劉彥春,尚 晴,王 磊,田 野,琚煜熙,甘家兵

1 河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,開(kāi)封 475004 2 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,開(kāi)封 475004 3 河南省寶天曼國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,內(nèi)鄉(xiāng) 474350 4 河南省雞公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,信陽(yáng) 464134 5 河南省信陽(yáng)市南灣林場(chǎng),信陽(yáng) 464031

氣候過(guò)渡帶銳齒櫟林土壤呼吸對(duì)降雨改變的響應(yīng)

劉彥春1,*,尚 晴2,王 磊1,田 野3,琚煜熙4,甘家兵5

1 河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,開(kāi)封 475004 2 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,開(kāi)封 475004 3 河南省寶天曼國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,內(nèi)鄉(xiāng) 474350 4 河南省雞公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,信陽(yáng) 464134 5 河南省信陽(yáng)市南灣林場(chǎng),信陽(yáng) 464031

作為大氣與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的第二大碳通量,土壤呼吸是評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及碳匯能力的不確定性來(lái)源之一。降雨格局改變及其導(dǎo)致的土壤水分變化是調(diào)節(jié)土壤呼吸的重要驅(qū)動(dòng)。氣候過(guò)渡帶的水熱狀況受全球降雨格局改變的影響更為明顯,揭示該區(qū)域森林土壤呼吸對(duì)降雨改變的響應(yīng)規(guī)律有助于改善碳循環(huán)模型的預(yù)測(cè)精度。 然而,氣候過(guò)渡區(qū)的土壤碳排放過(guò)程如何響應(yīng)降雨格局改變尚不清楚。通過(guò)在亞熱帶-暖溫帶的過(guò)渡區(qū)(寶天曼)開(kāi)展降雨改變實(shí)驗(yàn),以闡明銳齒櫟林土壤呼吸及其溫度敏感性對(duì)降雨增加 (50%) 和減少 (50%)的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,降雨增加顯著提高土壤濕度(+8.92%)而不影響土壤溫度。與對(duì)照相比,降雨增加導(dǎo)致土壤呼吸顯著提高80.5%,其土壤呼吸的溫度敏感性(4.07)顯著高于對(duì)照樣地(2.66)。增雨處理下的土壤呼吸與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)。降雨減少則顯著降低土壤濕度(-10.25%),并對(duì)土壤呼吸有促進(jìn)趨勢(shì),然而,對(duì)土壤呼吸的溫度敏感性(2.64)無(wú)顯著影響。減雨處理下的土壤呼吸強(qiáng)度與土壤濕度呈正相關(guān)。這意味著在我國(guó)亞熱帶—暖溫帶過(guò)渡區(qū),降雨增加或減少均對(duì)土壤呼吸有不同程度的刺激作用,進(jìn)而很可能減弱該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的固碳潛力。

溫度敏感性；降雨格局；落葉闊葉林；亞熱帶；暖溫帶

根據(jù)IPCC第5次評(píng)估報(bào)告[1],自1901年以來(lái),北半球中緯度地區(qū)平均降雨量呈增加趨勢(shì),增幅達(dá)到6%—8%。未來(lái)百年內(nèi),高緯度和赤道地區(qū)的年均降雨量很可能呈增加趨勢(shì)；而在中緯度和亞熱帶地區(qū),干旱地區(qū)的年均降雨量呈減少趨勢(shì),而在濕潤(rùn)地區(qū)年均降雨量則呈增加趨勢(shì)。就中國(guó)區(qū)域而言,過(guò)去50年降水量無(wú)明顯變化,然而降雨頻率明顯減少,這意味著單次降雨強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)[2]。徐影等研究認(rèn)為我國(guó)華中部分地區(qū)在本世紀(jì)末,降雨可能會(huì)減少10%—30%[3]。降水格局的改變直接導(dǎo)致土壤有效水分的變化,可影響植物地下及地上器官的生理代謝活動(dòng)和土壤微生物構(gòu)成及其活性,進(jìn)而調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的相關(guān)過(guò)程[3]。因此,降雨格局改變與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)之間作用關(guān)系的研究已經(jīng)是全球變化研究中的重要內(nèi)容和熱點(diǎn)問(wèn)題。

