土壤濕度對溫帶森林土壤凍融過程中二氧化碳排放的研究

周澤文 周建東

摘 要：由于受到東亞季風(fēng)和地區(qū)氣溫的影響，長白山地區(qū)林地土壤每年春初秋末凍融過程顯著;而且土壤濕度的變化可能會對該地區(qū)土壤的溫室氣體的凈通量產(chǎn)生影響。然而，由于土壤濕度的空間異質(zhì)性存在巨大差異，且野外研究和室內(nèi)土壤凍融實(shí)驗(yàn)預(yù)處理的土壤濕度梯度較少，導(dǎo)致土壤初始濕度對凍融期間二氧化碳排放研究不夠深入。

關(guān)鍵詞：土壤濕度;森林土壤;二氧化碳;排放

一、研究區(qū)域概況

本文的研究區(qū)域位于中國科學(xué)院長白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站（42°24′N，128°28′E），平均海拔高度為738m，地下水位約為9m。長白山地為典型的溫帶大陸性山地氣候，受東亞季風(fēng)氣候的強(qiáng)烈影響。該地區(qū)無霜期短（全年約120d）而冰凍期長，春季干燥而多風(fēng)，夏季溫暖而短暫，降雨量較大，秋季涼爽多霧，冬季漫長而晴朗寒冷，常有積雪覆蓋;該地區(qū)年均氣溫是3.6℃，1月份（最冷月）平均溫度是-15.6℃，而7月份（最熱月）平均溫度是19.7℃;極端最高氣溫32.3℃，極端最低氣溫-37.6℃。年降水量約在600mm至900mm之間，多年平均降雨量是855mm，其中約有88%的降雨發(fā)生于每年的4月至9月。土壤為火山灰發(fā)育的溫帶森林暗棕壤。

1.計(jì)算與統(tǒng)計(jì)方法

培養(yǎng)過程中根據(jù)每個(gè)處理與無土壤的空白容器中氣體CO2和N2O濃度差異以及培養(yǎng)時(shí)間算出每次不同處理土壤源CO2和N2O的瞬間通量，單位分別為mgCO2-Cm-2h-1和?gN2O-Nm-2h-1。CO2和N2O的累積通量是將培養(yǎng)期間每次采樣測得的CO2和N2O凈通量累加，單位分別為gCO2-Cm-2和mgN2O-Nm-2。

二、不同土壤濕度對溫帶森林土壤凍融過程中二氧化碳（CO2）排放的影響

二氧化碳（CO2）作為主要的溫室氣體之一，產(chǎn)生的途徑有很多種，城市中大量汽車尾氣的排放，化石燃料的燃燒，土壤中微生物的異養(yǎng)呼吸作用等均會產(chǎn)生大量CO2，而二氧化碳又會造成大氣臭氧層的破壞，引起溫室效應(yīng)，因此，對于二氧化碳的研究就十分必要。

1.二氧化碳（CO2）的瞬時(shí)排放率

在不同的濕度條件下，次生白樺林和闊葉紅松混交林凍融過程二氧化碳瞬間排放量隨土壤培養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律，由圖可見，在解凍后第一天時(shí)（55～75h）不同濕度的土壤中二氧化碳（CO2）瞬間釋放率達(dá)到峰值（見表2.1），之后在75～100h之間急速下降，瞬間釋放率降低，并且逐漸趨于平緩。

綜合分析圖表2.1可以發(fā)現(xiàn)，土壤濕度對于次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林的影響從20%WFPS開始的，當(dāng)濕度處于10%WFPS的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤的CO2瞬時(shí)排放速率幾乎沒有改變，在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)均處于平緩排放，當(dāng)濕度達(dá)到20%WFPS的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤的CO2瞬時(shí)排放速率均明顯提高，各點(diǎn)速率變化較為明顯，當(dāng)土壤濕度逐漸提升，從30%WFPS升高至80%WFPS的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤對于CO2的釋放速率的增長下降，當(dāng)處于這幾個(gè)WFPS的時(shí)候，各個(gè)濕度在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的CO2排放速率變化不大，當(dāng)濕度達(dá)到90%的時(shí)候，次生白樺林土壤和闊葉紅松混交林土壤對于CO2的瞬時(shí)排放速率急速下降減緩，與之前幾個(gè)濕度相比，落差較大。

2.二氧化碳（CO2）的累計(jì)排放量

所謂CO2累計(jì)排放量是指某個(gè)濕度條件下，經(jīng)計(jì)算出的CO2瞬時(shí)排放率乘以24h加上前一天的瞬時(shí)排放率乘以24的數(shù)值，CO2的累計(jì)排放量表達(dá)出了在不同的演替過程中森林土壤異養(yǎng)呼吸的差異與預(yù)期土壤的活性碳庫有很大的關(guān)聯(lián)。從累計(jì)排放量中我們可以看出，在10～90%的WFPS下，CO2的累積排放量是逐漸緩步提升的，由每個(gè)點(diǎn)的切變程度可以看出累積排放量持續(xù)處于上升狀態(tài)。

三、結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)今的環(huán)境，可以知道土壤凍融過程的加劇是由于全球氣候變化引起的，而長白山地區(qū)由于其獨(dú)特的地理、氣候條件，首先受到影響。本實(shí)驗(yàn)以長白山兩種演替階段的森林土壤為研究對象，利用均質(zhì)土壤構(gòu)建模擬土柱，從而深入分析不同濕潤程度下溫帶森林土壤凍融過程中溫室氣體凈通量的單一和交互影響，并通過分析實(shí)驗(yàn)前后的土壤有效碳、氮含量的變化來研究相關(guān)機(jī)制。