張一平,武傳勝,梁乃申,沙麗清,羅 鑫,劉玉洪

1 中國(guó)科學(xué)院熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650223 2 中國(guó)科學(xué)院哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站， 景東 676209 3 日本國(guó)立環(huán)境研究所， 筑波 305-8506 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

哀牢山亞熱帶常綠闊葉林森林土壤溫濕特征及其對(duì)溫度升高的響應(yīng)

張一平1,2,*,武傳勝2,4,梁乃申3,沙麗清1,2,羅 鑫2,劉玉洪1,2

1 中國(guó)科學(xué)院熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650223 2 中國(guó)科學(xué)院哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站， 景東 676209 3 日本國(guó)立環(huán)境研究所， 筑波 305-8506 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

為把握土壤溫度對(duì)未來全球氣候變暖的響應(yīng)程度，評(píng)估氣候變暖對(duì)亞熱帶森林土壤呼吸的影響，利用在哀牢山亞熱帶常綠闊葉林中設(shè)置的土壤增溫和土壤呼吸人工控制實(shí)驗(yàn)2011—2013年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過分析，得到如下結(jié)果：環(huán)境溫度的升高不會(huì)改變林內(nèi)的近地層氣溫、土壤溫度和土壤含水量的年變化和日變化規(guī)律；冬季和夜間增溫效應(yīng)大于夏季和晝間；增溫會(huì)導(dǎo)致土壤含水量降低，雨季的效應(yīng)大于干季；增溫導(dǎo)致的升溫效應(yīng)和降低土壤水分效應(yīng)具有一定的年變化，但是基本沒有日變化；所設(shè)置的人工增溫控制實(shí)驗(yàn)的年平均增溫在2.0 ℃左右，所設(shè)置人工控制實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到5 cm土壤增溫2.0 ℃的設(shè)計(jì)要求，可為其后探討土壤呼吸對(duì)溫度升高的響應(yīng)提供良好的基礎(chǔ)保證。

氣候溫暖化; 土壤溫度; 紅外增溫; 亞熱帶常綠闊葉林; 哀牢山

全球氣候變化已成為世界關(guān)注的問題。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告[1]指出：在過去的100年里全球平均溫度升高了(0.74±0.18) ℃。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林大量地吸收固定大氣中的CO2，成為巨大的碳匯。全球森林的碳貯量約占全球植被的77%，森林土壤的碳貯量約占全球土壤的約71%，其中熱帶和亞熱帶森林的碳貯量約占全球土壤的約25%[2-3]。但是，森林破壞將增大溫室氣體等的排放，毀林已成為僅次于化石燃燒的大氣的重要排放源[2]。由此可見，森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)與平衡中具有極為重要的和不可替代的地位和作用。而在森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤-植被-大氣間物質(zhì)交換，特別是森林生態(tài)系統(tǒng)的碳收支對(duì)全球氣候變化的影響與反饋?zhàn)饔?，已?jīng)成為全球變化和可持續(xù)發(fā)展研究中的關(guān)鍵問題之一。

全球溫度上升越高，對(duì)人類社會(huì)和自然生態(tài)的影響就越大，IPCC評(píng)估報(bào)告[1]認(rèn)為，未來全球溫度升高不超過2 ℃時(shí)，導(dǎo)致的影響有正有負(fù)，而負(fù)面影響更多一些；權(quán)衡氣溫上升帶來的損失，人類社會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化、減緩溫室氣體排放的成本和代價(jià)，以及國(guó)際社會(huì)行動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可能性，經(jīng)過多次協(xié)商與交流，最終在哥本哈根大會(huì)上達(dá)成的共識(shí)，未來氣候升溫將控制在2 ℃。因此在很多預(yù)測(cè)未來氣候變化的模型的情境設(shè)定中，全球溫度升高2 ℃是公認(rèn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