土壤呼吸是陸地碳循環(huán)過(guò)程中的第二大碳通量組分[4],全球每年土壤呼吸的碳排放量為(98±12) Pg C,占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸量的60%—90%[5-6],對(duì)大氣CO2濃度變化以及全球氣候變化起到至關(guān)重要的作用。土壤呼吸強(qiáng)弱受到生物和非生物因素的綜合調(diào)控,其中與降雨量密切相關(guān)的土壤水分條件是重要的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子之一[7-8]。因此,土壤呼吸對(duì)降雨變化的響應(yīng)規(guī)律受到廣泛關(guān)注,土壤呼吸對(duì)降雨的響應(yīng)方式因植被、土壤和氣候的差異而不同。在水分限制的生態(tài)系統(tǒng)中,降雨增加通?？纱碳ね寥篮粑?。例如,在亞熱帶的稀樹(shù)草原開(kāi)展的降雨改變研究發(fā)現(xiàn)[9],降雨增加導(dǎo)致草地和木本植物群落下的土壤呼吸分別增加48%和103%,并且提高了土壤呼吸的溫度敏感性。這種不同群落地下土壤呼吸對(duì)降雨處理的響應(yīng)差異可歸因于植物下土壤微生物量、土壤碳庫(kù)和根系活性等方面的差異。此外,在荒漠灌叢[10]和高草草原[11]系統(tǒng)中,降雨增加對(duì)土壤呼吸具有明顯的促進(jìn)作用。由于森林生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣性,分布的廣泛性,其土壤呼吸對(duì)降雨增加的響應(yīng)較其它系統(tǒng)更為復(fù)雜,受到諸多環(huán)境因素的調(diào)節(jié)。例如,在我國(guó)熱帶雨林中開(kāi)展的降雨改變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[12],土壤呼吸對(duì)降雨量增加的響應(yīng)受到土壤初始水分條件的調(diào)節(jié),干季時(shí)增加降雨會(huì)促進(jìn)土壤呼吸,而在濕季則抑制土壤呼吸,這種差異可能與不同時(shí)期優(yōu)勢(shì)植物的生理活動(dòng)和土壤微生物代謝有關(guān)。降雨減少也會(huì)調(diào)控土壤呼吸強(qiáng)弱。在熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展的研究表明,土壤呼吸對(duì)降雨減少的響應(yīng)表現(xiàn)為增加、減少和無(wú)變化,響應(yīng)的多樣性與土壤的質(zhì)地和植物特征有密切的關(guān)系[13- 16]。而在溫帶落葉闊葉林中的研究發(fā)現(xiàn),降雨減少會(huì)抑制土壤呼吸,因而可能有利于土壤碳的積累[13]。

作為生態(tài)脆弱區(qū)和敏感區(qū)域,氣候過(guò)渡帶的植物和土壤對(duì)氣候變化的響應(yīng)更為迅速和敏感[17]。然而,以往的降雨改變實(shí)驗(yàn)大多集中于典型氣候帶下的生態(tài)系統(tǒng),在氣候過(guò)渡帶中開(kāi)展的降雨改變研究仍較為缺乏。氣候過(guò)渡帶的溫度和水分狀況是分布于此的南北物種維系生存的臨界值,在全球氣候變化背景下,過(guò)渡帶降雨格局改變對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的影響可能更加直接和顯著[17]。降雨格局改變?nèi)绾斡绊戇^(guò)渡帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)仍不清楚。以我國(guó)河南南陽(yáng)地區(qū)為例(圖1),多年平均降雨量為791.9 mm,極端干旱年份(1992)降雨量為484 mm,極端濕潤(rùn)年份(2000)降雨量為1356 mm,降雨年際波動(dòng)介于-39%—+71%之間。這種劇烈的年際降雨差異必然會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本研究以我國(guó)亞熱帶—暖溫帶過(guò)渡區(qū)域的落葉闊葉林(Quercusaliena)為研究對(duì)象,通過(guò)開(kāi)展林下穿透雨增加50%和減少50%的野外實(shí)驗(yàn),以揭示土壤呼吸及其溫度敏感性對(duì)降雨增加和減少的響應(yīng)規(guī)律,為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣候過(guò)渡帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)過(guò)程對(duì)全球變化的響應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)自然概況

