秦 璐，呂光輝，* ，何學(xué)敏，張雪妮，張雪梅，孫景鑫，李嘗君，楊曉東

(1.新疆綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046;2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046;3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011;4.華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)系，上海 200241)

凍土是冰凍圈的重要組成部分，它覆蓋了全球陸地表面的很大部分，其中多年凍土約占北半球陸地表面的24%，季節(jié)性凍土則高達(dá)30%［1］。凍土分布廣泛且具有獨(dú)特的水熱特性，已成為地球陸地表面過程中一個非常重要的因子。凍土和氣候系統(tǒng)之間的協(xié)同作用，使得多年凍土成為氣候變化的敏感指示器［2］，而季節(jié)性凍結(jié)和融化層(活動層)由于更接近地表、在溫度年變化層的上部，對氣候變化更為敏感［3-4］。IPCC最大估計(jì)，由于冬季增溫和雪被變化，1901—2002年季節(jié)性凍土層面積縮小了7%，在北半球，春季凍土面積減少量高達(dá) 15%［5］。

凍土是北方和北極地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)重要的碳匯［6］。最近的估測表明多年凍土儲藏了1600PgC，約是全球陸地碳儲藏的50%，是目前大氣碳庫的2倍［7-8］，從而對穩(wěn)定氣候變化狀況具有相當(dāng)大的潛力［9］，因此對凍土區(qū)域碳源碳匯的研究已成為熱點(diǎn)。全球變暖，寒區(qū)永凍層逐漸融化、土壤溫度升高、濕度下降，使得凍土中微生物活性增加，釋放出更多的CO2［10-11］，改變了生態(tài)系統(tǒng)的源匯功能，而全球氣候變暖引起的雪被和季節(jié)性凍融變化也將進(jìn)一步影響土壤碳循環(huán)過程，正反饋影響著冬季土壤生態(tài)過程［12］，如Dutta等在西伯利亞的研究發(fā)現(xiàn)，如果該地區(qū)氣溫增加5℃，那么10%的凍土將會融化，會有大約1PgC釋放到大氣中，經(jīng)過40a大約會有40PgC釋放到大氣中［6］，空氣中增加的CO2勢必會加劇全球氣候變暖。自然或人為原因造成凍土融化，使凍土厚度或面積減少的現(xiàn)象稱為凍土退化［5］。凍土分布數(shù)值模型預(yù)測結(jié)果表明，未來全球凍土處于退化狀態(tài)［13］，在氣候持續(xù)變暖的情形下，凍土的退化速度將會進(jìn)一步加大［14］，如 Osterkamp［15］于1977—2003年在阿拉斯加地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣溫變暖、雪厚度增加，多年凍土溫度會持續(xù)上升，且自1980年以來，凍土自頂部融化的速度為10cm/a，2000年以后凍土自底部融化的速度由4cm/a上升到9cm/a。對于凍融作用的研究，目前僅限于凍土水文、凍土濕地及與凍土植被關(guān)系和凍土微生物方面［16］，而對全球變化背景下凍融作用與碳釋放的研究僅集中在近幾年，且仍具有許多不確定性［12，17-18］。Lee等［11］在阿拉斯加和西伯利亞多年凍土區(qū)的研究表明凍土碳可能非常不穩(wěn)定，并依土壤類型的不同差異顯著，這有賴于特殊景觀下的原始凍土碳的積累過程。如凍土融化可產(chǎn)生兩個完全不同的土壤環(huán)境:排水條件相對好的高地(有氧條件)和厭氧條件下排水不好的濕地，且有氧條件下碳釋放量是無氧條件下的3.9—10.0倍。因此對凍土區(qū)不同土壤類型、植被類型土壤碳的研究成為必須。此外，凍土融化深度和CO2通量觀測對準(zhǔn)確估算凍土區(qū)碳循環(huán)至關(guān)重要［19］。

