不同间伐强度对杉木人工林土壤呼吸速率的短期影响.pdf
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1、不同间伐强度对杉木人工林土壤呼吸速率的短期影响陈炎根1,胡艳静2,3,黄莎1,刘波1,吴继来1,王懿祥2,3(1.浙江省杭州市临安区林业局,浙江杭州311300;2.浙江农林大学环境与资源学院,浙江杭州311300;3.浙江农林大学省部共建亚热带森林培育国家重点实验室,浙江杭州311300)摘要:【目的目的】比较不同间伐强度下杉木 Cunninghamia lanceolata 人工林土壤呼吸速率,解释影响土壤呼吸速率的主要因子,为森林经营及碳汇管理提供科学依据。【方法方法】采用随机区组设计,设置对照(间伐 0%)、中度间伐(间伐 45%)、重度间伐(间伐 70%)3 种间伐处理,采用静态箱-
2、气象色谱法对杉木人工林土壤呼吸速率进行短期原位监测。【结果结果】间伐显著增加了杉木林土壤呼吸速率(P0.05),与对照相比,中度和重度间伐的土壤呼吸速率分别增加了23.30%和 44.94%。土壤呼吸速率与 5cm 土壤温度呈显著指数相关,而与土壤含水量无关。不同间伐处理下,土壤呼吸温度敏感性系数(Q10)为 1.772.16,对照处理下 Q10最高,间伐降低了杉木林土壤呼吸的温度敏感性。杉木人工林土壤呼吸速率与土壤水溶性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳呈显著正相关(P0.01)。【结论结论】间伐初期,间伐对杉木林土壤呼吸速率有促进作用,且随着间伐强度的增加而增加。土壤温度是土壤呼吸速率变
3、化的主要影响因子,土壤活性有机碳是重要因子。图 3 表 5 参 44关键词:杉木人工林;间伐强度;土壤活性有机碳;土壤温湿度;土壤呼吸中图分类号:S714.5文献标志码:A文章编号:2095-0756(2023)05-1054-09Short-termeffectsofdifferentthinningintensitiesonsoilrespirationrateintheCunninghamia lanceolataplantationCHENYangen1,HUYanjing2,3,HUANGSha1,LIUBo1,WUJilai1,WANGYixiang2,3(1.ForestryBu
4、reauofLinanDistrict,Hangzhou311300,Zhejiang,China;2.CollegeofEnvironmentandResources,ZhejiangA&FUniversity,Hangzhou311300,Zhejiang,China;3.StateKeyLaboratoryofSubtropicalSilviculture,ZhejiangA&FUniversity,Hangzhou311300,Zhejiang,China)Abstract:Objective This study,with a comparison of the difference
5、s in soil respiration rates ofCunninghamia lanceolata plantations under different thinning intensities,is aimed to investigate the mainfactorsaffectingsoilrespirationrates,soastoprovideascientificbasisforforestmanagementandcarbonsinkmanagement.MethodWitharandomizedblockdesign,threethinningtreatments
6、,namelycontrol(thinning0%),moderatethinning(thinning45%)andheavythinning(thinning70%)werearrangedbeforeshort-termin-situ monitoring was conducted of soil respiration rates in C.lanceolata plantations using static box-meteorological chromatography.Result Thinning significantly increased the soil resp
7、iration rate in C.lanceolataforest,withanincreaseof23.30%and44.94%fortheonestreatedwithmoderateandheavythinningrespectively.Soilrespirationratewasexponentiallycorrelatedwithsoiltemperatureat5cmdepth,butnotwithsoilwatercontent.Thetemperaturesensitivitycoefficient(Q10)ofsoilrespirationrangedfrom1.77to
8、2.16收稿日期:2022-11-16;修回日期:2023-04-20基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFD2201304)作者简介:陈炎根(ORCID:0000-0002-4377-6429),从事森林生态研究。E-mail:。通信作者:王懿祥(ORCID:0000-0003-0642-195X),教授,博士,从事森林固碳增汇经营和森林生态学研究。E-mail:浙江农林大学学报,2023,40(5):10541062Journal of Zhejiang A&F Universitydoi:10.11833/j.issn.2095-0756.20220704underdifferen
