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土壤有机碳库的大小超过植被和大气碳库的总和,其微小变化可能导致大气CO2浓度的显著改变,而森林凋落物作为连接植物和土壤的纽带,其分布格局及分解动态对调节土壤碳库大小和养分循环具有重要意义。因此,研究土壤有机质和凋落物分布格局及随温度和水分梯度的变化有助于预测陆地生态系统与气候变化之间的反馈关系。中国北方半干旱地区森林草原过渡带斑块状分布的森林对气候变化引起的水热变化的响应较为敏感。本研究对内蒙古中东部地区大兴安岭山麓森林草原过渡带12个白桦林不同土壤层次碳氮磷储量、根系生物量及凋落物化学性质和储量的分布格局进行了较为系统的研究,并探讨了它们对气候(年均温和年降水)梯度的响应。
主要结果如下:
1)凋落物从表层到底层(即从L1或初步分解层,到L2或半分解层,再到L3或腐殖质层),氮(N)、磷(P)浓度显著增加,N浓度从L1层的1.75±0.05％增加到L3层的2.90±0.04％,增加了65％;P浓度从0.15±0.01％到0.22±0.01％,增加了49％。可提取组分(Extractives,多为脂溶性物质)浓度基本不变,波动范围为14.8％～15.9％,酸溶性组分(AS,多为纤维素类等水溶性物质)浓度从50.7±0.01％降低到46.3±0.01％,酸不溶性组分(AIF)浓度先上升后下降,在L2层达到最高(40.1±0.01％)。碳氮比(C/N)随上述分解梯度显著下降,在分解的后期(L3层)趋向一个稳定的阈值(16.4)。总体来说,凋落物分解主要是AS组分的损失过程。
2)凋落物碳、氮、磷元素总现存量分别为1376.3g/m2,73.8g/m2,5.6g/m2,碳、氮、磷储量均在L3层最高,分别占L1～L3三层总储量的55.3％,63.0％和61.4％。说明该地区白桦林L3层中营养元素内部循环缓慢,在半分解和腐殖质状态的凋落物中积累了大量的营养元素,是生态系统重要的养分库。
3)温度和降水对凋落物有机组分(Extractives,AS,AIF组分)性质没有显著影响,但腐殖质(L3)层元素储量随温度升高而增加,可能由于温度较高的地点森林生产力更高导致叶凋落量更高,但由于受水分限制(尤其是夏天),凋落物分解速率不变或更低使得凋落物积累更为明显。
4)内蒙古大兴安岭山麓森林草原带白桦林土壤0～30cm碳储量6001.9g/m2,氮储量504.7g/m2,磷储量97.8g/m2,分别是凋落物各元素储量的4.4,6.8和17.3倍。土壤0～20cm白桦根系生物量450.9g/m2,其中,1～3级根生物量22.0g/m2,占整体生物量的4.9％。20～40cm白桦根系生物量51.8g/m2,其中1～3级根生物量1.4g/m2,占整体生物量的2.8％。
5)土壤碳、氮、磷浓度及储量对温度和降水有显著且较为一致的响应,均随年均温的增加而减少,随着土壤水分的增加而增加。
6)土壤碳储量与凋落物储量有显著的正相关(p＜0.01),但与根系(无论是高级根或是低级根)生物量没有显著相关。此外,NMR的数据表明,凋落物L3层的化学组分(alky1/0-alky1和烷C)与表层(0～5cm)土壤有机质较为相似,说明表层土壤碳可能与凋落物关系密切。
上述结果表明,内蒙古中东部半干旱区天然白桦林凋落物层是一个不可忽视的碳及养分库,此外,未来在降水没有明显变化的情况下这一区域的升温可能会增加白桦林凋落物腐殖质层储量,但可能降低表层土壤碳储量。在考虑凋落物层及土壤碳储量对气候变化的响应时应同时考虑温度和水分的作用,尤其是在半干旱地区的森林草原过渡带,温度的升高可能加剧水分对系统生物过程的限制,使得植物对水分的响应更为明显。