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由于大气二氧化碳(CO2)浓度上升导致的全球变暖是人类面临的主要环境问题之一。土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳库[1-2],每年由土壤呼吸作用(Soil respiration, Rs)向大气释放的碳是化石燃料燃烧碳释放量的十倍以上[3],所以土壤微小的变化都将显著改变土壤呼吸,进而影响大气二氧化碳浓度和土壤碳库储量,由此导致的气温升高又为加强土壤呼吸提供了一个潜在的积极反馈[4-5]。森林生态系统是全球陆地生态系统的重要组分,全球陆地生态系统中约40%土壤碳库存在于森林生态系统[6]。因此,在全球气候变化背景下研究森林的土壤呼吸碳排放具有重要意义。土壤呼吸主要包括植物根系结合根际微生物的自养呼吸作用和土壤微生物通过分解土壤有机质的异养呼吸作用[7-9],受植物群落、微生物生物量等生物因子和土壤环境、地形等非生物因子的影响[10]。地形是影响森林生态系统土壤呼吸空间变异的一个重要因子,可以通过改变土壤温度和水分[11]、土壤理化性质[12]、地下水再分配[13]、微生物生物量[14]、细根生物量[15]等,从而直接或间接地影响土壤呼吸。前人的研究已经注意到土壤呼吸的空间异质性仅仅用测量样本的平均值对等土壤呼吸值是不可靠的[16],并积极开展了地形对土壤呼吸空间异质性的影响研究。BERRYMAN等[17]对落基山脉半干旱及亚高山森林生态系统进行研究,认为地形属性通过影响土壤水分有效性成为土壤呼吸空间变异的重要预测因子;同样,RIVEROS-IREGUI等[18]在流域森林生态系统的研究表明地形景观通过改变土壤地下水文结构(分配/再分配)导致了土壤呼吸的空间变异。卿明亮等对贺兰山温带森林生态系统的研究表明,处于不同坡位的地形能够显著影响土壤理化性质,进而影响土壤呼吸。Q10值定义了土壤呼吸速率对温度变化10 ℃时的敏感程度,由于生态系统的类型及其地理地形的不同,陆地生态系统土壤呼吸的Q10值主要在1.3~5.6之间变化[19]。大部分的森林中往往存在着复杂的地形,因此,研究地形引起的空间变异对准确计算森林土壤呼吸具有重要意义。本研究以地处热带北缘的吊罗山低地森林为研究区,选择在景观结构上具有显著差异的3种地形(平地、坡地和洼地)为研究对象,通过对土壤呼吸和土壤温湿度的长期监测,分析吊罗山低地森林生态系统不同地形土壤呼吸的季节变化规律及其差异,研究月变化尺度上不同地形对水热因子的响应,旨在为准确评估该区域土壤CO2排放提供基础科学依据。
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2016年9月至2018年9月,笔者在低地雨林内监测了平地、坡地和洼地3种地形的土壤呼吸速率、土壤温度和土壤湿度的月动态变化。结果(图2)表明,在整个观测期间,平地和坡地的土壤呼吸速率均表现出“雨季高、旱季低”的动态变化,雨季土壤呼吸速率升高,6~8月出现排放峰值,接近旱季开始降低;洼地则出现“雨季低、旱季高”的动态变化,进入旱季后土壤呼吸速率升高,3~5月出现排放峰值,进入雨季后降低。土壤呼吸速率的月均值表现为洼地 > 坡地 > 平地;其月均值与范围大小分别为[(2.54 ± 0.85),(1.38~4.58)],[(2.50 ± 0.84),(1.30~3.86)],[(2.16 ± 0.67),(0.88~3.55)] μmol·m−2·s−1,洼地土壤呼吸速率分别高出平地和坡地的17.59%和1.6%,且洼地和平地的土壤呼吸速率月均值之间具有显著差异(P<0.05)。
