牛莉平,許嘉巍,靳英華,尹海霞,王嬡林,劉羽霞,張英潔

東北師范大學地理科學學院,長春 130024

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溫帶森林不同演替階段下的土壤 CO2排放通量晝間變化

牛莉平,許嘉巍*,靳英華,尹海霞,王嬡林,劉羽霞,張英潔

東北師范大學地理科學學院,長春 130024

采用時空替代法,在長白山北坡分別選取了紅松針闊葉混交林演替序列的5個不同階段：草地、灌木林(幼齡林)地、白樺林地、闊葉雜木林地和紅松闊葉林地,進行土壤CO2排放通量晝間變化野外同步觀測研究,旨在揭示溫帶森林不同演替階段下的土壤呼吸CO2排放過程的差異,探究其與溫度、濕度、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子的關(guān)系。結(jié)果表明：(1) 溫帶森林不同演替階段下的土壤CO2排放通量具有統(tǒng)一性,均為大氣CO2的源,這種統(tǒng)一性確保了小的時段(如晝間) 觀測能通過換算,實現(xiàn)CO2排放量的估算。(2) CO2排放通量的晝間排放都呈現(xiàn)出明顯的單峰型,峰值在 13:00—15:00左右,草地和灌木林地的峰值大概在13:00左右,明顯提前于白樺林地、闊葉雜木林地和紅松闊葉林地(14:00—15:00左右)。紅松闊葉林地的土壤呼吸有明顯的滯后性特征,峰值在15:00左右,比其他幾個樣地明顯推遲。(3) 土壤CO2排放通量平均值由低到高排列依次為草地(2.760 μmol m-2s-1)、灌木林地(2.854 μmol m-2s-1)、白樺林地(3.048 μmol m-2s-1)、闊葉雜木林地(3.696 μmol m-2s-1)、紅松闊葉林地(4.61 μmol m-2s-1)。隨著溫帶森林演替的正向進行,土壤CO2排放通量依次增大,次序為草地<灌木林地<白樺林地<闊葉雜木林地<紅松闊葉林地。(4) 環(huán)境因子中,0—5 cm土壤溫度與土壤CO2排放通量相關(guān)系數(shù)最高,土壤溫度監(jiān)測對土壤CO2排放量的估算作用明顯。

土壤CO2排放通量；環(huán)境因子；溫帶森林；演替；長白山

大氣溫室氣體的變化是直接或間接引起氣候和環(huán)境變化的原因[1],CO2作為主要的溫室氣體,其源、匯和排放量的研究成為了焦點。土壤是全球陸地系統(tǒng)中最大的碳庫載體,土壤碳庫碳貯存量占全球碳總儲存量的67%,其貯存量約為1300—2 000 PgC[2],大約是陸地植被碳庫的2.5—3倍,大氣碳庫的2倍[3],土壤有機碳庫在全球碳循環(huán)中具有重要作用[4],土壤碳庫中碳儲存量的動態(tài)變化對全球氣候變化至關(guān)重要。

