植物生态学报 2009, 33 (4) 739~747
Chinese Journal of Plant Ecology
改变凋落物输入对杉木人工林土壤呼吸的
短期影响
王光军1,2田大伦1,2*闫文德1,2朱凡1,2项文化1,2梁小翠1
(1 中南林业科技大学南方林业生态应用技术国家工程实验室,长沙 410004)
(2 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站,湖南会同 418307)
摘要从2007年1月至12月, 在长沙天际岭国家森林公园, 通过改变杉木林凋落物输入, 研究杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林群落去除凋落物、加倍凋落物土壤呼吸速率及5 cm土壤温、湿度的季节变化。结果表明: 去除和加倍凋落物对土壤温度和湿度产生的差异不显著(p>0.05), 对土壤呼吸全年产生的差异接近显著(Marginal significant)(p=0.058)。按植物生长期分别分析, 去除和加倍凋落物对土壤呼吸产生的差异, 在生长旺盛期差异显著(p=0.003), 在生长非旺盛期差异性不显著(p=0.098)。去除凋落物年均土壤呼吸速率为159.2 mg CO2·m–2·h–1, 比对照处理土壤呼吸速率(180.9 mg CO2·m–2·h–1)低15.0%, 加倍凋落物的土壤呼吸为216.8 mg CO2·m–2·h–1, 比对照处理高17.0%。去除和加倍凋落物土壤呼吸季节动态趋势与5 cm深度土壤温度相似, 它们之间呈显著指数相关, 模拟方程分别为: y=27.33e0.087 2t (R2=0.853, p<0.001), y=37.25e0.088 8t (R2=0.896, p<0.001)。去除和加倍凋落物的Q10值分别为2.39和2.43, 均比对照2.26大。去除和加倍凋落物土壤呼吸与土壤湿度之间关系不显著(p>0.05)。这一结果使我们能够在较短时间内观察到改变凋落物输入对土壤呼吸的影响, 证明凋落物是影响土壤CO2通量的重要因子之一。
关键词杉木人工林土壤呼吸凋落物土壤温度土壤含水量Q10值
EFFECTS OF ABOVEGROUND LITTER EXCLUSION AND ADDITION ON SOIL RESPIRATION IN A CUNNINGHAMIA LANCEOLATA PLANTATION IN CHINA
WANG Guang-Jun1,2, TIAN Da-Lun1,2*, YAN Wen-De1,2, ZHU Fan1,2, XIANG Wen-Hua1,2 and LIANG Xiao-Cui1
1Central-South University of Forestry & Technology, National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, China, and 2Huitong National Field Station for Scientific Observation & Experiment for Chinese Fir Ecosystem,Hui-tong, Hunan 418307, China
Abstract Aims Soil respiration is the largest carbon flux in forest ecosystems except for canopy photosynthesis, but the effect of litter on soil respiration in Cunninghamia lanceolata plantations is poorly understood. Our objectives were to examine quantitative differences in changes in soil respira-tion induced by litter exclusion and addition and to determine how litter manipulation affects soil CO2 flux in C. lanceolata plantation ecosystems.
Methods We measured soil respiration with an infrared gas exchange analyzer (Li-6400-09) in Tian-jiling National Forestry Park, Changsha, Hunan, China from January to December 2007. In the litter ex-clusion treatment, all ground litter was removed and aboveground litter input was excluded. In the litter addition treatment, litter removed from litter exclusion plots was added to produce double litter. Soil temperature and moisture were measured at 5 cm depth at the same time as soil respiration measure-ments.
Important findings The treatments of litter exclusion and addition had significantly different seasonal
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收稿日期: 2008-06-26 接受日期: 2009-02-09
基金项目: 国家林业公益性行业科研专项经费项目(200804030)、湖南省杰出青年基金项目(07JJ1004)、国家林业局“948”项目(2007-4-19和2008-4-36)、国家自然科学基金(30571487)、湖南省科技厅重点项目(06FJ3083和05NK3026)和中南林业科技大学青年科学研究基金(2008003A)
中国科学院植物研究所万师强研究员对试验设计进行指导, 对本文撰写提出了宝贵的意见并修改, 谨此致谢
* 通讯作者Author for correspondence E-mail: csufttdl@https://www.doczj.com/doc/772541103.html,
740 植物生态学报 www. https://www.doczj.com/doc/772541103.html, 33卷patterns of CO2 flux processes. Average soil respiration rates of litter exclusion and addition plots were 159.2 and 216.8 mg CO2·m–2·h–1, respectively. The soil respiration rate with litter exclusion was 15.0% lower than the control (180.9 mg CO2·m–2·h–1) and with litter addition was 17.0% higher than the con-trol. Significant exponential relationships were found between soil temperature and soil respiration rate under both treatments, and soil temperature could explain 85.3% and 89.6% of the seasonal changes in soil respiration in the litter exclusion and litter addition plots, respectively. The relationship between soil respiration rate (y) and soil temperature (t) was described by the regression equations: y=27.33e0.087 2t (R2=0.853, p<0.001) and y=37.25e0.088 8t (R2=0.896, p<0.001) in the litter exclusion and addition plots, respectively. The Q10 values in the litter exclusion and litter addition plots were 2.39 and 2.43, higher than the control (2.26). The results indicated that litter-fall is an important factor affecting soil CO2 ef-flux in forests.
Key words Cunninghamia lanceolata plantation, soil respiration, soil temperature, soil moisture, Q10 value DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.012
