土壤濕度對(duì)溫帶森林土壤凍融過(guò)程中二氧化碳排放的研究

周澤文 周建東

摘 要：由于受到東亞季風(fēng)和地區(qū)氣溫的影響，長(zhǎng)白山地區(qū)林地土壤每年春初秋末凍融過(guò)程顯著;而且土壤濕度的變化可能會(huì)對(duì)該地區(qū)土壤的溫室氣體的凈通量產(chǎn)生影響。然而，由于土壤濕度的空間異質(zhì)性存在巨大差異，且野外研究和室內(nèi)土壤凍融實(shí)驗(yàn)預(yù)處理的土壤濕度梯度較少，導(dǎo)致土壤初始濕度對(duì)凍融期間二氧化碳排放研究不夠深入。

關(guān)鍵詞：土壤濕度;森林土壤;二氧化碳;排放

一、研究區(qū)域概況

本文的研究區(qū)域位于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站（42°24′N(xiāo)，128°28′E），平均海拔高度為738m，地下水位約為9m。長(zhǎng)白山地為典型的溫帶大陸性山地氣候，受東亞季風(fēng)氣候的強(qiáng)烈影響。該地區(qū)無(wú)霜期短（全年約120d）而冰凍期長(zhǎng)，春季干燥而多風(fēng)，夏季溫暖而短暫，降雨量較大，秋季涼爽多霧，冬季漫長(zhǎng)而晴朗寒冷，常有積雪覆蓋;該地區(qū)年均氣溫是3.6℃，1月份（最冷月）平均溫度是-15.6℃，而7月份（最熱月）平均溫度是19.7℃;極端最高氣溫32.3℃，極端最低氣溫-37.6℃。年降水量約在600mm至900mm之間，多年平均降雨量是855mm，其中約有88%的降雨發(fā)生于每年的4月至9月。土壤為火山灰發(fā)育的溫帶森林暗棕壤。

1.計(jì)算與統(tǒng)計(jì)方法

培養(yǎng)過(guò)程中根據(jù)每個(gè)處理與無(wú)土壤的空白容器中氣體CO2和N2O濃度差異以及培養(yǎng)時(shí)間算出每次不同處理土壤源CO2和N2O的瞬間通量，單位分別為mgCO2-Cm-2h-1和?gN2O-Nm-2h-1。CO2和N2O的累積通量是將培養(yǎng)期間每次采樣測(cè)得的CO2和N2O凈通量累加，單位分別為gCO2-Cm-2和mgN2O-Nm-2。

二、不同土壤濕度對(duì)溫帶森林土壤凍融過(guò)程中二氧化碳（CO2）排放的影響

二氧化碳（CO2）作為主要的溫室氣體之一，產(chǎn)生的途徑有很多種，城市中大量汽車(chē)尾氣的排放，化石燃料的燃燒，土壤中微生物的異養(yǎng)呼吸作用等均會(huì)產(chǎn)生大量CO2，而二氧化碳又會(huì)造成大氣臭氧層的破壞，引起溫室效應(yīng)，因此，對(duì)于二氧化碳的研究就十分必要。

1.二氧化碳（CO2）的瞬時(shí)排放率

在不同的濕度條件下，次生白樺林和闊葉紅松混交林凍融過(guò)程二氧化碳瞬間排放量隨土壤培養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律，由圖可見(jiàn)，在解凍后第一天時(shí)（55～75h）不同濕度的土壤中二氧化碳（CO2）瞬間釋放率達(dá)到峰值（見(jiàn)表2.1），之后在75～100h之間急速下降，瞬間釋放率降低，并且逐漸趨于平緩。

綜合分析圖表2.1可以發(fā)現(xiàn)，土壤濕度對(duì)于次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林的影響從20%WFPS開(kāi)始的，當(dāng)濕度處于10%WFPS的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤的CO2瞬時(shí)排放速率幾乎沒(méi)有改變，在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)均處于平緩排放，當(dāng)濕度達(dá)到20%WFPS的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤的CO2瞬時(shí)排放速率均明顯提高，各點(diǎn)速率變化較為明顯，當(dāng)土壤濕度逐漸提升，從30%WFPS升高至80%WFPS的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤對(duì)于CO2的釋放速率的增長(zhǎng)下降，當(dāng)處于這幾個(gè)WFPS的時(shí)候，各個(gè)濕度在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的CO2排放速率變化不大，當(dāng)濕度達(dá)到90%的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤對(duì)于CO2的瞬時(shí)排放速率急速下降減緩，與之前幾個(gè)濕度相比，落差較大。

2.二氧化碳（CO2）的累計(jì)排放量

所謂CO2累計(jì)排放量是指某個(gè)濕度條件下，經(jīng)計(jì)算出的CO2瞬時(shí)排放率乘以24h加上前一天的瞬時(shí)排放率乘以24的數(shù)值，CO2的累計(jì)排放量表達(dá)出了在不同的演替過(guò)程中森林土壤異養(yǎng)呼吸的差異與預(yù)期土壤的活性碳庫(kù)有很大的關(guān)聯(lián)。從累計(jì)排放量中我們可以看出，在10～90%的WFPS下，CO2的累積排放量是逐漸緩步提升的，由每個(gè)點(diǎn)的切變程度可以看出累積排放量持續(xù)處于上升狀態(tài)。

三、結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)今的環(huán)境，可以知道土壤凍融過(guò)程的加劇是由于全球氣候變化引起的，而長(zhǎng)白山地區(qū)由于其獨(dú)特的地理、氣候條件，首先受到影響。本實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)白山兩種演替階段的森林土壤為研究對(duì)象，利用均質(zhì)土壤構(gòu)建模擬土柱，從而深入分析不同濕潤(rùn)程度下溫帶森林土壤凍融過(guò)程中溫室氣體凈通量的單一和交互影響，并通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)前后的土壤有效碳、氮含量的變化來(lái)研究相關(guān)機(jī)制。