土壤排放CO2的過程被稱為土壤呼吸[5],包括根際呼吸和異養(yǎng)呼吸,即除了根本身和根際微生物的呼吸,還有土壤微生物和土壤動物的呼吸[6]。全球每年因土壤呼吸作用向大氣中釋放的碳的估算值約為75—120 Pg[7],其量值僅次于全球陸地總初級生產(chǎn)力(GPP)的估算值[8]。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[9],也是土壤向大氣釋放CO2的主要途徑[10]。土壤呼吸已成為全球變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要研究內(nèi)容之一[11]。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,研究森林土壤碳庫的排放規(guī)律,對全球碳平衡有著重要意義。溫帶濕潤區(qū)的地帶性植被為紅松闊葉林。但近年來,在人為強干擾下,在長白山地區(qū)除自然保護區(qū)外,紅松闊葉林地基本消失,代之以處于演替不同階段的灌木林(或幼齡林)、白樺林(或楊木林、蒙古櫟林)、闊葉雜木林,干擾更嚴重地區(qū),已退化為草地。不同演替階段植被群落組成、結(jié)構(gòu)及群落內(nèi)小氣候差別較大,向土壤補充的有機碳數(shù)量也顯著不同,土壤中根際呼吸和異養(yǎng)呼吸差別明顯,土壤CO2排放通量存在較大差異。鑒于對紅松闊葉林下的土壤排放通量的研究較多,結(jié)論明確,本研究重點分析草地、灌木林地、白樺林地、闊葉雜木林地四種測量樣地與紅松闊葉林地的晝間土壤CO2排放通量特點的異同,實現(xiàn)草地、灌木林地、白樺林地、闊葉雜木林地土壤呼吸過程中CO2排放量的估算。并采用時空替代法,選取了紅松針闊葉混交林演替序列的5個不同階段,來完成溫帶森林不同演替階段下的土壤CO2排放通量的規(guī)律分析,為科學的評估我國溫帶森林演替過程中固碳潛力的變化提供一定的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)位于長白山自然保護區(qū)北部的實驗區(qū)(圖1)。長白山自然保護區(qū)位于吉林省東南部,地理位置為41°41′—42°51′ N,127°42′—128°16′ E。該地區(qū)屬于典型的溫帶季風氣候區(qū),春季干燥而多風；夏季短暫,溫暖而多雨；秋季涼爽而多霧；冬季漫長,晴朗而寒冷。年均氣溫0.3—3. 9℃,年均降水量632.8—782.4 mm[12-13],年降水集中在4到9月份,無霜期約120 d。研究區(qū)土壤類型為白漿土(土壤理化性質(zhì)見表1)，基底為玄武巖臺地，母質(zhì)粘重。土壤的機械組成以粗粉粒(0.05—0.01 mm)、粘粒(<0.001 mm)為主[14]。該地區(qū)地帶性植被(頂級群落)為紅松闊葉林[15],主要樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、紫椴(Tiliaamurensis)、黑樺(Betuladahurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)胡桃楸(Juglansmandshurica)和白樺(Betulaplatyphylla)、黃菠羅(Phellodendronamurense)等。

由于長白山原始森林受到破壞程度和時間長短不同,在長白山紅松闊葉林常常形成不同的演替階段。本次觀測選取了溫帶森林演替序列的5個不同階段: 草地(次生雜草地)、灌木林(幼齡林)地、白樺林地、闊葉雜木林地和紅松闊葉林地,作為測量樣地(各樣地基本地理信息見表2)。由于演替階段的不同,各樣地的群落結(jié)構(gòu)、植被組成均存在較大差異(各樣地群落組成及生長狀況見表3)。

表1 樣地表層土壤(0—10 cm) 理化性質(zhì)

SOM：有機質(zhì) Soil organic matter；TN：全氮 Total nitrogen；C:N：碳氮比 C:N proportion

表2 樣地基本地理信息

表3 植物群落組成及生長狀況

*表示沒有該類型

1.2 研究方法

測定時間選在天氣狀況較好的生長季(2013年8、9月),使用美國LGR公司的便攜式溫室氣體分析儀(PGGA)(配有3個呼吸室),對5樣地同時野外原位連續(xù)測量CO2氣體的濃度。監(jiān)測時間為8:00—18:00,每個樣地選擇3次重復。每個呼吸室的測量時間是120 s,排空時間為60 s,10 min為一個測量周期；測量前除去地表面覆蓋物,提前1d將3個PVC土壤環(huán)插入深度約為5 cm土層中,盡量減少人為干擾并保留凋落物的自然狀態(tài)。將儀器和3個全自動土壤呼吸室連接,從而獲得3個通道的監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)。利用儀器所測的相關(guān)數(shù)據(jù),算出土壤呼吸通量,求其平均值。

利用土壤三參數(shù)分析儀和袖珍氣象追蹤儀,對土壤(5 cm)的溫度、濕度以及林間的溫度、濕度進行同步測量。

1.3 數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計分析

土壤呼吸氣體的通量是單位時間單位面積觀測氣室內(nèi)該氣體濃度的變化,正值表示土壤排放某種氣體,負值表示土壤吸收某種氣體。將儀器所測的數(shù)據(jù)代入公式進行計算,從而求得氣體的排放量。土壤CO2排放量的計算公式如下：