土壤碳库储存了地球陆地生态系统3/4以上的碳(Lal, 2004)。森林生态系统作为陆地生物圈的主体, 其碳贮量约为1 146 Pg C, 占全球陆地总碳贮量的46% (IPCC, 2000), 而森林土壤及其有机层贮存了森林生态系统39%的碳(Dixon et al., 1994), 土壤碳循环过程的微弱变动将对全球CO2的排放总量产生显著的影响(Burton & Pregitzer, 2003)。土壤呼吸是全球碳循环的主要通量过程(Raich & Schlesinger, 1992), 包括根际呼吸(根和根际微生物呼吸)和异养呼吸(包括土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸)(Tang et al., 2005), 凋落物分解产生的CO2占了其中相当大一部分(Olson, 1963)。Raich和Schlesinger (1992)估算全球土壤呼吸释放CO2通量约为68 Pg C·a–1, 其中50 Pg C·a–1来自于凋落物和土壤有机质分解。凋落物的数量及其分解速率在很大程度上影响着土壤有机质的形成和对植物的养分供应, 以及土壤CO2通量(Prescott, 2005; Wan et al., 2007)。凋落物添加和去除试验(DIRT, Detritus input and removal treatments)就是控制土壤碳输入来源和速率的长期野外试验, 目的是研究凋落物如何影响土壤有机质和养分的积累和动态(Nadelhoffer et al., 2000; Holub et al., 2005; Wan et al., 2007)。添加和去除凋落物处理可以通过改变有机碳的供应, 影响土壤呼吸。在森林生态系统中, 添加和去除凋落物能显著增加和降低凋落物分解(Sayer et al., 2006)和土壤呼吸(Boone et al., 1998; Fisk & Fahey, 2001; Nadelhoffer et al., 2004; Sulzman et al., 2005), 而且加倍凋落物所引起的土壤呼吸的增加程度远远大于去除凋落物所引起的土壤呼吸降低的程度(Nadelhoffer et al., 2004; Sulzman et al., 2005)。这表明额外的凋落物输入可能刺激土壤中现存有机质的分解(Nadelhoffer et al., 2004)。在国内, 关于凋落物添加和去除试验的报道仅见于华南热带桉树林去除凋落物对植物物种多样性(Peng et al., 2003)、树木生长和碳氮动态的影响(Zhang et al., 2006)和半干旱草原土壤呼吸(Wan et al., 2007; Liu et al., 2008; Niu et al., 2008)。
杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方造林的常用树种, 在我国森林资源中占有重要的地位。本文在王光军等(2009)对杉木土壤呼吸及其影响因子的研究基础上, 通过添加和去除凋落物研究杉木林土壤呼吸动态变化, 对杉木人工林土壤碳释放模式和强度的环境因子进行探讨, 使我们能够在较短时间内观察到改变凋落物输入对土壤呼吸的影响, 增进对杉木人工林土壤碳库和碳循环过程的全面理解。
1试验地概况
试验地位于湖南省长沙市南郊的天际岭国家森林公园(113°01′~113°02′ E, 28°06′~28°07′ N), 核心区面积约4 356 hm2, 海拔46~114 m, 坡度为5°~25°。当地年平均气温17.2 ℃, 1月最冷, 平均4.7 ℃, 极端最低温度–11.3 ℃; 7月最热, 平均气温29.4 ℃, 极端最高气温40.6 ℃; 无霜期为270~ 300 d, 日照时数年均1 677.1 h; 雨量充沛, 年平均降雨量1 422 mm。属典型的亚热带湿润季风气候。其地层主要是第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾, 属典型红壤丘陵区, 园内小生境众多, 植物种类达2 200余种, 植被以人工林为主。
4期王光军等: 改变凋落物输入对杉木人工林土壤呼吸的短期影响 DOI:
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本试验从2006年12月开始, 选择树龄18 a的杉木人工林作为研究对象, 平均每公顷1 102株, 胸径16.26 cm, 树高12.5 m, 郁闭度为0.8。2007年1月调查杉木林的主要组成成分分别为: 以杉木为优势种, 林中有樟树(Cinnamomum cam-phora)、山矾(Symplocos caudate)、檫木(Sassafeas tsumu)和大青(Clerodendron cyrtophyllum)等, 草本植物有肾蕨(Nephrolepis auriculata)、淡竹叶(Lophantherum gacile)、五节芒(Miscanthus flo-ridulus)和商陆(Phytolacca acinosa)等。
2007年调查的杉木人工林凋落物年归还量(575.1±51.5) g·m–2·a–1, 地表凋落物层厚度为0.3~1.1 cm, 凋落物中以针叶为主, 占总凋落物量的67.02%(表1)。
表1杉木林群落土壤的理化特性和凋落物量
Table 1 Soil physical chemical properties and litter production in Cunninghamia lanceolata plantation
森林类型Forest type
全C
Total C
(mg C·g–1)
全N
Total N
(mg N·g–1)
碳/氮
C/N
pH 土壤密度
Soil density
(g·cm–3)
凋落物
Litter production
(g·m–2·a–1)
杉木Cunninghamia lanceolata7.81 (0.24) 0.89 (0.5) 11.83 3.55 1.52 (0.02) 575.1 (51.5) 括号内的数值为标准误The values in the brackets are SE
2 研究方法
2.1试验样地的设置
2007年1月初, 在天际岭国家森林公园内杉木群落中, 设立4块半径为15 m的圆形固定样地, 每块样地之间相隔100 m以上。在每个固定样地内均匀设置3个正常允许凋落物进入的PVC土壤环为对照点; 同时在旁边设置3个去除凋落物和3个加倍凋落物的PVC土壤环处理, 共36个PVC土壤环测点。去除凋落物第一次处理是将地上枯落物清走1.5 m2, 放置PVC土壤环后, 在土壤环上方放置1.5 m×1 m凋落物收集网, 网离地面高0.5 m, 收集凋落物并防止凋落物进入该处理的范围内; 加倍凋落物第一次处理是在放置PVC土壤环后, 将收集的去除凋落物1.5 m2的枯落物均匀撒在土壤环周围1.5 m2的范围内, 以后是每个月将旁边凋落物收集网收集的凋落物等面积均匀撒在加倍处理范围内。PVC土壤环的内径10.5 cm, 高4.5 cm, 平放压入土中2 cm左右。测量在安放土壤环24 h之后开始, 并保持土壤环在整个测定期间位置不变(Wang et al., 2002)。
2.2土壤呼吸及温度、湿度的测定
采用Li-6400-09 (土壤呼吸室)连接到Li-6400便携式CO2/H2O分析系统(Li-COR Inc., Lincoln, NE, USA)测定土壤呼吸速率。在9:00~11:00每15 d 测定1次, 全年共测定24次。同时, 用Li-6400-09的土壤温度探针测定土壤中5 cm的温度, 用ECH2O Check (Decagon, USA)连接EC-5测定各样点土壤5 cm湿度(体积含水量, %)。
2.3凋落物的测定
用去除凋落物收集网收集的凋落物, 每月收集1次, 在恒温箱中80 ℃下烘干至恒重后称重, 确定凋落物量。
2.4土壤有机碳用重铬酸钾氧化-外加热法测定; 全氮用半微量凯氏法测定; pH值采用电位法测定; 土壤容重用环刀法测定(中国科学院南京土壤研究所, 1978)。
2.5数据统计分析
所有的统计分析都在SPSS13.0软件中进行, 用Repeated measured ANOVA进行方差分析和多重比较检验土壤呼吸季节变化、不同森林间土壤呼吸、温度和湿度的显著性, 用SigmaPlot 9.0软件作图。土壤呼吸与温度之间关系采用如下指数模型(Raich & Potter, 1995; Luo et al., 2001): y=a e bT 式中, y为土壤呼吸速率; T为土壤温度; a是温度为0 ℃时的土壤呼吸(Luo et al., 2001); b为温度反应系数。Q10值通过下式确定(Xu & Qi, 2001): Q10=e10b式中, b同上式。凋落物贡献率用下式: 变化%=100×(去除、加倍凋落物土壤呼吸速率-对照处理的土壤呼吸速率)/对照处理的土壤呼吸速率。
3结果与分析
3.1 土壤温度、湿度
杉木群落去除和加倍凋落物与对照处理之间
742 植物生态学报 www. https://www.doczj.com/doc/772541103.html, 33卷
5 cm土壤温度的差异性不显著(p>0.05)(图1)。3种处理的土壤温度最大值27.82、27.64和27.7
6 ℃均出现在7月下旬, 最小值4.51、4.75和4.60 ℃均出现在1月, 全年平均温度分别为17.95、17.73和17.8
7 ℃。在生长旺盛期(5~10月)和生长非旺盛期(1~4、11和12月), 3种处理间的土壤温度差异也不显著(p>0.05)(表2)。
杉木群落去除和加倍凋落物与对照三者间5 cm土壤湿度差异性不显著(p>0.05), 3种处理的土壤湿度最大值20.38%、21.62%和20.63%, 分别出现在8、5和8月, 最小值2.13%、3.02%和1.13%, 均出现在10月底(持续2个多月的干旱)。全年土壤湿度平均为13.54%、13.91%和13.71%。在生长旺盛期(5~10月)和生长非旺盛期(1~4、11和12月), 3种处理间的土壤湿度差异也不显著(p>0.05)。