中國季節(jié)性凍土面積約占國土陸地總面積的53.5%［20］，在全球變暖的背景下，凍融變化影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能［19，21］，無疑將深遠(yuǎn)地影響陸地生態(tài)系統(tǒng)過程［16，22-23］，如碳氮元素的生物地球化學(xué)循環(huán)［24-25］，濕地土壤磷吸收［22］，地表徑流和陸面水文循環(huán)過程［26-27］等。然而，國內(nèi)目前開展凍土與碳循環(huán)關(guān)系的研究很少，且側(cè)重于多年凍土。王憲偉等［28］通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)分析大興安嶺北坡多年凍土區(qū)濕地泥炭有機(jī)碳礦化的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，有機(jī)碳的礦化具有增加的趨勢，其變化范圍為24.87—112.92mg/g。模型模擬顯示在溫室氣體排放的背景下，從1980年到2100年間每10a青藏高原氣溫增加0.58℃，21世紀(jì)中期青藏高原地表凍土面積減少約39%，直至21世紀(jì)末其減少約81%［29］。

艾比湖地區(qū)位于中緯度地帶的西北干旱區(qū)，氣候干燥，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，冬季寒冷，是我國季節(jié)性凍土的主要分布區(qū)之一，其特殊的生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯功能對區(qū)域性氣候變化反應(yīng)敏感，研究其凍土厚度變化對土壤碳的影響具有十分重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。因此本文以準(zhǔn)噶爾盆地西部的季節(jié)性凍土為研究對象，采用定位連續(xù)觀測的方法測定土壤呼吸，研究了土壤呼吸在不同凍融時(shí)期的變化特征及土壤理化性質(zhì)的變化特征，并進(jìn)一步量化研究了干旱區(qū)土壤呼吸速率對季節(jié)性凍土厚度變化的響應(yīng)，旨為揭示全球變暖背景下凍土退化過程中的碳釋放機(jī)理提供理論基礎(chǔ)，并進(jìn)一步探討全球溫度升高對凍土區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)82°36'—83°50'，北緯44°30'—45°09'(圖1)。氣候極端干燥，降水稀少，蒸發(fā)量大，日照充足，冬季寒冷，夏季炎熱，屬典型溫帶干旱大陸性氣候［30］。2010年1—4月測定期間極端最低氣溫達(dá)到－33.5℃，最高氣溫18.1℃，平均氣溫－2.8℃。降雪比往年頻繁，凍土深度較往年加深。且2月底有暴雪突襲，厚度超過60cm［31］。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Study area schemes

研究區(qū)主要由農(nóng)田、撂荒地、鹽土荒漠及沙質(zhì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)組成。依據(jù)當(dāng)?shù)厮趾椭脖粻顩r的梯度變化，于研究區(qū)內(nèi)布設(shè)了一條西北-東南走向，長約15km的樣帶，樣帶內(nèi)共選定7個樣地。其中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)選于緊鄰艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)的托托鄉(xiāng)，選取不同耕作年限棉田樣地2個，撂荒地生態(tài)系統(tǒng)選取2個相似條件下棄耕不同年限的撂荒地?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)在艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)內(nèi)選取，荒漠生態(tài)系統(tǒng)包括鹽土荒漠和沙質(zhì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)，對于鹽土荒漠生態(tài)系統(tǒng)，選擇胡楊(Populus euphratica)群落和蘆葦(Phragmites australis)群落作為研究對象;而對于沙質(zhì)荒漠，選取無天然植被覆蓋的流動半流動沙丘為對象(圖1，表1)。

表1 研究樣地描述Table 1 Research sample description

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)采集

1.2.1 土壤呼吸速率測定

土壤呼吸速率采用LI-8100土壤CO2排放通量全自動測量系統(tǒng)。在每個樣地內(nèi)選擇一處地勢平坦、均勻一致的地段進(jìn)行野外測定。每個樣地設(shè)3個樣方，每個樣方之間的距離不小于20m，每個樣方設(shè)置3個樣點(diǎn)，共計(jì)9個樣點(diǎn)(圖2)。在每次測定時(shí)，提前1d將直徑20cm、高13cm的聚氯乙烯圓柱體測定基座(Soil collar)嵌入平均深度約10cm土壤中。基座經(jīng)過24 h的平衡后，土壤呼吸速率會恢復(fù)到基座放置前的水平，從而避免了由于安置氣室對土壤擾動而造成的短期內(nèi)呼吸速率的波動。