式中,F為單位時間單位面積土壤呼吸的氣體排放量(μmol m-2s-1),R為理想氣體方程里的常量8.314,S為土環(huán)截面積(cm2),V為氣室內(nèi)氣體的體積(cm3),P0為初始的氣壓值(KPa),T0為初始的空氣溫度(℃),W0為初始水汽的摩爾分數(shù)(m mol mol-1),?C′/?t為氣室內(nèi)被測氣體隨時間變化的體積混合比摩爾分數(shù)(mol/s)。

本次實驗實地所測的數(shù)據(jù)是在校正預處理中,計算每個時間間隔(30 min)內(nèi)所得數(shù)據(jù)的平均值,文中均采用絕對通量(即吸收速率)進行圖標繪制。數(shù)據(jù)采用Excel 2007和Spss 17.0等進行處理和計算,Origin 8.6做為繪圖軟件。

2 結(jié)果分析

2.1 不同樣地土壤CO2排放通量的晝間動態(tài)變化

不同樣地的土壤CO2排放通量的晝間變化總體上表現(xiàn)為單峰曲線變化(圖2),整體來看,其中最大值出現(xiàn)在溫度較高時段,如13:00—15:00,最小值出現(xiàn)在溫度較低的時段,如早晨。草地和灌木林地的峰值大概在13:00左右,明顯提前于白樺林地、闊葉雜木林地和紅松闊葉林地(14:00—15:00左右)。其中紅松闊葉林地其土壤CO2排放通量的規(guī)律跟其它樣地的有一些不同,最高值在15:00左右,比其他幾個樣地明顯推遲。這表明紅松闊葉林地的土壤呼吸,比較其他樣地有較明顯的滯后性特征。不同樣地土壤呼吸CO2排放通量的晝間變化的最高值、最低值、平均值和變化幅度等存在明顯差異(圖3)。土壤CO2排放通量的最高值由低到高排列依次為草地(3.215 μmol m-2s-1)、灌木林地(3.543 μmol m-2s-1)、白樺林地(3.787 μmol m-2s-1)、闊葉雜木林地(4. 767 μmol m-2s-1)、紅松闊葉林地(5.152 μmol m-2s-1)。土壤CO2排放通量的最低值由低到高排列依次為草地(2.075 μmol m-2s-1)、灌木林地(2.110 μmol m-2s-1)、白樺林地(2.283 μmol m-2s-1)、闊葉雜木林地(2.487 μmol m-2s-1)、紅松闊葉林地(4.130 μmol m-2s-1)；土壤CO2排放通量平均值由低到高排列依次為草地(2.760 μmol m-2s-1)、灌木林地(2.854 μmol m-2s-1)、白樺林地(3.048 μmol m-2s-1)、闊葉雜木林地(3.696 μmol m-2s-1)、紅松闊葉林地(4.61 μmol m-2s-1)。對各樣地的土壤CO2晝間排放通量對比表明,平均排放通量、最大排放量、最小排放量的變化次序是一樣的,依次為草地<灌木林地<白樺林地<闊葉雜木林地<紅松闊葉林地,與群落演替次序大致相同。

圖2 5個實驗樣地土壤CO2排放通量的晝動態(tài)變化 Fig.2 The five experimental plots diurnal variation of soil CO2 fluxes

圖3 不同樣地土壤CO2排放通量日變化幅度 Fig.3 Diurnal variation ranges of soil CO2 fluxes under different vegetation types樣地1代表草地,樣地2代表灌木林地,樣地3代表白樺林地,樣地4闊葉雜木林地,樣地5代表紅松闊葉林地

2.2 不同樣地土壤CO2排放總量變化

5個樣地的CO2排放通量均為正值(表4),說明5個樣地均為大氣CO2的排放源。其中處在演替階段后期的紅松闊葉林地的CO2排放通量最大,其次為白樺林地和闊葉雜木林地,大概為其2/3,草地和灌木林地CO2排放通量最小,大概為其1/3。因此可知在自然狀態(tài)下的土壤有無凋落物或者說是植被的覆蓋率對土壤CO2排放通量影響很大。

