哀牢山亚热带常绿阔叶林森林土壤温湿特征及其对温度升高的响应

1、哀牢山亚热带常绿阔叶林森林土壤温湿特征及其对温度升高的响应张一平;武传胜;梁乃申;沙丽清;罗鑫;刘玉洪【摘 要】为把握土壤温度对未来全球气候变暖的响应程度,评估气候变暖对亚热带 森林土壤呼吸的影响,利用在哀牢山亚热带常绿阔叶林中设置的土壤增温和土壤呼 吸人工控制实验2011-2013年的实测数据,通过分析,得到如下结果:环境温度的升 高不会改变林内的近地层气温、土壤温度和土壤含水量的年变化和日变化规律;冬 季和夜间增温效应大于夏季和昼间;增温会导致土壤含水量降低,雨季的效应大于干 季;增温导致的升温效应和降低土壤水分效应具有一定的年变化,但是基本没有日变化;所设置的人工增温控制实验的年平均增温在20C左右，所设置人工控制实验可 以达到5 cm 土壤增温2.0C的设计要求,可为其后探讨土壤呼吸对温度升高的响应 提供良好的基础保证.期刊名称】生态学报年(卷),期】2015(035)022【总页数】8页(P7418-7425)【关键词】 气候温暖化;土壤温度;红外增温;亚热带常绿阔叶林;哀牢山【作 者】 张一平;武传胜;梁乃申;沙丽清;罗鑫;刘玉洪【作者单位】 中国科学院热带森林生态学重点实

2、验室,昆明650223;中国科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站,景东676209;中国科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站,景东676209;中国科学院大学,北京100049;日本国立环境研究所,筑波305-8506;中国科学院热带森林生态学重点实验室,昆明650223;中国科学院哀牢 山亚热带森林生态系统研究站,景东676209;中国科学院哀牢山亚热带森林生态系 统研究站,景东676209;中国科学院热带森林生态学重点实验室,昆明650223;中国 科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站,景东676209【正文语种】中 文全球气候变化已成为世界关注的问题IPCC第四次评估报告1指出：在过去的 100年里全球平均温度升高了(0.740.18) C。森林是陆地生态系统的主体，森林 大量地吸收固定大气中的CO2，成为巨大的碳汇。全球森林的碳贮量约占全球植 被的77% ，森林土壤的碳贮量约占全球土壤的约71% ，其中热带和亚热带森林的 碳贮量约占全球土壤的约25%2-3。但是，森林破坏将增大温室气体等的排放， 毁林已成为仅次于化石燃烧的大气的重要排放源2。由此可见，森林生态系统在 全球碳循环

3、与平衡中具有极为重要的和不可替代的地位和作用。而在森林生态系统 中土壤-植被-大气间物质交换，特别是森林生态系统的碳收支对全球气候变化的影 响与反馈作用，已经成为全球变化和可持续发展研究中的关键问题之一。全球温度上升越高，对人类社会和自然生态的影响就越大，IPCC评估报告1认为， 未来全球温度升高不超过2 C时，导致的影响有正有负，而负面影响更多一些； 权衡气温上升带来的损失，人类社会应对气候变化、减缓温室气体排放的成本和代 价，以及国际社会行动实现目标的可能性，经过多次协商与交流，最终在哥本哈根 大会上达成的共识，未来气候升温将控制在2 C。因此在很多预测未来气候变化 的模型的情境设定中，全球温度升高2 C是公认的一个标准。 在大多数陆地生态系统中，土壤呼吸的碳通量仅次于光合作用的碳通量4。以森 林土壤为主的土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库，达15500亿t，是大气中 碳储量的2倍，是全球植被中的3倍5。另一方面，由于植物根系的新陈代谢作 用（根呼吸）和土壤微生物的分解作用（微生物呼吸）同时会有大量的有机碳被释放到 大气中。根呼吸和微生物呼吸的总和通常被称之为土壤呼吸。导致土壤呼吸