觀測期內(nèi)最低溫度達(dá)到－33.5℃，為避免儀器由于溫度太低無法正常工作，測量時(shí)將LI-8100土壤通量測量系統(tǒng)主機(jī)箱裝在保溫箱中，并用保溫材料緊密包裹，確保主機(jī)箱電路板溫度達(dá)到正常工作要求。

1.2.2 測量時(shí)間

根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥啦煌膬鋈陔A段，分別于凍結(jié)期的2010年1月、凍融期［包括土壤解凍初期(2010年3月)和土壤解凍完全期(2010年4月)］［32］，共3個時(shí)期在各樣地定點(diǎn)觀測了土壤呼吸速率。每個觀測期內(nèi)，選擇天氣穩(wěn)定的幾天進(jìn)行野外晝夜觀測，因此可忽略天氣條件引起的測量差異性，晝間每隔2 h測定1次，共7次(地方時(shí) 7:00，9:00，11:00，13:00，15:00，17:00，19:00);夜間每隔 3 h 測定 1 次，共 3 次(地方時(shí) 22:00，01:00，04:00)。

1.2.3 環(huán)境因子測定

測定土壤呼吸速率的同時(shí)，用地溫計(jì)(冀字:30260139)同步測定5、10、15、20 cm和25 cm地溫;用手持式氣象儀(Kestrel 4500NV)分別測定地表10 cm(近地面)和150 cm(大氣)溫度、濕度和風(fēng)速。

1.2.4 季節(jié)性凍土厚度測定

圖2 小樣方設(shè)計(jì)圖Fig.2 Representation of the quadrat of soil collars used in the studies

主要通過直接挖掘法確定［33］。即用鐵鍬和十字鎬在各樣地內(nèi)附近挖3個垂直土壤剖面，直至凍土層結(jié)束(即無明顯冰凍板結(jié)現(xiàn)象)，用鋼卷尺量取凍土厚度。每個樣地的凍土厚度值通過3個土壤剖面測量的平均值計(jì)算得出。

1.2.4 土壤樣品采集與處理

在各觀測點(diǎn)附近設(shè)置表面積為50cm×30cm的3個土壤剖面，按0—5cm、5—10cm深度采樣，用三點(diǎn)法均勻混合取樣，土樣裝入滅菌袋中，進(jìn)行微生物數(shù)量的測定;剩余土樣裝入密封袋，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測定。土壤水分的測定用烘干法，土壤有機(jī)質(zhì)的測定方法選用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法［34］，土壤全氮的測定用凱氏定氮法測，土壤pH值與電導(dǎo)率用玻璃電極法測，土壤容重用環(huán)刀法測［34］，土壤總孔隙度用相對密度和容重計(jì)算求得［34］，微生物數(shù)量的測定為稀釋平板法［35］，所測得的微生物種類包括:細(xì)菌、真菌及放線菌。所有樣地土壤特性見表2。

表2 各樣地不同月份土壤特性比較Table 2 Comparison of soil properties in all samples in different month

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SAS8.0中的one-way ANOVA模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Fisher LSD法進(jìn)行多重比較。文中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯著水平為α=0.05。采用 Sigmatplot10.0和Microsoft Visio 2007輔助作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期凍土厚度變化

