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东北天然次生林生态系统地下碳动态研究

杨金艳  
【摘要】:东北地区森林生态系统因其面积大,碳贮量高而在本地区和我国碳平衡中占有重要的地位。土壤表面CO_2通量(R_S)作为陆地生态系统向大气圈释放的主要CO_2源,其时空变化直接影响到区域碳循环。土壤有机碳是高纬度地区森林生态系统最大的碳库,是森林生态系统碳循环极其重要的组成部分。研究东北东部天然次生林区森林生态系统地下碳动态—碳贮量和土壤表面CO_2通量的时空变化,直接影响到本地区和我国的碳平衡,因而具有重要的理论和现实意义。本研究采用红外气体分析法测定东北东部天然次生林区6个典型森林生态系统(蒙古栎林、红松林、落叶松林、硬阔叶林、杂木林和杨桦林)的土壤表面CO_2通量,利用挖壕法(Trenching plot)区分根系的自养呼吸和土壤动物和微生物的异养呼吸。对土壤温度、湿度、土壤呼吸和根呼吸(R_A)的季节动态进行深入分析,探讨土壤水热因子对土壤表面CO_2通量和异养呼吸(R_H)的影响,比较分析植被状况对土壤表面CO_2通量及其分量的影响;利用土壤剖面实测数据和有机碳含量,估算土壤有机碳贮量。研究结果表明: 影响R_S和R_H的主要环境因子是土壤温度、土壤湿度及其交互作用,但其影响程度因生态系统类型和土壤深度而异。在整个生长季中,不同生态系统类型的土壤温度差异不显著,而土壤湿度的差异显著(a=0.05)。蒙古栎林、红松林、落叶松林、硬阔叶林、杂木林和杨桦林的R_S的变化范围分别为:1.89~5.23μmolCO_2·m~(-2)·S~(-1)、1.09~4.66μmolCO_2·m~(-2)·S~(-1)、0.95~3.52μmolCO_2·m~(-2)·S~(-1)、1.13~5.97μmolCO_2·m~(-2)·S~(-1)、1.05~6.58μmolCO_2·m~(-2)·S~(-1)和1.11~5.76μmolCO_2·m~(-2)·S~(-1);其根系呼吸贡献率(RC)变化范围分别为:34.31~37.36%、33.78~37.02%、14.39~35.75%、32.40~51.44%、17.94~47.54%和39.72~46.65%。森林生态系统的土壤表面CO_2通量和RC的季节动态呈现单峰曲线,但是二者驱动因子可能有差别。土壤呼吸主要受土壤温度和湿度的共同驱动;而土壤温度和植被根系物候是影响RC的季节动态的主要因子。不同森林生态系统的Q10波动范围为2.32~355。除硬阔叶林外,其它5个森林生态系统的Q10随土壤湿度的升高而增大;但超过一定的阈值后(硬阔叶林),土壤湿度对Q10起一定的抑制作用。 包括土壤温度、湿度及其相互作用的预测模型分别可以解释R_S和R_H的675~90.6%和46.5~71.5%的变异。利用这些模型,对土壤表面CO_2通量及其组分的年通量作了估算。不同生态系统间的R_S、R_H和R_A年通量存在着显著性差异。不同生态系统的R_S年通量依次为:杂木林951 gC·m~(-2)·a~(-1);硬阔林892 gC·m~(-2)·a~(-1);杨桦林812 gC·m~(-2)·a~(-1);蒙古栎林678 gC·m~(-2)·a~(-1);红松林596 gC·m~(-2)·a~(-1);落叶松林451 gC·m~(-2)·a~(-1);各个生态系统R_H年通量都显著地高于R_A年通量,二者变化范围分别为337~540 gC·m~(-2)·a~(-1)和88~331gC·m~(-2)·a~(-1)。 阔叶林和针叶林生态系统土壤有机碳含量变化范围分别为:52.63~66.29 g·kg~(-1)和42.15~49.15 g·kg~(-1);平均土壤有机碳密度分别为1557 kg·m~(-2)和17.16 kg·m~(-2);平均土壤碳周转时间分别为32年和48年。R_S、R_H和R_A年通量与土壤有机碳含量呈显著正相关,但其相关程度因土层而异(R~2=0.747~0.933)。同一个生态系统中,土壤有机碳含量随土壤深度增加而降低,而土壤碳密度和上壤有机碳周转时间则随深度增加而增大。


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