不同火燒強(qiáng)度土壤呼吸呈現(xiàn)不同趨勢(shì),HF處理土壤呼吸呈先增后減,LF處理土壤呼吸呈先增后減在增的趨勢(shì),CT處理其土壤呼吸呈先增再減在增再減在增的趨勢(shì),其中HF、LF和CT變化幅度分別為124.2%、93.9%和85.1%；總體來(lái)看連續(xù)性降水前期促進(jìn)土壤呼吸,之后漸變?yōu)橐种仆寥篮粑?圖6)。

表1 土壤呼吸速率(R)與土壤溫度(T)與土壤含水率(W)不同模型擬合的參數(shù)

圖6 不同處理及降水下土壤呼吸的變化Fig.6 Changes of soil respiration under different treatments and precipitation

3 討論

3.1 火燒強(qiáng)度對(duì)人工造林初期土壤呼吸的影響

本研究表明不同火燒強(qiáng)度對(duì)人工林造林初期土壤呼吸具有明顯的階段性特征。由于前期火燒導(dǎo)致大量養(yǎng)分灰燼進(jìn)入土壤,為微生物活動(dòng)提供了豐富的能量與養(yǎng)分,促進(jìn)了土壤異養(yǎng)呼吸[35]。但隨著養(yǎng)分的損耗及水土流失,火燒處理與對(duì)照土壤呼吸差異減小,最后火燒處理土壤呼吸小于對(duì)照處理。其中火燒處理后的前2個(gè)月顯著增加了土壤呼吸(圖4),其中高火燒和低火燒強(qiáng)度處理分別比對(duì)照高76.3%和55.3%,這與一些研究結(jié)果相同[5,36—38],李震[39]對(duì)皆伐煉山處理對(duì)杉木林地土壤呼吸的影響研究表明,火燒后前2個(gè)月內(nèi)火燒樣地的土壤呼吸比對(duì)照35.2%。這可能與火燒導(dǎo)致植物細(xì)根死亡,以及火燒后植物灰燼中豐富的養(yǎng)分,為微生物活動(dòng)提供了豐富的能量,且火燒處理下的黑色物質(zhì)(灰分、木碳等)能夠吸收更多的太陽(yáng)輻射,提高土壤溫度(圖2),同時(shí)大量Ca2+、Mg2+及K+等陽(yáng)離子,導(dǎo)致土壤中pH值上升[11,40—41],這些均有利于增加微生物活動(dòng)與呼吸[42]。如火燒強(qiáng)度高的樣地中,有著較多的灰燼養(yǎng)分以及細(xì)根的死亡[39],導(dǎo)致火燒剛結(jié)束的一段時(shí)間里高火燒強(qiáng)度處理土壤呼吸速率高于低火燒強(qiáng)度處理；而在火燒后約1—2個(gè)月,隨著灰燼養(yǎng)分的利用與淋溶,土壤死亡根系的利用,不同火燒強(qiáng)度處理間的土壤呼吸速率差異逐漸減少(圖4)?；馃?—5月高火燒強(qiáng)度處理與低火燒強(qiáng)度處理無(wú)顯著差異,主要由于高火燒強(qiáng)度灰燼養(yǎng)分由于降水淋溶損失,同時(shí)前期高火燒強(qiáng)度處理土壤呼吸損耗,導(dǎo)致其與低火燒強(qiáng)度處理無(wú)顯著差異。火燒5個(gè)月之后,高火燒強(qiáng)度處理與低火燒強(qiáng)度處理土壤呼吸都較低,且無(wú)顯著差異,這是由于高火燒強(qiáng)度處理與低火燒強(qiáng)度處理新種幼苗較小,未能向土壤輸入凋落物、根系分泌物等新鮮碳源,且前期燃燒灰燼的流失,導(dǎo)致兩種處理間土壤有效性碳大量損失,因此,兩者土壤呼吸較低且無(wú)顯著差異[11,43]。

Wang等[20]對(duì)全球139處森林火災(zāi)后的土壤呼吸進(jìn)行Meta分析表明：火燒總體上土壤呼吸減少13.5%,其中野火后減少14.9%,控制火減少7.5%,主要由于火燒導(dǎo)致前期土壤C、N可用性提高,促進(jìn)微生物活動(dòng),但后期土壤養(yǎng)分輸入減少,降低了土壤C的固存率。本研究中,雖然在觀測(cè)后期火燒土壤呼吸顯著低于對(duì)照,但觀測(cè)前期火燒土壤呼吸顯著高于對(duì)照(圖4),因此觀測(cè)期土壤累計(jì)CO2排放無(wú)顯著差異(圖5),這與Bai等[44]研究火燒后土壤呼吸減少26.8%結(jié)果不一致,但主要由于呼吸組成及觀測(cè)時(shí)間上的差異,如土壤呼吸由自養(yǎng)呼吸與異養(yǎng)呼吸組成,一般來(lái)說(shuō)自然的森林生態(tài)系統(tǒng)中微生物呼吸占土壤呼吸的50%[45—47],,而火燒處理后人工林造林早期由于幼苗較小,根系生長(zhǎng)還未發(fā)達(dá),其土壤呼吸主要由異養(yǎng)呼吸組成。且對(duì)照處理中植物光合產(chǎn)物的地下碳分配[48—49]、凋落物[50—52]是土壤微生物的主要碳源,而火燒處理中土壤微生物的碳源主要來(lái)自于土壤有機(jī)碳的分解[22],因此皆伐火燒后人工造林初期土壤累積CO2排放無(wú)顯著差異,但由于土壤微生物碳源的差異將導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的進(jìn)一步損失。

