论文部分内容阅读
土壤是地球系统的关键组分，在全球碳循环和氮循环过程中占有重要地位。在持续的全球气候变化的背景下，了解气候因子对土壤温室气体通量的影响，对于评估生态系统过程是必不可少的。近年来，在温带和热带生态系统中已经开展了大量关于环境因子和土壤温室气体相互影响的研究。然而，对气候变化特别敏感的亚热带地区却很少有相关研究。
本研究旨在了解气候变化对南亚热带森林生态系统地表温室气体通量的影响。本文分析了鼎湖山地区近几十年气温和降水格局的变化趋势，并以鼎湖山自然保护区的季风常绿阔叶林演替系列——演替初期的马尾松林（松林）、演替中期的针阔叶混交林（混交林）和演替后期的季风常绿阔叶林（阔叶林）为研究对象，通过改变降雨的实验（移除降雨和加倍降雨）研究了土壤温度和土壤湿度变化对不同演替阶段森林土壤温室气体通量的影响，试图回答以下几个科学问题：一、鼎湖山地区近年来的气候变化有何趋势？对季风常绿阔叶林演替系列森林的水热格局有何影响？二、降雨量改变对不同演替阶段森林地表温室气体通量有什么样的影响？三、土壤温度和土壤湿度哪一个是影响南亚热带森林地表温室气体通量的关键因子？地表温室气体对气候变化的响应机制是什么？
鼎湖山自然保护区在近几十年内气候变暖，1954～2007年的年平均气温上升速率为0.019℃·yr-1。自1978年以来，总降雨日数和小雨日数都显著减少。各林型的土壤温度对外界大气温度的变化高度敏感，本世纪初各林型的土壤湿度显著低于上个世纪80年代，阔叶林、混交林和松林土壤湿度在两个时段间的相差幅度分别为35.8％、40.9%和40.5%。阔叶林和混交林对温度和湿度的调节能力明显高于松林。气温升高和降雨日数减少可能是土壤变干的原因。
鼎湖山不同演替阶段森林土壤是大气CO2、N2O的自然源，CH4的汇。森林地表CO2和N2O通量的季节格局是与本地区的水热格局一致的，在雨季(4～9月)较大，在旱季（10月至翌年3月）较小，而CH4的季节动态没有明显的趋势。随着森林演替的进行，土壤CO2和N2O的排放通量以及CH4的吸收通量逐渐增大。
移除降雨导致各林型地表CO2通量大幅度下降，阔叶林、混交林和松林的年平均通量分别下降了约60%、43%和59%，而加倍降雨对地表CO2通量没有明显影响。各实验处理下森林地表CO2通量对土壤温度变化都很敏感，土壤湿度与土壤温度对森林地表CO2通量的影响存在交互效应。影响阔叶林和混交林土壤排放CO2的主要因子是土壤温度，而影响松林的是土壤湿度。
地表N2O通量对降雨改变的反应与地表CO2相似：移除降雨导致阔叶林、混交林和松林的年平均通量分别下降了约66%、75%和67%，加倍降雨对地表N2O通量没有影响。土壤湿度是影响森林地表N2O通量的主要环境因子，在松林中的影响最大，阔叶林和混交林中影响较小。土壤温度对地表N2O通量的影响相对较小，但其效应被同步变化的土壤湿度放大了。
移除降雨使阔叶林和混交林的年平均地表CH4吸收通量分别降低约51%和28%，加倍降雨导致混交林土壤CH4吸收通量大约增加32%，对阔叶林没有影响；改变降雨没有导致松林的地表CH4通量发生显著改变。对于森林土壤吸收CH4而言，阔叶林仅对土壤变干敏感，松林对水分变化不敏感，而混交林对水分增减都敏感。土壤温度对各林型土壤吸收CH4没有明显影响，土壤湿度对阔叶林的影响相对较大，对混交林和松林没有明显影响。
由本地区森林对干旱的响应和土壤湿度的年代差异来看，干旱可以降低森林土壤CO2的排放，延长碳在森林土壤中的滞留时间，这可能是成熟森林持续积累有机碳的原因之一。高温和轻度干旱的气候可能有利于降低森林土壤CO2和N2O的排放，增加CH4的吸收，从而对气候变暖做出负反馈。