表4 5個實驗樣地土壤CO2排放通量比較

*2013年8月采樣及測定

2.3 溫度與土壤CO2排放通量的關(guān)系

5個樣地氣溫和土壤溫度(5 cm)均呈現(xiàn)單峰的晝間變化,氣溫比土壤溫度高且變化幅度更大,土壤溫度的最大值相比氣溫最大值,有一定的滯后性。與土壤CO2排放通量的變化曲線對比,發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放通量和溫度有一定的相關(guān)性,其中土壤溫度的變化曲線和CO2排放通量的變化趨勢更為一致。說明與氣溫相比,土壤溫度更影響土壤的呼吸過程(圖4)。

圖4 土壤CO2排放通量與氣溫、土壤溫度的日變化動態(tài)Fig.4 Diurnal variation patterns of soil CO2 flux with air temperature and soil temperature (0—5cm)

溫度與土壤CO2排放量的關(guān)系采用指數(shù)回歸方程進行分析,方程如下：

y=aebx

式中,y表示的是土壤CO2排放量,x為溫度,a是0℃時的土壤呼吸,b是溫度敏感系數(shù)。

應用Origin 8.6軟件分別對5個樣地土壤CO2排放通量與氣溫(表5)和土壤溫度進行回歸分析(圖5)。

表5 土壤CO2排放通量與氣溫回歸分析結(jié)果

*P<0.05

圖5 晝間土壤CO2排放通量與0—5cm土壤溫度的響應曲線Fig.5 The response curve of soil CO2 flux with air temperature and soil temperature (0—5cm) on the diurnal scale

5個樣地的地表空氣溫度與土壤CO2排放通量回歸方程是顯著(表5),但相關(guān)系數(shù)不高,說明樣地內(nèi)土壤CO2排放通量與地表空氣溫度相關(guān),但相關(guān)性不高。

從圖 5可以看出,5個樣地的土壤呼吸CO2排放通量都與土壤溫度擬合較好且呈現(xiàn)明顯的正相關(guān),隨著土壤溫度的升高,土壤CO2排放量也增大。對土壤CO2排放量與土壤溫度進行回歸分析(P<0.05),結(jié)果是草地 (y=1.197e0.0429x,R2=0.861)、 灌木林(y=1.365e0.0464xR2=0.836)、白樺林(y=0.769e0.0718x,R2=0.713) 、雜木林(y=1.318e0.0729x,R2=0.695)、紅松闊葉林(y=2.647e0.0412x,R20.648),草地和灌木林的相關(guān)系數(shù)較高,白樺林、雜木林和紅松林的相關(guān)系數(shù)依次降低,這表明從整體來看,處在演替前期的土壤排放量與土壤溫度的相關(guān)性要高于演替后期?？梢?植被群落的生長差異和所處的生長階段對土壤CO2排放量有一定影響。

土壤呼吸過程的敏感性用Q10[16]表示,Q10是衡量土壤呼吸和土壤溫度之間的重要參數(shù),表示溫度每增加10℃,土壤呼吸速率增加的倍數(shù)。計算公式如下：

Q10=e10b

式中,b是溫度敏感系數(shù)。

經(jīng)過計算,草地土壤呼吸的Q10值為1.54、灌木林地土壤呼吸的Q10值為1.59、白樺林地土壤呼吸的Q10值為2.05、闊葉雜木林地土壤呼吸的Q10值為2.07,紅松闊葉林地土壤呼吸的Q10值為1.50,可以看出各樣地土壤呼吸過程的敏感性由大到小排序依次為紅松闊葉林地<草地<灌木林地<白樺林地<闊葉雜木林。

2.4 濕度與土壤CO2排放通量的關(guān)系

土壤濕度的日變化幅度較小,其中在12：00左右,土壤濕度最小(圖6)。由于5個樣地的植被生長不同,林內(nèi)的郁閉度不同,因而5個樣地的土壤濕度有一定的差異。樣地1和樣地2的土壤濕度最小,樣地5和樣地4次之,樣地3的土壤濕度最大。

圖6 土壤CO2排放通量與土壤濕度的日變化動態(tài)Fig.6 Diurnal variation patterns of soil CO2 flux and soil moisture