4、的主要 环境因子是温度和土壤水分。除土地利用变化外，全球温度上升将促进土壤呼吸， 加速土壤中储存的碳向大气中排放，进而加剧全球变化。近10年来国内外关于全球变化对陆地生态系统功能特性和土壤理化性状影响的模 拟实验已开展，但多是设置在农田和草地6- 12，其研究取得了可喜的成绩，其 中一些结果对于传统的陆地生态系统生物地球化学循环理论和模型系数等进行了科 学的纠正，对揭示了全球变化对陆地生态系统的影响和相互之间的响应耦合关系提 供了相应的支持；但是对于作为全球陆地碳循环主体的森林生态系统的野外生态学 控制实验尚不多见。位于云南哀牢山国家级自然保护区试验区的哀牢山生态站，作为国家野外台站和中 国生态系统研究网络的森林站，在坚持长期生态监测的同时，也开展了相应的研究 由于在亚热带常绿阔叶林分布区域的山地具“冬暖夏凉”气候特征，山地垂直地带 性与纬向水平地带性存在分异；导致该地区具较高地温（年均值地温比气温高2.53.0 C,全年地积温比气积温高9001100 C）13- 15；通过对哀牢山地 区长期观测资料的分析，发现气温在林内与林外都具有显著的上升趋势；林内各深度土壤温度均呈现出显著上升的

5、趋势；林外仅在15、20 cm深度土壤温度有明显 升温趋势；林外气温上升的趋势要高于林内；而地温上升趋势则是林外低于林内； 并且在020 cm深度，林内土壤温度上升趋势是林外的2倍16;且林内各层 地温均低于同层的林外地温；其年变幅和日变幅也小于林外17；对土壤含水量的 研究表明：哀牢山亚热带常绿阔叶林不同深度基本上随着土壤深度的增加而降低, 波动范围也逐渐减小，土壤含水量雨季高于旱季18；常绿阔叶林的具有较强的土 壤涵养水功能19；森林地上地下的碳分配对土壤有机碳具有影响20- 23；对森 林碳平衡的研究表明24，亚热带常绿阔叶林虽然已是300多年的老龄林，但仍 是一个较大的碳汇；利用处于相近纬度的3个亚热带常绿林的数据，分析表明： 温暖化将极大的促进亚热带常绿林的土壤呼吸作用 (敏感性高)，而促进光合作用效 果不显著(敏感性低)；因此伴随着温度的上升，亚热带常绿林的碳汇作用将不断变 弱25。如此看来，伴随全球变暖，森林的土壤温度也将上升，将影响森林土壤碳 排放，导致森林碳平衡发生改变。因此，在全球气候变暖情境下，森林土壤温湿度 的特征、变化规律是否发生改变？对土壤呼吸会有什么影响？

6、乃是人们关注的问题 本研究将选择我国主要林区哀牢山亚热带山地常绿阔叶林为研究对象，通过设置人 工控制增温实验，采用原地人工控制增温的方式，模拟温度升高后，对森林土壤温 湿特征、变化规律的改变状况开展研究，以期为区域气候变暖后森林土壤呼吸的变 化，乃至森林碳循环评估提供支持。1.1 研究地概况 研究区域位于哀牢山亚热带山地常绿阔叶林，哀牢山源于云南境内西北部的云岭山 系，纵贯云南中南部500 km。哀牢山国家级自然保护区内常绿阔叶林面积为 34483 hm2，是目前我国亚热带常绿阔叶林保存面积最大的保护区，其植物种类 丰富、区系成分复杂，群落类型多样、垂直带谱完整，过渡性特征明显，是我国现 有保存最完好的亚热带常绿阔叶林之一。研究地位于云南省景东县境内的哀牢山国 家级自然保护区的试验区内。森林植被类型为原生的亚热带山地常绿阔叶林，主要 由壳斗科、茶科、樟科和木兰科的种类组成，而壳斗科的木果柯(Lithocarpus xylocarpus)、硬壳柯(Lithocarpus hancei)、变色锥(Castanopsis rufescens)， 茶科的南洋木荷(Schima noronhae

