热带季节雨林生态系统小流域内水输送的碳通量研究

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水对森林生态系统碳收支影响的不确定性引起了科学界对森林碳源汇能力评价的高度关注。有报道认为森林生态系统流域内水输出的碳大幅度增加了森林碳源能力,也有研究认为水输送的碳在森林生态系统碳收支的作用非常小,乃至可以忽略。在西双版纳热带季节雨林的研究表明该森林为弱碳汇(1.66×103 kg Cha-1yr-1),若该森林小流域由水输出的碳较多,势必影响对该森林生态系统碳源/汇能力的评价。因此,为准确评估西双版纳热带季节雨林的碳收支能力,对已开展的碳通量研究提供必要的补充,也为评价森林生态系统碳源/汇能力提供理论和实践依据,我在西双版纳热带季节雨林开展了水输送的碳通量研究。  本研究以中国科学院西双版纳热带森林生态系统研究站的森林气象、水文观测为基础,开展了降雨、穿透雨、树干径流、凋落物淋洗液、壤中流,溪流水和地下水的水量、水中不同碳组分[溶解态无机碳(Dissolved inorganic C,DIC),溶解态有机碳(Dissolved organic C,DOC),颗粒态无机碳(Particulate inorganic C,PIC),颗粒态有机碳(Particulate organic C,POC)]的浓度、水温、及DOC的δ13C等的观测,探讨热带季节雨林小流域内水输送碳的时空特征,进行温度和相关环节水量对碳动态影响的分析,并以此为基础计算水输送的碳通量,借助稳定性同位素技术,确定水文过程各环节水中DOC的来源与去向,明确DOC在水中的迁移路径。结合热带森林生态系统的NEE、土壤呼吸,凋落物呼吸、树干呼吸、凋落物和地下细根的量,分析水输送的碳通量在热带季节雨林生态系统碳平衡的作用。主要研究结果如下:  1)西双版纳热带季节雨林各水文过程水量具有干季少,雨季多的季节特征;在垂直方向上,各水文过程水量逐层减少,对上层水文过程的截留率不等:其中穿透雨占降雨量的比例最高(49.05%),对上层水文过程截留率最高的为0-20cm壤中流对凋落物淋洗液的的截留(61.70%)。与降雨强度大,雨量多的其他热带地区相比,西双版纳热带季节雨林冠层和表层土壤对上级水文过程的截留率高。  2)热带季节雨林各水文过程的DOC和DIC浓度与水量的季节动态相反:雨季低,干季高;颗粒态碳因其来源和对水量的反应机制与溶解态碳不同,引起各水文过程的PIC和POC浓度的季节动态差异。各水文过程碳组分的生物地球化学过程的变化,使得温度对各水文过程不同碳组分动态的影响不一致,这与其他研究得出的水量是碳动态决定因素的结论相悖。  各碳组分通量的季节动态与水量的一致,但和浓度不同,表明在时间尺度上,水量对各组分碳通量具有决定性的作用,本研究的结果支持不同生态系统相同水文过程碳通量的决定因素是水量的观点。热带季节雨林垂直方向的各水文过程因碳源不同所致的浓度差异大于水量差,使得垂直方向上各水文过程的碳通量不仅取决于水量也取决于浓度。  3)降雨、穿透雨、凋落物淋洗液和0-20cm壤中流的δ13CDoC季节变幅较鲜叶、凋落物和土壤的δ13C大,且DOC浓度随着地上水文过程向下的方向,占全碳额比例逐渐增加,到0-20cm壤中流后骤减,表明各水文过程的DOC源有季节性,表层土壤是地上水文过程输送的DOC汇,预示热带季节雨林的水文过程对土壤碳循环有影响,尤其是在降雨丰富,各水文过程输入DOC量多的雨季。  集水区溪流水的DOC源受降雨事件的影响有显著的季节动态,使得集水区溪流水的DOC浓度具有显著的季节动态:雨季,溪流水的DOC主要由δ13CDOC比较高的深层壤中流和地下水补给,DOC浓度最小;干热季,溪流水DOC在无降雨事件时来自于深层土壤水,降雨时来自表层土壤和凋落物,DOC浓度最高;雾凉季溪流水DOC主要来自深层土壤水,降雨对DOC源的影响弱于地下水,DOC浓度居中。  4)热带季节雨林森林生态系统各水文过程的碳源不同和环境因子对碳浓度的影响,致使降雨(48.88%)、穿透雨(64.37%)、凋落物淋洗液(81.62%)、树干径流(83.36%)、0-20cm(56.69%)和0-40cm(53.51%)壤中流输送的碳以DOC为主,但0-60cm壤中流(50.82%)和溪流水则以DIC(50.71%)为主。  5)各水文过程在森林生态系统碳循环中的地位不同,通量最大的水文过程为凋落物淋洗液,其年碳通量(167.26 kg C ha-1yr-1)相当于年NEE的10.02%,凋落物呼吸的5.15%。表层土壤输出的碳仅为凋落物淋洗液输入碳量的6.24%,表明森林生态系统地上水文过程是土壤的碳源,预示新鲜活性碳的输入将参与碳的生物地球化学循环,促进表层土壤碳排放。  集水区溪流水输出的碳相当于热带季节雨林森林生态系统NEE的2.98%,对森林生态系统碳平衡影响较小,与在Amazon流域和北方温带森林研究得出的溪流/河流输出的碳在区域碳循环的权重较大的结论相悖。  以上研究结果表明热带季节雨林水文过程的水量、各组分碳浓度、碳通量有时空动态。垂直方向的各水文过程碳源汇能力差异较大,最大源为凋落物淋洗液,最大汇为0-20cm土壤。溪流水是热带季节雨林水文过程碳输出的主要路径,相比于其他热带季节雨林其碳输出量小,对热带季节雨林的碳平衡影响较小。可见,热带季节雨林森林水文过程中碳通量最大的是凋落物淋洗液,为明确其对森林碳平衡的影响,需深入开展凋落物淋洗液在表层土壤碳循环的生物地球化学过程的研究。  
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