由于4月積雪融化完全、凍土解凍完全，只將1、3月份的凍土厚度列入表3。從表中可看出，凍結(jié)期1月農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)的凍土厚度(75.0—135.0cm)高于荒漠生態(tài)系統(tǒng)(0.1—7.4cm);近地面氣溫(10cm大氣溫度)與5cm土壤溫度均高于荒漠生態(tài)系統(tǒng)。從1到3月期間，農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)凍土厚度明顯下降，相對于荒漠生態(tài)系統(tǒng)的凍土厚度減小程度較大，這是因?yàn)檗r(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)的含水量較高(表6)，且在1—3月期間，農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)近地面氣溫增溫幅度、5cm地溫增溫幅度分別為11.1—14.3℃、7.69—10.67℃，均低于荒漠生態(tài)系統(tǒng)(近地面、5cm 地溫增溫幅度為 14.27—22.87℃和 14.05—18.03℃)。由此可見，凍融期間，隨著溫度升高，土體中的地下冰發(fā)生融化，消耗了大量熱量，使凍結(jié)期時(shí)凍土厚度高的地區(qū)溫度變化小于凍土厚度低的地區(qū)，表現(xiàn)為:農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)增溫幅度低于沒有人類干擾的荒漠生態(tài)系統(tǒng)，而凍土厚度變化卻高于后者。

表3 不同時(shí)期凍土厚度及溫度變化Table 3 Changes of depth of seasonal frozen soil and temperature in different periods

為了定量說明溫度升高對凍土厚度變化的影響，分別將3種生態(tài)系統(tǒng)凍融期間凍土厚度的變化值與近地面氣溫和5cm土壤溫度的變化值做比值(表4)。

表4 每攝氏度凍土厚度變化率Table 4 Seasonal frozen soil depth change rate at per degree celsius

所有生態(tài)系統(tǒng)地溫變化引起的凍土厚度變化率均高于氣溫變化引起的凍土厚度變化率(表4)，表明地溫更能反映凍土對外界熱干擾反映的敏感程度及自身熱穩(wěn)定性。農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)每攝氏度凍土厚度變化率(7.940—12.146cm/℃)高于荒漠生態(tài)系統(tǒng)(0.039 cm/℃)，說明在干旱區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)隨著氣候的變暖，受人類干擾大的生態(tài)系統(tǒng)對外界熱干擾的敏感性更高，而自身熱穩(wěn)定性更差。

2.2 凍土厚度的影響因子

將各樣地1月份、3月份凍土厚度分別與近地面氣溫，5 cm和10 cm土壤溫度及土壤含水量做相關(guān)分析(表5)。從表中可知，不同月份凍土厚度與環(huán)境因子的相關(guān)性存在差異。其中，凍結(jié)期1月份的凍土深度與0—5cm土壤含水量為弱的正相關(guān)，與5—10cm土壤溫度和土壤含水量顯著正相關(guān)，與近地面氣溫、5cm土壤溫度達(dá)到極顯著正相關(guān)。然而，凍融初期(3月)的凍土厚度與上述環(huán)境因子均未達(dá)到顯著水平，這可能是由于觀測時(shí)不同樣地凍土厚度差異不大所致(表3)。

表5 不同月份凍土厚度與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlativity between depth of frozen soil and environmental factors in different months

2.3 凍土土壤的理化性質(zhì)變化

土壤凍融作用的本質(zhì)是土體內(nèi)水分體積變化引起的土壤特性的變化，即凍融改變了土壤結(jié)構(gòu)［24］，并對土壤的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)都產(chǎn)生重要影響［36］。1—4月，隨凍土厚度持續(xù)降低，土壤含水量在所有生態(tài)系統(tǒng)中均表現(xiàn)出凍融期比凍結(jié)期增加的趨勢(表6)，這是因?yàn)閮鋈谄诜e雪的融化，增加了土壤含水量。

表6中，土壤有機(jī)質(zhì)含量在凍結(jié)期至凍融期結(jié)束減少，是由于在凍結(jié)期，冬季雪覆蓋有效地隔離土壤與大氣，對土壤形成良好的保溫層［37］，使土壤中仍有生命活動［38］，且冬季無枯落物進(jìn)入土壤補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)，而微生物的活動又持續(xù)消耗著土壤中的有機(jī)質(zhì)含量。