研究地點(diǎn)位于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣寶天曼自然保護(hù)區(qū)(111°47′—112°04′ E,33°20′—33°36′ N),相對(duì)海拔高度600—1800 m,最高峰曼頂海拔1830 m。年平均氣溫15.1 ℃,1月平均氣溫15 ℃,7月平均氣溫27.8 ℃,≥10 ℃的年積溫為4200—4900 ℃。年均降水量為791.9 mm (圖1),大多集中分布于6—8月份的雨季,年蒸發(fā)量991.6 mm。土壤垂直分布明顯,海拔1300 m以上為山地棕壤,海拔800—1300 m為山地黃棕壤,海拔600—800 m為山地褐土,土壤厚度20—60 cm,土壤pH值6.5左右。該地區(qū)屬于我國(guó)北亞熱帶—暖溫帶的過(guò)渡區(qū)域,植被以暖溫帶落葉闊葉林為主,兼具有亞熱帶常綠落葉闊葉林特點(diǎn),櫟類是寶天曼的主要建群樹(shù)種,約占整個(gè)喬木樹(shù)種的70%。

2 研究方法

2.1 樣地選設(shè)及處理布置

在寶天曼森林生態(tài)站附近(海拔1410 m),選擇地勢(shì)相對(duì)平坦(坡度小于5°)的銳齒櫟林(胸徑(18.2±2.4)cm,密度1276.7 株/hm2,林齡: 45a)開(kāi)展降雨改變實(shí)驗(yàn)。設(shè)置4個(gè)區(qū)組,彼此間隔為10 m。在每個(gè)區(qū)組內(nèi)布置3個(gè)2 m × 2 m的樣地,彼此間隔為2 m,每個(gè)樣地實(shí)施一種降雨處理。① 降雨減少：在樣地正上方用透明的波浪式PC玻璃瓦搭建減雨棚,每間隔10 cm鋪一條10 cm寬玻璃瓦(V形,透光率大于95%),以實(shí)現(xiàn)減除降雨的50%,一側(cè)高度為1.5m,另一側(cè)高度為1.2m,落差保證降雨順利沿溝槽流下；② 降雨增加：將降雨減少樣地排出的雨水收集到水桶中,每次降雨結(jié)束后24h將雨水通過(guò)噴壺均勻的噴施到降雨增加樣地,噴灑速度以無(wú)明顯地表徑流為宜；③ 對(duì)照：無(wú)降雨處理。所有樣地分布于林木間隙,頂部無(wú)明顯樹(shù)冠遮攔,樣地內(nèi)無(wú)喬木和雜灌木生長(zhǎng)。由于地勢(shì)平坦,降雨過(guò)程中的地表徑流較少,而潛在的地下側(cè)流過(guò)程本研究未考慮。樣地處理之前,測(cè)定林下土壤濕度介于14.3%—17.8%之間,樣地布置于2013年6月15日完成并開(kāi)始進(jìn)行處理。

