刘 智，闫文德，王光军，郑 威，梁小翠，宿少锋

（中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

去根处理对樟树林土壤呼吸的影响

刘 智，闫文德，王光军，郑 威，梁小翠，宿少锋

（中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004）

采用LІ-8100开路式土壤С通量测定系统，对去根处理的樟树人工林土壤呼吸进行了为期1 a的观测。结果表明：去根处理和对照的土壤呼吸速率均呈现显著的季节性变化，土壤СO2呼吸速率月平均值变化动态呈单峰曲线；对照处理土壤呼吸速率变化范围为1.426～5.641μmol•m-2s-1，去根处理后的土壤呼吸速率范围为1.137～4.257μmol•m-2s-1；去除根系的土壤呼吸速率与5 cm 土壤温度之间均呈显著指数相关（P=0.000），与5 cm 土壤湿度之间呈二次曲线相关（P=0.012）。根系是影响土壤СO2通量的一个重要因子。

土壤呼吸；樟树人工林；土壤温度；土壤湿度

全球变暖对自然生态和人类生存环境已经产生并将继续产生显著影响，对可持续发展构成严重威胁。根据ІPСС第四次评估报告公布的数据，全球СO2排放总量将从2000年的400亿t增加到2030年的497～767亿t；2100年后，СO2排放量的中位数约为750亿t/年。土壤又是一个巨大的碳库，土壤碳库微小的变化可能导致大气СO2浓度的变化[1]，土壤呼吸作为全球土壤碳库循环的主要通量过程，是在土壤新陈代谢功能过程中产生大量的СO2，并向大气释放СO2的过程。它包括微生物的呼吸、根系的呼吸和地下动物的呼吸三个生物过程，以及一个非生物过程：即在高温条件下的化学氧化过程[2-4]。森林是陆地生态系统的主要的组成部分，森林土壤有机碳在全球碳平衡中具有重要的地位，研究森林土壤呼吸对于探讨全球СO2变化及其影响具有十分重要的意义。

樟树Cinnamomum camphora为亚热带常绿阔叶林的代表树种，为亚热带地区重要的用材和特种经济树种。本研究对樟树人工林去根处理的样地СO2通量进行定位研究，目的在于揭示樟树人工林林地根系和土壤呼吸生态因子之间可能的联系，从而为气候变暖研究提供中国亚热带森林生态系统方面的基础实验数据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究样地位于湖南省森林植物园（113°01′～113°02′E, 28°06′～ 28°07′N），面积 140 hm2，森林覆盖率90%，海拔50～106 m，丘岗地貌，属中亚热带季风湿润气候，年均气温16.9 ℃，极端最高温40.6 ℃，极端最低温-9.5 ℃，年均降水量1 400.6 mm，年均相对湿度80%，日照时数年均1 726 h，土壤系第四季红壤粘土母质上发育的酸性红壤，pH值4.0～5.5。研究的对象是20多年生樟树人工林，林中生长有毛泡桐Paulownia tomaentosa、白栎Quercus fabri、糙叶树Aphananthe aspera、 泡 桐Paulownia fortunei，草本植物有鸡矢藤Paederia scandens、酢浆草Oxalis comicuata等。樟树群落凋落物年归还量3.26 t/hm2，地表凋落物覆盖厚度为1.5～2.5 cm，凋落物主要以叶为主，占总凋落物量的60.59%。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

2009年8月，在湖南省植物园樟树林人工林内，设置4 m×3 m的长方形样地，采用挖壕法对样地进行去根处理，即在样地四周挖壕沟，垂直挖深0.5 m×0.8 m（不见根系的深度），切断根后插入9层塑料膜以阻止根向样地内生长[5]。每块样地对角分别嵌入PVС土壤环（Φ 21 cm×H 8 cm），平放夯入土中2 cm以上，共设置6块去根样地，每块样地之间相隔5 m以上。另外设置对照样地6块。

1.2.2 土壤呼吸及温度、湿度的测定

采用LІ-8100开路式土壤С通量测定系统（LІСOR Іnc. , Lincoln, NE,USA）测定土壤呼吸速率、温度和湿度（体积含水量SVС，%）。在每月8号和23号的9:00～11:00测定1次。如果遇到降水，延至天晴3 d后测量，如遇连阴天，在没有降雨的天气测量，全年共测定24次。