在大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤呼吸的碳通量?jī)H次于光合作用的碳通量[4]。以森林土壤為主的土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)，達(dá)15500億t，是大氣中碳儲(chǔ)量的2倍，是全球植被中的3倍[5]。另一方面，由于植物根系的新陳代謝作用(根呼吸)和土壤微生物的分解作用(微生物呼吸)同時(shí)會(huì)有大量的有機(jī)碳被釋放到大氣中。根呼吸和微生物呼吸的總和通常被稱之為土壤呼吸。導(dǎo)致土壤呼吸的主要環(huán)境因子是溫度和土壤水分。除土地利用變化外，全球溫度上升將促進(jìn)土壤呼吸，加速土壤中儲(chǔ)存的碳向大氣中排放，進(jìn)而加劇全球變化。

近10年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能特性和土壤理化性狀影響的模擬實(shí)驗(yàn)已開展，但多是設(shè)置在農(nóng)田和草地[6- 12]，其研究取得了可喜的成績(jī)，其中一些結(jié)果對(duì)于傳統(tǒng)的陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)理論和模型系數(shù)等進(jìn)行了科學(xué)的糾正，對(duì)揭示了全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響和相互之間的響應(yīng)耦合關(guān)系提供了相應(yīng)的支持；但是對(duì)于作為全球陸地碳循環(huán)主體的森林生態(tài)系統(tǒng)的野外生態(tài)學(xué)控制實(shí)驗(yàn)尚不多見。

位于云南哀牢山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)的哀牢山生態(tài)站，作為國(guó)家野外臺(tái)站和中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)的森林站，在堅(jiān)持長(zhǎng)期生態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也開展了相應(yīng)的研究。由于在亞熱帶常綠闊葉林分布區(qū)域的山地具“冬暖夏涼”氣候特征，山地垂直地帶性與緯向水平地帶性存在分異；導(dǎo)致該地區(qū)具較高地溫(年均值地溫比氣溫高2.5—3.0 ℃，全年地積溫比氣積溫高900—1100 ℃)[13- 15]；通過對(duì)哀牢山地區(qū)長(zhǎng)期觀測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)氣溫在林內(nèi)與林外都具有顯著的上升趨勢(shì)；林內(nèi)各深度土壤溫度均呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)；林外僅在15、20 cm深度土壤溫度有明顯升溫趨勢(shì)；林外氣溫上升的趨勢(shì)要高于林內(nèi)；而地溫上升趨勢(shì)則是林外低于林內(nèi)；并且在0—20 cm深度，林內(nèi)土壤溫度上升趨勢(shì)是林外的2倍[16]；且林內(nèi)各層地溫均低于同層的林外地溫；其年變幅和日變幅也小于林外[17]；對(duì)土壤含水量的研究表明：哀牢山亞熱帶常綠闊葉林不同深度基本上隨著土壤深度的增加而降低,波動(dòng)范圍也逐漸減小，土壤含水量雨季高于旱季[18]；常綠闊葉林的具有較強(qiáng)的土壤涵養(yǎng)水功能[19]；森林地上地下的碳分配對(duì)土壤有機(jī)碳具有影響[20- 23]；對(duì)森林碳平衡的研究表明[24]，亞熱帶常綠闊葉林雖然已是300多年的老齡林，但仍是一個(gè)較大的碳匯；利用處于相近緯度的3個(gè)亞熱帶常綠林的數(shù)據(jù)，分析表明：溫暖化將極大的促進(jìn)亞熱帶常綠林的土壤呼吸作用 (敏感性高)，而促進(jìn)光合作用效果不顯著(敏感性低)；因此伴隨著溫度的上升，亞熱帶常綠林的碳匯作用將不斷變?nèi)鮗25]。如此看來，伴隨全球變暖，森林的土壤溫度也將上升，將影響森林土壤碳排放，導(dǎo)致森林碳平衡發(fā)生改變。因此，在全球氣候變暖情境下，森林土壤溫濕度的特征、變化規(guī)律是否發(fā)生改變？對(duì)土壤呼吸會(huì)有什么影響？乃是人們關(guān)注的問題。