7、)、折柄茶(Hartia sinensis)、蒙自连蕊茶 (Camellia forrestii)，樟科的黄心树(Machilus bombycina)、黄丹木姜子(Litsea elongata)，木兰科的红花木莲(Manglietia insignis)、多花含笑(Michelia floribunda)是乔木层的主要组成成分，是群落的主要优势树种。该群落结构可分 为乔木层(I、口)、灌木层和草本层。研究样地位于哀牢山自然保护区试验区的徐家坝地区（2432N、10101E;海拔 高度24002600 m）。年平均气温11.0 C,最热月（7月）平均气温15.3 C,最 冷月（1月）平均气温5.1 C。一年中干湿季分明，多年平均年降雨量1881.5 mm , 其中雨季（510月）为1607.3 mm（占全年的85.4%），干季（11一4月）为274.2 mm（仅占全年的14.6%）。该地区的土壤为山地黄棕壤，其特征为：地表几乎为植 被凋落物所覆盖，厚度一般37 cm ； 土壤腐殖质呈棕黑色，厚达1015 cm ;矿质土层质地疏松,以团粒结构为主。表土层透水性良好,涵养水的能力很强;有

8、 机质含量较高，含氮量丰富；碳氮比适中，土壤呈酸性（pH 5）；阳离子交换量较 高,高于水平地带的黄棕壤。成土母质大体是由古生代板岩、微晶片岩、绿泥片岩、 石英片岩、石英岩等组成，风化物粗松，多发育成山地棕壤或黄棕壤。030cm 土层土壤偏酸性（pH为4.2），有机质含量为59%，土壤有机碳（C, 5.030% , 0.3 m深的土壤有机碳含量为36 kg/m2）、氮（N , 0.346%）、磷（P , 0.073%）、钾 （K,0.370%）。1.2 研究内容利用设置的土壤增温对森林土壤碳排放影响人工控制实验,采用原地人工控制增温 的方式,通过对土壤增温和土壤呼吸自动监测系统实测数据的分析,揭示区域土壤 温度和含水量特征和变化规律,及在区域气候变暖情境下土壤温度和含水量特征的 响应状况,为分析森林土壤呼吸对区域气候变暖的响应提供基础。1.3 研究方法人工控制实验 本研究的人工控制增温实验设置在风速较弱,直接辐射较小的亚热带常绿阔叶林内, 采用大型多点自动开闭箱式土壤呼吸自动连续测定方法。共使用了20个呼吸箱低90 cm x宽90 cm x高50 cm），设置了对照、增温、切根和去凋4

9、种处理（每种处理5个重复）。20个呼吸箱的测定循环为1h，每个呼吸箱的测定时间为 3min（即每个呼吸箱每小时关闭3min，其余的57min内其两扇盖子成90。完全张 开，风，雨，枯枝落叶会自由进入呼吸箱，从而保证呼吸箱内的温度，土壤湿度以 及凋落物与外界一致)。各个呼吸箱的开闭，空气采样的控制由一个可编程数采 (CR1000, Campbell)通过一个多频道采样装置来实现。土壤呼吸的测定方式为闭 路式。当呼吸箱关闭后，箱内CO2浓度的变化由一台红外CO2测定仪(LI-820, Li-Cor)来测定，CR1000数采每10秒钟记录1次数据。另外，各个呼吸箱内的近 地层(30 cm)气温和5 cm深度的土壤温度由热电偶温传感器，土壤含水量(10 cm) 采用SM300 土壤水分传感器QT公司，澳大利亚)测定，设置在呼吸箱中部。数 据通过一个62/124频道数据转换器(NS62/124S, NorthStar,上海)记录到CR1000数采中。本研究模拟未来温度升高2 C,增温采用碳素红外辐射器作为 人工土壤增温处理的热辐射源。由45cm长的碳棒红外辐射器(800 W)和一个宽度 为 15 cm 的拱形热反射(防雨)板组成，增温辐射源是固定在呼吸箱上方 2.3 m 处， 其辐射面积大于3 m2，呼吸箱位于辐射中部区域，且使用了透明的有机玻璃箱体， 尽可能减小了箱体侧边造成增温死角。在呼吸箱箱体内(中下部)安装2个小气扇， 左右各1个，在采样期间工作，尽量保证箱内气体环境的同质性。因为在野外， 尤其是森林内进行增温实验面临发生火灾的风险，所以红外辐射加热器还配备了自 动保护系统，在支撑加热器的支架发生大约60倾斜时，或受到树木落枝等外力而 发生微弱振动时，加热系统会自动断电。人工控制实验于2010年10月设置，在2010年12月底开始实施增温。本研究 使用了对照处理(5个呼吸箱)和增温处理(5个呼吸箱)的近地层气温、土壤温度 (20112013年)和土壤含水量(20122013年)的数据进行分析。2.1 亚热带常绿阔叶林土壤温

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