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土壤呼吸作用是全球陆地生态系统碳循环的主要通量过程之一,即使它的微小变化也会导致大气CO2浓度的显著升高,人类活动尤其是改变土地利用方式将明显影响碳释放过程,从而加剧全球气候变化。准确评估土壤呼吸作用及其对土地利用方式的响应不仅有助于减少全球碳收支评估的不确定性,而且有助于减缓气候变化及其影响,确保人类生存环境的可持续发展。本研究试图通过比较长白山原始阔叶红松林及其不同土地利用方式下的土壤呼吸作用,探究森林土地利用方式变化对土壤呼吸作用的影响机制,为准确评估长白山地区碳收支提供科学依据与参数。
本研究利用静态密闭箱式法和动态密闭气室法(Licor-6400-09)测量生长季(5~9月)阔叶红松林区5种土地利用方式,包括原始红松针阔叶混交林、皆伐迹地、杨桦次生混交林、长白落叶松人工林和开垦农田的土壤呼吸作用日变化和季节动态。结果表明:不同土地利用类型的土壤呼吸作用日变化呈单峰曲线,峰值约在温度较高的12:00~18:00之间,谷值出现在凌晨5:00~8:00之间,土壤呼吸作用日变化与土壤温度(特别是5cm土壤温度)显著相关。皆伐迹地、次生林、人工林和农田土壤呼吸速率日变化极值出现时间较原始林提前约1~4小时,这是不同土地利用类型下土壤温度日变化特征存在差异造成的。
5种不同土地利用类型的土壤呼吸作用存在显著的季节变化特征,即在生长季土壤呼吸速率随温度升高而增加,8月份达最大值,之后温度降低,土壤呼吸作用亦趋于减弱。但各个土地利用类型的土壤呼吸强度存在差别,杨桦次生林生长季5~9月份土壤呼吸释放CO2量为3.45kg/m2,而原始阔叶红松林土壤呼吸量为2.67 kg/m2,次生林高出原始林约30%;落叶松人工林和皆伐迹地释放CO2量接近,值分别为2.02 kg/m2和2.03 kg/m2,占原始林地土壤呼吸量比例约76%;农田仅为1.29 kg/m2,在所有类型中土壤释放CO2量最少,为原始林地土壤呼吸强度的48%左右。
除落叶松人工林外,不同土地利用类型的土壤呼吸作用与5cm土壤温度存在显著的指数关系,与土壤水分含量关系则不显著。用温度的指数关系模型(Q=aebT)可以解释阔叶红松林土壤呼吸作用85%的变异、杨桦次生林86%、农田91%的变异,利用温度和水分的双因素模型Q=aebTWc可以解释皆伐迹地约86%的变异。落叶松人工林土壤呼吸作用与温度和土壤水分含量存在显著的线性相关关系,用二元线性回归模型(Q=aT+bW+c)可以解释土壤呼吸作用91%的变异。
原始阔叶红松林转变为其他土地利用方式后,植被类型发生改变,生物量不同程度减少,使得不同土地利用类型的微环境和土壤理化性质发生变化,进而导致土壤呼吸作用的动态特征和强度产生差异。在生态系统演变和更新过程中,生物、环境和土壤因子之间相互作用,并且共同对土壤呼吸作用产生影响。