2.2 土壤呼吸及土壤溫濕度測(cè)定

在每個(gè)樣地的正中央,安置一個(gè)土壤呼吸環(huán)(直徑20 cm,高8 cm,埋入土壤深度為5 cm)。在降雨處理設(shè)備安裝完成之后,從2013年6月25日開(kāi)始,利用Li- 8100每周測(cè)定1次土壤呼吸,測(cè)定時(shí)間為每天11：00—14：00完成。同時(shí)用Li- 8100自帶的土壤溫度探頭和濕度探頭測(cè)定土壤5 cm深的溫度和濕度。數(shù)據(jù)測(cè)定持續(xù)一個(gè)生長(zhǎng)季(6月至11月)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

野外測(cè)得土壤呼吸、土壤溫度和土壤濕度數(shù)據(jù)首先進(jìn)行正態(tài)性(One sampleK-S)和方差齊性檢驗(yàn),均滿足條件。然后,采用重復(fù)測(cè)量的方差分析(Repeated measurement ANOVA)檢驗(yàn)降雨處理及測(cè)定時(shí)間對(duì)土壤呼吸、土壤溫度和土壤濕度的影響。單因素方差分析(One way ANOVA)和多重比較(L-S-D)檢驗(yàn)降雨處理對(duì)各測(cè)定指標(biāo)均值的影響。并通過(guò)多元回歸分析和偏相關(guān)分析(Partial correlations)研究了土壤溫度和土壤濕度對(duì)土壤呼吸的影響。所有統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 10.0中完成,繪圖在Sigmaplot 10.0中完成。

圖1 研究區(qū)年均降雨量的年際波動(dòng)Fig.1 Annual fluctuation of precipitation in the experimental site虛線代表多年(1953—2014)平均降雨量

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤溫度與濕度

不同降雨處理下的土壤溫度均表現(xiàn)出顯著的季節(jié)波動(dòng)(表1,P<0.0001), 在7月下旬達(dá)到最大,而在10月底達(dá)到最低(圖2)。降雨改變對(duì)土壤溫度有顯著影響(表1,P= 0.002),表現(xiàn)為降雨減少導(dǎo)致10 cm深土壤溫度平均增加0.44(0.19—0.75) ℃。然而,降雨增加(14.5 ℃)與對(duì)照(14.6 ℃)之間的土壤溫度并無(wú)顯著差異(圖2和表2)。測(cè)定時(shí)間與降雨處理之間無(wú)交互作用(表2)。

表1 降雨處理及測(cè)定時(shí)間對(duì)土壤溫度、土壤濕度和土壤呼吸影響的方差分析結(jié)果

表2 觀測(cè)期間內(nèi)土壤溫度、土壤濕度和土壤呼吸均值對(duì)降雨改變的響應(yīng)差異

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同一列不同處理間字母不同者表示差異顯著(P<0.05)

不同降雨處理下土壤濕度具有明顯的季節(jié)變化(P<0.0001),在8月初濕度相對(duì)較高,而在6月底較低。在觀測(cè)期間內(nèi),降雨量平均為3.8 mm/day,與土壤濕度波動(dòng)具有較高的一致性(圖2)。降雨處理顯著改變土壤濕度(表1,P<0.0001),按大小依次為：降雨增加>對(duì)照>降雨減少。與對(duì)照相比,降雨增加導(dǎo)致平均土壤濕度顯著上升8.92(4.98%—13.28%),而降雨減少則導(dǎo)致土壤濕度顯著下降10.25(4.20%—17.96%)(圖2和表2)。降雨處理與測(cè)定時(shí)間的交互作用對(duì)土壤濕度無(wú)顯著影響(表1)。

圖2 降雨改變對(duì)土壤溫度、土壤濕度和土壤呼吸的影響Fig.2 Impacts of changing precipitation on soil temperature, moisture and soil respiration

3.2 土壤呼吸對(duì)降雨改變的響應(yīng)

