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采伐剩余物管理措施对杉木人工林土壤呼吸的影响解析
第49卷第5期2013年5月
林
业科
学
SCIENTIA
SILVAE
SINICAE
Vol.49,No.5May,2013
doi:
10.11707/j.1001-7488.20130504
收稿日期:
2012-11-08;修回日期:
2013-02-15。
基金项目:
2011年教育部新世纪优秀人才支持计划(DB-168;2012年福建省杰出青年科学基金项目(2060203。
*黄志群为通讯作者。
采伐剩余物管理措施对杉木人工林土壤呼吸的影响
*
胡振宏
1,2
范少辉
3
黄志群
1,2
何宗明
4
余再鹏
1,2
王民煌
1,2
翁贤权
5
(1.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地
福州350007;2.福建师范大学地理科学学院
福州350007;
3.国际竹藤中心
北京100102;4.福建农林大学林学院
福州350002;
5.福建省南平市峡阳国有林场
南平353005
摘要:
对中国亚热带地区5种采伐剩余物管理措施(收获采伐剩余物和地被层、全树收获、仅收获树干和树皮、
采伐剩余物加倍以及炼山下杉木人工林的土壤呼吸进行定位研究。
结果表明:
处理15年后5种采伐剩余物管理措施对杉木林全年和不同季节的土壤呼吸速率、土壤温度以及土壤湿度均没有显著影响;土壤呼吸速率呈明显的
季节动态,最高值出现在2012年6月(3.09μmolCO2·m-2s-1
5种处理平均值,最低值则出现在2012年2月
(0.69μmolCO2·m-2s-1;土壤呼吸速率主要受土壤温度的驱动,土壤温度能解释土壤呼吸速率变化的55.8%72.6%;5种处理样地之间土壤呼吸Q10值和年通量差异均不显著,处理样地的平均值分别为2.14和701.17gC·m-2;采伐剩余物管理措施对010cm土层冷水、热水和2mol·L-1KCl溶液浸提的土壤可溶性有机碳含量没有显著影响;冷水和2mol·L-1KCl溶液浸提的土壤可溶性有机碳含量分别与取样月份和年均土壤呼吸速率显著正相关(P<0.05。
关键词:
采伐剩余物管理;土壤呼吸;温度;湿度;土壤可溶性有机碳
中图分类号:
S714.5;S750
文献标识码:
A
文章编号:
1001-7488(201305-0024-06
EffectsofHarvestResidueManagementonSoilRespirationofChineseFirPlantations
HuZhenhong
1,2
FanShaohui
3
HuangZhiqun
1,2
HeZongming
4
YuZaipeng
1,2
WangMinhuang
1,2,
WengXianquan
5
(1.CultivationBaseofStateKeyLaboratoryofHumidSubtropicalMountainEcologyFuzhou350007;2.CollegeofGeographicalScience,
FujianNormalUniversity
Fuzhou350007;3.InternationalCenterforBambooandRattan
Beijing100102;4.ForestryCollege,
FujianAgricultureandForestryUniversityFuzhou350002;5.XiayangStateForestFarmofFujianProvince
Nanping353005
Abstract:
Wemeasuredmonthlysoilrespiration(Rsina15year-oldreplantedChinesefirplantationwhichwas
locatedinsubtropicalChinaandsubjectedtofiveharvestresiduemanagementtreatments.Thetreatmentsincluded:
wholetreeharvestplusforestfloorremoval,wholetreeharvest,
stemonlyharvest,doubletheresidue,andburningtheresidue.RepeatedmeasuresANOVAshowedthatharvestresiduemanagementhadlittleeffectsonRsrate,soiltemperatureandsoilmoistureinthewholeyearorfourdifferentseasons.Soilrespirationdisplayedobviousseasonaldynamics,withthemaximumhappeninginJune2012(3.09μmolCO2·m-2
s
-1
averagedfromfivetreatmentsandtheminimumhappingin
February2012(0.69μmolCO2·m
-2
s
-1
.Soiltemperaturewasfoundtobethemostimportantfactorcontrollingthe