3.2土壤呼吸速率
在季节动态上, 杉木群落去除凋落物、加倍凋落物与对照处理的土壤呼吸速率均呈现显著的季节性变化(图1), 基本上呈相似的曲线格局。三者的变化范围分别为22.45~291.86、49.02~436.79和33.88~370.77 mg CO2·m–2·h–1, 年均土壤呼吸速率分别为159.2、216.8和180.9 mg CO2·m–2·h–1。总体来看, 加倍凋落物的土壤呼吸速率大于对照处理, 对照处理土壤呼吸速率大于去除凋落物。从全年的数据分析, 三者之间差异性接近显著(p=0.058)。在生长旺盛期(5~10月)三者之间差异性显著(p=0.003), 生长非旺盛期(1~4、11和12月)三者之间差异性没有达到显著(p=0.182)。
3.3 凋落物对土壤呼吸速率的贡献
去除和添加凋落物处理对土壤呼吸速率产生明显的影响(图2)。去除凋落物处理使土壤呼吸速率降低, 变化范围为2.21%~38.72%, 年均降低了14.97%。加倍凋落物使土壤呼吸速率增加, 变化范围为0.25%~47.26%, 年均增加了17.03%。去除和加倍凋落物处理对土壤呼吸的影响并不等同或成比例, 而是明显受环境因子的影响, 同时也与处理的时间有关。在去除凋落物处理中, 处理第1个月对土壤呼吸的影响很大, 以后趋于平稳, 这可能是因为去除凋落物对土壤呼吸产生了干扰。在加倍凋落物处理中, 对土壤呼吸的影响前3个月不明显, 以后才明显增加, 这可能是刚添加的凋落物没有分解, 土壤的C、N等还没有明显改变的原因。
图1 杉木人工林去除凋落物、添加凋落物和对照的土壤呼吸速率、温度和湿度季节动态
Fig. 1 Seasonal dynamics of soil respiration rates, soil
temperatures and moistures at 5 cm depth of different treatments with no litter, double litter and control in Cun-ninghamia lanceolata plantation community 每个点数据是4块样地的平均值, n=12, bar是标准误The data of every point were mean of four plots, n=12, bar was SE
另外, 去除凋落物引起的土壤呼吸的绝对变化值与对照样方的土壤温度呈现负相关关系, 而加倍凋落物引起的土壤呼吸变化的绝对值与对照样方的土壤温度呈现正相关关系(图3)。
3.4 去除、加倍凋落物土壤呼吸速率与水热因子的关系
土壤呼吸速率与5 cm土壤温度相关分析表明(图4), 改变凋落物并没有改变土壤呼吸速率与5 cm土壤温度之间的关系。去除、加倍凋落物和对照处理的土壤呼吸速率与土壤温度之间均呈显著指数相关(p<0.001)。回归关系方程表达式分别为:
4期 王光军等: 改变凋落物输入对杉木人工林土壤呼吸的短期影响 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.012 743
表2 用repeated measures ANOVA 分析杉木人工林3种凋落物处理在生长期、非生长期和全年土壤呼吸(SR)、
土壤温度(ST)和湿度(SM)的结果
Table 2 Result of repeated measures ANOVA for soil respiration (SR), soil temperature (ST) and soil moisture (SM) by three
litter treatments in the non-growing season, growing season and total annual in Cunninghamia lanceolata
plantation community
非生长期(1~4月、11和12月)
Non-growing season (Jan. to Apr., Nov. and Dec.) 生长旺盛期(5~10月) Growing season (May–Oct.) 全年 Total annual
项目 Items
月份间效应 Test of with months
处理间效应 Test of between treatments
月份间效应Test of with months
处理间效应 Test of between treatments
月份间效应 Test of with months
处理间效应 Test of between treatments
自由度 df F 值 F value 7.836 1.793 8.836 4.638 53.113 2.967
p
0.020 0.182 0.000 0.018 0.000 0.058 自由度 df 5 2 5 2 11 2 F 值 F value 38.323 0.001 41.837 0.633 196.257 0.325 ST
(℃)
p
0.000
0.999
0.000
0.538
0.000
0.724
自由度 df 5 2 5 2 11 2 F 值 F value 36.938 0.761 14.457 0.720 29.651 1.483 SM (%)
p
0.000
0.477
0.000
0.496
0.000
0.235
图2 去除凋落物和添加凋落物对土壤呼吸速率影响的变化幅度
Fig. 2 Percent changes in soil respiration induced by litter exclusion or addition in Cunninghamia lanceolata plantation
去除凋落物: y =27.33e 0.087 2t , R 2=0.853, p <0.001
加倍凋落物: y =37.25e 0.088 8t , R 2=0.896, p <0.001
对照: y =34.09e 0.081 5t , R 2=0.917, p <0.001 式中的y 表示土壤呼吸速率, t 表示5 cm 土壤温度。
去除、添加凋落物和对照处理的土壤呼吸速率与5 cm 土壤湿度的相关分析表明(图4), 土
壤呼吸速率与土壤湿度之间呈二次曲线关系, 相 关关系不显著(p >0.05)。我们可以得到这样的模 型:
去除凋落物: y =–0.067 5w 2+4.558w +109, R 2=0.027;
加倍凋落物: y =–0.535w 2+17.804w +83.961, R 2=0.044;
对照: y =–0.076 3w 2+4.567w +136.75,
R 2=0.026;
式中的y 表示土壤呼吸速率, w 表示5 cm 土壤
湿度。
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3.5 凋落物对温度敏感系数Q 10值的影响
本试验中, 杉木去除、加倍凋落物和对照处理土壤呼吸的温度敏感系数Q 10值分别为2.39、2.43和2.25, 表现为: 加倍凋落物的Q 10值>去除凋落物的Q 10值>对照的Q 10值。我们按四季分别计算Q 10值, 春(3~5月)、夏(6~8月)、秋(9~11月)和冬季(1、2月和12月)去除凋落物的土壤呼吸Q 10值分别为2.21、1.21、2.48和2.41, 添加凋落物的Q 10值分别为2.38、1.17、2.83和2.25, 对照的Q 10值分别为2.12、1.16、2.39和2.21。去除、加倍凋落物和对照处理的Q 10值差异性虽然不显著(p >0.05), 但表现出来均比对照Q 10值大。
图3 去除和添加凋落物引起土壤呼吸的绝对变化值与
对照样方的土壤温度相关关系
Fig. 3 The relationship between changes in soil respira-tions of litter exclusion, litter addition and soil temperature
of control in Cunninghamia lanceolata plantation
图4 去除凋落物、添加凋落物和对照点土壤呼吸与5 cm 土壤温度、湿度相关关系
Fig. 4 The relationships between soil respirations and soil temperatures and moistures at 5 cm depth in the litter
exclusion, litter addition and control treatments in Cunninghamia lanceolata plantation
4 讨 论
凋落物维持土壤养分库、影响初级生产力、调节生态系统能量流动与养分循环(Waring & Schlesinger, 1985)。凋落物对土壤呼吸的贡献机理是一个非常复杂的生物学过程, 它能通过多种直接和间接的贡献途径获得实现。通过添加和去除凋落物可以改变有机碳的供应而影响土壤呼吸。在森林生态系统中, 添加和去除凋落物能显著增加和降低凋落物分解(Sayer et al ., 2006)和土壤呼吸(Boone et al ., 1998; Nadelhoffer et al ., 2004; Sulzman et al ., 2005)。而且, 添加凋落物所引起的土壤呼吸的增加程度远远大于去除凋落物所引起土壤呼吸降低的程度(Nadelhoffer et al ., 2004; Sulzman et al ., 2005)。在本试验中, 去除凋落物使