本研究將選擇我國(guó)主要林區(qū)哀牢山亞熱帶山地常綠闊葉林為研究對(duì)象，通過設(shè)置人工控制增溫實(shí)驗(yàn)，采用原地人工控制增溫的方式，模擬溫度升高后，對(duì)森林土壤溫濕特征、變化規(guī)律的改變狀況開展研究，以期為區(qū)域氣候變暖后森林土壤呼吸的變化，乃至森林碳循環(huán)評(píng)估提供支持。

1 研究概況與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)域位于哀牢山亞熱帶山地常綠闊葉林，哀牢山源于云南境內(nèi)西北部的云嶺山系，縱貫云南中南部500 km。哀牢山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)常綠闊葉林面積為34483 hm2，是目前我國(guó)亞熱帶常綠闊葉林保存面積最大的保護(hù)區(qū)，其植物種類豐富、區(qū)系成分復(fù)雜，群落類型多樣、垂直帶譜完整，過渡性特征明顯，是我國(guó)現(xiàn)有保存最完好的亞熱帶常綠闊葉林之一。研究地位于云南省景東縣境內(nèi)的哀牢山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)。森林植被類型為原生的亞熱帶山地常綠闊葉林，主要由殼斗科、茶科、樟科和木蘭科的種類組成，而殼斗科的木果柯(Lithocarpusxylocarpus)、硬殼柯(Lithocarpushancei)、變色錐(Castanopsisrufescens)，茶科的南洋木荷(Schimanoronhae)、折柄茶(Hartiasinensis)、蒙自連蕊茶(Camelliaforrestii)，樟科的黃心樹(Machilusbombycina)、黃丹木姜子(Litseaelongata)，木蘭科的紅花木蓮(Manglietiainsignis)、多花含笑(Micheliafloribunda)是喬木層的主要組成成分，是群落的主要優(yōu)勢(shì)樹種。該群落結(jié)構(gòu)可分為喬木層(Ⅰ、Ⅱ)、灌木層和草本層。

研究樣地位于哀牢山自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)的徐家壩地區(qū)(24°32′N、101°01′E；海拔高度2400—2600 m)。年平均氣溫11.0 ℃，最熱月(7月)平均氣溫15.3 ℃，最冷月(1月)平均氣溫5.1 ℃。一年中干濕季分明，多年平均年降雨量1881.5 mm，其中雨季(5—10月)為1607.3 mm(占全年的85.4%)，干季(11—4月)為274.2 mm(僅占全年的14.6%)。該地區(qū)的土壤為山地黃棕壤，其特征為：地表幾乎為植被凋落物所覆蓋，厚度一般3—7 cm；土壤腐殖質(zhì)呈棕黑色，厚達(dá)10—15 cm；礦質(zhì)土層質(zhì)地疏松，以團(tuán)粒結(jié)構(gòu)為主。表土層透水性良好，涵養(yǎng)水的能力很強(qiáng)；有機(jī)質(zhì)含量較高，含氮量豐富；碳氮比適中，土壤呈酸性(pH < 5)；陽(yáng)離子交換量較高，高于水平地帶的黃棕壤。成土母質(zhì)大體是由古生代板巖、微晶片巖、綠泥片巖、石英片巖、石英巖等組成，風(fēng)化物粗松，多發(fā)育成山地棕壤或黃棕壤。0—30cm土層土壤偏酸性(pH為4.2)，有機(jī)質(zhì)含量為5—9%，土壤有機(jī)碳(C，5.030%，0.3 m深的土壤有機(jī)碳含量為36 kg/m2)、氮(N，0.346%)、磷(P，0.073%)、鉀(K，0.370%)。

1.2 研究?jī)?nèi)容

利用設(shè)置的土壤增溫對(duì)森林土壤碳排放影響人工控制實(shí)驗(yàn)，采用原地人工控制增溫的方式，通過對(duì)土壤增溫和土壤呼吸自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，揭示區(qū)域土壤溫度和含水量特征和變化規(guī)律，及在區(qū)域氣候變暖情境下土壤溫度和含水量特征的響應(yīng)狀況，為分析森林土壤呼吸對(duì)區(qū)域氣候變暖的響應(yīng)提供基礎(chǔ)。

1.3 研究方法——人工控制實(shí)驗(yàn)