本研究對5個樣地的土壤濕度和土壤CO2排放通量的關(guān)系進行分析(圖7),發(fā)現(xiàn)5個不同立地條件下的土壤濕度與土壤CO2排放通量沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。這說明濕度不是影響土壤呼吸的主要因素。這可能是由于本次實驗的時間是在8月中旬到9月初,在此期間長白山地區(qū)一直降水較多,而長白山地區(qū)又屬于溫帶濕潤地區(qū),地下水也較豐富,水分不是限制因素,因此溫度對于土壤CO2排放通量的影響大大超過了土壤水分的影響。

圖7 土壤CO2排放通量與土壤濕度的關(guān)系Fig.7 The relationship between soil CO2 flux and soil moisture

3 結(jié)論與討論

許多研究已證明,土地利用方式的改變會導致土壤碳通量的改變[17- 19]。森林受到破壞后,改變了地上生物量、凋落物量、光照條件,從而影響林內(nèi)小氣候,改變土壤的溫度和濕度,影響土壤的理化性質(zhì)和土壤微生物種類;進而影響土壤的呼吸,導致森林的不同演替階段下CO2排放通量差異較大。

(1)溫帶森林不同演替階段土壤CO2排放通量的晝動態(tài)變化

5個樣地的CO2排放通量的晝間排放都呈現(xiàn)出明顯的單峰型,最大值都出現(xiàn)在溫度較高時段,最小值都出現(xiàn)在溫度較低時段,但是紅松闊葉林地的土壤呼吸呈現(xiàn)出明顯的滯后性,這可能是因為紅松針闊葉混交林冠層茂密、林相結(jié)構(gòu)復雜,土壤微生物和以及土壤表層的凋落物較多的緣故。大多數(shù)學者研究結(jié)果也表明,土壤呼吸作用的日變化多呈單峰型曲線[20]；土壤呼吸的最大值出現(xiàn)在12:00—14:00,最小值出現(xiàn)在清晨[21]。一些學者研究發(fā)現(xiàn),紅松針闊葉混交林比其他生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的峰值有明顯的延后,大概在18:00左右,森林生態(tài)系統(tǒng)復雜的層片結(jié)構(gòu)和豐富的凋落物會對土壤呼吸速率的日動態(tài)產(chǎn)生“時滯效應”[13],這是其他生態(tài)系統(tǒng)所沒有的。

(2)溫帶森林不同演替階段的土壤CO2排放量的估算

本研究發(fā)現(xiàn),隨著溫帶森林演替的正向進行,土壤CO2排放通量依次增大,次序為草地<灌木林地<白樺林地<闊葉雜木林地<紅松闊葉林地。溫帶森林不同演替階段下的土壤CO2排放通量具有統(tǒng)一性,均表現(xiàn)為CO2的源。溫帶森林不同演替階段下的土壤CO2排放通量的統(tǒng)一性,確保了小的時段(如晝間)觀測能通過換算,為實現(xiàn)CO2排放量的估算提供依據(jù)。雖然有相關(guān)研究認為樹種和林型對森林土壤CO2的排放通量無顯著的影響[22],在年尺度范圍內(nèi),不同林齡的林地土壤CO2排放通量之間的平均值無明顯差異[23],也有一些研究發(fā)現(xiàn)，植被稀疏或者經(jīng)過滅活處理的土壤，雖然在白天釋放CO2，但是夜間卻從大氣吸收一部分CO2，總體從全天看可表現(xiàn)為凈吸收CO2[24-26]。但從本研究來看,不同群落下的土壤CO2的排放通量還是有較明顯的差異：處于演替初期的生態(tài)系統(tǒng),如草地,處于固碳階段,植被稀疏、土壤微生物比較少、根呼吸和微生物呼吸都較弱,所以對CO2釋放的貢獻率較??；而處于演替后期的生態(tài)系統(tǒng),如紅松闊葉林,處于碳收支平衡階段,森林群落地表凋落物較多、物種豐富、土壤中微生物也比較多、呼吸活動較強,因此對CO2釋放的貢獻率最大。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,世界溫帶森林土壤的CO2年平均釋放量為2511 g m-2a-1[8],以這個數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),參照研究區(qū)各樣方晝間平均排放量,可以大概計算出草地的土壤CO2年排放量為1503 g m-2a-1,灌木林地的土壤CO2排放量為1554 g m-2a-1,白樺林地的土壤CO2年排放量為1660 g m-2a-1,闊葉雜木林地的土壤CO2的年排放量為2013 g m-2a-1。估算的白樺林地的土壤CO2年排放量與劉紹輝等[27]測得的溫帶白樺林年排放量為1132 g m-2a-1比較接近。

