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在全球变化背景下,土壤呼吸已经成为全球碳循环研究中备受关注的问题之一。本研究以长白山阔叶红松林为研究对象,通过室内试验与野外试验相结合,对不同分层的土壤和树木周围不同距离的土壤的呼吸进行了观测,评价土壤呼吸的空间异质性及其影响因子。同时通过模拟降水实验,评价不同降水强度和降水方式对土壤呼吸的影响。本文的主要结论如下:
(1)不同土壤层CO2释放量明显不同,枯枝落叶层、半分解层和壤土层呼吸是白浆土层与黄土层的4~6倍。前者的呼吸速率均随温度的升高呈指数增加趋势,而白浆土层与黄土层呼吸速率先随温度的增加而增大,但当温度超过15℃后,呼吸速率反而随温度的增加而减小;枯枝落叶层、半分解层呼吸速率随含水量的增加指数升高,壤土层呼吸速率随土壤含水量的增加呈先增加后降低趋势,在中等含水量条件下(36%左右),土壤呼吸速率最大;白浆土层与黄土层呼吸速率与含水量没有明显的相关关系;浅层土壤的呼吸对温度和含水量的响应要比深层土壤敏感,各层土壤呼吸贡献率会随着温度改变而发生变化,深层土壤呼吸在低温时期的贡献率要大于高温时期。
(2)土壤呼吸在水平方向上上呈现明显的空间异质性,在以树木为中心,4.2m为半径的圆形区域内,5~10月间各月份土壤呼吸的变异系数分别为27%、44%、40%、55%、60%、38%;土壤呼吸变异主要与土壤温度和湿度有关,而与粗根生物量和细根生物量都没有明显的关联,土壤温度与土壤湿度共同解释土壤呼吸变异的66%,其中土壤温度贡献率约为41%,而土壤湿度贡献率约为25%;土壤呼吸与距离树木的距离成反比,随着距离的增大,呼吸速率逐渐减小。
(3)降水后土壤呼吸速率瞬间激增,然后随着时间的增加呼吸速率逐渐减小,并趋于稳定值;土壤呼吸对降水强度的响应程度与降水前的土壤湿度、呼吸速率有关,其中干旱土壤对降水的响应随着降水强度的增大而增强,而湿润土壤对降水的响应随降水强度的增大先增强后减弱,另外,降水前呼吸速率较大的土壤对降水的响应最弱,并且降水强度的改变对其影响不明显;凋落物移除会促进土壤呼吸对降水的响应,含水量为15±2%的土壤对降水量为13mm的降水响应最强,降水后1min的呼吸速率为降水前的30.8倍。
(4)无论何种处理的土壤,脉冲式降水方式下的土壤CO2的释放量比一次性降水方式下的多;脉冲式降水方式对土壤呼吸的影响取决于土壤湿度的大小、凋落物的有无和降水的频率,当土壤比较干旱(含水量为19~25%)时,脉冲式降水促进土壤呼吸,当土壤比较湿润时,脉冲式降水会促进无凋落物土壤(土壤含水量为42±2%)的呼吸,抑制有凋落物土壤(土壤含水量为48±4%)的呼吸,并且随着降水频率的增加,有凋落物的干旱土壤(含水量为23±2%)出现呼吸速率降低的趋势。