9、tthinningtreatments,withtheQ10beingthehighestunderthecontroltreatment,andthinningdecreasedthetemperaturesensitivityofsoilrespirationinC.lanceolatastands.SoilrespirationrateofC.lanceolata plantation was positively correlated with soil water-soluble organic carbon,microbial biomasscarbonandpermanganat
10、e-oxidizablecarbon(P0.01).ConclusionThinningpromotedthesoilrespirationrateofC.lanceolataforestwhichincreasedwiththeincreaseofthinningintensity.Soiltemperatureisthemainfactoraffectingthechangeinsoilrespirationrate,withsoilactiveorganiccarbonbeinganimportantfactor.Ch,3fig.5tab.44ref.Key words:Cunningh
11、amia lanceolata plantation;thinning intensity;soil active organic carbon;soiltemperatureandmoisture;soilrespiration土壤呼吸是陆地生态系统向大气排放二氧化碳(CO2)的主要途径,在调节生态系统碳循环中发挥着重要作用12。作为陆地生态系统的主体,森林土壤汇集了全球土壤碳库的 73%3,森林土壤呼吸研究成为陆地生态系统碳循环的研究热点。森林间伐是森林经营的重要措施之一,对促进人工林生长,改善碳固存能力有积极作用,通过改变林地土壤微气候、微生物群落以及根系生长等因子引起森林土壤呼吸变化4
12、6。因此,研究森林间伐对土壤呼吸及其影响机制对评估区域土壤碳循环有重要意义。杉木Cunninghamia lanceolata 是中国特有速生丰产的优质树种,其人工林面积高达 1096 万 hm2,在缓解木材需求压力、支持天然林保护等生态工程实施方面作用突出79。杉木人工林因其巨大的固碳潜力,在缓解气候变化上的作用不容忽视1011。然而,由于杉木人工林长期多代连作,引起林地生产力下降、土壤退化,形成了大面积的低质低效杉木林12。森林间伐对杉木林土壤呼吸速率的响应结果差异较大。TIAN 等13研究表明:杉木林土壤呼吸速率随间伐后恢复年限的增加先升高后降低,最终恢复到采伐前水平。LI 等14研究发
13、现:间伐后第 1 年杉木林土壤呼吸速率升高,其中异养呼吸增加是土壤呼吸增加的主要原因,但间伐对土壤呼吸的影响随时间推移而减弱。WANG 等15研究表明:土壤呼吸随间伐强度的增加而增加。丁驰等16研究发现:杉木林轻度间伐的土壤呼吸速率显著高于中度和重度间伐处理。然而,探讨间伐对杉木林土壤呼吸的响应时多考虑土壤温湿度的影响,而其他环境因子对土壤呼吸速率的影响仍有待进一步研究。此外,间伐作业对高密度萌生杉木林的土壤呼吸速率影响的研究较少。综上所述,本研究以浙北杉木人工林为研究对象,比较不同间伐强度下森林土壤呼吸速率及其主要影响因子,为杉木林经营及碳汇管理提供科学依据。1研究地区与研究方法1.1研究区
14、概况研究区位于浙江省临安市於潜镇泗州村(3014N,11925E),该区为典型亚热带季风气候,年均气温为 16.2,最高气温在 78 月,最低气温在 1 月,年均降水量为 1470.2mm,降水天数为 182.0d。海拔为 40100m,样地主要土壤类型为黄壤。杉木林下灌木主要有山茶 Camellia japonica、土茯苓Camellia oleifera、菝葜 Smilax china 等;草本主要有山莓 Rubus corchorifolius、金毛耳草 HedyotisChrysotricha、芒属 Miscanthus 类植物等。1.2试验设计试验地为杉木萌生纯林,该林分是 200
15、6 年遭受火灾后采伐形成的萌生林,截至 2017 年 12 月未进行经营活动。该样地林分密度为 4200 株hm2,林龄为 11a,林分平均胸径为 7.3cm,平均树高为 5.2m。于 2017 年 12 月进行采伐和每木检尺,采用随机区组设计在坡度和坡位相近的杉木纯林设置 3 种间伐处理,分别为对照(间伐 0%)、中度间伐(间伐 45%)和重度间伐(间伐 70%),每种处理设置 3 个重复,共设置了 9 块 20m20m 的标准样地,样地基本情况见表 1。样地 020cm 土层土壤理化性质:土壤容重为 1.07gcm3,土壤有机碳为 36.40gkg1,土壤全氮为 1.31gkg1,土壤碱解
16、氮为 39.51mgkg1,土壤有效磷为 1.14mgkg1,土壤速效钾为 64.52mgkg1,pH5.03。于 2018 年 2 月至 2020 年 1 月,采用静态箱-气象色谱法进行土壤呼吸速率监测,每个样地安置第 40 卷第 5 期陈炎根等:不同间伐强度对杉木人工林土壤呼吸速率的短期影响10552 个 30cm30cm30cm 的 PVC 静态箱(下坡处静态箱基座没入土壤 5cm),共 18 个静态箱。每月中旬9:0011:00 采集气体样品。用 25mL 注射器分别于密封后的 0、10、20、30min 采集气体样品,注入密封的真空气瓶中,带回实验室,48h 内用 Agilent78
17、90 气相色谱仪完成测定。每月采气时,测定静态箱附近土壤 5cm 处温度,并采集 5cm 处土壤样品使用烘干法测定土壤含水率16。每季度采集 020cm 土层土壤样品,过 2mm 筛后,分别风干后置于 4 冰箱保存。土壤水溶性有机碳采用水浸提法测定17,土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定18,土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法测定19,土壤 pH 采用电位法测定20。1.3数据处理使用模型拟合土壤呼吸和土壤温湿度的关系,同时估计温度敏感性系数(Q10)。Rs=aebT;Rs=aM2+bM+c;Q10=e10b。其中:Rs为土壤呼吸速率(mgm2h1),T 为土壤 5cm 土层处温度(),