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在整个观测期间,3种地形的土壤温度及土壤湿度均呈现出相似的单峰型月动态变化,雨季的土壤温度和土壤湿度均明显高于旱季(图2)。旱季土壤温度和湿度同时降低,在2~3月份之间分别达到最小值;接近雨季开始升高,在6~7月份达到最大值。其中土壤温度月均值分别为洼地(24.54 ± 3.80)℃ > 平地(24.32 ± 3.49)℃ > 坡地(23.93 ± 3.38)℃,且土壤温度在各地形间没有显著差异(P>0.05);土壤湿度月均值分别为坡地[(13.15 ± 5.40)%]> 洼地[(12.19 ± 5.37)%]> 平地[(12.16 ± 5.48)%],且各地形的土壤湿度没有显著差异(P>0.05)。总的来看,5 cm处土壤温度与土壤湿度显著相关(P<0.01),高温和高湿在雨季期间同时出现,雨季土壤平均温度高于旱季,符合典型的热带季风性气候特征。
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通过插值法计算出平地、坡地和洼地3种不同地形的土壤呼吸年积累量。结果(图3)表明,不同地形的土壤呼吸年积累量具有明显差异,表现为洼地(986.37 ± 46.91) g C·m−2·a−1 > 坡地(901.46 ± 47.00) g C·m−2·a−1 > 平地(796.85 ± 36.86) g C·m−2·a−1,平地的土壤呼吸年积累量分别比坡地和洼地低13.13%和23.78%,且统计分析显示各地形间的土壤呼吸年积累量没有显著差异(P>0.05),说明地形可能不是影响土壤呼吸年积累量的重要因素。
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土壤温度是影响土壤呼吸速率变化的最重要的因子之一,因此常常被用来解释土壤呼吸速率的大部分变化。以往的研究中常用指数模型来描述土壤呼吸速率与土壤温度之间的关系。回归分析结果(表1)表明,本研究中坡地土壤呼吸月变化与5 cm处土壤温度存在显著正相关关系(P<0.01),而平地和洼地的土壤呼吸月变化与5 cm处土壤温度的相关关系都没有达到显著水平(P>0.05);土壤温度能够解释坡地土壤呼吸月变化的61.0%,通过指数方程计算出Q10值为3.19;而对平地和洼地土壤呼吸的解释率极低,月变化对温度不敏感。因此,本研究中3种地形土壤呼吸月变化对土壤温度的响应并不一致,土壤温度可作为坡地土壤呼吸的限制因子。土壤呼吸和土壤湿度的回归分析结果(表1)表明,坡地和洼地的土壤呼吸月变化与0~5 cm处土壤湿度分别存在显著正相关(P<0.01)和显著负相关(P<0.01)关系,而平地的土壤呼吸月变化与0~5 cm处土壤湿度的相关关系没有达到显著水平(P>0.05);土壤湿度对土壤呼吸的解释率仅为5.2%~16.6%。土壤温度和土壤湿度双变量模型的拟合程度较单变量模型更低,说明土壤呼吸的季节变化与环境因子的关系更为复杂,简单的经验模型无法很好得描述土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸的共同作用。
表 1 土壤温度(T)、湿度(W)和呼吸速率(RS)的回归模型与Q10值
Table 1. Regression models of soil respiration rate (RS) using soil temperature (T) and soil moisture (W)as predictor variables, and Q10 values of three terrains
地形 Terrain Rs=aebT Rs=aW+b Rs=aebTWc Q10 a b R2 a b R2 a b c R2 平地 Flat terrain 3.429 −0.025 0.022 −0.044 2.441 0.052 1.342 0.038 −0.205 0.017 0.78 坡地 Sloping terrain 0.145 0.116 0.610** 0.069 1.603 0.166** 0.153 0.125 −0.104 0.244** 3.19 洼地 Low-lying terrain 2.773 −0.004 0.003 −0.076 3.471 0.064** 3.330 0.051 −0.641 0.078 0.96 注:**表示在0.01水平上显著相关(P<0.01)。
Note: ** means significant correlation at the level of 0.01 (P<0.01).