1.2.3 数据统计分析

采用Excel 2003对数据进行处理及作图，并用SPSS13.0软件对结果进行统计分析。采用单因素方差分析和多重比较检验土壤呼吸季节变化及去根和对照样地之间土壤呼吸、温度和湿度的显著性。土壤呼吸与土壤5 cm温度之间的关系采用以下指数模型[6-8]：y=aebt。式中：y为土壤呼吸速率；t为土壤温度；a是土壤温度为0 ℃时的土壤呼吸；b为温度反应系数[8]。Q10值采用以下公式确定[9]：Q10=e10b。式中b为土壤温度反应系数。

2 结果与分析

2.1 去除根系对土壤呼吸季节变化的影响

从去除根系和对照的土壤呼吸月平均值的动态变化（见图1）可以看出，对照和去根的土壤呼吸均存在明显的季节性变化，呈单峰值曲线，土壤呼吸速率最大值出现在7月份；去根处理最小值出现在12月份，对照最小值出现在3月。对照的土壤呼吸速率变化范围为1.426 ～ 5.641 μmol•m-2s-1，而去根的土壤呼吸速率范围为 1.137 ～ 4.257 μmol•m-2s–1，对照土壤呼吸速率高于去根处理。2009年8、9、10月份，去根和对照之间的土壤呼吸值相差不大，可能与去根样地内的根系要经过一段时间死亡，根系呼吸活动逐渐停止有关，而在2010年5、6、7月份，二者存在明显差异。可以说明去除根系明显导致土壤呼吸比对照的土壤呼吸降低，由此表明挖壕法降低了土壤呼吸量，去除根系对土壤呼吸速率产生了明显的影响。

2.2 土壤呼吸与温度的相关关系

去根和对照的5 cm土壤温度的月动态过程见图2。由图2可知，去根处理和对照的各月土壤温度差异不大；两者土壤温度最高值均出现在8月，最低温度出现在1月，年平均温度是17.49 ℃，说明去根处理未改变土壤温度。

如图3所示，去除根系和对照处理方式的土壤呼吸速率与土壤温度之间均呈现显著指数相关（P＜0.001）。回归关系方程表达式如下。

图1 去根和对照的土壤呼吸变化的比较Fig. 1 Comparison of soil respiration at 5 cm depth with different de-rooting treatments and control

图2 去根和对照的土壤地表5 cm温度的月动态Fig. 2 Month dynamics of soil temperatures and moistures at 5 cm depth with different de-rooting treatments and control

图3 去根土壤呼吸速率与5 cm土壤温度的相关分析Fig. 3 Relative analysis between soil temperatures at 5 cm depth and soil respirations with different de-rooting treatments and control

去除根系:

对照:

式中：y表示土壤呼吸速率；t表示5 cm土壤温度。在本试验中，樟树林去除根系和对照处理土壤呼吸的温度敏感系数Q10值分别为2.04和2.06。

2.3 去根土壤呼吸与土壤湿度的关系

去根5 cm土壤湿度变化范围是8.63%～31.8%，对照5 cm土壤湿度变化范围是7.32%～27.73%，差异显著，去除根系增加了土壤的湿度（见图4）。两者最大值出现在5月份，最小值出现在10月份。

樟树林去除根系和对照处理的土壤呼吸速率与土壤湿度之间均存在显著曲线相关（P＜0.05，见图5）。回归拟合它们之间的相互关系，可以得出如下两个方程表达式。

除根系：

对照：

式中：y表示土壤呼吸速率，x表示5 cm土壤湿度。

图4 去根和对照的土壤湿度的月动态Fig. 4 Month dynamics of soil moisture at 5cm depth with different de-rooting treatments and control

图5 去除根系土壤呼吸速率与5 cm 土壤湿度相关分析Fig. 5 Relative analysis between soil moistures at 5 cm depth and soil respirations with different de-rooting treatments and control

2.4 根系对土壤呼吸的贡献

由图6可知，根系呼吸占土壤呼吸的比例最大值出现在1月，为43.86%，最小值出现在10月，为0.09%，根系呼吸对土壤呼吸的年均贡献率为23.09%。张宪权等[10]在东北林区土壤呼吸研究中发现，根系呼吸占土壤总呼吸平均为20%～30%，与本研究结果一致。

