黄河三角洲刺槐混交林土壤呼吸的时空变化及其影响因素

摘要

黄河三角洲湿地是世界上暖温带保存最广阔、最完善、最年轻的湿地生态系统。该湿地在维持生物多样性以及维护区域生态安全方面具有重要作用，已成为现代生态学的热点领域之一。目前该湿地的生态资源开发已经上升为国家战略，然而该湿地生态系统在维持全球碳平衡中作用一直未引起足够的重视。因此，本文在黄河三角洲盐碱地选取刺槐臭椿混交林、刺槐白榆混交林、刺槐白蜡混交林、刺槐纯林4种人工林和无林地为研究对象，采用英国生产的ACE自动监测系统测定土壤呼吸速率，同时采用常规方法测定林内小气候、土壤理化性质、微生物数量、根系生物量，分析不同人工刺槐林土壤呼吸的时空动态变化特征及其影响因子。目的是为理解该区域不同人工造林模式的土壤碳循环过程，植被恢复与生态重建中的植被模式选择提供科学依据。主要研究结果如下：
　　 1.土壤呼吸速率的时空变化
　　 (1)土壤呼吸速率的日变化均呈现明显的“单峰”曲线，随着温度的升高而升高，峰值出现在12:00至14:00；其中同一时刻造林地的土壤呼吸及其日变化范围明显高于无林地；不同林地的土壤呼吸速率日变化略有差异，4月的日变化范围较小，介于0.24-0.95μmol·m-2·s-1之间，8月份较大，介于3.27-6.51μmol·m-2·s-1之间，而无林地分别为0.16-0.32μmol·m-2·s-1和2.61-2.93μmol·m-2·s-1，表明造林后提高了土壤呼吸速率。
　　 (2)在土壤呼吸速率季节动态上，夏季明显大于春季，5种类型存在显著差异(P<0.05)。其中4月份土壤呼吸速率的日均值表现为：刺槐纯林(0.69μmol·m-2·s-1)>剌槐白蜡(0.59μmol·m-2.s-1)>刺槐白榆(0.48μmol·m-2.s-1)>刺槐臭椿(0.43μmol·m-2·s-1)>无林地(0.26μmol·m-2·s-1)，8月份表现为：刺槐白榆(4.65μmol·m-2·s-1)>刺槐白蜡(4.43μmol·m-2·s-1)>刺槐纯林(4.13μmol·m-2·s-1)>刺槐臭椿(3.99μmol·m-2·s-1)>无林地(2.74μmol·m-2·s-1)；CO2的日呼吸通量也表现为夏季明显大于春季，其8月份CO2的日呼吸通量依次为7.37g·m-2·d-1、7.01g.·-2·d-1、6.54g·m-2·d-1、6.32g·m-2·d-1、4.34g·m-2·d-1，相互之间差异性均显著(P<0.05)，分别是春季CO2的日呼吸通量的9.64倍、7.45倍、5.89倍、9.24倍、10.54倍。
　　 (3)春、夏两季土壤呼吸速率在垂直空间上的变化规律相似，均表现为枯落物层>0-10cm土层>10-20cm土层；不同土层的土壤呼吸速率的日变化动态也呈现明显的“单峰”曲线，但是土层越深，土壤呼吸速率的日变幅越微弱；夏季4种造林地不同土层的呼吸速率明显高于其春季的；随着土层深度的增加，土壤温度逐渐降低，Q10值增大，对温度的敏感性增强，其中混交林对温度变化的敏感性大于纯林。
　　 2.土壤呼吸速率与环境因子的关系
　　 不同林分类型土壤呼吸过程受到诸多环境因子的综合影响，包括小气候因子和土壤环境因子等。其中4月份土壤呼吸速率微弱，变化范围为0.24-0.95μmol·m-2·s-1，与环境因子的相关性不明显，所以主要研究夏季土壤呼吸速率与环境因子的关系。
　　 (1)小气候因子对土壤呼吸速率的影响研究表明，8月刺槐臭椿混交林、刺槐白榆混交林、刺槐白蜡混交林、刺槐纯林4种人工林和无林地中大气温湿度对土壤呼吸速率的影响不同。其中只有刺槐臭椿、刺槐白榆混交林与气温呈极显著正相关(P<0.01)，无林地呈显著相关(P<0.05)；4种造林地土壤呼吸速率与空气相对湿度均呈显著负相关(P<0.05)，而无林地中空气相对湿度变化不稳定，相关性不明显。
　　 (2)土壤理化性质对土壤呼吸速率的影响研究表明，刺槐臭椿混交林、刺槐白榆混交林、刺槐白蜡混交林、刺槐纯林4种人工林和无林地中土壤环境因子对土壤呼吸速率的影响各不相同。经非线性回归分析得出，不同土层的土壤呼吸速率与土壤温度的关系可以用指数方程来描述，除了无林地不具有显著相关外，4种造林地均达到显著或极显著相关；5种类型内土壤呼吸速率与土壤体积含水量日动态可用线性方程描述，4种造林地均呈显著正相关，无林地相关性不显著；均与体积含水量的季节动态变化相关性不明显。本区域中造林地内土壤孔隙度、pH及含盐量是影响土壤呼吸的重要因素。其中3种混交林中的土壤呼吸速率与其孔隙度呈极显著正相关，R2达到0.90以上，刺槐纯林中的呈显著正相关，R2达到0.80以上，均可用指数方程描述；与其pH值及含盐量呈负相关性，可用直线方程描述。
　　 (3)5种类型内的土壤微生物数量不是影响壤呼吸速率的重要因子；根系生物量对土壤呼吸速率具有一定的影响作用，即根系生物量越大，相关性越显著。
　　 (4)Q10值随着土壤深度的增加而增大，对土壤温度敏感性不同，其中刺槐白榆混交林增大的倍数最大，刺槐白蜡混交林、刺槐臭椿混交林次之，刺槐纯林最小。
　　 3.掩埋枯落物释放CO2的速率
　　 8月份对掩埋枯落物释放CO2的测定结果表明，除无林地外，4种造林地内每种处理方式释放CO2的日动态呈“单峰”曲线，且Va>Vb>Vc>Vd，但是释放的CO2通量之间的倍数关系却与相应的枯落物之间的倍数关系不成等比。枯落物掩埋后失质率增加从而导致CO2的释放值增加，对土壤呼吸速率的贡献值分别升高了23.26％、4.23%、7.22%、28.26%、12.86%，其中枯落物蓄积量相对较大的刺槐臭椿混交林和刺槐纯林升高的幅度最大，分别达到23.26%、28.26%；各林分内枯落物释放CO2主要受土壤0-5cm处温度、体积含水量及枯落物蓄积量的影响。
　　 综上研究结果可以看出，黄河三角洲刺槐混交林土壤呼吸的时空变化受多种因子的协调作用。因此，今后研究中需要加大观测密度，并结合其他环境因子，如土壤养分、近地面大气压、CO2浓度、氮沉降等，同时进一步深入研究土壤呼吸中自养呼吸和异养呼吸的组分，丰富和完善该区域土壤呼吸速率时空变化机理研究。