土壤呼吸速率降低14.97%, 加倍凋落物使土壤呼吸速率增加17.03%, 添加凋落物土壤呼吸的增加幅度比去除凋落物土壤呼吸的降低幅度大。这与Nadelhoffer 等(2004)和Sulzman 等(2005)研究的结果是一致的。这种情况可能是由于去除或添加凋落物引起有机质分解的增加(正激发效应)或减少(负激发效应)。
凋落物的去除或添加, 可以通过改变凋落物层的数量以及向土壤中的淋溶输入, 或者通过土壤温度、湿度进而影响土壤呼吸(Bowden et al ., 1993; Sulzman et al ., 2005)。去除和添加凋落物对土壤温度产生影响。本试验中, 去除、添加凋落物和对照之间的土壤温度差异虽然不显著, 但从年均温度看, 去除凋落物>对照>加倍凋落物。凋落物对土壤温度产生影响, 主要通过阻隔土壤与
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10.3773/j.issn.1005-264x.2009.04.012
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外界空气的热交换, 起到抑制降温(保温)的作用(潘开文等, 2004)。Victor等(2001)研究发现凋落物能够减小表层土壤的日温差。由于土壤呼吸和温度指数呈正相关关系(图4), 如果加倍或去除凋落物增加土壤温度, 那么就会引起土壤呼吸的增加, 相反, 土壤呼吸就会下降。因此, 在我们这个试验中, 如果土壤温度的变化决定着土壤呼吸的变化, 那么去除和加倍凋落物将分别引起土壤呼吸的增加和降低。而我们实际观察的结果是去除和加倍凋落物分别降低和增加的土壤呼吸, 说明土壤温度的变化在去除和加倍凋落物后土壤呼吸的变化中所起的作用很小。另外, 不论是去除或加倍凋落物所引起的土壤呼吸的绝对和相对变化值均与其所引起的土壤温度的变化值之间没有显著的相关关系, 这也进一步证实了我们前面所得出的结论。
在土壤湿度变异较大的地区, 土壤呼吸与土壤湿度一般呈现二次曲线关系, 土壤湿度只有在最高和最低的情况下才会抵制土壤呼吸(Liu et al., 2002; Xu et al., 2004)。土壤水分过低, 缺少根系或微生物活动所必需的生存环境, 产生CO2的量将会减少; 如果土壤水分过高, 土壤孔隙减小, 异氧呼吸所需氧气的进入以及呼吸产物CO2的排放都会受到限制(Zhang et al., 2005)。在我们所研究的生态系统, 虽然也发现土壤呼吸与土壤湿度的单峰曲线关系, 但是, 大多数的数据点均位于峰值的左侧, 因此如果去除或加倍凋落物增加土壤湿度, 将会刺激土壤呼吸。本试验中, 3种处理间的土壤湿度差异不显著, 从年均湿度看, 加倍凋落物>对照>去除凋落物, 因此土壤湿度的变化有可能在去除和加倍凋落物后土壤呼吸的变化中起着作用。但是, 由于凋落物处理所引起的土壤呼吸的变化绝对值和相对值均与其所引起的土壤湿度的变化没有显著相关关系(p>0.05)。上述结果表明, 凋落物处理所引起的土壤呼吸的变化与其所引起的土壤温度和湿度的变化关系不大, 因此, 凋落物数量、分解及其引起的土壤碳输入的变化可能在凋落物处理后土壤呼吸的变化中起着重要作用。
与土壤呼吸一样, 凋落物分解也与温度呈现正的指数相关关系。一般说来, 在生长旺盛期温度较高的时候, 凋落物分解快, 而在非生长季节凋落物分解速率较慢。本实验中, 我们发现, 添加凋落物所引起的土壤呼吸的增加值与对照样方的土壤温度呈现正的线性相关关系, 而去除凋落物所引起的土壤呼吸的绝对变化值与之呈现负相关关系(图3), 这些结果充分说明凋落物量及相关的分解和土壤碳输入的变化在去除和加倍凋落物后土壤呼吸的变化中起着决定作用。
去除和添加凋落物还会对土壤动物和微生物产生影响, 进而影响土壤呼吸。在DIRT试验中, 去除或添加凋落物处理, 会引起土壤真菌与细菌比例的降低或升高(Siira-Peitikainen et al., 2001; Nadelhoffer et al., 2004; Brant et al., 2006 )。凋落物为土壤动物和微生物提供食物来源。凋落物蓄积量越多土壤动物和微生物量越多, 最终导致凋落物呼吸速率越高(刘尚华等, 2008)。张雪萍等(1996)研究发现凋落物的现存量、尤其是未分解状态的数量与土壤动物的生物量、总个体密度都表现为显著的正相关, 即凋落物少, 则土壤动物的个体数少, 密度小; 反之, 则相反。Subke等(2004)研究表明保留凋落物样地中真菌生物量要比去除凋落物后的高; Li等(2004)也测定去除凋落物后土壤的微生物生物量相对降低。凋落物作为土壤有机质输入的主要来源, 是真菌或微生物进行生命活动的物质基础, 而凋落物层的微生物控制着土壤中主要的生物化学过程, 并且表层土壤最具生物活性, 更容易受到分解物和根系分泌物的影响。这样, 加倍凋落物可以增加凋落物层的真菌和细菌的总生物量, 去除凋落物可以减少真菌总生物量来影响土壤呼吸(Nadelhoffer et al., 2004)。
土壤呼吸对温度变化的敏感系数(Q10值)、对于预测土壤呼吸对全球气候变化的响应十分关键。本试验中, 去除凋落物和加倍凋落物的土壤呼吸Q10分别为2.39和2.43, 均比对照的Q10值2.26稍高。表明去除和添加凋落物使土壤呼吸的温度敏感性增强。这一结果与Boone等(1998)关于Harvard森林土壤呼吸的Q10对去除和加倍凋落物的Q10值为3.1和3.4, 比对照点的Q10值3.5小的研究结果相反。这主要是去除和添加凋落物的土壤呼吸依然受土壤温度的影响, 是光、温度和湿度对土壤呼吸过程的复合影响(Davidson et al., 2005)。温度通过影响土壤基质供应的季节性而影响枝条和根生长的物候学特征(Dunne et al., 2003), 进而对土壤呼吸产生影响。当温度较低时,
746 植物生态学报 www. https://www.doczj.com/doc/772541103.html, 33卷
呼吸主要是受生物化学反应限制, 根呼吸随温度的升高呈指数增加(Atkin et al., 2000); 温度较高时, 那些主要依赖扩散运输的代谢底物和代谢产物(如糖、O2、CO2等)就成了限制因子。
本文在阐明凋落物改变对杉木林土壤呼吸短期影响程度的同时, 分析了改变凋落物输入后环境因子的变化对杉木林土壤呼吸变化的相对作用。由于本研究只有1 a的试验数据, 具有一定的局限性, 还需要进一步进行长期试验验证。
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责任编委: 贺金生责任编辑: 姜联合
杉树人工幼林抚育管理 1、幼林抚育管理的目的 人工林抚育管理总的原则是既要有利于林木生长，又要能维护与提高地力，还要有良好的经济效果。土壤管理的目的： （1）消除杂草和萌蘖，创造良好的杉木生长空间。（2）改善土壤理化性质，以提高造林成活率和林木生长量。（3）维护地力，尽可能减少水土流失，增加林地植被覆盖，促进枯枝落叶的分解，以利于养分循环。（4）促进工艺成熟，缩短轮伐期，提高经济效益。 2、幼林抚育方法 幼林抚育的主要目的在于消除杂草灌木的竞争。抚育与幼林生长和造林成败关系十分密切。幼林抚育中最重要的是彻底清除五节芒、黄茅草及竹丛等杂草灌木，其次是松土、扩坎、除蘖、施肥和病虫害防治。幼林一般抚育3年，每年抚育2次，第一次抚育在4-5月进行，第二次抚育在8月中旬前后进行。如杂草特别繁茂，每年抚育3次，第一次在4月中旬，第二次在6月中旬前后，第三次在8月中旬前后。 3、施肥技术 （1）杉木施肥特点。经研究表明，18立地指数以上的立地比较肥沃，通常不缺肥；12立地指数以下的立地，土壤肥力差，水分不足，施肥效果差；施肥重点应放在中等立地条件，如14－16指数级的立地上，可获得较好的效果；杉木连栽林地土壤肥力下降严重，可能出现养分缺乏也应作为施肥重点。杉木幼树阶段施肥反应特点是：以磷素为主，施N、作队 P2O5、K2O单一元素的肥效反应顺序为P2O5＞N＞K2O，以N、P2O5、K2O平衡施肥的效果最佳。杉木速生阶段的施肥反应特点是：以N、K2O为主，对N、P2O5、K2O的反应顺序为N＞K2O＞P2O5，N、K2O效应极其显著。杉木干材阶段后一般不再施。 （2）施肥时间、方法、配方和用量 ①、基肥的使用：基肥一般在造林前的冬季、在表土回穴时施入，肥料与所回表土要混匀，使肥料均匀分布在15-20cm土层内。基肥以磷为主，考虑到造林成本，有条件的地方可将磷肥和有机肥混合使用，每穴用量为磷肥500克、有机肥5公斤。考虑到交通条件和人工成本，最好选用专用肥料，建议基肥的配方为：N-P2O5-K2O＝4-10-3≥17%、有机质20%，添加适量的硼，磷素尽量使用钙镁磷肥，以增加钙离子的含量，每穴用量300－400克。②、幼树阶段追肥：造林后第二、三年每年4-5月各抚育追肥一次。追肥采用穴施法，在每株树
