暖温带森林土壤呼吸海拔格局及其对气候变暖的响应

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气候变暖影响森林土壤呼吸及其土壤碳库的释放,而森林土壤呼吸是陆地最大有机碳库向大气碳库输入的有效途径,两者存在着正反馈作用或者负反馈作用,将影响森林碳的“汇-源”功能。因此,本文以关帝山林区的杨桦林(FB)、油松林(PT)、华北落叶松林(PL)、云杉林(PF)作为研究对象,长期进行野外原位土壤增温模拟试验,通过观测四个海拔梯度下土壤呼吸的生长季内的变化规律,并量化土壤呼吸各组分的数量关系,以揭示森林土壤呼吸在海拔和生长季的变化规律及其对增温的响应程度,为森林土壤呼吸机制的研究提供理论依据和数据支持,对精确评估气候变暖对森林土壤碳库的影响具有重要的意义。结果发现:森林土壤呼吸速率Rt、土壤异养呼吸速率Rh、土壤自养呼吸速率Ra林型间差异显著,其范围分为3.16-3.31μmol·m-2·s-1、1.83-2.15μmol·m-2·s-1、1.16-1.33μmol·m-2·s-1。Rt、Rh、Ra在生长季逐月形成以8月份为峰值的单峰态变化曲线;Rt、Rh随海拔的升高而降低,Ra对海拔高度变化因林型不同而响应程度不同。土壤呼吸速率随土层加深而显著下降,而温度的敏感性则显著上升。但并非所有的土壤组分都具有显著的海拔格局和年变化格局。模拟增温显著提高了Rt、Rh、Ra,分别提高了7.49%-12.59%、8.43%-15.51%、6.28-9.75%,Rt、Rh、Ra对增温的敏感程度在生长季形成先降后升的格局,并随海拔的升高而增大,即在5份最高,而9月份最低;高海拔较低海拔的敏感程度高。增温显著提高了凋落物层土壤呼吸速率Rl、矿质土壤呼吸速率Rm,分别提高14.15%-21.72%、7.97%-18.15%;同时也显著提高了灌木层根系呼速率Rrs、草本层根系呼吸速率Rrh,分别提高了10.25%-14.48%、16.54%-28.27%,Rl、Rm、Rrs和Rrh对增温的响应程度均具有显著的海拔格局和年变化格局。但是乔木层根系呼吸速率Rra则对增温的响应程度在海拔尺度和生长季上不显著。增温降低Ra对Rt的贡献率,而升高了Rh对Rt的贡献率,说明Rh对增温敏感程度高于Ra。增温升高了Rrh、Rrs在Ra的比重,而降低Rra的比重,但不显著。乔木层根系呼吸与草本层根系呼吸呈显著的负相关,增温显著的改下其相关系数。增温提高了Q10的值,但Q10的值对增温的响应程度和方向性在生长季和海拔尺度下存在差异。演替显著降低土壤呼吸速率Rt、土壤异养呼吸速率Rh而升高土壤自养呼吸速率Ra的趋势。演替具有降低Rh对Rt的贡献率,而升高了Ra对Rt的贡献率的趋势。演替升高了Q10和土壤呼吸及其组分对增温的敏感程度。增温显著影响Rh的演替进程,使得演替后期的Rh回归于演替前期,增温显著土壤呼吸、土壤自养呼吸的演替进程及其方向性。演替、增温对森林土壤呼吸及其组分存在显著的耦合作用。
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