本研究的人工控制增溫實(shí)驗(yàn)設(shè)置在風(fēng)速較弱，直接輻射較小的亞熱帶常綠闊葉林內(nèi)，采用大型多點(diǎn)自動(dòng)開閉箱式土壤呼吸自動(dòng)連續(xù)測(cè)定方法。共使用了20個(gè)呼吸箱(長(zhǎng)90 cm × 寬90 cm × 高50 cm)，設(shè)置了對(duì)照、增溫、切根和去凋4種處理(每種處理5個(gè)重復(fù))。20個(gè)呼吸箱的測(cè)定循環(huán)為1h，每個(gè)呼吸箱的測(cè)定時(shí)間為3min(即每個(gè)呼吸箱每小時(shí)關(guān)閉3min，其余的57min內(nèi)其兩扇蓋子成90°完全張開，風(fēng)，雨，枯枝落葉會(huì)自由進(jìn)入呼吸箱，從而保證呼吸箱內(nèi)的溫度，土壤濕度以及凋落物與外界一致)。各個(gè)呼吸箱的開閉，空氣采樣的控制由一個(gè)可編程數(shù)采(CR1000, Campbell)通過一個(gè)多頻道采樣裝置來實(shí)現(xiàn)。土壤呼吸的測(cè)定方式為閉路式。當(dāng)呼吸箱關(guān)閉后，箱內(nèi)CO2濃度的變化由一臺(tái)紅外CO2測(cè)定儀(LI-820, Li-Cor)來測(cè)定，CR1000數(shù)采每10秒鐘記錄1次數(shù)據(jù)。另外，各個(gè)呼吸箱內(nèi)的近地層(30 cm)氣溫和5 cm深度的土壤溫度由熱電偶溫傳感器，土壤含水量(10 cm)采用SM300土壤水分傳感器(ΔT公司，澳大利亞)測(cè)定，設(shè)置在呼吸箱中部。數(shù)據(jù)通過一個(gè)62/124頻道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(NS62/124S, NorthStar, 上海)記錄到CR1000數(shù)采中。本研究模擬未來溫度升高2 ℃，增溫采用碳素紅外輻射器作為人工土壤增溫處理的熱輻射源。由45cm長(zhǎng)的碳棒紅外輻射器(800 W)和一個(gè)寬度為15 cm的拱形熱反射(防雨)板組成，增溫輻射源是固定在呼吸箱上方2.3 m處，其輻射面積大于3 m2，呼吸箱位于輻射中部區(qū)域，且使用了透明的有機(jī)玻璃箱體，盡可能減小了箱體側(cè)邊造成增溫死角。在呼吸箱箱體內(nèi)(中下部)安裝2個(gè)小氣扇，左右各1個(gè)，在采樣期間工作，盡量保證箱內(nèi)氣體環(huán)境的同質(zhì)性。因?yàn)樵谝巴?，尤其是森林?nèi)進(jìn)行增溫實(shí)驗(yàn)面臨發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，所以紅外輻射加熱器還配備了自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，在支撐加熱器的支架發(fā)生大約60°傾斜時(shí)，或受到樹木落枝等外力而發(fā)生微弱振動(dòng)時(shí)，加熱系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電。

人工控制實(shí)驗(yàn)于2010年10月設(shè)置，在2010年12月底開始實(shí)施增溫。本研究使用了對(duì)照處理(5個(gè)呼吸箱)和增溫處理(5個(gè)呼吸箱)的近地層氣溫、土壤溫度(2011—2013年)和土壤含水量(2012—2013年)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 研究結(jié)果

2.1 亞熱帶常綠闊葉林土壤溫濕度特征及其變化規(guī)律

圖1給出了氣溫、土壤溫度和土壤含水量的時(shí)間變化和年變化，可見，不論是對(duì)照處理，還是增溫處理，控制實(shí)驗(yàn)的近地層氣溫和土壤溫度均呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，干季溫度均較低，雨季均較高，平均溫度1月最低，7月最高；土壤含水量對(duì)照處理和增溫處理同樣呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)，但是，2—5月均較低，最低值出現(xiàn)在干季末期的4月，8——10月均較高，最高值出現(xiàn)在雨季的8月(圖1)。