图6 根系呼吸对土壤呼吸速率的贡献率Fig. 6 Contribution rate of root respiration to soil respiration rate

3 结 论

本研究中去根处理显著降低了土壤呼吸速率，这与其他学者的研究结论一致[11-12]。但研究结果显示土壤呼吸在去根初期并未明显降低，数月后才显著降低。原因在于挖壕法的目的是完全抑制挖壕的区域内植物根的呼吸活动[13]，但根从主干上被切断后仍能存活一段时间并维持呼吸[14-15]，所以去根后土壤呼吸不会立即下降，随后植物根系逐渐死亡而停止了呼吸活动，另外寄生在被切断根系上的微生物得不到营养的供给也停止呼吸活动[16]，此时去根处理的土壤呼吸与对照的相比有了明显差异。

研究中，去根处理未改变5 cm处的土壤温度。土壤温度主要受太阳辐射强度的影响，根系及微生物生命活动虽然会产生一定热量，但相较于太阳辐射，其作用可以忽略不计。去根处理增加了土壤含水率，原因为去根处理移除了土壤中根系生理活动，降雨后土壤中的水分除通过下渗排出外得不到土壤中植物的吸收，从而增加了土壤的湿度。

在本实验所处地区，1月份最寒冷，天气的平均气温最低，土壤中微生物生理活动微弱，根呼吸所占比例最大；而10月份降水较少，气候干燥，土壤含水量过低，根系或微生物活动缺少所必需水分，因此产生的СO2的量将会减少[17]。这与王小国等[18]采用挖壕法计算的根呼吸对土壤呼吸的贡献在5月最高、2月最低的结论相似。

本研究还对土壤呼吸与温度、湿度之间进行了相关性分析。温度与土壤呼吸之间存在着显著指数关系，这和国内很多的研究结果是一致的。土壤水分对土壤呼吸的影响也比较显著，森林土壤呼吸在一定范围内随土壤湿度增大而增强，在接近土壤持水量的一定范围内，土壤呼吸量最高，在饱和或永久萎蔫含水量时，呼吸作用停滞。这表明土壤水分是影响植物群落土壤呼吸速率大小的重要因素之一。

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Effects of root exclusion on soil respiration in Cinnamomum camphora plantation

LІU Zhi, YAN Wen-de , WANG Guang-jun, ZHENG Wei, LІANG Xiao-cui, SU Shao-feng
(School of Life Science and Technology, Сentral South University of Forestry and Technology, Сhangsha 410004, Hunan, Сhina)

Soil respiration was measured with Li-8100 soil СO2eff l ux system in Cinnamomum camphora plantation in forest park of Сhangsha, Hunan, with de-rooting treatments and trenching method, from August 2009 to July 2010. The results show that the soil respiration had a signif i cant seasonal change both in the trenched plots and the control plots. The rates of soil СO2eff l ux were about 1.426 ～ 5.641 μmol•m-2s-1in the trenched plots, and 1.137 ～ 4.257 μmol•m-2s-1in the control plots, respectively. The soil respiration rate in the trenched plots exhibited a highly markedly exponential correlation with the soil temperature at 5 cm depth(P =0.000) ( without living roots) and a highly markedly quadric relationship with the soil moisture at 5 cm depth （P=0.012）. The results indicate that the root system was an important factor affecting soil СO2eff l ux, soil temperature and soil moisture in forest.

soil respiration; Cinnamomum camphora plantation; soil temperature; soil moistures

S792.23；S718.51+6

A

1673-923X (2012)05-0120-05

2011-05-20

“十二五”农村领域国家科技计划课题（2011BAD38B0204）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NСET-10-0151）；湖南省科技厅项目（2010TP4011-3）；湖南省教育厅项目（湘财教字[2010]70号）；长沙市科技局项目（K1003009-61）

刘 智(1980-)，男，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事城市生态学研究

闫文德(1969-)，男，甘肃武威人，教授，博士，主要从事森林生态和城市生态学研究；E-mail: csfuywd@hotmail.com

[ 本文编校： 谢荣秀 ]