不同處理下的土壤呼吸具有明顯的季節(jié)波動(dòng),降雨增加下的土壤呼吸在7月中旬達(dá)到最大,為4.83 μmolm-2s-1,而在10月底達(dá)到最低(0.99 μmolm-2s-1)。對(duì)照和降雨減少樣地的土壤呼吸則分別在8月初和9月初達(dá)到最大(2.98和2.41μmolm-2s-1),在11月初達(dá)到最低。降雨處理顯著改變土壤呼吸(表1,P<0.0001)。與對(duì)照(1.64 μmolm-2s-1)相比,降雨增加導(dǎo)致土壤呼吸顯著上升80.5% (P<0.05),然而,降雨減少則對(duì)其(1.89 μmolm-2s-1)無(wú)顯著影響(圖2)。此外,降雨增加下的土壤呼吸比減少處理高56.6% (P<0.05)。此外,觀測(cè)時(shí)間和降雨處理的交互作用顯著影響土壤呼吸(表1,P= 0.005)。主要表現(xiàn)為,8月前3次的土壤呼吸高于對(duì)照樣地,而在其他時(shí)間則低于對(duì)照樣地(圖2)。

降雨改變導(dǎo)致土壤呼吸的溫度敏感性發(fā)生變化(圖3)。降雨增加下土壤呼吸的溫度敏感性為4.07,高于對(duì)照樣地(2.66)和降雨減少樣地(2.63)。

圖3 降雨改變對(duì)土壤呼吸溫度敏感性的影響Fig.3 Impacts of changing precipitation on temperature sensitivity of soil respiration

3.3 土壤呼吸與土壤溫濕度的關(guān)系

通過(guò)多元回歸分析可知(表3),土壤呼吸變化可以通過(guò)土壤溫度和濕度來(lái)共同解釋,解釋量在60%以上。但是,它們?cè)诓煌幚碇械淖饔糜钟兴煌?。土壤濕度在降雨增加樣地表現(xiàn)為抑制效應(yīng)。然而,在降雨減少和對(duì)照樣地,土壤濕度表現(xiàn)為促進(jìn)作用。土壤溫度在3種降雨處理下均表現(xiàn)為正效應(yīng),在增雨處理中最高,而在對(duì)照處理中最低(表3)。進(jìn)一步進(jìn)行偏相關(guān)分析可知,土壤濕度在增加降雨時(shí)與土壤呼吸呈負(fù)相關(guān),而在減雨處理和對(duì)照樣地中是正相關(guān)；在增雨樣地內(nèi),土壤溫度與土壤呼吸呈負(fù)相關(guān),而在對(duì)照和減雨樣地內(nèi)呈正相關(guān)(表4)。