農(nóng)田、荒漠和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)的微生物總數(shù)、土壤呼吸速率變化趨勢不同。在撂荒地生態(tài)系統(tǒng)中，微生物總數(shù)、土壤呼吸速率表現(xiàn)為先減少后增加，而在農(nóng)田和荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，微生物總數(shù)、土壤呼吸速率持續(xù)增加。這是因?yàn)橥寥澜鈨龀跗诹袒牡厣鷳B(tài)系統(tǒng)土壤含水量過多(35.19%)，抑制了微生物呼吸，而凍融期農(nóng)田和荒漠生態(tài)系統(tǒng)隨著融化雪水補(bǔ)給土壤水分，達(dá)到微生物活動適應(yīng)的土壤含水量(11.52%—23.09%)，進(jìn)而促進(jìn)微生物的活動。

表6 農(nóng)田、撂荒地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境因子Table 6 Soil environmental factors in farmland，abandoned and desert ecosystems

2.4 凍土厚度與土壤呼吸的關(guān)系

在艾比湖地區(qū)，4月土壤解凍完全，故在圖3中只存在1月和3月的凍土厚度與土壤呼吸速率變化值。結(jié)合表4和圖3可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)凍土厚度減小幅度大于荒漠生態(tài)系統(tǒng)(前者為70.2—128cm，后者為0—0.9cm)，而土壤呼吸速率變化則表現(xiàn)為:農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)減小，荒漠生態(tài)系統(tǒng)增加。然而隨著土壤解凍完全，所有生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸速率逐漸增高。說明在凍土解凍初期，有無人類干擾的生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸對環(huán)境的變化響應(yīng)不同，而隨著時(shí)間的推移，兩者的響應(yīng)趨于一致，即:土壤凍融完全，會向大氣中釋放碳。進(jìn)一步分析不同月份的土壤呼吸速率和凍土厚度值，發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)期，土壤呼吸速率與凍土厚度呈顯著正相關(guān)(R=0.884，P＜0.05)，而解凍期初期土壤呼吸速率與凍土厚度之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系(P＞0.05)。

3 討論

3.1 凍土厚度變化的溫度響應(yīng)特征

凍土的凍結(jié)時(shí)間受溫度的影響比較大，且同穩(wěn)定凍結(jié)的溫度相關(guān)性顯著［39］。艾比湖地區(qū)，凍結(jié)期凍土厚度與溫度、土壤含水量相關(guān)性顯著(表5，P＜0.05)，這和在甘肅隴東地區(qū)開展的研究結(jié)果一致［39］。然而與楊小利和王勁松在西北地區(qū)的研究結(jié)果稍有不同［40］，他們認(rèn)為在影響凍土的因素中，干旱區(qū)以冬季氣溫較為顯著，而半干旱半濕潤區(qū)則以地溫和封凍前的土壤水分的影響更為顯著。

在凍結(jié)期時(shí)僅從所有樣地來看，凍土厚度與溫度呈顯著正相關(guān)，卻與許多研究結(jié)果不同［39］，這主要是由不同植被類型、不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)不同等多種因素共同引起的，同時(shí)也說明研究區(qū)是個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，多種因素共同影響著其生態(tài)過程。然而從季節(jié)變化來看，隨著天氣變暖，凍土溫度增加，土壤會釋放更多的CO2，加速氣候變暖過程。

圖3 2010年1月凍土厚度和土壤呼吸速率，2010年3月凍土厚度和土壤呼吸速率Fig.3 Depth of frozen soil and soil respiration rate in January 2010，as well as depth of frozen soil and soil respiration rate in March 2010

氣候變化背景下對此復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)過程必然有更復(fù)雜的潛在影響。如氣候變暖會推后土壤凍結(jié)時(shí)間，并使融化時(shí)間提前［41］，使得霜凍日天數(shù)呈減少趨勢;暖日、生長期和無霜期天數(shù)呈增長趨勢，嚴(yán)重影響植物和作物的生長，同時(shí)氣候變化使得干旱區(qū)熱害與冷害等極端氣溫事件增加，光照資源顯著減少，水資源嚴(yán)重缺乏和分布不均，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性增加［42］。另一方面，也使荒漠植被空間分布格局和植物適宜分布范圍改變［43］，這將會影響植物演替方向和演替格局。