圖1 氣溫、土溫和土壤含水量時(shí)間變化Fig.1 Variations of air temperature, soil temperature and soil water content along time

從對(duì)照處理和增溫處理的近地層氣溫、土壤溫度和土壤含水量的年、日變化(圖2)可見，近地層氣溫(圖Ta-C和Ta-W)不僅年變化明顯，日變化也較顯著，且最高溫度在16時(shí)左右，整體上，4—8月的13—19時(shí)，近地層氣溫均較高；不同處理的土壤溫度(Ts-C，Ts-W)和土壤含水量(Sw-C，Sw-W)，雖然具有明顯的年變化(1月最低，7月最高)，但日變化不顯著。

2.2 亞熱帶常綠闊葉林土壤溫濕度對(duì)氣候變暖的響應(yīng)

將增溫處理數(shù)值減去對(duì)照處理可作為增溫后近地層氣溫、土壤溫度和濕度對(duì)氣候變暖的響應(yīng)。

從圖3可見，增溫處理呈現(xiàn)明顯的效應(yīng)，近地層氣溫(ΔTa)，在12—4月的增溫效應(yīng)較強(qiáng)，平均氣溫多高于2 ℃，夜間可達(dá)2.4 ℃以上；6—8月增溫效應(yīng)稍弱，晝間在1.5—1.7 ℃，夜間在1.7—1.9 ℃，各月的溫差日變化均不大(約為0.5 ℃)；從土壤溫度對(duì)溫度升高的響應(yīng)(ΔTs)來看，增溫效應(yīng)冬季高于夏季(1月最高，約為2.4 ℃，7月最低，約為1.8 ℃)，基本沒有日變化；土壤含水量(ΔSw)，均顯示增溫會(huì)減小土壤含水量，雨季減少效應(yīng)較大(9月可減少9%)，干季效應(yīng)較小(干季末期的4月僅減少3%)，同樣其效應(yīng)基本沒有年變化。

圖2 氣溫，土壤溫度和土壤含水量年/日變化Fig.2 Yearly/diurnal variations of air temperature, soil temperature and soil water

圖3 增溫效應(yīng)的年/日變化Fig.3 Yearly/diurnal variations of warming effects

圖4 近地層氣溫、土壤溫度和土壤含水量對(duì)增溫的響應(yīng) Fig.4 Responses of air temperature near soil surface, soil temperature, and soil water content to warming

增溫效應(yīng)的平均值的年變化如圖4所示，可見，近地層氣溫和土壤溫度的增溫效應(yīng)具有一定的年變化，在1—4月較大(2月最大，分別為2.4 ℃和2.5 ℃)，6—7月較小(6月最小，分別為1.5 ℃和1.7 ℃)，并且多數(shù)月份土壤溫度的效應(yīng)大于近地層氣溫，在8月差異最明顯。土壤含水量效應(yīng)均為負(fù)值，顯示了溫度升高會(huì)導(dǎo)致土壤含水量的降低，7—12月減少效應(yīng)明顯(7月降低9%)，1—6月減少效應(yīng)較小，特別是5月僅僅減少了0.7%。

干季、雨季和年平均情況見表1，從增溫效應(yīng)來看(增溫-對(duì)照)，近地層氣溫和土壤溫度增溫效應(yīng)干季的稍大(2.2，2.3 ℃)，雨季稍低(1.5，1.9 ℃)，年平均來看，近地層氣溫升高1.9 ℃，土壤溫度升高2.1 ℃，達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)模擬未來氣候變化2.0 ℃的要求，能夠?yàn)槲磥砟M氣候升溫后的狀況提供依據(jù)。增溫會(huì)降低土壤含水量，干季降低5.5%，雨季降低6.9%，年平均降低6.1%。

表1 不同季節(jié)氣溫、土壤溫度和土壤含水量及其增溫效應(yīng)Table 1 Air temperature (Ta), soil temperature (Ts), soil water content (Sw), and their warming effects in different seasons