第17卷第5期2002年10月 地球科学进展 ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.17 No.5 Oct.,2002 文章编号:1001-8166(2002)05-0705-09 全球变化条件下的土壤呼吸效应 彭少麟,李跃林,任 海,赵 平 (中国科学院华南植物研究所,广东 广州 510650) 摘 要:土壤呼吸是陆地植物固定CO2尔后又释放CO2返回大气的主要途径,是与全球变化有关的一个重要过程。综述了全球变化下CO2浓度上升、全球增温、耕作方式的改变及氮沉降增加的土壤呼吸效应。大气CO2浓度的上升将增加土壤中CO2的释放通量,同时将促进土壤的碳吸存; 在全球增温的情形下,土壤可能向大气中释放更多的CO2,传统的土地利用方式可能是引发温室气体CO2产生的重要原因,所有这些全球变化对土壤呼吸的作用具有不确定性。认为土壤碳库的碳储量增加并不能减缓21世纪大气CO2浓度的上升。据此讨论了该问题的对策并提出了今后土壤呼吸的一些研究方向。其中强调,尽管森林土壤碳固定能力有限,但植树造林、森林保护是一项缓解大气CO2上升的可行性对策;基于现有田间尺度CO2通量测定在不确定性方面的进展,今后应继续朝大尺度田间和模拟程序方面努力;着重回答全球变化条件下的土壤呼吸过程机理;区分土壤呼吸的不同来源以及弄清土壤呼吸黑箱系统中土壤微生物及土壤动物的功能。当然,土壤呼吸的测定方法尚有待改善。 关 键 词:土壤呼吸;碳循环;全球变化 中图分类号:Q142.3 文献标识码:A 土壤呼吸是植物固定碳后,又以CO2形式返回大气的主要途径。土壤碳库在全球变化研究中的地位已日益突出,而土壤呼吸作为土壤碳库碳平衡的一个重要相关过程不容忽视,研究土壤呼吸有助于揭示土壤碳库动态机理。在大气与土壤界面,土壤CO2释放的驱动因子是多种多样的,在全球变化条件下研究相关因子与土壤呼吸是全球变化研究的一个重要内容。全球变化有不同的定义,1990年美国的《全球变化研究议案》,将全球变化定义为“可能改变地球承载生物能力的全球环境变化(包括气候、土地生产力、海洋和其它水资源、大气化学以及生态系统的改变)”。狭义的全球变化问题主要指大气臭氧层的损耗、大气中氧化作用的减弱和全球气候变暖[1,2]。土壤呼吸研究工作的开展,从研究对象来说,涉及农田、森林、草地等,从研究的地域来说从低纬至高纬均有研究,其中大部分研究集中于中纬度的草地和森林,目前,北极冻原也有研究报道[3]。 本文对在全球CO2浓度升高、气温上升、大气氮沉降等发生变化的背景下,土壤呼吸的响应作一综述,以促进土壤呼吸的研究,加深人们(特别是政策决策层)对土壤呼吸的认识。 1 大气CO2浓度升高的土壤呼吸效应 早期的土壤呼吸的测定基于表土层CO2的释放,开始于80多年前[4]。随着科学研究的发展,时至今日,土壤呼吸因为其全球的CO2总释放量已被 收稿日期:2002-01-04;修回日期:2002-05-31. ＊基金项目:国家自然科学基金重大项目“中国东部样带主要农业生态系统与全球变化相互作用机理研究”(编号:39899370);中国科学院知识创新工程重要方向项目“南方丘陵坡地农林复合生态系统构建机理与可持续性研究”(编号:KZCX2-407);广东省重大基金项目“广东省主要农业生态系统与全球变化相互作用机理研究”(编号:980952)资助. 作者简介:彭少麟(1957-),男,广东人,研究员,主要从事生态学方面的研究工作.E-mail:slpeng@https://www.doczj.com/doc/772541103.html,
土壤呼吸强度的测定 土壤空气的变化过程主要是氧的消耗和二氧化碳的累积。土壤空气中二氧化碳浓度大，对作物根系是不利的，若排出二氧化碳，不仅可消除其不利影响，而且可促进作物光合作用。因此，反映土壤排出二氧化碳能力的土壤呼吸强度是—个重要的土壤性质。 土壤中的生物活动，包括根系呼吸及微生物活动，是产生二氧化碳的主要来源，因此测定土壤呼吸强度还可反映土壤中生物活性，作为土壤肥力的一项指标。 (一)测定原理 用Na0H吸收土壤呼吸放出的CO2，生成Na2CO3： 2Na0H+C02——→Na2CO3+H20 (1) 先以酚酞作指示剂，用HCl滴定，中和剩余的Na0H，并使(1)式生成的Na2CO3转变为NaHCO3： Na0H + HCl——→NaCl+H20 (2) Na2CO3+ HCl——→NaHCO3十NaCl (3) 再以甲基橙作指示剂，用HCl滴定，这时所有的NaHC03均变为NaCl： NaHCO3+ HCl——→ NaCl+H20+CO2 (4) 从(3)、(4)式可见，用甲基橙作指示剂时所消耗HCl量的2倍，即为中和Na2CO3的用量，从而可计算出吸收CO2的数量。 (二)测定方法 方法(一) 1、称取相当于干土重20克的新鲜土样，置于150毫升烧杯或铝盒中(也可用容重圈采取原状土)； 2、准确吸取2molL-1NaOH l0毫升于另一150毫升烧杯中； 3、将两只烧杯同时放入无干燥剂的干燥器中，加盖密闭，放置1—2天； 4、取出盛Na0H的烧杯，洗入250毫升容量瓶中，稀释至刻度； 5、吸取稀释液25毫升，加酚酞1滴，用标准0.05molL-1HCl滴定至无色，再加甲基橙1滴，继续用0.05 molL-1 HCl滴定至溶液由橙黄色变为桔红色，记录后者所用HCl的毫升数(或用溴酚兰代替甲基橙，滴定颜色由兰变黄)； 6、再在另一干燥器中，只放NaOH，不放土壤，用同法测定，作为空白。 7、计算：
土壤水分对农业生产的影响讨论 土壤水分是影响农业生产的重要因子之一，掌握土壤水分资料对农业生产实践有重要意义。土壤中水分的变化不仅与水分消耗有关，而且也与水分收入诸如降水、融雪和地下水流以及其它因素有关。在作物地，还与地面特性、作物种类及其发育期、作物地上部和根系状况有关。因此，土壤水分在时间和空间上的变化是很大的。 为了确切地取得土壤水分的可靠数据，近年来研究出不少测定和计算方法，本文不讨论这些具体测定和计算方法，主要目的是讨论有关土壤水分测定中几个共同性问题。 1 试验资料 本文所用数据取自北京农业大学曲周实验站土壤水分试验场，该地属半湿润季风气候区，对黄淮海平原有一定的代表性，测定地段为裸地和冬小麦地，土壤水分用土壤水分仪测定一次，取4次重复，每10cm为一土层，测至1.5m或2.om深度。土壤为盐化潮土，地下水埋深3.5~4.om,测定时间为1981年~1987年。 2 讨论和分析 浏定深度根据河北曲周1982年（属典型年份）裸地各季土壤水分垂直变化资料分析〔功，按土壤垂直剖面的水分变化状况，作出了土壤水分垂直分层，所划分的三个层次为
土壤水分极活跃层，土壤水分活跃层和土壤水分稳定层。各层的特点见表1.另据1986~1987年冬小麦地（施氮肥15kg/亩）于麦收后选100x100cm2五行麦茬地挖土壤剖面，修平剖面后，用水冲去土粒露出根系，统计smm长的根数，其根量随剖面深度的分布“幻如表2所示。 分析表1,2,3中的数据，可以看出：在上述条件下，为了掌握土壤水分不同时间的垂直变化特点，通常在裸地测定深度达lm即可，因为在lm深以下的土层中，土壤水分垂直分布的季节变化和各季水分的垂直梯度均不大。在作物地，从冬小麦根系随深度的分布和不同作物利用水分的有效土层来看，测至lm深度也够了。在一些作物的生育初期和浅根作物的一些生育期，利用水分的有效土层较浅，一般在sm 左右，这主要是由于根系分布状况所决定的。在冬小麦生育后期，0~50cm土层的根系数量占。~100”m土层根般的90%以上，因此侧定深度不能浅于50cm.0~20cm土层内冬小麦根量占。~100cm土层的2邝左右，且该土层土壤水分变化激烈，故。~20cm土层是土壤水分测定的重要土层。 2.2N.J定层次按A.A.罗杰的说法，测定层次的确定要考虑土壤发生层，即一个测定层次不要包括两个上壤发生层，也就是在同一土壤发生层内考虑选取测定层次，因为在不同土壤发生层内土壤水分的差异可能较大，如此才能清晰地看出土壤水分的垂直变化川。通常，在土壤水分垂直梯度大的
不同人工林生态系统林地土壤质量评价 * 黄 宇1,2 汪思龙 1** 冯宗炜2 高 洪1 王清奎1 胡亚林1 颜绍馗 1 (1中国科学院会同森林生态试验站,会同418307;2中国科学院生态环境研究中心,北京100085) =摘要> 利用定位研究方法,综合比较了第2代连栽杉木纯林、杉木与阔叶树混交林以及阔叶纯林3种人工林生态系统对林地土壤质量的影响.结果表明,与连栽杉木纯林相比,在杉阔混交和阔叶树轮栽两种经营模式下,土壤养分含量增加,物理性状改善,土壤生物活性提高.利用土壤质量评价体系在对土壤功能评价的基础上,直观评价了3种经营模式的土壤质量状况.在研究区内,杉木与阔叶树混交以及阔叶树轮栽的水分有效性、养分有效性和根系适宜性以及最终的土壤质量指数均处于中等水平,而连栽杉木林的水分有效性、养分有效性和根系适宜性较差,土壤质量指数处于较低水平.总有机C 、阳离子交换量和微生物生物量C 与其它土壤理化性质和生物学性质之间明显相关,可将其作为研究区土壤质量的指示指标;土壤微生物生物量C 、N 、P 与土壤总有机C 、土壤全N 、土壤全P 含量之间也存在较好的相关性.关键词 杉木 混交林 土壤质量评价 土壤功能 文章编号 1001-9332(2004)12-2199-07 中图分类号 S71815 文献标识码 A Soil quality assessment of forest stand in different plantation esosystems.HU A NG Yu 1,2,WAN G Silong 1,FEN G Zong wei 2,GAO I ong 1,WA NG Qingkui 1,HU Yalin 1,YA N Shaokui 1(1H uitong Exp er imental Station of Forest Ecology ,Chinese A cademy of Sciences ,H uitong 418307,China;2Dep ar tment of Sys tems Ecology ,Re -sear ch Center f or Eco -Environmental Sciences ,Chinese A cademy of Sciences,Beij ing 100085,China ).