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全球气候变化的背景下,积雪覆盖降低、降水格局变化以及气候变暖改变土壤冻融的频度和强度、冻融过程中土壤湿度以及凋落物的降解速度。这些冻融条件和底物供应的变化如何影响冻融过程土壤温室气体净通量、溶解性有机质的组分及其生物有效性至今仍不清楚。本文以中国东北长白山地区阔叶红松混交成熟林及其临近的次生白桦林土壤为研究对象,通过室内模拟土柱的培养方法,(1)研究土壤湿度、冻结温度、融化温度和冻融频度等不同冻融条件对上述两种林分森林土壤温室气体净通量的影响,并结合土壤活性碳和氮含量的变化分析影响机制;(2)结合土壤水浸提液中溶解性有机质降解实验以及三维荧光光谱和平行因子分析,研究不同冻融条件对森林土壤溶解性有机质(DOM)生物降解性及其不同荧光组分含量和贡献率的影响;(3)通过模拟野外全年气温变化,以阔叶红松混交成熟林为研究对象,研究凋落物添加、冻融强度和土壤湿度及其交互作用对模拟秋末冻融、冬季冻结、春季冻融和生长季过程森林土壤温室气体净通量及溶解性有机质含量、组分和生物有效性的影响,并分析模拟实验过程凋落物引起的土壤有机碳分解激发效应动态变化及其对土壤湿度和冻融强度变化的响应。主要结果如下: (1)随着土壤湿度的增加(10%~90%土壤充水孔隙度,WFPS),次生白桦林土壤融化过程氧化亚氮(N2O)累积净通量最适湿度为76.4%WFPS,阔叶红松混交成熟林土壤则大于90%WFPS;两种林分土壤融化过程二氧化碳(CO2)累积净通量最适湿度为62.5%WFPS;次生白桦林土壤最低甲烷(CH4)累积狰通量小于阔叶红松混交成熟林土壤,对应的最适土壤湿度分别为51.1% WFPS和63.9%WFPS。土壤湿度为30%WFPS时,森林土壤融化过程中DOM以及可降解DOM(BDOM)含量最小,而相对较高或较低的土壤湿度均可增加土壤DOM和BDOM的含量。随着土壤湿度的增加,土壤融化过程释放的DOM的主要成分从胡敏酸类物质转变为富里酸类物质,并伴随着DOM的生物源逐渐增加。 (2)随着冻融频度的增加,-8℃和-18℃冻结处理2种湿度(40%和80%WFPS)的两种林分森林土壤3次冻融循环过程N2O和CO2累积净通量均显著增加,而-2℃冻结处理高湿度森林土壤3次冻融循环过程N2O和CO2累积净通量降低。随着冻结温度从-2℃降低到-18℃,两种湿度的两种林分森林土壤不同频度3次冻融循环过程N2O和CH4累积净通量均逐渐增加。低频度冻融时低土壤湿度和高频度冻融两种土壤湿度条件下,3次冻融循环过程森林土壤CO2累积净通量随着冻结温度的降低而增大。不同频度冻融的3次循环过程中,两种湿度森林土壤水溶性DOM中胡敏酸类和富里酸类组分含量均随冻结温度的降低而逐渐增加。土壤湿度和冻结温度的改变影响森林土壤N2O净通量与DOM中富里酸类以及蛋白类物质贡献率的关系。随着冻结温度的降低,森林土壤CO2和CH4净通量与微生物碳和微生物氮含量之间的正相关关系逐渐减弱。 (3)不同冻结处理(-2℃、-8℃和-18℃)两种林分森林土壤融化过程中N2O累积净通量随着融化温度(2℃~16℃)和土壤湿度(40%和80%WFPS)的增大而增大。低土壤湿度条件下,森林土壤融化过程CH4累积净通量随冻结温度的升高以及融化温度的增大而逐渐降低;而高土壤湿度条件下,随着融化温度的增加,不同冻结处理两种林分土壤融化过程CH4累积净通量在2℃~12℃融化温度范围内逐渐降低,而在12℃~16℃范围内呈增大趋势。不同冻结处理两种湿度森林土壤融化过程CO2累积净通量随着融化温度的升高而增大。与2℃~16℃环境下融化相比,2℃~4℃环境下融化时森林土壤异养呼吸温度敏感性Q10值在整个培养过程中均显著增加,尤其是融化培养初期的高湿度土壤。土壤湿度和融化温度范围影响冻融过程中森林土壤呼吸温度敏感性,这可能与森林土壤中溶解性有机质的含量及其生物有效性有关。 (4)凋落物添加对森林土壤温室气体净通量、溶解性有机质的生物有效性和不同荧光组分的含量和贡献率影响在长期冻融模拟实验不同阶段存在差异,并与土壤湿度与冻融强度有关。对于各培养阶段土壤温室气体累积净通量总和而言,凋落物添加对土壤N2O累积净通量的影响与冻结强度和土壤湿度有关;除了高强度冻融干扰高湿度土壤以外,凋落物添加均显著降低不同强度冻融干扰下三种湿度土壤CH4累积净通量。不同强度冻融条件下,土壤湿度对土壤有机碳分解激发效应的影响在模拟实验不同阶段存在差异。综合考虑整个培养过程,与无冻融处理相比,不同强度冻融过程不仅增加未施加凋落物的土壤CO2的排放,同时促进由凋落物引起的土壤有机碳分解激发效应,尤其是高湿度土壤。与模拟春季冻融结束时相比,模拟生长季结束时不同强度冻融干扰下3种湿度土壤以及添加凋落物的土壤中胡敏酸类和富里酸类DOM的贡献率显著较低,而蛋白类DOM的贡献率显著较高。