3 討論

目前全球變化研究中未來增溫控制在2.0 ℃是普遍認(rèn)可的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，本研究的結(jié)果顯示，所設(shè)置的人工增溫控制實(shí)驗(yàn)的溫度年平均增溫在2.0 ℃左右，可以認(rèn)為，所設(shè)置人工控制實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到增溫約2.0 ℃的設(shè)計(jì)要求，其增溫效果好于在川西亞高山人工云杉林使用原位OTCs模擬增溫方法進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)(林下平均氣溫和平均土壤溫度分別比對(duì)照提高了0.42 ℃和0.25 ℃)[26]；并且認(rèn)為，在風(fēng)速較弱，直接輻射較小的原始森林內(nèi)，使用固定式增溫方法，所達(dá)到的增溫效果較穩(wěn)定，可以避免因?yàn)橥寥缹?duì)溫度響應(yīng)的滯后帶來的溫差變化，同時(shí)簡(jiǎn)化了增溫實(shí)驗(yàn)。另外，本研究團(tuán)隊(duì)利用哀牢山生態(tài)站長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究表明，哀牢山亞熱帶常綠闊葉林的土壤溫度呈現(xiàn)較明顯的變暖趨勢(shì)[16]，哀牢山亞熱帶常綠闊葉林的氣溫和土壤溫度均呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(shì)，因此本研究的結(jié)果可為其后探討土壤呼吸對(duì)溫度升高的響應(yīng)研究提供良好的基礎(chǔ)保證(其分析正在進(jìn)行中)。并且本研究的結(jié)果表明，在未來溫度升高的情境下，區(qū)域的氣溫和土壤溫度以及土壤含水量的變化特征不會(huì)改變。值得注意的是，伴隨溫度的升高，土壤含水量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且雨季的降低幅度大于干季。本地區(qū)的研究表明，土壤呼吸不僅受到土壤溫度的影響，還受到土壤含水量的影響[23]。因此伴隨增溫導(dǎo)致的土壤含水量降低對(duì)土壤呼吸的影響也是下一步研究中需要關(guān)注的問題。

4 結(jié)論

(1) 溫度升高不會(huì)改變林內(nèi)的近地層氣溫、土壤溫度和土壤含水量的年變化和日變化規(guī)律；

(2)在設(shè)定增溫效應(yīng)為2.0 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下，在冬季和夜間增溫效應(yīng)大于夏季和晝間；增溫會(huì)導(dǎo)致土壤含水量降低，雨季的效應(yīng)大于干季；

(3)增溫導(dǎo)致的升溫效應(yīng)和降低土壤水分效應(yīng)具有一定的年變化，但是基本沒有日變化，顯示了在風(fēng)速較弱，直接輻射較小的原始常綠闊葉林內(nèi)，使用固定式增溫方法，所達(dá)到的增溫效果是較穩(wěn)定的。

(4)所設(shè)置的人工增溫控制實(shí)驗(yàn)的溫度年平均增溫在2.0 ℃左右，可以認(rèn)為，所設(shè)置人工控制實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到增溫2.0 ℃的設(shè)計(jì)要求，可為其后探討土壤呼吸對(duì)溫度升高的響應(yīng)提供良好的基礎(chǔ)保證。

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Responses of soil temperature, moisture and respiration to experimental warming in a subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Mountains, Yunnan

ZHANG Yiping1,2,*,WU Chuansheng2,4, LIANG Naishen3,SHA Liqing1,2, LUO Xin2, LIU Yuhong1,2