表3 不同降雨處理下土壤呼吸與土壤溫濕度的回歸關(guān)系

SR: 土壤呼吸 soil respiration；SM：土壤濕度 soil moisture；ST：土壤溫度 soil temperature

4 討論

4.1 降雨增加對(duì)土壤呼吸的影響

本研究對(duì)照樣地的土壤呼吸與同區(qū)域欒軍偉等的研究結(jié)果較為一致[18],但是土壤呼吸的溫度敏感性則低于后者的研究結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn),降雨增加顯著提高土壤呼吸,這與全球尺度上土壤呼吸響應(yīng)降雨增加的趨勢(shì)相一致。Wu[19]等通過(guò)Meta 分析研究發(fā)現(xiàn),降雨增加可使土壤呼吸增加45%。然而在我國(guó)的南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展的降雨增加實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[20],雨季增加降雨會(huì)抑制土壤呼吸(-30.9%),旱季降雨增加則會(huì)促進(jìn)土壤呼吸(4%)。降雨增加對(duì)土壤呼吸及其溫度敏感性的促進(jìn)作用及響應(yīng)差異歸因于土壤碳庫(kù)組分和根系代謝的不同[9]。當(dāng)降雨增加時(shí),一方面,進(jìn)入土壤的降雨可將土壤毛管孔隙中的CO2通過(guò)置換作用將其替換,而在短期內(nèi)導(dǎo)致土壤呼吸速率的大幅增加[21- 23]。從長(zhǎng)期效應(yīng)來(lái)看,有研究發(fā)現(xiàn)降雨增加會(huì)提高植物的細(xì)根生物量和微生物量,加快對(duì)土壤碳的利用過(guò)程,因而可同時(shí)提高土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸[24]。在杰克松林中開(kāi)展的研究也證實(shí),降雨增加可顯著提高細(xì)根生物量及根系器官中的總N水平[25],進(jìn)而刺激土壤呼吸。另有證據(jù)表明,在草地生態(tài)系統(tǒng)中,降雨加倍降低植物根系的死亡率,而促進(jìn)細(xì)根的生長(zhǎng)率[26],進(jìn)而有提高土壤自養(yǎng)呼吸的可能。在中國(guó)鼎湖山季風(fēng)常綠闊葉林、針闊混交林和馬尾松林中開(kāi)展的降雨改變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[27],增加降雨可提高馬尾松林土壤有機(jī)碳的礦化量和礦化速率,從而促進(jìn)土壤呼吸。

表4 土壤呼吸與土壤溫度及濕度間的偏相關(guān)系數(shù)

*P<0.05, ***P<0.0001

4.2 降雨減少對(duì)土壤呼吸的影響

本研究中降雨減少對(duì)土壤呼吸有促進(jìn)作用,與亞馬遜潮濕性熱帶雨林中開(kāi)展的林下穿透雨減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[14],后者在降雨減少25%和50%時(shí),均導(dǎo)致土壤呼吸分別增加13%和25%。然而,熱帶成熟的常綠雨林中開(kāi)展的35%—41%的林下雨減少實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)單次降雨量較大時(shí),減雨會(huì)降低土壤呼吸,從年尺度上估算時(shí),降雨減少對(duì)土壤呼吸影響不大[16]。生長(zhǎng)于砂壤土上的熱帶雨林[28],降雨減少50%導(dǎo)致土壤呼吸速率下降25.6%。在美國(guó)高草草原上開(kāi)展的降雨控制實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)[29],降雨減少會(huì)抑制土壤呼吸。因此,降雨減少對(duì)土壤呼吸的影響,可能受到土壤背景水分條件的調(diào)節(jié)[30]。綜上所述,土壤呼吸對(duì)降雨減少的響應(yīng)受到植被類型和土壤質(zhì)地的影響。降雨減少促進(jìn)土壤呼吸主要可從以下幾個(gè)方面解釋：首先,在降雨較為充足的地區(qū)(本研究區(qū)多年平均降雨為792 mm),降雨適當(dāng)減少有利于土壤的透氣性[31],因而在降雨之后一定時(shí)期內(nèi)土壤中微生物活性有被提高的趨勢(shì)[32]。其次,當(dāng)降雨減少時(shí),地表凋落物被淋溶下的可溶性有機(jī)碳更多的積存和滯留在表層土壤,而不會(huì)向深層土壤轉(zhuǎn)移,可直接成為土壤呼吸的底物來(lái)源[14]。再次,在干旱條件下,植物通常會(huì)降低地上/地下生物量比,即增加地下根系的生長(zhǎng)以增加對(duì)深層水分的吸收,或者降低地上植物的生長(zhǎng),以降低植物蒸騰帶來(lái)的水分損耗[32-33]。此外,降雨減少一定程度上提高了土壤表層溫度(表2),有利于土壤微生物和酶活性的提高。因此,降雨減少提高土壤呼吸,進(jìn)而降低土壤中有機(jī)碳的含量[27]。

