论文部分内容阅读
森林土壤呼吸作为全球碳循环的关键环节之一，其对酸雨的响应受到国内外学者的普遍关注。然而，受实验条件和土壤性质等差异的影响，不同研究者的报道结果往往不一致;且此类研究目前多见于北美和欧洲等温带区域，热带和亚热带报道较少;同时，受野外实验条件的限制，研究方法大多以室内盆栽培养模拟实验为主。尽管近年来南亚热带森林酸雨问题非常严重，但野外人工模拟酸雨对该区域森林土壤呼吸影响的研究却尚未涉及。为此，我们在鼎湖山自然保护区以南亚热带具有典型代表性且分别处于不同演替阶段的三种森林类型（马尾松针叶林、针阔叶混交林和季风常绿阔叶林）为研究对象，2009年6月开始，通过在自然林里喷施不同处理水平的模拟酸雨（对照(pH=4.5左右的天然湖水)、T1(pH=4.0)、T2(pH=3.5)和T3(pH=3.0))，并对模拟酸雨下森林土壤呼吸速率及其相关影响因子进行长期观测研究，试图揭示南亚热带不同演替阶段森林土壤呼吸对酸雨的响应规律及机制，并为正确评估森林生态系统碳平衡及其对全球气候变化的响应提供基础数据。主要结果如下:
(1)鼎湖山森林土壤酸化对模拟酸雨的响应
实验期间内，模拟酸雨对松林表层(0-10cm)和次层(10-20cm)土壤以及混交林和阔叶林次层土壤pH值均没有显著影响(p＞0.05），但模拟酸雨却显著地降低阔叶林表层土壤pH值(p=0.01)，而对混交林表层土壤pH值的降低程度也接近显著(p=0.07)。此外，模拟酸雨使阔叶林表层土壤交换性Al3+和H+含量上升。可见，模拟酸雨下阔叶林和混交林表层土壤酸化加剧。而从降低程度和显著性可看出，三个林型土壤酸化对模拟酸雨的响应敏感性随森林的顺行演替而增强;同时，土壤酸化效应随着模拟酸雨处理时间的延长而逐渐显著。
(2)鼎湖山森林土壤呼吸对模拟酸雨的响应规律
2010年4月-2013年3月连续三年的观测结果表明:鼎湖山森林土壤呼吸速率具有明显的季节动态，湿季较高，旱季较低;松林、混交林和阔叶林对照样方的平均土壤呼吸年通量分别为4.05±0.01、3.96±0.14和4.09±0.20kg CO2 m-2yr-1，三个林型之间没有显著差异(p＞0.05)。模拟酸雨抑制了鼎湖山森林土壤呼吸，但抑制作用随森林演替阶段、观测季节、处理水平以及处理时间不同而不同。与对照相比，松林T1、T2和T3处理的平均土壤呼吸年通量分别下降了1.4、2.7和3.8％，但对三年的数据进行重复测量方差分析表明，模拟酸雨没有显著影响松林的土壤呼吸，但模拟酸雨却显著地抑制阔叶林土壤呼吸(p=0.01），而对混交林土壤呼吸的抑制程度也接近显著（p=0.06）。表现为与对照相比，混交林T1、T2和T3处理的平均土壤呼吸年通量分别下降了-0.5、8.0和14.8％，而阔叶林则为0.3、9.3和16.4％;而从抑制程度和显著性可看出，三个林型土壤呼吸对模拟酸雨的响应敏感性随森林的顺行演替而增强。但模拟酸雨对土壤呼吸的抑制作用只出现在湿季(p＜0.05)，且只有强酸处理T3显著抑制了土壤呼吸。同时，通过分析各处理下土壤呼吸年通量的年际间变化，我们发现模拟酸雨对土壤呼吸的抑制作用大体上随处理时间的延长而逐渐显著。另外，三个林型温度敏感系数Q10总体上随模拟酸雨处理pH值降低有下降的趋势，表明酸雨处理降低了土壤呼吸的温度敏感性。
(3)鼎湖山森林土壤呼吸对模拟酸雨的响应机理
模拟酸雨对土壤呼吸的抑制作用与其胁迫下土壤酸化而导致土壤营养元素流失及有害离子活化从而引起植物根系自养呼吸、土壤微生物异养呼吸及凋落物CO2释放量下降有关。表现为:模拟酸雨导致阔叶林交互性Al3+活化、有效态氮和有效磷流失、土壤微生物活性和细根生物量下降以及凋落物分解速率降低;而在混交林表现为有效态氮流失、土壤微生物活性以及细根生物量下降;但模拟酸雨对松林的上述各指标均无显著影响。与土壤呼吸结果相对应，上述土壤呼吸影响因子对模拟酸雨的响应敏感性也大体上随森林的顺行演替而增强;而且，模拟酸雨对上述指标的影响也大体上随模拟酸雨处理时间的延长而逐渐显著。
(4)不同演替阶段森林土壤呼吸对模拟酸雨响应差异的机理探究
三个林型土壤呼吸对模拟酸雨的响应敏感性随森林的顺行演替而增强的可能原因为:1）随着森林的顺行演替，土壤pH值和盐基饱和度下降，以及土壤水分盈亏量上升，导致土壤缓冲酸雨的能力下降。2）随着森林的顺行演替，地表凋落物现存量下降，导致凋落物层缓冲酸雨的能力下降。
近年来，由于南亚热带区域大范围的植树造林，使得幼龄林在该区域森林中占主要优势。而根据本研究结果，随着这些幼龄林自然顺行演替而逐渐变成熟，未来酸雨对该地区森林土壤呼吸的影响也会逐渐增强。