1KeylaboratoryofTropicalForestEcology,XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Kunming650223,China2AilaoshanStationforSubtropicalForestEcosystemStudies,Jingdong676209,China3GlobalCarbonCycleResearchSection,CenterforGlobalEnvironmentalResearch,NationalInstituteforEnvironmentalStudies,Tsukuba305-8506,Japan4UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The soil-surface carbon flux is comparable to that of photosynthesis in terrestrial ecosystems. Much soil carbon flux to the atmosphere is due to rhizosphere metabolism (root respiration) and the decomposition of soil microbes (microbial respiration), which are both very sensitive to temperature. With soil temperatures increasing, soil respiration will increase, thereby accelerating global change. To improve our understanding of the response of soil temperature to future warming and to assess the potential effects of global warming on soil respiration in subtropical forests, we experimentally warmed subtropical evergreen broad-leaved forest soils in Ailao Mountain Southwest, China and measured their respiration. This experiment was conducted at the Ailaoshan Station for Subtropical Forest Ecosystem Studies (24°32′N, 101°01′E; 2480 m above sea level) of the Chinese Ecological Research Network, Jingdong County, Yunnan Province. The annual mean air temperature was 11.0℃, with a maximum monthly mean temperature of 15.3℃ in July and a minimum monthly mean temperature of 5.1℃ in January. The site has strong rainy seasons (May to October) and dry seasons (November to April the following year). The average annual rainfall was 1882 mm, with 1607 mm (85.4% of the annual total) in the rainy season and 274.2 mm in the dry season (14.6% of the annual total). The soil is yellow brown in this area. Litterfall accumulates to 3—7 cm. Soil humus is dark brown and 10—15 cm thick. The mineral soil layer is loose and dominated by soil aggregates. Surface soils have high water permeability and water conservation ability, high organic carbon, and a pH of 4.5—5. Our artificial warming experiment was conducted in a subtropical forest where wind speed and radiation are both low at the surface. A multi-channel automated chamber system was used to continuously monitor soil CO2effluxes. The system was comprised of 20 automatic chambers (length 90 cm × width 90 cm × height 50 cm) and a control box, and the 20 chambers were divided into 4 treatments (5 chambers per treatment): control, litter removal, trenching, and infrared light warming. The soil efflux of each chamber was measured automatically each hour and environmental factors were measured each half hour. When measuring soil efflux, the chamber was closed for 3 min, then opened for 57 min by opening its lid. Thus, environmental conditions (e.g., wind, rainfall, and litterfall) in chambers were similar to those outside. In the artificial warming experiment, variations in soil temperature and soil water content were observed along with soil respiration. Based on measurements from 2011 to 2013, we concluded that warming did not change the seasonal and diurnal patterns of air temperature near the soil surface, soil temperature, or soil water content of the forest. The warming effects in winter and nighttime were greater than in summer and daytime. Warming decreased soil water content to a larger extent in the rainy season than in the dry season. The temperature increase and soil water decrease resulting from warming had seasonal variations, but not diurnal variations. The experimental warming increased the annual soil temperature by about 2℃; therefore, the warming treatment reached the goal of increasing soil temperature at 5 cm by 2℃. Our infrared warming method achieved a relatively stable warming effect without time lags in soil-temperature variations in the primary subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Mountain. In this subtropical evergreen broad-leaved forest, soil temperature has previously shown a significant warming trend, so this study can supply information about soil respiration responses. This study also showed that variation in local air temperature, soil temperature, and soil-water content will not change under global warming, but soil-water content will decline with increased temperature, especially in the rainy season. In the forest, soil respiration is affected not only by soil temperature, but also by soil water content. As warming decreases soil water content, the effects of soil water content variation on soil respiration should be examined in future research.

global warming； soil temperature； infrared heating； subtropical broad-leaved forest; Ailao Mountains

云南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2011FA025)；國(guó)家基金-云南省聯(lián)合項(xiàng)目(U1202234); 國(guó)家基金重大項(xiàng)目(31290220); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性專項(xiàng)項(xiàng)目(XDA05050601, XDA05050206)

2014- 03- 26;

日期:2015- 04- 20

10.5846/stxb201403260562

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yipingzh@xtbg.ac.cn

張一平,武傳勝,梁乃申,沙麗清,羅鑫,劉玉洪.哀牢山亞熱帶常綠闊葉林森林土壤溫濕特征及其對(duì)溫度升高的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(22):7418- 7425.

Zhang Y P，Wu C S, Liang N S,Sha L Q, Luo X, Liu Y H.Responses of soil temperature, moisture and respiration to experimental warming in a subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Mountains, Yunnan.Acta Ecologica Sinica,2015,35(22):7418- 7425.