-Chin.J.A pp l.Ecol .,2004,15(12):2199~2205.After a clear -cutting of the first g eneration Cunninghamia lanceolata plantation in 1982,thr ee plantation ecosys -tems,pure Michelia macclur ei stand (PM S),pure Chinese -fir stand (P CS)and their mix ed st and,were estab -lished in spr ing 1983,and their effects on soil characterist ics w er e evaluated by measur ing some soil physical,chemical,microbiological and bio chemical parameters.A fter 20years .plantation,all test indices show ed differ -ences among different forest management models.Bot h PM S and M CM had a favorable effect on soil fertility maintenance.So il quality assessment show ed that some soil functions,e.g.,water availability,nutrient availabil-i ty,root suitability and soil quality index were all in a moderate level under the mix ed and pure PM S stands,whereas in a relatively lower lev el under successive PCS stand.T he results also sho wed t hat t here ex i sted close co rrelations between soil to tal org anic C (T OC),cation exchange capacity (CEC),microbial biomass -C (C mic )and other soil physical,chemical and bio logical indices.T herefore,T O C,CEC and C mic could be used as the indica -tors in assessing so il quality in thi s study area.In addition,there were also positive cor relat ions between soil m-i crobial biomass -C and T OC,soil microbial biomass -N and total N,and so il micr obial biomass -P and total P in the pr esent study. Key words Cunninghamia lanceolata ,M ix ed forest,Soil quality assessment,Soil function. *中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3-SW -418)和中国科学院知识创新工程资助项目(KZCX2-406).**通讯联系人. 2004-03-09收稿,2004-07-11接受. 1 引 言 杉木(Cunninghamia lanceolata )是我国亚热带常绿阔叶林区特有的重要速生用材树种,分布在我国南方的16个省(区),面积超过7@106hm 2,约占整个人工林面积的24%,在我国森林蓄积量和木材生产中占有极其重要的地位[7,9].出于经济效益原因,杉木连栽现象非常严重.研究表明,杉木连栽导致水土流失加剧、生物多样性下降、地力衰退、病虫 害增加等[4,9,17,23,24] .针对人工林地力衰退现状及其机理,林业生态学家和经营工作者提出了营造针阔混交林的解决途径,并进行了大量的研究工 作[10,11,13,22].我国关于杉阔混交模式的研究始于20世纪80年代初.经过20多年来的研究积累,取得了积极的成果,为杉木人工林持续经营奠定了理论基础.本研究在前人工作基础上,进一步探讨了不同经营模式对林地土壤质量的影响.采用Hussain 等[15]的土壤质量评价体系,将土壤功能划分为水分有效性(w ater availability,WA)、养分有效性(nutr-i ent availability,NA)和根系适宜性(root suitability, 应用生态学报 2004年12月 第15卷 第12期 CHI NESE JO U RNAL OF A PPL IED ECOL OGY ,Dec.2004,15(12)B 2199~2205
影响杉木人工林可持续经营因素探讨 提要杉木人工林土壤肥力和林分生产力逐代下降，直接影响杉木地可持续经营。影响杉木人工林可持续经营的因素是多方面的，主要和杉木人工林所处亚热带红壤区生态系统的脆弱性和杉木人工林群落的单一性及杉木生物学特性等有关，而传统杉木林培育过程中采取一系列传统的营林措施则加剧了林地地力衰退。根据目前杉木人工林经营现状，建议在杉木人工林经营过程中应尽量降低营林措施干扰强度，特别是炼山措施的采取；同时开展有关林地可持续模式试验及评价指标体系的研究，以寻找适合不同地区的杉木检工林可持续经营模式。在此基础上，搞好杉木人工林规划和发展，这对南方杉木产区林地可持续经营实践具有较大的指导意义。 关键词杉木人工林地力衰退可持续经营因素 分类中图法 据第四次全国森林资源连续清查统计，杉木人工林面积达 911万hm2，占全国人工用材林面积的 %，杉木人工林在我国森林资源结构中占有重要地位。目前不断积累的研究资料显示，杉木人工林土壤肥力和林分生产力逐代下降，直接影响林地的可持续经营[2-6]，本文对此进行全面探讨，以便为相应措施的采取提供理论和实践指导。 1 杉木人工林土壤生态系统的脆弱性 杉木人工林大多分布于我国热带亚热带的红壤区，该区岩石矿物风化强烈，盐基高度淋失，形成以高岭石为主（30%-60%）的次生粘土矿物，土壤阳离子交换量低（3-12cmol/kg），盐基离子含量（约 3cmol/kg）和盐基饱和度（＜30%）均较低，土壤缓冲性能差，pH 值低，土壤保肥和供肥能力亦低[6,7]。其次，红壤有机质含量低（%-%），土壤腐殖质品质较差，HA/FA＜，活性 HA 含量高（90%），土壤腐殖质分子量小，结构简单，对土壤矿物分解作用强，腐殖质易遭分解和流失（淋失）。第三，红壤分布区地势不平，山地丘陵面积占 70-80%，坡度大，土壤抗蚀性较低，降雨侵蚀力大，一旦失去植被覆盖，极易发生水土肥流失，生态系统具有潜在的脆弱性。Lumdgrem 认为，在热带和亚热带地区的红壤和其它肥力差的土壤上，如果没有特殊管理措施，把天然林改变成速生的短周期的人工林，将不可避免地造成土壤退化。 2 杉木人工林营养元素生物循环的性质和特点
杉木人工林地力衰退的原因及对策研究 发表时间：2019-07-31T12:04:12.403Z 来源：《科学与技术》2019年第05期作者：蒙美平 [导读] 介绍了国内、国外人工林地力衰退的现状，以及历史背景。 金秀瑶族自治县国有金秀林场 中文摘要：本文详细的介绍了国内、国外人工林地力衰退的现状，以及历史背景。从生产力、微生物、育林措施、生态环境等多方面分析了导致杉木人工林地力衰退的主要缘由，提出了生态系统管理、科学营林措施、调整林分结构等措施来改善地力衰退，保护杉木人工林。 [关键词]:杉木人工林；地力衰退；土壤 一、引言 土壤退化其中一种表现形式就是我国林木中常见的地力衰退，地力衰退又主要表现为土壤中的营养物质含量下降、理化性质变差，林下的植被变得相当稀少，使得杉木人工林地内都普遍存在着水土流失的这种情况。早在19世纪初就有人发现了人工林地力衰退，并且被人称为“第二代效应”。当时在国外就有人为了提高林木的产量，将种植的天然阔叶林改为种植针叶人工林。经过多年研究发现，我国大部分人工林都有地力衰退的情况，其中我国针对杉木人工林地力衰退的情况研究得最多。我国对杉木人工林最早的研究应该在60年代初，在之前更是出版了《人工林地力衰退研究》专辑，从侧面表现出我国人工林的衰退很严重，急需改善。 二、地力衰退的表现 （一）人工林生产力下降 地力衰退的一个直接表现是人工林生产力的下降。很多有关于人工林地力衰退的报道大多数都与人工林生产力有关系。陈乃全、尹建道对长白落叶松人工林进行了研究，在同一块地下，二代林的生产力都下降得很明显；方奇根据杉木林分资料分析出，林分的生长量随着连载的代数增加而越来越少；湖南、江西等地还出现了杉木连载成活率下降甚至幼林的生长都出现了不正常的现象。 （二）土壤微生物种群下降 随着杉木林地力衰退越来越严重，我国开始对杉木林的微生物也进行了研究，发现杉木幼林根部的土壤微生物数量明显比非根部的土壤含的微生物数量多，但随着林木的生长，微生物的含量也在慢慢发生变化，其中杉木从幼龄林到中林龄这一段时期土壤的微生物含量大量下降，但快到成熟期时，微生物的含量又有所回升，但这时期微生物的含量仍然远远低于幼龄时期，使得土壤的一系列生物反应收到了一定的阻碍，引起了土壤的退化。 三、人工林地力衰退的原因 （一）自然地理环境和生态环境的脆弱性 热带地区的杉木林比温带地区的杉木林更加容易地力衰退。对于土壤不够肥沃，含微生物量比较少的热带森林，它们的营养物质主要都在植被中了，如果这些树木遭受到大量砍伐致使含营养物质的植被收到了破坏，那么这个热带森林的恢复需要极其长的时间，因为缺乏必须的营养物质。热带地区土壤里的富里酸含量比胡敏酸的含量大。富里酸容易溶在水中，而热带地区的雨量也很多，土壤的养分就很容易流失了，这是热带地区土壤的养分下降的一个重要原因。因此在这些热带地区，如果国家不采取一下保护措施，将一些天然林改造成人工林，那么土壤退化是必然的趋势。 （二）不合理的育林措施 我国在杉木林的育林措施存在着很多的不合理性，例如在选取树种、苗木时会存在着盲目性。受到利益以及经营方便的推动，一些企业会把一些树种在不适合的土壤中，缺乏对造林科学的指导。据研究，一些地方的杉木林生长不良，主要的原因就是造林是选取的苗木质量太差以及立地条件差。