3.2 凍結(jié)-凍融期土壤因子的變化

楊萬勤等［23］認(rèn)為，冬季的低溫、雪被和季節(jié)性凍融循環(huán)可能通過物理、化學(xué)和生物作用對土壤生物活性、凋落物分解過程、C/N礦化、土壤物理和養(yǎng)分過程以及植物群落的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)等關(guān)鍵生態(tài)學(xué)過程施加不同程度的影響。因此，在凍融循環(huán)中，凍土厚度的變化會影響土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物數(shù)量的變化，而這些因子又正反饋于土壤呼吸速率的變化。艾比湖地區(qū)，隨著凍結(jié)層和積雪的融化過程，凍融期土壤含水量比凍結(jié)期增加。然而，在凍融期的不同階段，不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤含水量的變化不同，具體表現(xiàn)為農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量在土壤解凍前期比解凍完全期高，而荒漠生態(tài)系統(tǒng)則相反，這可能是由兩種生態(tài)系統(tǒng)不同的土壤質(zhì)地所導(dǎo)致。

隨著溫度升高，凍土厚度減少，艾比湖地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出減小的趨勢(減小率為13.63%)，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)期的冬季雪覆蓋促進(jìn)了土壤有機(jī)碳、氮的礦化［44］，而土壤微生物數(shù)量表現(xiàn)出增加的趨勢(增加率為54.9%)。是微生物對融雪的強(qiáng)烈反映［45］。季節(jié)性凍融循環(huán)能破壞凋落物的細(xì)胞，提高凋落物的可降解性［46］，釋放的碳和養(yǎng)分為存活的土壤生物群落提高了有效基質(zhì)［47］，同時(shí)，冬季低溫期間反復(fù)的凍融循環(huán)能改變土壤物理結(jié)構(gòu)和含水量分布，促進(jìn)土壤微生物活性以及有機(jī)質(zhì)礦化［48］。

將研究區(qū)凍融期土壤微生物與土壤呼吸變化量進(jìn)行擬合(圖4)，可以看出，研究區(qū)土壤微生物變化量和土壤呼吸速率變化量具有較好的二次方程擬合(R2=0.6137)，即溫度升高、凍土厚度減少對土壤微生物的影響會極大地引起土壤呼吸速率的變化。

3.3 溫度升高對季節(jié)性凍土區(qū)的影響

在前面的分析中，凍結(jié)期土壤呼吸速率與凍土厚度顯著正相關(guān)，而在解凍期兩者弱相關(guān)，土壤解凍完全時(shí)土壤呼吸速率比凍結(jié)期時(shí)明顯增加。研究結(jié)果與Ohkubo等［49］在日本的研究不同，他認(rèn)為由于研究區(qū)是微弱的碳源，故沒有發(fā)現(xiàn)土壤呼吸和凍土深度存在顯著的相關(guān)性。然而通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，除了凍結(jié)期，其他時(shí)期土壤溫度、土壤含水量與土壤呼吸均無顯著相關(guān)性，表明土壤溫度、含水量對土壤呼吸速率沒有直接影響，影響土壤呼吸的還有其他因子?？梢?，凍融循環(huán)引起的季節(jié)凍土中溫度、冰(水)、營養(yǎng)物質(zhì)、含鹽度、pH和Eh等因素的季節(jié)性振蕩［50］和日凍融循環(huán)［25］引起的日振蕩使得凍融期間土壤呼吸過程變得更為復(fù)雜。

農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)的土壤含水量在凍融初期比凍結(jié)期增加了82.3%—105.4%，過多的水分抑制了微生物活動，使土壤呼吸速率比凍結(jié)期小;但隨著溫度持續(xù)升高，土壤蒸發(fā)量增加，土壤含水量減少，促進(jìn)微生物活動，最終使土壤呼吸速率增加。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，季節(jié)性凍融循環(huán)(凍結(jié)期—凍融期)使土壤含水量持續(xù)增加，加之融雪水將地面營養(yǎng)物質(zhì)帶入土壤，促進(jìn)微生物活動，增加了土壤呼吸速率。