(3)溫帶森林不同演替階段土壤呼吸的影響因素

大部分的學者研究都表明,溫度是影響長白山紅松闊葉林土壤呼吸最重要的因素[12,13,28- 31]。環(huán)境因子中,溫度和濕度都是土壤呼吸的影響因子,但是土壤呼吸對溫度的敏感性大于對濕度的敏感性。通過分析Q10,發(fā)現(xiàn)各樣地土壤呼吸過程的敏感性由大到小排序依次為紅松闊葉林地<草地<灌木林地<白樺林地<闊葉雜木林,這表明在不同演替階段的土壤呼吸中,紅松闊葉林對溫度的變化敏感度不高,次生林對溫度的變化較為敏感。溫度監(jiān)測對土壤CO2排放量估算作用明顯。

通過把5個樣地的土壤CO2排放通量分別與氣溫和土壤(5 cm)溫度進行指數(shù)擬合,發(fā)現(xiàn)土壤溫度比氣溫更能解釋土壤CO2排放通量的變異,土壤溫度與土壤CO2排放通量的指數(shù)關(guān)系擬合更好,相關(guān)系數(shù)更高。這也與大多數(shù)學者研究結(jié)果一致,如劉穎,韓士杰等[28,30]觀測到長白山地區(qū)長白松林地的土壤呼吸與土壤溫度之間呈顯著的指數(shù)相關(guān)關(guān)系；王光軍,田大倫等[32]通過對亞熱帶杉木和馬尾松林地土壤呼吸的研究,得出土壤溫度可以分別解釋土壤呼吸變化的91.7%和78%,土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著的指數(shù)相關(guān)性。王德宣等[33]在若蓋爾高原的研究中也表明沼澤濕地和草地的CO2排放量的日變化與氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)。研究表明土壤表層溫度變化對土壤呼吸排放通量的敏感性更高[34],因為對土壤呼吸起作用的微生物和植物根系主要分布在土壤的表層,土壤溫度升高可以促進微生物的活動和植物根系的呼吸作用[35]。

土壤呼吸是一個復雜的過程,其中土壤中的微生物呼吸作用和植物的根系呼吸對土壤呼吸的貢獻最大,而這些都與土壤水分密切相關(guān)。有相關(guān)研究認為,森林土壤CO2排放量在一定范圍內(nèi)是隨著溫度和水分的增加而增加的,如劉碩等[36]在研究中表明北京溫帶森林3種林型土壤CO2排放量隨著土壤含水量的增加而增大。土壤濕度與土壤CO2排放通量的關(guān)系較為復雜,因為土壤濕度的變化還受其它外界因素的影響,如土壤溫度、大氣的溫度、降水、林內(nèi)的郁閉度等,這些因素在不同的地方對土壤濕度的影響程度不同,這都增加了土壤濕度對土壤呼吸影響的研究難度。但是大部分研究都表明,土壤濕度只有在最低或最高的情況下,才會影響土壤呼吸過程,抑制CO2排放通量[36]。也有研究表明,溫度和濕度對土壤呼吸的作用大部分時候是交互進行的：當溫度低于5℃時,土壤呼吸對濕度的反應不敏感；在溫度為10—20℃時反應敏感,同樣當含水量低于體積含水量的7.5%,土壤呼吸對溫度的反應不敏感,但含水量是體積含水量的10%—25%時反應敏感[38]。

(4)問題和展望

本研究同時對溫帶森林不同演替階段的土壤CO2晝間排放通量進行觀測,實現(xiàn)不同演替階段下的土壤CO2排放量的估算,估算值與他人的監(jiān)測值吻合較好。今后應擴大到整個生長季的觀測,提高估算的精度,并對比其他生長期與生長旺盛時期的差別,最終確定溫帶森林不同演替階段的土壤CO2年排放量的高效率觀測方法。