5 結(jié)論

降雨格局改變是影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程的重要驅(qū)動(dòng)因素之一。降雨增加或減少對(duì)我國(guó)亞熱帶—暖溫帶過(guò)渡區(qū)落葉闊葉林的土壤呼吸有不同程度的促進(jìn)作用,增加降雨的作用尤為顯著,這意味著降雨改變可能會(huì)對(duì)該區(qū)域森林土壤的固碳潛力產(chǎn)生負(fù)面影響,進(jìn)而對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生正的反饋?zhàn)饔谩１狙芯績(jī)H在一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)進(jìn)行了觀測(cè),土壤呼吸的短期響應(yīng)是否具有持續(xù)性或是出現(xiàn)適應(yīng)性仍需要長(zhǎng)期的觀測(cè)。土壤呼吸對(duì)降雨變化的響應(yīng)還受到降雨頻率和持續(xù)時(shí)間的影響,以及降雨改變下植物響應(yīng)策略可能也會(huì)對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生影響。

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Responses of soil respiration to changing precipitation regimes in an oak forest at a climate transitional zone

LIU Yanchun1,*, SHANG Qing2, WANG Lei1, TIAN Ye3, JU Yuxi4, GAN Jiabing5

1CollegeofLifeScience,HenanUniversity,Kaifeng475004,China2YellowRiverConservancyTechnicalInstitute,Kaifeng475004,China3AdministrativeBureauofBaotianmanNatureReserve,Neixiang474350,China4AdministrativeBureauofJigongshanMountainNatureReserve,Xinyang464134,China5NanwanForestFarm,Xinyang464031,China

As the second largest carbon (C) flux between the atmosphere and terrestrial ecosystems, soil respiration remains one of the key sources of uncertainty while assessing terrestrial C cycling and sink strength. Changing precipitation patterns and its corresponding changes in soil water content are critical in regulating soil respiration. Hydrothermal conditions in the climatic transitional zone are more susceptible to changing precipitation patterns than other climatic zones. Determining the responses of soil respiration to changing precipitation regimes in the climatic transitional zone is favor to the improvement of precision of C cycling models. However, there is currently limited information on the response of soil CO2emission to changing precipitation regimes in the climatic transitional zone. A field precipitation manipulation experiment was conducted at an oak (Quercusaliena) forest located at a climatic transitional zone (Baotianman), from subtropical to warm temperate, to examine the response of soil respiration and its temperature sensitivity to increased (+50%) and decreased precipitation (-50%). Soil respiration, temperature, and moisture were measured weekly from July to November in 2013. The results showed that increased precipitation significantly elevated soil moisture by 8.92% but had no effect on soil temperature. Soil respiration was substantially enhanced by 80.5% under increased precipitation treatment compared with that in the control plots. Temperature sensitivity of soil respiration under increased precipitation was significantly higher (4.07) than that in control plots (2.66). Soil respiration under increased precipitation showed negative correlations with soil moisture as well as soil temperature. Decreased precipitation substantially reduced soil moisture by 10.25% and tended to increased soil respiration. However, reduced precipitation showed little effect on the temperature sensitivity (2.64) of soil respiration. Soil respiration under the decreased precipitation showed positive correlations with soil moisture and temperature. The results suggest that both increased and decreased precipitation can stimulate soil respiration with different extents. Changing precipitation patterns, therefore, may weaken soil C sequestration in forest ecosystems, and exert a positive feedback on atmosphere CO2concentration at the climatic transitional zone from a subtropical to a warm temperate zone.

temperature sensitivity; precipitation pattern; deciduous broadleaf forest; subtropics; warm temperate zone

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404201)

2015- 05- 25;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201505251043

*通訊作者Corresponding author.E-mail:liu_yan_chun@126.com

劉彥春,尚晴,王磊,田野,琚煜熙,甘家兵.氣候過(guò)渡帶銳齒櫟林土壤呼吸對(duì)降雨改變的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(24):8054- 8061.

Liu Y C, Shang Q, Wang L, Tian Y, Ju Y X, Gan J B.Responses of soil respiration to changing precipitation regimes in an oak forest at a climate transitional zone.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):8054- 8061.