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土壤呼吸是陆地生态系统的第二大通量,在全球碳循环中的地位举足轻重。人工林碳汇在全球碳循环及温室气体减排中的重要作用已成为全球共识,是减缓全球变化的一项积极有效的应对措施。由于杨树良好的速生性及适应性,分布范围广且固碳效益显著。目前,中国的杨树人工林已达700多万公顷,种植面积和碳储量均居世界首位。与天然林相比,人工林是受人为控制的生态系统类型,主要经营措施如造林树种的选择、轮伐期和抚育方式(施肥、灌溉、修枝)等是调控人工林生态系统碳收支的更重要因素,因为这些人为活动可以直接改变土壤的温度、水分、土壤结构和微生物种群等影响土壤碳循环的因子。本研究围绕人工林土壤碳动态这一主题,重点分析了主要经营措施(杨树品系选择、轮伐期、灌溉及松土除草)对人工林土壤碳通量及碳储量的影响。
在2007和2008年生长季,利用LI-COR-6400-09土壤呼吸测定系统对新疆伊犁地区的杨树人工林土壤呼吸作用进行了观测。分别选取3个不同生长阶段、3个表现良好的杨树品系、3个灌溉梯度及松土除草前后的杨树人工林样地展开研究,主要研究结果如下:
通过对杨树人工林在一个轮伐期内典型生长阶段土壤呼吸的观测分析,结果表明:在整个生长季,2年、7年和12年生杨树人工林的平均土壤呼吸速率分别为5.74、5.10和4.71μmol CO2 m-2s-1。土壤呼吸作用随树龄呈下降趋势,10年后约降低18.1％。由于人工林在生长季内每月灌溉一次,基本上能满足其水分需求,土壤水分不是土壤呼吸的限制因子。逐步回归分析表明,表层土壤温度和细根生物量的协同作用可解释土壤呼吸速率变化的87％。这是因为在中幼龄阶段,植物为了保证其快速生长对土壤养分和水分的大量需求,往往把较大部分的光合产物分配到地下,以促进根系生长与周转,来最大限度地扩大根系吸收面积。此外幼林郁闭度小,林地表面接受到的太阳入射光较强。随着树龄及郁闭度的增加,人工林土壤温度呈下降趋势,从而导致土壤呼吸速率随树龄减小。三个树龄人工林有相似的日及季节变化规律,一般在16:00左右呼吸作用最强,而在早晨6:00呼吸最弱。在季节尺度上,7月呼吸作用最强,9月或5月呼吸最弱。
通过对同一树龄3个杨树品系(大叶钻天杨、沙兰杨和中林46)土壤呼吸作用的观测及分析,在整个生长季,3个品系的平均土壤呼吸速率分别为5.10、4.60和4.97μmol CO2m-2s-1,差异显著且均与表层土壤温度密切相关。品系间土壤呼吸作用的差异主要由地上地下碳分配模式、细根生产和土壤温度水分的不同所导致。同时,研究表明,每年进行的松土除草管理对土壤结构有很大扰动,与未松土样地相比,松土样地的土壤呼吸速率明显偏高。松土后一星期可偏高50％,随后的观测时段平均偏高30％。通过对不同灌溉梯度下土壤呼吸作用的比较,发现二次方程能较好地模拟灌溉对土壤呼吸的影响效应。当土壤含水量在10％以下和大于30％时,土壤呼吸受到明显抑制,土壤水分是主要限制因子。当土壤含水量在15％和28％之间时,土壤呼吸主要取决于土壤温度及水分的变化。
本研究的土壤呼吸空间变异系数(CV)在5.7％～42.6％之间。2年、7年和12年杨树人工林的平均土壤呼吸空间变异系数分别为28.8％、22.4％和19.6％,差异显著。3个品系的土壤呼吸空间变异系数平均为24.4％,差异不大。逐步回归分析表明,表层土壤温度、土壤氮含量及细根生物量是决定土壤呼吸空间变异的主要因子,它们可以共同解释89％的土壤呼吸异质性。此外,与树干的距离大小也是影响土壤呼吸发生变异的一个重要因素,一般在树干基部的土壤呼吸速率略高于行距中间点的呼吸速率。
本研究用挖壕法对根系呼吸和异养呼吸进行了研究。2年杨树人工林的平均根系呼吸速率为3.78μmol CO2m-2s-1,随树龄增加而减小。2年、7年和12年杨树人工林的根系呼吸占土壤呼吸的比例分别为58.0％、43.8％和38.6％,幼林根系呼吸所占比例最大。这可能与幼林的根系生长周转快,有较旺盛的代谢活动有关。根系呼吸与异养呼吸的Q10值分别为3.29和2.85。
综上所述,不同的人工林管理措施对土壤呼吸的影响机制及程度不同。在一个轮伐期内,土壤呼吸强度发生了明显变化,所以在评估杨树人工林的土壤碳收支时,应考虑其不同生长阶段带来的影响。不同品系人工林的土壤呼吸作用也存在较大差异,所以在选择品系时,土壤呼吸碳排放量也应作为参考因素之一。此外,减少松土次数与强度,保持合理的灌水量等措施能在一定程度上减少土壤碳排放。总之,应从人工林固碳效益的角度,采取合理的经营管理措施,以充分发挥人工林在减缓气候变化方面的重要作用。