Soil Respiration of Different Terrains in a Tropical Lowland Rainforest in Diaoluoshan, Hainan, China
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摘要: 以地处热带北缘的吊罗山低地森林为研究区,选择在景观结构上具有显著差异的3种地形(分别为平地、坡地和洼地)为研究对象,利用LGR便携式温室气体分析仪及土壤气体通量监测系统,测定吊罗山热带低地森林不同地形土壤呼吸速率和土壤温湿度,研究不同森林地形土壤呼吸的季节变化规律及其差异,并探讨土壤呼吸与水热因子的关系。结果表明:(1)平地和坡地的土壤呼吸速率均表现出“雨季高、旱季低”的动态变化,雨季6~8月出现排放峰值;洼地则出现“雨季低、旱季高”的动态变化,进入旱季土壤呼吸速率升高,3~5月出现排放峰值,雨季开始降低;(2)不同地形的土壤呼吸年积累量大小具有明显差异,表现为洼地[(986.37 ± 46.91) g C·m−2·a−1]> 坡地[(901.46 ± 47.00) g C·m−2·a−1] > 平地[796.85 ± 36.86) g C·m−2·a−1];(3)不同地形土壤呼吸与土壤温湿度的关系并不一致,其中坡地的相关关系最显著(P< 0.01),Q10值为3.19。综上所述,吊罗山低地森林中不同地形土壤呼吸存在显著差异,当把土壤二氧化碳通量外推到更大尺度时,必须要考虑地形的复杂性。Abstract: Soil respiration is a frontier topic in the carbon cycle of terrestrial ecosystems. The seasonal variations and differences of soil respiration in different terrains were analyzed by measuring the soil respiration rate and soil temperature and moisture in a tropical lowland forest in Diaoluoshan, Hainan, China, and the relationship between the soil respiration and the hydrothermal factors was also analyzed. The results showed that the soil respiration rate in the flat terrain and sloping terrain had a dynamic change of "higher in rainy season and lower in dry season", with peak emissions from June to August. On the contrary, the soil respiration rate in the low-lying terrain had a dynamic change of "lower in rainy season and higher in dry season", with the peak emissions from March to May. The annual accumulation of soil respiration in different terrains varied significantly, which was in the order of the low-lying terrain (986.37 ± 46.91) g C· m−2·a−1 > the sloping terrain (901.46 ± 47.00) g C·m−2·a−1 > the flat terrain (796.85 ± 36.86) g C·m−2·a−1. The soil respiration in different terrains was not consistently correlated with the soil temperature and moisture, but the soil respiration in the sloping terrain was most significantly correlated with the soil temperature and moisture (P< 0.01), with a Q10 value of 3.19. These results indicated that there were significant differences in soil respiration in different terrains in a tropical lowland forest in Diaoluoshan, Hainan. When the soil CO2 flux is extrapolated to a larger scale, the complexity of the terrain should be taken into account.
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表 1 土壤温度(T)、湿度(W)和呼吸速率(RS)的回归模型与Q10值
Table 1 Regression models of soil respiration rate (RS) using soil temperature (T) and soil moisture (W)as predictor variables, and Q10 values of three terrains
地形 Terrain Rs=aebT Rs=aW+b Rs=aebTWc Q10 a b R2 a b R2 a b c R2 平地 Flat terrain 3.429 −0.025 0.022 −0.044 2.441 0.052 1.342 0.038 −0.205 0.017 0.78 坡地 Sloping terrain 0.145 0.116 0.610** 0.069 1.603 0.166** 0.153 0.125 −0.104 0.244** 3.19 洼地 Low-lying terrain 2.773 −0.004 0.003 −0.076 3.471 0.064** 3.330 0.051 −0.641 0.078 0.96 注:**表示在0.01水平上显著相关(P<0.01)。
Note: ** means significant correlation at the level of 0.01 (P<0.01). -
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