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土壤中储存的碳是陆地生态系统最大的碳库,土壤呼吸作为陆地生态排放到大气碳通量的最大来源,在全球变暖的背景下,极端天气和气候事件发生的频率和强度都在增加,研究土壤呼吸对极端天气事件的响应及其作用机制,对于理解极端天气事件对于森林碳循环的影响以及适应和减缓气候变化具有重要意义。 本研究利用2015年1月发生在云南中部的极端降雪事件,通过对极端降雪事件前后哀牢山亚热带常绿阔叶林林内外土壤温度和土壤含水量的时空变化特征的分析,探讨了土壤温度和土壤含水量对极端降雪事件的响应。同时利用设置的土壤呼吸连续自动监测系统,比较分析了土壤总呼吸、异养呼吸和自养呼吸在极端降雪事件前后的特征变化,结合土壤温度、土壤含水量和凋落物等因子,探讨了哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸对极端降雪事件的响应机制。主要研究结果如下: (1)极端降雪事件前,林内外不同深度土壤温度以及林内外温度差的年变化均为单峰曲线,林内不同深度土壤温度均低于林外,土壤最高温度出现时间均滞后于林外;林内10cm土壤年均温为11.9℃,最高温度出现在7月,林外为13.9℃,最高温度出现在6月,林内外10cm土壤温度差为-2.0℃。极端降雪事件当年(2015年),林内外不同深度土壤温度仍保持为单峰曲线,但是林内外土壤温度差的年变化变为双峰曲线,且林内外不同深度土壤温度差减小,林内表层(10~20cm)土壤最高温度出现时间与林外的滞后性消逝(林内外土壤最高温度均出现在6月),20cm以下的深层土壤仍然存在滞后;林内10cm土壤年均温为12.2℃,林外为13.3℃,林内外10cm土壤温度差缩小为-1.1℃。极端降雪事件后一年(2016年),林内外不同深度土壤温度差的年变化回归为单峰曲线,林内除10cm土壤外,更深层土壤最高温度回归到雪灾前相对于林外滞后的格局,林内10cm土壤年均温为12.2℃,最高温度出现在8月,林外为14.0℃,最高温度出现在7月,林内外10cm土壤温度差为-1.8℃,表明极端降雪对林冠的破坏导致了林内土壤温度特征和变化规律发生了较大改变。 (2)极端降雪事件前,林内土壤含水量在干季波动大,且垂直变化幅度大,林内外土壤含水量差大致呈V字形曲线,土壤含水量差的垂直变化主要发生在干季,最大值出现在40cm(5月),最小值出现在60cm(7~8月);林内10cm土壤年均含水量为41.0%,林外为24.2%,年均差为16.7%,林内外土壤含水量差干季大于雨季。极端降雪事件后,林内土壤含水量干季波动幅度和垂直变化幅度均减小,林内外土壤含水量差近似呈正弦曲线,2015年林内外土壤含水量差波动幅度变大,最大值出现在40cm(5月),最小值出现在20cm(7月);林内10cm土壤年均含水量为46.4%,林外为29.1%,年均差为17.3%,林内外土壤含水量差干季减小,雨季增大,干季和雨季差异也减小。2016年含水量差最大值出现在3~4月,最小值出现在60cm,分别出现在7月和10月;林内10cm土壤年均含水量为48.4%,林外为31.8%,年均差为16.7%,林内外土壤含水量差有恢复到极端降雪事件前的趋势。林内外土壤含水量差和降水量呈负相关关系,干季降雨量小的时候,林内外土壤含水量差大,雨季降雨量大,林内外土壤含水量差小,且出现脉冲式降雨时,林内外土壤含水量差也迅速产生响应。 (3)为了减少年际波动的影响,选择2011~2014年的平均值作为正常年份。极端降雪事件前,土壤呼吸2011~2014年多年平均年排放量为13.61tC·ha-1yr-1。极端降雪事件后,2015年年排放量为10.95tC·ha-1yr-1,相对于2011~2014年年均排放降低了19.5%,5~10月,各月累计排放均显著低于正常年份;2016年年排放为12.22tC·ha-1yr-1,比2015年增加了11.6%,月累计排放分别在1、3、6和7月显著低于正常年份。表明极端降雪事件显著降低了亚热带森林生态系统土壤碳排放。 (4)极端降雪事件前,异养呼吸2011~2014年多年平均年排放量为10.78tC·ha-1yr-1。极端降雪事件后,2015年年排放量为9.41tC-ha-1yr-1,比2011~2014年年均排放降低了12.7%,月累计排放在1月显著高于正常年份,在6和7月显著低于正常年份。2016年年排放为9.56tC·ha-1yr-1,比2015年增加了1.6%,月累计排放在1、2、3、6和7月显著低于正常年份。表明极端降雪事件导致的环境改变抑制了土壤微生物呼吸。 (5)极端降雪事件前,自养呼吸2011~2014年多年平均年排放量为3.01tC·ha-1yr-1,干季为0.8tC·ha-1,占全年的26.6%,雨季为2.21tC·ha-1,占全年的73.4%。极端降雪事件后,2015年年排放量为1.55tC·ha-1yr-1,比2011~2014年年均排放降低了48.5%,月累计排放量在2015年1月、2月和11月几乎为零,雨季排放量占全年的91.6%。2016年年排放为2.57tC·ha-1yr-1,比2015年增加了65.8%,雨季排放量占全年的82.4%,其中月累计排放在6和10月超过了正常年份。表明哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸具有恢复能力。 (6)极端降雪事件后年尺度上土壤呼吸和异养呼吸的温度敏感性(Q10)降低,自养呼吸的Q10升高。干季土壤呼吸和异养呼吸的Q10升高,雨季土壤呼吸和异养呼吸的Q10降低,自养呼吸的Q10升高,表明哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸不同组分在不同季节对极端降雪事件的响应不同。 本研究的结果表明,极端降雪事件对亚热带常绿阔叶林生态系统林内土壤温度、土壤含水量和土壤呼吸均产生了显著影响。极端降雪事件导致林内土壤温度和土壤含水量均升高,土壤温度日较差增大,相对林外土壤温度,林内近地层土壤温度滞后性消逝。环境的改变抑制了土壤微生物呼吸和根系呼吸,导致了土壤呼吸明显减少,最终导致了森林土壤碳排放降低;极端降雪后第二年亚热带常绿阔叶林林下植被快速生长,自养呼吸快速增加,表明哀牢山亚热带森林生态系统土壤呼吸具有恢复能力。土壤呼吸、异养呼吸和自养呼吸的温度敏感性不同季节变化迥异,表明哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸不同组分在不同季节对极端降雪事件的响应不同。