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Diurnal variation in soil CO2emission flux at different stages of temperate forest succession

NIU Liping, XU Jiawei*, JIN Yinghua, YIN Haixia, WANG Ailin, LIU Yuxia, ZHANG Yingjie

SchoolofGeographicalSciences,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China

Climate warming is mainly caused by increasing atmospheric CO2and CH4. Soil respiration plays an important role in the carbon balance of terrestrial ecosystems. Currently, the increase in atmospheric CO2is due to human activities, natural distubances and processes. Soil respiration is one of the natural processes that release CO2to atmoshphere from soil. Quantitative analysis of soil respiration is critial to assess forest ecosystem carbon budget under climate change scenairos. The temperate forest is one of the important components of terrestrial ecosystems. The forest in the Changbai Mountains is the typical temperate forest in China. Therefore, researching of soil respiration in the forests of Changbai Mountains is of great concern in estimating soil carbon budeget in China. In the growing season of 2013 (August), we emploed the temporal-spatial substitution method to determine sample plots on the north slope of the Changbai Mountains, which cover five vegetation succession stages: grassland, shrub forest (young forest), secondary birch(Betulaplatyphylla) forest, broad-leaved-mixed forest, and broad-leaved Korean pine(Pinuskoraiensis) forest. The objectives of this study were to reveal the similarities and differences in soil CO2emission processes at different succession stages of temperate forests, and to investigate the relationship between soil CO2emission flux and soil temperature, moisture, physicochemical properties and other environmental factors. The field synchronous observations were conducted to determine the daily variation of soil CO2emission flux based on the temporal-spatial substitution method. The results showed that: 1) Soil CO2emission flux of the temperate forest was unity at all the five vegetation succession stages. The unity of CO2emission flux ensured that we could observe brief periods (such as during daylight) to estimate the CO2emissions; 2) The CO2emission flux during daytime produced an obvious single-peak that appeared at approximately 13:00—15:00. The peak in grassland and shrub forest appeared at approximately 13:00, which was earlier than that of the secondary birch(Betulaplatyphylla) forest, broad-leaved mixedforest, and broad-leaved Korean pine forest (at approximately 14:00—15:00). Soil respiration in Korean pine broad-leaved forest had an obvious time-lag effect, and its peak appeared at approximately 15:00, which was later than that of the others sample plots; 3) Average soil CO2emission fluxes from low to high ranked as: grassland (2.760 μmol m-2s-1), shrub forest (2.854 μmol m-2s-1), secondary birch(Betulaplatyphylla) forest (3.048 μmol m-2s-1), broad-leaved mixed forest (3.696 μmol m-2s-1), broad-leaved Korean pine (Pinuskoraiensis) mixed forest (4.61 μmol m-2s-1). Within temperate forest succession stages, soil CO2emission flux increased gradually and ranked as: grassland < shrub forest < secondary birch (Betulaplatyphylla) forest < broad-leaved mixed forest < broad-leaved and Korean pine (Pinuskoraiensis) mixed forest; 4) The soil temperature in the 0—5 cm depth soil had the highest correlation coefficient with soil CO2flux compared with other environmental variables. Therefore, Soil temperature monitoring will be useful for estimating soil CO2emissions.

soil CO2emission flux; environmental factors; temperate forests; succession; Changbai Mountains

國家自然基金資助項目(41571078,41171072);長白山科學研究院開放基金課題(201501);中國地震局資助項目(201208005)

2015- 12- 18; 網(wǎng)絡出版日期:2016- 10- 29

10.5846/stxb201512182529

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xujw634@nenu.edu.cn

牛莉平,許嘉巍,靳英華,尹海霞,王嬡林,劉羽霞,張英潔.溫帶森林不同演替階段下的土壤 CO2排放通量晝間變化.生態(tài)學報,2017,37(8):2673- 2683.

Niu L P, Xu J W, Jin Y H, Yin H X, Wang A L, Liu Y X, Zhang Y J.Diurnal variation in soil CO2emission flux at different stages of temperate forest succession.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2673- 2683.