亚热带典型森林生态系统土壤呼吸_1.pdf

第 44卷 第 4期2009年 8月 西 南 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF SOUTHWEST JI AOTONG UNIVERSI TY Vo.l 44 No.4Aug.2009收稿日期:2009-01-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(40671132);科学技术部 973项目(2005CB422207和 2005CB422208);科学技术部国家合作项目(20073819);浙江省重大科技专项项目(2008C13G2100010)作者简介:刘源月(1975-),女,博士,研究方向为土壤生态及土壤污染修复,电话:[phone],E-ma i:lliuyy2823448 通讯作者:江洪(1955-),男,教授,博士,E-mai:l hong jiang.china gmai.l com 文章编号:0258-2724(2009)04-0590-05 DO I:10.3969/.j issn.0258-2724.2009.04.021亚热带典型森林生态系统土壤呼吸刘源月1,江 洪1,2,邱忠平3,原焕英2,李雅红4(1.南京大学国际地球系统科学研究所,江苏 南京 210093;2.浙江林学院国际空间生态与生态系统生态研究中心,浙江 杭州 311300;3.西南交通大学生命科学与工程学院,四川 成都 610083;4.西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆 4007154)摘 要:为了解中国亚热带森林土壤碳释放 CO2与区域气候环境的关系,在亚热带典型区域浙江西天目山选择森林生态系统类型杉木林、毛竹林和常绿阔叶林,采用 L I-8100开路式土壤碳通量测量系统测定土壤呼吸通量.结果表明:各林分的土壤呼吸日变化趋势多呈单峰型;3个森林生态系统中,土壤 CO2年均释放速率大小依次是毛竹林 4.28 Lmol/(m2#s)、杉木林 2.35Lmol/(m2#s)、常绿阔叶林 2.23 Lmol/(m2#s).土壤呼吸随着不同季节土壤温度的变化相异,8月最高,11月受低温限制,呼吸作用微弱.土壤水分与土壤呼吸呈负相关,且常与土壤温度一起共同作用于土壤呼吸,这种非线性交互作用导致环境因子影响土壤呼吸的过程.关键词:土壤呼吸;碳循环;亚热带森林;天目山中图分类号:S151.9 文献标识码:ASoilRespiration of Three Typical Subtropical ForestEcosystemsin TianmuM ountain of ChinaLIU Yuanyue1,JIANGH ong1,2,QIU Zhongping3,YUAN Huanying2,LI Yahong4(1.International Institute for Earth Syste m Science,Nanjing University,Nanjing 210093,China;2.InternationalResearch Center of SpatialEcology and Ecosyste m,Zhejiang ForestryUniversity,Hangzhou 311300,China;3.SchoolofL ife Science and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;4.K ey Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region,M inistry of Education,Southwest University,Chongqing 400715,China)Abstract:The soil respiration(SR)of three typical forest ecosystems,which were Chinese fir,broadleaf evergreen andPhyllostachyspubescens,were measured by the infrared system(LI-8100)insitu inWest T ianmuMountain of Chinese subtropical area,to study the relationship between the fluxesof CO2released from this soil carbon pool and the change of the regional cli matic environmen.t Theresults indicated that the diurnal soil respiration in the three stands al most varied in a single-peakedpattern.Among the three stands,the annual average CO2efflux rate of Phyllostachys pubscens(3.82 L mol/(m2#s)was the greates,t that of broadleaf evergreen(2.23 L mol/(m2#s)was thelowes,t and that of Chinese fir(2.35 Lmol/(m2#s)was in bet ween the m.Generally,soilrespiration rate increased w ith soil temperature.In summ er(August),the CO2effluxes of the threestands rose to the m axi mum,but dropped greatly in winter(Nove mber).Soil moisture was in anegative linear correlation w ith SR,and togetherw ith soil temperature,had mutual effects on SR.Inconclusion,the environmental factors interacted with each other and influenced the process of SR.第 4期刘源月等:亚热带典型森林生态系统土壤呼吸Key words:soil respiration;carbon cycle;subtropical forests;T ianmuM ountain 全球气候变化引起的气温升高加速了土壤有机碳的分解,土壤碳通过土壤呼吸作用(soil respiration,SR)分解后以 CO2形式释放反馈回大气圈,进一步加剧全球变暖 1.