18、M 为土壤表层含水率(%),a、b 和 c 为系数参数。采用 SPSS22.0 进行数据统计分析。采用重复观测方差分析(repeatedmeasuresANOVA)检验杉木林土壤呼吸速率与土壤温湿度的差异性,采用单因素方差分析(one-wayANOVA)探讨不同间伐处理下土壤呼吸速率和土壤环境因子差异。利用线性回归分析土壤呼吸速率与土壤环境因子的关系。2结果与分析2.1土壤呼吸速率变化由图 1 可知:不同间伐处理的杉木林土壤呼吸速率均呈现明显的季节动态,最高值出现在 78 月,最低值出现在 12 月。从月动态来看,5 月开始各间伐处理土壤呼吸速率出现较大差异。对照、中度、重度间伐样地土壤呼吸速
19、率分别为 29.09297.00、38.66338.31、48.36387.87 mgm2h1。间伐显著增加了杉木林土壤呼吸速率(P0.05),且随着间伐强度的增加而增加。与对照相比,中度和重度间伐土壤呼吸速率分别增加了 23.30%、44.94%(表 2)。从年际变化看,各间伐处理对土壤呼吸速率无明显差异。2.2土壤温湿度各间伐处理的土壤温度表现为春冬季低,夏季高的单峰曲线(图 2),间伐处理样地均显著高于对照(P0.05),与对照相比,中度和重度间伐处理的土壤温度分别增加了 6.31%和 7.81%(表 2)。土壤含水率在间伐第 1 年(2018 年 2 月至 2019 年 1 月)呈现降
20、低趋势,第 2 年(2019 年 2 月至 2020 年 1 月)呈先升高后下降的波动趋势,但各处理土壤含水量差异不表1杉木林样地基本情况Table1Basicconditionsoftheplots间伐处理林分密度/(株hm2)平均胸径/cm平均树高/m郁闭度/%伐前伐后伐前伐后伐前伐后伐前伐后对照4188454188457.60.17.60.15.00.15.00.19595中度41402251833557.30.17.80.45.10.15.30.29562重度43171141103487.10.17.40.24.80.25.00.3953823456789101112123456789
21、10111210501001502002503003504002018 年2019 年2020 年450土壤呼吸速率/(mg m2 h1)月份 对照中度间伐重度间伐图1不同处理杉木林土壤呼吸速率的月动态Figure1Monthly dynamic of soil respiration rate in C.lanceolataplantationunderdifferentthinningtreatments1056浙江农林大学学报2023 年 10 月 20 日显著(P0.05)。2.3土壤活性有机碳由图 3 可知:各处理土壤水溶性有机碳质量分数 7 月最高,1 月最低。与对照相比,除间伐第
22、 2 年的 4 和 10 月外,中度和重度间伐处理下土壤水溶性有机碳质量分数均显著增加(P0.05),分别增加了11.80%和 21.70%(表 2),间伐处理之间差异不显著。020406080100120140160180200水溶性有机碳/(mg kg1)月份baaaaaaaaaaaabaabbbbbaab4710147101月份4710147101月份47101471010510152025易氧化有机碳/(mg g1)对照中度间伐重度间伐不同字母表示同一月份不同处理间差异显著(P0.05)。baaabaaaaaaacabbaabbaabbba05010015020025030035040
23、0450微生物生物量碳/(mg kg1)cabbbaaaaaacbcaaccbabbbab2018 年2019 年2020 年2018 年2019 年2020 年2018 年2019 年2020 年图3不同处理杉木林土壤活性有机碳的季节变化Figure3SeasonalvariationofsoilactiveorganiccarboninC.lanceolataforestunderdifferenttreatments表2不同处理杉木林土壤呼吸速率及环境因子的年平均值Table2Annualaveragevaluesofsoilrespirationrateandenvironmental
24、factorsinC.lanceolataplantationunderdifferentthinningtreatments时间间伐处理土壤呼吸速率/(mgm2h1)土壤温度/含水率/%水溶性有机碳/(mgkg1)微生物生物量碳/(mgkg1)易氧化有机碳/(mgg1)间伐后第1年对照149.322.92c15.000.19b27.540.89a96.802.18b266.216.84c10.740.66b中度183.895.95b15.960.10a30.491.37a109.144.85a295.608.19b13.30.0.81a重度217.151.79a16.160.23a29.74
25、1.52a119.516.16a331.078.96a14.340.45a间伐后第2年对照151.616.01c15.670.23b21.470.73a101.831.57c244.729.71b9.280.32b中度187.136.10b16.650.22a24.851.61a112.923.10b282.767.20a11.690.21a重度219.022.18a16.910.29a23.392.31a122.212.94a307.1214.35a11.730.36a平均对照150.461.61c15.340.15b24.510.62a99.311.05c255.477.01c10.010
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