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增温对大兴安岭泥炭地大中型土壤动物群落及温室气体排放的影响

窦永静  
【摘要】:北方中高纬度地区是泥炭地的主要集中分布区,同时也是全球变暖的敏感区。大兴安岭作为我国泥炭地的主要分布区,近年来在气候变暖的影响下呈现出冻土大面积退化的态势,冻融格局与冻融循环模式也发生了深刻地改变,这必将导致土壤动物的群落结构与功能发生变化,但目前在此敏感区域尚缺乏气候变暖对土壤动物群落结构及其生态功能的影响研究。因此,本研究以我国大兴安岭多年冻土区泥炭地为研究对象,采用空间代替时间的方法模拟冻土退化的过程,运用野外样带调查手段,对连续多年冻土区、不连续岛状多年冻土区和季节冻土区湿地与毗邻岛状林中土壤动物群落分布进行了取样分析,揭示了冻融环境变化下土壤动物群落的变化特征,并分析了土壤动物分布格局与环境因子的关系;基于野外OTC原位控制增温实验和室内微宇宙模拟实验相结合的方法,探究土壤动物群落结构及其营养关系对增温和冻融作用变化的响应,并研究探讨蚯蚓在温度和水分的交互作用下对土壤温室气体排放(CO_2和N_2O)的影响,旨在揭示土壤动物群落对气候变暖的响应机制。主要得出以下几方面的结论:(1)基于对不同冻土区湿地和相邻岛状林动物群落组成与多样性的调查研究,共捕获大型动物918只,隶属于8目13类群;螨类20678只,隶属于3目30科46种;跳虫8037只,隶属于1目12科35种。大型土壤动物的个体数量在季节冻土区和不连续岛状多年冻土区差异不显著,但都显著大于永久冻土区;螨类和跳虫(中型土壤动物)的个体数量从连续多年冻土区向季节冻土区逐渐增加,即从高纬度向低纬度逐渐增加,温度差异是造成三地土壤动物群落差异的一个重要因素。同时,在相同类型冻土区,无论是大型动物还是土壤螨类和跳虫,岛状林生境的个体密度、物种数、丰富度指数和香浓多样性指数均高于湿地生境,植被则是主要影响因素。通过土壤环境因子与土壤动物群落的相关性分析发现,大型土壤动物的多样性指数和均匀度指数与土壤全磷含量呈显著正相关。土壤含水量、土壤全碳、土壤全氮含量和土壤全钾含量与土壤螨类、跳虫群落(中型土壤动物)的多样性指标有显著的相关性。冗余分析表明土壤温度、土壤全碳和土壤全磷含量是影响群落分布的主要因素。(2)基于野外原位OTC增温控制实验研究发现,本实验中OTC增温效果显著,并增加了OTC内部土壤含水量。在增温、增湿的协同作用下大型土壤动物和跳虫的个体数量与物种数显著增加,而土壤螨类群落没有明显的变化。8月份大中型土壤动物的个体数和物种数都显著高于5月和9月,这是因为8月雨热同期,植被茂盛,土壤温度适宜,为动物提供了良好的栖息环境和丰富的食物。泥炭地增温后,蚜科、圆跳科跳虫和长角跳科跳虫由初级消费者升至次级消费者,鳞跳科跳虫和鳞翅目幼虫由次级消费者升至三级消费者,而粉虱科和蓟马科由次级消费者降至初级消费者。土壤动物营养级的变化与增温对泥炭地的光热、水分和植被等条件产生影响有关。(3)基于室内冻融模拟实验研究发现,冻融作用会显著降低土壤动物的个体数、种类数和多样性指数,且在大幅度冻融环境FTC(-10℃~5℃)处理最低。冻融循环次数也极显著地影响土壤跳虫的个体密度、类群数和多样性指数,表现为个体密度和物种数随着冻融循环的增加而不断降低。不同种类的土壤动物对冻融作用的响应不同,本实验中的螨类具有较强的耐寒性。(4)基于室内蚯蚓培养实验研究发现,增温、含水量增加、添加蚯蚓以及三因素的交互作用都对土壤CO_2的释放有极显著的促进作用。具体来说,温度相同时只有在含水量为80%WHC时,添加蚯蚓才能促进CO_2排放,含水量为60%WHC的情况下,蚯蚓作用不明显;在水分充足(80%WHC)时,温度(18℃)是影响土壤CO_2释放的主要因子。水分和蚯蚓的相互作用对土壤N_2O形成与排放有显著影响,即在80%WHC情况下,添加蚯蚓显著提高了土壤N_2O的排放速率和累积排放量。土壤DOC、MBC与CO_2排放的关系密切,并推测实验中土壤N_2O的产生主要是由反硝化作用产生的。


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