落叶松和杉木的造林密度一般都比较大，因此竞争激烈影响了林分的成长，而且林下的营养不够，环境也不好，不利于一些微生物的生长和繁殖，也不利于落叶的分解和土壤养分的转化，这样的情况会对土壤的理化性质造成不好的影响。 （三）人工林植被的种类单一导致土壤功能下降 以栽培的目标树种为绝对优势种群组成的植物群落构成了人工林的林分 ,目标树种的生物特性和生态特性决定了整个人工林内部系统的能量流动和物质循环。我国最常见的树木是杉木和落叶松，还有一些树种如火炬松、湿地松等是前人从国外引进的。根据国内外研究显示 ,针叶树种的落物很难分解 ,因此造成土壤的营养物质的生物循环不顺畅。 在相对比较成熟的林木群落，虽然针叶类的植物会比较占优势，不过一般都有一定数目的其他类植物如阔叶树和灌木相伴而生。相反一些层次单一的杉木人工林的生态系统，不仅习性单一，也会造成林木的应激能力不够强大，反馈调节能力也不好，使得生态系统很容易失衡，生态环境改变的单向叠加 ,造成生态系统失去相对平衡的状态。灌木和草本植物提高了植物群落的多元化。因此虽然说灌木、阔叶林和草本植物占群落生物量的比例不大，但是也提高了群落的多样性，提高了群落的抵抗能力，同时加强了群落中营养元素的循环，对土壤的熟化产生了有利的影响，提高了土壤的肥力。 （四）人工林树种的自身抑制 国内外科研显示，某些树种的器官，器官遗骸和根际微生物在整个生命活动时间段均分泌一些物质，而这种物质可能会抑制树种种子的萌芽、生长，而且这些物质在长期内一直累积，导致其幼苗不能健康发芽成长。 四、防止人工林地力衰退的对策 （一）实行生态系统管理 有些人觉得杉木人工林的地力衰退主要是由于土壤、植物、动物等三个元素造成的，如果没有通过人工的调节，就基本不可能让森林的生态系统与外界的环境维持在一个稳定的平衡中，因此通过大量的研究得出，可以通过对杉木人工林的遗传控制、环境控制、密度控制、群落结构控制及维护和提高土壤肥力等比较先进的技术途径 ,使杉木人工林的各个系统之间、杉木人工林自身内外生态系统以及和环境之间的平衡，充分利用大自然赋予的光能还有地力，使得人工林能够永远稳定的高产。 （二）采取科学营林措施 杉木人工林在经过采伐之后经常会产生一些木材的废弃物，这时候人们不应该把这些废弃的剩余物烧掉，这些剩余物覆盖在土壤上能
不同森林类型凋落物C、NSC、N、P、K含量研究 摘要：采用定点观测的研究方法，对中亚热带湘中丘陵区杉木人工林、自然更新的马尾松×石栎针阔叶混交林、南酸枣落叶阔叶林、青冈×石栎常绿阔叶林4种森林类型凋落物c、nsc、n、p、k 五种主要营养成分的含量进行研究，结果表明：不同森林类型凋落物n含量有显著差异（pcl>ca>cg，含量依次为252g/kg、246g/kg、233g/kg、195g/kg。 从nsc含量来看，可溶性糖以及淀粉含量规律一致，皆为 cl>cg>pm>ca。可溶性糖含量波动范围为8.5 g/kg～29.6 g/ kg，淀粉含量波动范围为3.7 g/kg～ 39.9 g/kg。南酸枣林中可溶性糖以及淀粉含量均为最低；杉木林的可溶性糖以及淀粉含量均为最高。杉木林的可溶性糖含量为29.6 g/kg，其次为青冈林13.1 g/kg，再次为马尾松林11.7 g/kg，最后南酸枣林8.5 g/kg为最低。淀粉含量从杉木林、青冈林、马尾松林、南酸枣林依次为39.9 g/kg、39.6 g/kg、31.3 g/kg、3.7 g/kg（表1）。 3.1.2 不同森林类型凋落物n、p、k含量分析 n的含量顺序为pm>cg>ca>cl，波动范围为3.7 g/kg～8.3 g/kg。含量依次为马尾松林8.3 g/kg、青冈林4.6 g/kg、南酸枣林4.2 g/kg、杉木林3.7 g/kg。 p的含量从整体上看差异不大，含量波动范围为6.07 g/kg～6.98 g/kg。最高的为南酸枣林6.98 g/kg，其次为杉木林6.80 g/kg，再次为马尾松林6.48 g/kg，最后为青冈林6.07 g/kg。最大含量
土壤呼吸测量全面解决方案 土壤呼吸（Soil Respiration）是指土壤释放二氧化碳和甲烷的过程，严格意义上讲是指未扰动土壤中产生二氧化碳和甲烷的所有代谢作用，包括三个生物学过程（即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸）和一个非生物学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用。土壤动物呼吸和含碳矿物质的化学氧化作用因为比例很小，一般在计算土壤呼吸时忽略不计。 土壤呼吸组成示意图（Ryan & Law，2005） 土壤呼吸在全球生态系统中的重要地位 第一篇高精度的监测大气中二氧化碳浓度的文章由Keeling发表在1958年。之后众多研究者的大量工作发现大气中二氧化碳的浓度在不断升高，并由此造成了温室效应与一系列全球性的变化。
自1958年以来大气CO2升高示意图 研究发现，现在大气中温室气体急剧增加的罪魁祸首就是化石燃料的燃烧和土地利用方式的改变尤其是热带雨林的砍伐。在全球最大碳库——陆地生态系统中，土壤呼吸作用的碳排放量的估计量为68Pg/a至100Pg/a。土壤碳储量是大气碳储量的2倍，土壤呼吸约占整个生态系统呼吸的50-80%( Giardina and Ryan 2002)。土壤呼吸即使发生较小的变化（10%）也可能会超过由于土地利用改变和化石燃料燃烧而进入大气的 CO2年输入量。所以土壤呼吸的变化能显著地减缓或加剧大气中 CO2的增加，进而影响气候变化（李玉宁，2002）。现在由于温室效应引起的全球变化中，最主要的现象就是气候异常和气温升高，而土壤呼吸速率会随着温度的升高呈指数函数增加，这又会进一步加剧温室效应。同时，森林砍伐等土地利用方式改变本身就会增加土壤呼吸。 全球碳循环示意图 因此，对各种类型的陆地生态系统土壤呼吸的研究一直是全球变化研究中的热点，并逐渐成为生态学研究中一个必不可少的测量指标。
第24卷第3期 2004年3月生 态 学 报ACT A ECOLOGICA SINICA V ol.24,N o.3M ar.,2004 森林土壤呼吸及其对全球变化的响应 杨玉盛1,董 彬2,谢锦升2,陈光水1,高 人1,李 灵2,王小国2,郭剑芬 2 (1.福建师范大学地理科学学院,福建福州 350007;2.福建农林大学林学院,福建南平 353001)基金项目:高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目;福建省重大基础研究资助项目(2000F004)收稿日期:2003-11-20;修订日期:2004-02-15 作者简介:杨玉盛(1964～),男,福建仙游人,博士,教授,主要从事亚热带常绿阔叶林C 、N 等元素循环的研究。E-mail:ffcyys@pub lic.np https://www.doczj.com/doc/772541103.html, Foundation item :T he T eaching an d Res earch Aw ard Prog ram for M OE P.R. C.(TRAPOYT )and th e Key Basic Res earch Project of Fujian Province (No.2000F004) Received date :2003-11-20;Accepted date :2004-03-15 Biography :YANG Yu -S heng,Ph.D.Profes sor,rincipally engaged in study on C an d N cycling in sub tropical evergreen br oad-leaved fores ts.E-mail :ffcyys @public .npptt .fj .cn 摘要:森林土壤呼吸是全球碳循环的重要流通途径之一,其动态变化将直接影响全球C 平衡。森林土壤呼吸由自养呼吸和异养呼吸组成,不同森林类型、测定季节和测定方法等直接影响其所占比例。土壤温度和湿度是影响森林土壤呼吸的最主要因素,共同解释了森林土壤呼吸变化的大部分。因树种组成、生产力和枯落物数量等不同而使不同森林类型土壤呼吸速率表现出明显差异。采伐对森林土壤呼吸的影响结果有增加、降低或无影响,因采伐方式、森林类型、采伐迹地上植被恢复进程和气候条件等而异。火烧一般导致土壤呼吸速率降低。因肥料种类、施用剂量和立地条件不同,施肥对森林土壤呼吸的影响出现增加、降低或无影响等不同结果。大气CO 2浓度升高和升温均可促进森林土壤呼吸。N 沉降有可能刺激了土壤呼吸,而酸沉降则可能降低了土壤呼吸。臭氧浓度和U V -B 辐射强度亦会在一定程度上影响森林土壤呼吸。但目前全球变化对森林土壤呼吸的综合影响尚不清楚,深入探讨森林土壤呼吸的调控因素及其对全球变化和营林措施的响应等仍是今后努力的主要方向。 