temporalpatternofsoilrespiration,accountingfor55.8%-72.6%ofvariationsinRsrate.TherewerenosignificantdifferencesintemperaturesensitivityofRs(Q10andannualsoilCO2emissionamongtreatments,andthemeanvaluesoffivetreatmentswere2.14and701.17gC·m-2
forQ10andannualsoilCO2emission.Harvestresiduetreatmenthadno
significanteffectsondissolvedorganiccarbon(DOCconcentrations(0-10cmdepthextractedbywater,hotwateror
2mol
·L-1
KCl.DOCconcentrationsextractedbywaterand2mol·L
-1
KClwerecorrelatedpositivelywithannualRsrate
andtheRsrateinthegivenmonthwhensoilsampleswerecollected,respectively.Keywords:
harvestresiduemanagement;soilrespiration;temperature;moisture;soildissolvedorganiccarbon
土壤碳储量是陆地植被碳储量的23倍,而土壤呼吸是陆地生态系统向大气释放CO
2
的第二大途径(Luoetal.,2006,每年由土壤呼吸过程释放到
大气中的CO
2
是化石燃料燃烧释放的10倍以上(Pengetal.,2009。
森林作为陆地生态系统的主体,维持着全球86%的植被碳库和73%的土壤碳库(Lal,2005。
随着人工林种植面积不断扩大,人工林在全球碳循环中占据了越来越重要的位置(Lal,2005;Huangetal.,2012。
在中国,森林碳汇主要来自人工林的贡献(方精云等,2001。
人工林在减缓全球气候变化中的地位举足轻重,而人工林的经营与管理是实现和增强其碳汇功能的重要途径(Jandletal.,2007;闫美芳等,2010。
土壤呼吸主要与土壤生物活动和土壤孔隙中气体的扩散有关,后两者均受到土壤性质和植被类型的影响(Luoetal.,2006。
根呼吸和根际微生物呼吸是土壤呼吸的主要来源,其次为地上和地下凋落物(凋落物叶、木质残体和死亡根系及土壤有机质的矿化(Trumbore,2000;Schaeferetal.,2009。
研究表明,土壤呼吸具有高度的时空变异性(Bond-Lambertyetal.,2010。
时间尺度上土壤呼吸主要受土壤温湿度及两者交互效应的控制(Luoetal.,2006;Vincentetal.,2006,而在空间尺度上,主要通过生物因子(细根生物量、土壤有机质含量、土壤微生物量及植被生产力等和非生物因子(土壤温湿度、土壤孔隙度和近地面大气状况等对土壤呼吸产生影响(Bond-Lambertyetal.,2010;Shengetal.,2010。
近年来,随着对温室气体排放的重视,做了很多有关土壤呼吸的研究工作,包括全球尺度土壤呼吸的研究,不同纬度带、不同生态系统、不同森林类型以及不同土地利用下土壤呼吸的研究(Vincentetal.,2006;Bond-Lambertyetal.,2010;Shengetal.,2010。
森林采伐剩余物管理是人工林营造时常见的经营措施(Huangetal.,2012,关于采伐剩余物管理措施对人工林土壤呼吸的影响,以往的研究大多关注造林初期的影响,而对造林较长时间(>10年后的影响还很少报道。
中国亚热带地区与全球同纬度地区相比,森林生态系统生产力高、碳储量大,生态过程对气候变化的响应多样(陈光水等,2005,被誉为回归线上的“绿洲”。
鉴于种植面积、木材生产量和木材用途等方面的情况,杉木(Cunninghamialanceolata是该区最重要的人工造林树种之一(Huangetal.,2012,而国内有关杉木林采伐剩余物管理的研究还未见报道。
本研究在杉木中心产区福建省南平市峡阳国有林场,基于以往立地管理措施对杉木人工林生长和土壤理化性质等方面的长期定位研究(Huangetal.,2012,对5种采伐剩余物管理措施下15年生杉木人工林土壤呼吸、土壤温湿度进行为期1年的观测,并同期分析010cm土层冷水、热水和2mol·L-1KCl溶液浸提的土壤可溶性有机碳含量,以探讨采伐剩余物管理措施对杉木林土壤呼吸的影响,为研究亚热带地区森林管理措施对人工林碳排放的影响提供理论基础。
1研究区概况
试验地位于福建省南平市峡阳国有林场(117ʎ59'E,26ʎ48'N,属于武夷山系南伸支脉,海拔200260m,坡度28ʎ36ʎ。
本区属中亚热带海洋性季风气候,年平均气温19.5ħ,1月平均气温9.7ħ,7月平均气温28.7ħ,极端最低气温和最高气温分别为-5.8ħ和41ħ。
年均降水量1653mm,降雨集中在3—8月,年平均蒸发量1143mm,年平均相对湿度83%。
根据南平市延平区气象站测量的气象数据,2011-07—2012-06试验地月降雨量和月平均气温见图1。
试验地土壤均为绿泥片岩发育的轻黏质山地红壤,表层疏松,土层深厚,土壤肥沃,但均含有少量的石砾。
林下常见植被主要有观音座莲(Angiopterisfokiensis、狗脊(Woodwardiajaponica、五节芒(Miscanthusfloridulus和芒萁(Dicranopterisdichotoma等。