森林土壤碳库作为陆地生态系最大的碳储存库,占全球土壤碳库的 73%2,其微小变化都会影响大气中 CO2的含量,受到全球科学家的广泛关注 3.中国亚热带森林在全球同纬度森林生态系统中具有独特的地位,面积达 250 104km2,20世纪80年代中后期,该区域开始大规模再造林,部分区域植被逐渐恢复,同期森林经营活动加大,干扰频繁.由于干扰与恢复交叉进行,造成森林土壤碳的变化复杂.亚热森林生态系统的重要组成部分浙江亚热带森林,尤其是位于浙江西天目山的森林集中反应了此种干扰与恢复的状况.西天目山紧临杭州市区,在杭州周边区域气温逐年上升的情况下,森林生态系统土壤碳的变化对该地区的生态环境及区域碳循环的影响颇大.虽然黄承才等在 1999年初步估算了中亚热带地区的土壤呼吸年通量,认为天然次生林土壤碳库多表现为碳汇 4,但由于仅依据森林土壤异养呼吸通量与枯落物的数量间接计算,估算量偏低.此后因技术设备等原因,缺乏对土壤呼吸的直接测定.因此,在当前环境条件下,难以准确反应西天目山森林土壤碳对区域气候变化的响应.本文以典型森林生态系统杉木林、常绿阔叶林和毛竹林为对象,观测不同生态系统土壤呼吸的日和季节变异规律,探讨森林土壤呼吸的变化趋势及影响因素,了解该区域森林土壤碳库与区域气候变化的相关性.1 实 验 (1)实验地概况样地设在浙江省重要的自然保护区西天目山(30b18c 30d 30b21c 37 N,191b24c 11d 119b27c 11dE),面积 42.84 104k m2,属温暖湿润的季风气候,年平均气温 15.8 18.9 e,年降水量 1 390 1 870mm.土壤类型属于亚热带红黄壤类型,p H 值为 5.5 6.5,有机质分解较快,腐殖质层薄.西天目山森林在海拔1 150 m以下以常绿阔叶林为主,主要分布在青冈、甜槠、苦槠等地;在 1 150m 以上为中亚热带针阔混交林,均为天然次生林.(2)野外实验设置研究所选的毛竹林、杉木林、常绿阔叶林(海拔均 600 m)是西天目山代表性森林生态系统.在每个林型中设置 100m 100m 的样方,每一样方中设置 5个 10 m 10m 的小样方.为减少对土壤表层的干扰,提前将聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)测试环插入土壤表面,剪掉环内植物活体,不扰动地表凋落物,稳定 24 h,备用.(3)土壤呼吸测试方法土壤呼吸速率 E(又称土壤呼吸强度),E 值表征了土壤释放 CO2能力的强弱.采用 LI-8100开路式土壤碳通量测量系统分别于 2007年 3,5,8,11月对每个林型设定的 5个样点进行动态监测,每周 1次,5个样点的多次监测值的均值代表每个林型的平均呼吸速率,并以此代表各季节的平均值.每日测定时间为 8:00 18:00,测定 1次/0.5 h.用 L-i 8100自带温度探针和湿度探针同步测定土壤表层(杉木林 常绿阔叶林.Hudgens等认为由于根系生物量常绿阔叶林大于其它两种林分,则常绿阔叶林的呼吸量要大于其它两种 6.但西天目山林下土壤共有特征是粘质少、沙质含量高及土壤本底有机质含量低.毛竹林和杉木林为人工林,人工造林改变了土地利用方式,极大地扰动了土壤,改变土壤孔隙,减少土壤持水量、大团聚体中颗粒状有机碳和有机磷的稳定性,在一定时间内致使 CO2从土壤中以较高的浓度进入大气圈 7.(3)土壤温度是驱动土壤呼吸的主要因素,土壤呼吸速率的变动基本与土壤温度变化相一致 8.全天中土壤呼吸也与温度存在线性关系.一般早晨 7,8点土温最低,呼吸速率也低.在这一阶段,决定土壤异养呼吸的微生物活性低,但植物的光合生理作用却颇为活跃,植物根系呼吸作用与植物光合作用显著相关,根系呼吸产生的 CO2是呼吸的主要构成部分 9,10.9:00后,光合生理作用减缓,并在中午接近休眠状态,根系呼吸所贡献的 CO2低于前一时间段,呼吸缓慢增长.此后土壤微生物活性随土壤温度的升高活性593西 南 交 通 大 学 学 报第 44卷增强,异养呼吸作用加强,土壤呼吸总量持续增加.在亚热带地区,由于水分较饱和,土壤呼吸速率 E 与土壤湿度Ms的相关性不如 Ts与 E 的相关性显著,但其对不同林分的影响也有季节差异.西天目山 3种林分林下 E 与Ms多表现为负相关.研究者认为土壤水分增加至一定程度后会降低土壤呼吸对温度变化响应的敏感程度,长时间湿度过大则会阻塞土壤气体释放的通道,抑制土壤微生物活动,导致呼吸的下降 11.因此,在高温高湿环境下,土壤呼吸变化趋势并非呈单一增长模式.4 结 论 (1)分布于西天目山的 3种常见林分(杉木、毛竹林和常绿阔叶林)林下土壤呼吸日变化随时间推移升高,最大土壤呼吸速率出现在 15:00 16:30.通常土壤呼吸 8月最高,11月最低.(2)土壤温度 Ts是影响土壤呼吸的限制性因素,Ts增加会促使土壤碳的释放量增加.土壤湿度存在减弱土壤呼吸作用,但作用有限,甚至无影响.(3)亚热带常见人工林对土壤碳的释放能力强于天然次生林(常绿阔叶林),毛竹林地下碳的释放即使在冬季也高达 3.56 Lmol/(m2#s),不能忽略其地下碳在冬季与大气圈的周转量.参考文献:1 SCHLESI NGER W H,ANDREW S JA.Soil respiration and the global carbon cycle J.Biogeoche m istry,2000,48(1):7-20.2 方精云,位梦华.北极陆地生态系统的碳循环与全球温暖化 J.环境科学学报,1998,18(2):113-121.FANG Jingyun,WEIM enghua.The carbon cycle in terrestrial ecosystem of arctic zone and globalwar m ing J.Journal ofEnvironmental Science,1998,18(2):113-121.3 文玉明.地球系统科学及其在全球环境研究中的应用 J.西南交通大学学报,1998,33(5):550-554.WEN Yum ing.Geosystem science and its applications in the researches of global environmental changes J.Journal ofSouthwest Jtaotong University,1998,33(5):550-554.4 黄承才,葛滢,常杰,等.中亚热带东部 3种主要木本群落土壤呼吸的研究 J.生态学报,1999,19(3):324-328.HUANG Chengca,i GEY ing,CHANG Jie,et a.l Studies on the soil respiration of threewoody plant communities in the eastm id-subtropical zone,China J.ACTA Ecologica Sinica,1999,19(3):324-328.5 肖复明,范少辉,汪思龙,等.毛竹(Phyllostachys 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