圖4 土壤微生物變化量和土壤呼吸速率變化量的擬合曲線Fig.4 Fitted curve about variable quantity of soil microorganism and soil respiration rate

在整個干旱區(qū)冬季的季節(jié)性凍融循環(huán)期間，農(nóng)田和撂荒地生態(tài)系統(tǒng)土壤解凍初期的土壤呼吸速率均低于凍結(jié)期和土壤解凍完全期值，而荒漠生態(tài)系統(tǒng)的呼吸速率值，自凍結(jié)期到凍融期結(jié)束持續(xù)增加。表明在季節(jié)性凍土區(qū)，不同生態(tài)系統(tǒng)類型的土壤呼吸速率對凍土厚度變化的響應(yīng)機(jī)制不同，脆弱的生態(tài)系統(tǒng)在整個凍融期會更明顯地增加土壤碳排放，如荒漠生態(tài)系統(tǒng)的增幅(0.37μmol·m－2·s－1)高于撂荒地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的增幅(0.01—0.28μmol·m－2·s－1)。Wang等［51］在中國北方森林－草原生態(tài)過渡帶的不同生態(tài)系統(tǒng)中研究發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)期的土壤呼吸速率約為0.10—0.29μmol·m－2·s－1，解凍期的速率約為0.40—1.00μmol·m－2·s－1，解凍期約是凍結(jié)期的1.38—10倍，變幅很大。王瓊等［52］研究發(fā)現(xiàn)一次凍融土壤呼吸速率顯著低于多次凍融土壤呼吸速率，說明早春凍土融化階段土壤呼吸速率高于深冬凍結(jié)期土壤呼吸速率。而今全球持續(xù)變暖，也影響著干旱區(qū)冬季土壤的凍融過程，若凍土大面積融化，土壤呼吸速率增加，會消耗較多的土壤碳儲量，勢必增加空氣中的CO2量，加劇全球變暖，正反饋影響著全球的升溫趨勢。這也和Mickan等［53］在北極苔原的研究結(jié)果相同，即溫度升高凍土融化后會增加土壤微生物活動，從而增加土壤碳釋放。

綜上所述，在凍結(jié)-凍融期對艾比湖地區(qū)不同植被類型樣地的土壤呼吸速率進(jìn)行定位觀測，研究發(fā)現(xiàn):土壤溫度在凍結(jié)期與凍土厚度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，而解凍期兩者相關(guān)性則不顯著(P＞0.05);隨著氣候變暖，干旱區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)人類干擾大的生態(tài)系統(tǒng)對外界熱干擾的敏感性更高，自身熱穩(wěn)定性更差;脆弱的生態(tài)系統(tǒng)在整個凍融期會更明顯地增加土壤碳排放，與氣候變暖形成正反饋;凍土厚度在不同時(shí)期影響土壤呼吸速率的程度不同，凍結(jié)期土壤呼吸速率與凍土厚度呈顯著正相關(guān)(R=0.884，P＜0.05)，而解凍期初期土壤呼吸速率與凍土厚度之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系(P＞0.05)。氣候變暖會降低研究區(qū)凍土深度、縮短其凍結(jié)持續(xù)時(shí)間，增加土壤碳排放速率(約為0.14—0.37μmol·m－2·s－1)，從而影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程。

然而，由于野外觀測條件的限制，無法測出解凍時(shí)溫度逐漸升高、凍土厚度逐漸減少對土壤呼吸速率的影響，也沒能得出土壤呼吸速率與凍土厚度從正相關(guān)到?jīng)]有相關(guān)性的臨界值。同時(shí)在測量期的3—4月，土壤存在白天融而夜間凍的短期凍融循環(huán)，可能影響了對凍土深度等土壤因子的準(zhǔn)確判斷。

致謝:感謝艾比湖濕地國家級自然保護(hù)區(qū)工作人員在野外工作中給予的幫助。感謝中國科學(xué)院生態(tài)與地理研究所李彥研究員對本文寫作的幫助。

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