3.2 環(huán)境因子對(duì)土壤呼吸的影響

本研究通過(guò)每日土壤呼吸的高頻觀測(cè),進(jìn)行指數(shù)及線性擬合發(fā)現(xiàn)土壤溫度和含水量不是亞熱帶土壤呼吸的主要影響因子,與傳統(tǒng)上土壤溫度、含水量調(diào)控土壤呼吸存在差異[53]。這與Janssens等[48]研究發(fā)現(xiàn)土壤溫度不是土壤呼吸的主要影響因子一致,雖然土壤呼吸與土壤溫度有較好的指數(shù)關(guān)系,但其主要由于土壤溫度與植物光合具有較好的同步性,從而掩蓋了植物生產(chǎn)力的作用,土壤呼吸占到總生產(chǎn)力(GPP)的55%。H?gberg 等[45]的環(huán)割實(shí)驗(yàn)也表明植物光合驅(qū)動(dòng)土壤呼吸。Bond-Lamberty等[50]通過(guò)綜述全球54個(gè)森林土壤呼吸數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)土壤異養(yǎng)呼吸與溫度沒(méi)有顯著關(guān)系,而與植物凋落物、細(xì)根歸還量顯著相關(guān)。同時(shí)Sheng等[4]對(duì)亞熱帶土壤呼吸的研究也表明相同土地類型間土壤呼吸與土壤溫度有較好的指數(shù)擬合,但是不同土地類型間土壤呼吸年通量與細(xì)根和凋落物歸還有著較好的線性關(guān)系。這可能是由于季節(jié)尺度上土壤溫度與植物生產(chǎn)力有較好的同步性,土壤溫度的季節(jié)變化掩蓋了植物生產(chǎn)力的變化,同時(shí)其指出亞熱帶地區(qū)由于降水量充沛,基本不受土壤含水量限制,與本研究土壤呼吸不受土壤含水量影響結(jié)果一致。

本研究中雖然土壤含水量不是影響土壤呼吸的重要因素,但發(fā)現(xiàn)降水會(huì)直接影響土壤呼吸的變化[54—58]。這可能是由于降水導(dǎo)致養(yǎng)分淋溶進(jìn)入土壤,增加底物有效性,促進(jìn)了土壤呼吸；降水也可能增加土壤孔隙中的CO2物理擴(kuò)散(圖6),促進(jìn)表層土壤CO2排放速率[27,58—60],如4月8日降水高強(qiáng)度火燒土壤呼吸增加了116.6%,低火燒強(qiáng)度增加了44.9%,對(duì)照土壤呼吸增加了17.2%。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)性降水也會(huì)促進(jìn)土壤呼吸,表現(xiàn)為降雨初期促進(jìn)呼吸速率,但在后期呈抑制作用,這與Zhu等[61]對(duì)降水事件對(duì)土壤呼吸影響研究的結(jié)果一致,當(dāng)降水導(dǎo)致土壤含水量達(dá)到飽和時(shí)持續(xù)降雨抑制土壤呼吸。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn)火燒處理下土壤呼吸波動(dòng)幅度高于對(duì)照處理,如4月23日—4月26日高火燒強(qiáng)度、低火燒強(qiáng)度和對(duì)照變化幅度分別為62.9%、51.1%和32.8%,這可能是由于火燒處理中表層積累了大量的有效性碳與養(yǎng)分,降水增加了底物有效性碳與養(yǎng)分的輸入,促進(jìn)土壤微生物呼吸。而對(duì)照處理中由于林冠的截流作用,不僅輸入量少,而且林冠穿透雨對(duì)林冠與地表枯落物的淋溶向土壤輸入的可溶性物質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量均小于火燒樣地。另一方面,熱帶亞熱帶地區(qū)高分化土壤中,土壤鐵鋁氧化物對(duì)原有土壤有機(jī)碳的強(qiáng)烈固定作用,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳有效性低,土壤微生物以新近輸入的植物性碳為主要底物來(lái)源[62]。降水導(dǎo)致的外源碳輸入的數(shù)量與質(zhì)量變化導(dǎo)致對(duì)照處理中更小的呼吸速率與變化幅度。

4 結(jié)論

雖然觀測(cè)期間火燒處理沒(méi)有導(dǎo)致土壤CO2累計(jì)排放量的增加,但火燒對(duì)中亞熱帶森林土壤呼吸具有明顯的時(shí)間階段特征：在火燒后的2個(gè)月時(shí)間內(nèi),火燒促進(jìn)土壤呼吸速率,但這種促進(jìn)作用隨著時(shí)間慢慢減弱,在火燒后2—5個(gè)月內(nèi)三種處理間沒(méi)有顯著差異；但之后,火燒處理土壤呼吸顯著低于對(duì)照?；馃龔?qiáng)度是影響土壤呼吸的一個(gè)重要因素,高火燒強(qiáng)度處理土壤呼吸在第一個(gè)月內(nèi)顯著高于低火燒強(qiáng)度處理與對(duì)照處理。通過(guò)對(duì)土壤呼吸每天的高頻觀測(cè)發(fā)現(xiàn)土壤溫度與土壤含水量并不是影響土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化的主要因子,而降雨的強(qiáng)度與頻率是導(dǎo)致土壤呼吸快速波動(dòng)的重要原因。