关键词:森林土壤呼吸;全球变化;碳循环;影响因素 Soil respiration of forest ecosystems and its respondence to global change YANG Yu -Sheng 1,DONG Bin 2,XIE Jin -Sheng 2,CHEN Guang -Shui 1,GAO Ren 1,LI Ling 2,WAN G Xiao-Guo 2,GU O Jian-Fen 2 (1.College of Geogr ap hy S cience ,Fuj ian N or mal Unive rsity ,F uz hou 350007,China ; 2.College of Forestry ,Fuj ian A gr icultur e and F or estry Univ ersity ,N anp ing 353001,China ).Acta Ecologica Sinica ,2004,24(3):583～591. Abstract :Soil r espir ation in for est ecosystems is o ne of the major pat hway s of C flux in the g lo bal C cy cle,seco nd only t o the gr o ss prim ary pr oductivity ,a nd is markablely a ffect ed by the global chang e .T he rev iew summar ized t he im po rta nt r ole of for est soil r espir ation in g lo bal car bo n cy cle ,its components ,its co ntro lling factor s ,and its r esponse to the global chang e . Fo r est so il r espirat ion is the sum of heter otr ophic (micr obes ,so il fauna )and a uto tr ophic (r oo t )r espir atio n .T he contr ibutio n o f each g r oup needs to be under st oo d to evaluate the implicatio ns o f env ir onmental chang es o n so il car bon cycling and car bon sequestrat ion .T here is a larg e var iation in t he r elat ive contr ibutio ns of auto tr ophic and heter ot ro phic r espir ation to to tal so il CO 2efflux ,and t he est imated contr ibutio ns fr om ro ot respir atio n rang e fro m 10%to as hig h as 90%.Some o f this var iat ion may co me fr om differ ences in methodolog y a nd fro m differences in for est and so il types .T he cr itical facto rs influencing for est so il r espirat ion include soil temperatur e ,soil moistur e ,for est t ypes (subst rate qualit y ,net eco system pro ductiv ity ,t he r elat ive allocatio n o f N PP abo ve -and below g ro und )and for est management (land -use and /or dist ur bance reg imes ,fert ilizatio n ).T he temperat ur e effect is alw ay s described as an ex ponent ial function .T he effect o f soil mo isture ,in contr ast,has been descr ibed by numer ous equations including linear ,log arithmic,quadr atic,and parabo lic functio ns.Soil respir atio n is frequent ly max imized when soil is at an inter mediate w ater co ntent.So il temperatur e and so il humidity t og ether ex plain a larg e par t of var iat ions in so il r espirat ion.F or est types m ay affect so il r espirat ion by influencing the soil micr oclimate and str uctur e,the quant ity and quality of substr ate,and the o ver all ra te o f ro ot r espiration.A t the global scale,soil
问题探讨 人工林地力衰退机理及其防止对策 崔国发 (黑龙江省林科院林业所,哈尔滨150040) 摘要 本文分析了导致人工林地力衰退的因素,主要有:自然地理环境和生态系统固有的脆弱性;人工林植物群落的结构简单导致功能降低;土壤动物和微生物区系演变;土壤理化性质和生化特性变化;人工林对营养物质的消耗;营林生产活动的干扰等。并提出了防止人工林地力衰退的对策。 关键词 人工林 地力衰退 机理 土壤肥力 防止对策 人工林地力衰退问题是营林科学研究的热点。防止人工林地力衰退,维持人工林长期生产力,引起了很多国家林学家们的关注,被认为是今后的重点研究课题(沈国舫,1991)。 J .Ev ans (1990)认为,地力衰退并不是林业上的特殊问题,在农业、 林业和园艺3个植物栽培领域中,这个问题的性质虽然不同,但实质上是一致的。这个“实质”问题就是人类生产活动干扰了土壤形成和熟化过程,影响或改变了进展方向。在农业上,要维持作物每年达到一定的产量水平,一般采取选用优良品种、施肥、病虫害防治和换茬等措施。在林业上,由于研究人员所处自然地理条件的限制、所研究的人工林生态系统差异,以及考虑问题的出发点不同,研究内容存在很大差异,由此得出结论也不尽一致,从而提出的防止措施和恢复途径也不相同。 1 人工林地力衰退机理 人工林地力衰退实质上就是在人工培育过程中,人类生产活动影响或改变了成土过程的方向和土壤熟化的进程,从而破坏了土壤的生态性质,导致林木对土壤生态的需求与发生变化的土壤生态性质之间产生差异。其表现就是人工林下的土壤肥力下降,林分生产力降低。导致人工林地力衰退的原因,概括起来,有如下几方面。 1.1 自然地理环境和生态系统固有的脆弱性 热带和亚热带地区的人工林比温带和寒温带地区的人工林容易发生地力衰退。热带森林,特别是寡营养森林,营养物质集中在植被中,如果森林被采伐,植被受到破坏,营养物质的恢复是很难的,需要漫长的过程。在北方森林中,特别是在富营养的森林中,土壤保 1996 世 界 林 业 研 究 WORLD FOREST RY RESEA RCH No.5 收稿日期:1995-09-10。
土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响 土壤呼吸是指土壤释放CO 2的过程, 主要是由微生物氧化有机物和根系呼吸产生, 另有极少的部分来 自于土壤动物的呼吸和化学氧化 土壤生物 活性和土壤肥力乃至透气性的指标受到重视[ 通量（flux）是物理学的用语，是指单位时间内通过一定面积输送的能量和物质等物理量的数量。 二氧化碳通量就是一定时间通过一定面积的二氧化碳的量。 土壤作为 一个巨大的碳库(11394×1018gC[12]), 是大气CO 2的重要的源或汇, 其通量(约68±4×1015gC?a[13])如此巨 大(燃料燃烧每年释放约512×1015gC[14]), 使得即使轻微的变化也会引起大气中CO 2浓度的明显改变。因 此, 在土壤呼吸的研究中, CO 2通量的精确测定已成为十分迫切的问题。 土壤呼吸影响因素：土壤温度，湿度，透气性，有机质含量，生物，植被及地表覆盖，土地利用，施肥，PH，风速，其他因素。诸如单宁酸 [25]、可溶性有机物(DOM)中的 低分子化合物(LMW )[62]等都对土壤CO2释放速率有显著 的影响.,,,采伐，火烧， 有关生物过程的影响 绝大部 分的CO 2是由于土壤中的生物过程产生的。土壤呼吸的实质是土壤微生物、土壤无脊椎动物和植物根系呼 吸的总和 地表凋落物作为土壤有 机质的主要来源以及作为影响地表环境条件——如温度、湿度等因子对土壤呼吸也产生显著作用
土壤呼吸与土壤温度、水分含量之间的关系 在土壤水分含量充 足、不成为限制因素的条件下土壤呼吸与土壤温度 呈正相关(表1)[4, 15, 19, 21, 25～32]。而在水分含量成为限 制因子的干旱、半干旱地区, 水分含量和温度共同 起作用[18, 3 抑制作用的影响 目前已有文献表明对根系和微生物呼吸的抑制作用在土壤空气CO 2浓度较高时会发生 这也就意味着在大气CO 2浓度升高 时, 土壤呼吸也会受到抑制。 土壤呼吸随纬度的变化 从图3可知, 土壤呼吸量随着纬度的增加而逐渐降低, 可得到一拟合方程: y = 1586e- 010237x(R2= 0147) (1) 其中, y 为土壤呼吸量, x 为纬度 温度与土壤呼吸的关系 最终得到全球尺度下温度对土壤呼吸的影响大小的尺度——Q 10值。Q10值表示温度每升高10度,土壤呼吸速率增加的 倍数 [45 - 46 ] 得到了全球森林植被的土壤呼吸速率与年均温的关系, 即: y = 349166e010449x(R3= 0147) (3) 其中, y 为呼吸速率, x 为年均温。 得到了全球范围的Q 10值= 1157。与已报道的各样点的Q 10值相比全球尺度下的Q 10 值较低, 也就是就, 随温度的上升, 呼吸速率的增加较慢一些 土壤呼吸的测量方法问题及其影响 。测量方法可以分为直接测量和间接测量法[51]。直接测量法中又包括静态法和动态法[52]。其中, 由于实 际工作中具体条件的限制, 目前采用较为广泛的是静态法。CO 2的具体测量技术又有碱吸收法和红外吸收