试验地前茬为29年生一代杉木纯林。
试验地为杉木纯林,概况见表1
。
图12011-07—2012-06期间试验地月
平均气温和月降雨量
Fig.1MonthlyprecipitationandmeanairtemperaturebetweenJuly2011andJune2012atstudysite
2研究方法
随机区组设计试验地,共设4个区组,每个区组设5个处理小区,小区面积为600m2(Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ区组小
区为20mˑ30m,Ⅳ区组小区为24mˑ25m。
1996年10月一代杉木林皆伐后进行采伐剩余物处理,1997年1月造林后不再进行处理,造林密度为每小区150株(2500株·hm-2,5个处理分别为:
收获采伐剩余物和地被层(BL0;全树收获(BL1;仅收获树干和树皮(BL2;采伐剩余物加倍,将BL1处理中的采伐剩余物移放至此小区(BL3;炼山,将采伐剩余物和地被层火烧(SB。
试验地一代杉木林皆伐后产生的采伐剩余物生物量约为26.1Mg·hm-2,地被层生物量约9.9Mg·hm-2。
表14个区组010cm土层土壤理化性质和杉木生长情况
Tab.1Soilphysicalandchemicalpropertiesofsoilin010cmlayerandChinesefirplantationgrowthatfourblocks
区组Block
土壤全碳
SoiltotalC/
(g·kg-1
土壤全氮
SoiltotalN/
(g·kg-1
土壤C/N值
SoilC/N
value
土壤pH值
SoilpH
value
土壤密度
Soildensity/
(g·cm-3
树高
Tree
height/m
DBH/cm
Ⅰ25.51.7615.494.651.01ʃ0.0516.2ʃ0.7519.8ʃ0.73Ⅱ30.31.7116.324.610.91ʃ0.0215.3ʃ0.5017.7ʃ0.62Ⅲ25.01.7114.374.721.04ʃ0.0514.1ʃ0.4416.2ʃ0.54Ⅳ27.91.7615.884.290.92ʃ0.0515.7ʃ0.4918.0ʃ0.97
2011年7月在每个试验小区沿对角线分布5个PVC材质的土壤环,土壤环内径20.0cm、高6cm,将土壤环底部削尖后埋入地下3cm,为便于环内土壤更好地与外部土壤进行水汽交换,将埋入地下部分侧边钻4个直径为0.5cm的圆孔。
土壤环在试验小区设置24h后开始第1次测量,此后土壤环位置保持不动,并在每次测量前齐地剪除环内绿色植物。
2011-07—2012-06,每月中旬选取23天,尽可能选择晴朗无风的天气,利用Li-8100开路式土壤碳通量观测系统(Li-8100,Li-cor公司,美国观测土壤呼吸速率,每个土壤环测定时间设为2min。
根据研究结果,亚热带杉木人工林上午9:
00—12:
00土壤呼吸速率与一天的平均值较接近(Shengetal.,2010,故每次测量均选择此时段。
在每次测量土壤呼吸速率的同时,利用数字式瞬时温度计(AM-11T,Avalon公司,美国测定地下10cm深处的土壤温度和离地1m高的气温,采用时域反射仪(TDR(ModelTDR300,Spectrum公司,美国测定地下012cm土层土壤体积含水量。
为了减少土壤水分测定的误差,将烘干法测得的土壤湿度和与TDR300测定的结果进行对照,并建立2者之间的一元线性方程W=0.7351W
+7.3965(R2=0.8961来校正TDR300测量的数值,式中W
为烘干法测量的土壤湿度,W
为仪器测量的土壤湿度。
2011年8月在每个试验小区沿对角线分布12个样点,用内径3.7cm的土钻钻取010cm土层土样,风干后过2mm筛,先后用冷水、热水和2mol·L-1KCl溶液浸提该层土壤可溶性有机碳含量,方法参见文献(Jonesetal.,2006。
具体步骤为:
称取10g风干土样于50mL离心管中,在室温状态下加入40mL去离子水,将水土混匀后放置在转速为270r·min-1的摇床上震荡30min,之后再放入离心力为2600g的离心机中离心10min,待离心完成后将上清液过0.45μm孔径滤器并提取分析。
冷水浸提完成后再将土样先后继续进行热水和2mol·L-1KCl溶液浸提,浸提过程与冷水浸提过程类似,热水浸提须将土样放入80ħ热水中恒温放置18h后进行提取。
所有滤液中的有机碳含量测定均在总有机碳分析仪(TOC-VcpH,Shimadzu公司,日本上进行。
土壤全碳、全氮含量采用碳氮元素分析仪(VarioMax,Elementar公司,德国测定;pH值采用电位法测量;土壤密度采用环刀法测定。
为分析土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸的影响,分别选择双因素关系模型和单因素关系模型进行拟合:
R=aebTWc;R=aebT;R=aWb。
式中:
R为土壤呼吸速率;T为10cm深处土壤温度,W为012cm土层土壤含水量,a,b和c为待定参数。
Q
10
值采用指数关系模型Q
10
=e10b进行计算。
以每月测定的土壤呼吸速率代表该月平均土壤呼吸速率,通过累加计算求得当年土壤呼吸年通量。
采用重复测量方差分析
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