張茹 馬秀枝 杜金玲 李長生 梁芝 吳天龍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010020) (呼倫貝爾市氣象局) (呼和浩特市氣象局) (內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué))

據(jù)IPCC第五次評估報告，全球平均溫度表面上升了約0.85 ℃，升高趨勢明顯[1]，并且21世紀(jì)也將持續(xù)上升，中國的年平均溫度在過去的百年間已經(jīng)上升了0.9～1.5 ℃，中國年平均溫度上升幅度大于全球平均溫度，21世紀(jì)末將再上升1.3～5.0 ℃[2]。由于工業(yè)發(fā)展加速，化石燃料燃燒量大大增加，導(dǎo)致溫室氣體排放量逐漸升高[3]。造成氣候變暖的關(guān)鍵因素是CO2、CH4、N2O等由土壤向大氣排放的溫室氣體[4-6]。生態(tài)系統(tǒng)里的碳氮循環(huán)與溫室氣體的濃度有著緊密的關(guān)系，其源庫關(guān)系直接影響生態(tài)系統(tǒng)對氣候的響應(yīng)和反饋[7]。對大興安嶺興安落葉松林土壤呼吸的研究能夠?yàn)槠涮峁┥痔佳h(huán)的相關(guān)理論知識[8-9]，并且能夠?yàn)楹疁貛衷跉夂蜃兣尘跋峦寥篮粑淖兓厔菁跋嚓P(guān)影響因素進(jìn)行研究分析。森林土壤碳循環(huán)對未來全球變暖具有重要作用，土壤碳循環(huán)的多個環(huán)節(jié)都會受到溫度的影響[10-11]，與氣候變暖問題緊密相連，因此土壤碳循環(huán)也是目前全球氣候變化研究的重要研究方向[12]。目前，關(guān)于土壤碳循環(huán)的研究發(fā)現(xiàn)，增溫試驗(yàn)成為土壤碳庫循環(huán)的重要內(nèi)容，關(guān)于氣候變暖與土壤碳循環(huán)之間的研究大量開展[13-14]。研究表明，增溫會降低土壤中有機(jī)碳含量，這是因?yàn)闇囟壬?，土壤有機(jī)質(zhì)分解速率加快從而降低土壤有機(jī)碳含量[15]。長期持續(xù)增溫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤碳長期缺失可能會緩解溫度升高的速率[16-17]。因此，土壤呼吸環(huán)節(jié)中土壤微生物含量、土壤溫濕度等各種微量變動都會影響二氧化碳的排放速率，從而造成全球溫度變化的影響[18-20]。

鑒于此本研究選擇我國大興安嶺興安落葉松林為研究對象，以氣候變暖為背景，通過設(shè)置人工控制增溫試驗(yàn)，利用開頂式增溫箱OTC模擬未來氣溫上升，通過測量溫室氣體排放速率、環(huán)境因子以及土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)，測取CO2氣體排放速率與環(huán)境因子和土壤理化性質(zhì)等，探討氣溫上升對土壤呼吸的影響，分析影響CO2排放量的主要因素，明確增溫對土壤中養(yǎng)分的影響[21]，結(jié)合土壤溫濕度和土壤溫室氣體CO2排放通量之間的相關(guān)性分析，為大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的變化以及對碳平衡的評估提供科學(xué)理論依據(jù)[22]。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市根河林業(yè)局潮查林場內(nèi)，屬大興安嶺西北坡中山地帶。該地區(qū)為高緯度寒溫帶林區(qū)，屬寒溫帶半濕潤氣候，夏季高溫時間短暫且涼爽多雨，冬季酷冷且低溫時間漫長，年均氣溫約-5 ℃，7月常出現(xiàn)最高溫度，1月常出現(xiàn)最低溫度。該研究區(qū)具有豐富的植物資源，植物多樣性較高，主要林型為杜香-興安落葉松林。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

實(shí)驗(yàn)樣地選取于內(nèi)蒙古大興安嶺興安落葉松林內(nèi)，在林內(nèi)選取地形、植被相對比較一致的生境，設(shè)置3個20 m×20 m的樣方，每個樣方靠近中心位置設(shè)置1個增溫裝置(OTC)。增溫裝置采用聚碳酸酯(透光率為90%)為材料制作八面體開頂增溫室，其規(guī)格為底部直徑為2.75 m，頂部直徑1.50 m，高2.42 m。在每個樣方內(nèi)設(shè)置OTC增溫處理的對照小區(qū)。該試驗(yàn)設(shè)置了對照(CK)及增溫(OTC)2個處理組，分別做3個重復(fù)。3次重復(fù)中的其中一組分別配置土壤和大氣溫濕度監(jiān)測設(shè)備，用于動態(tài)監(jiān)測兩個處理的土壤各層溫度和大氣溫度。該增溫設(shè)備已于2019年7月下旬安裝，目前已穩(wěn)定1 a左右，監(jiān)測結(jié)果顯示土壤各層溫度(5、10、20 cm)和空氣溫度，本試驗(yàn)中，穩(wěn)定1 a左右的OTC增溫使土壤溫度平均升高0.80 ℃，基本符合我們試驗(yàn)的預(yù)期(IPCC指出全球近百年來大氣溫度平均增加0.86 ℃)，這表明本試驗(yàn)的開頂箱可以很好地模擬氣候變暖。

2.2 氣體采集

該試驗(yàn)于2020年6—10月生長季期間開展，選擇晴天作為試驗(yàn)日，在09:00—11:00進(jìn)行氣體采集，對土壤CO2排放量采用靜態(tài)箱-氣相色譜法進(jìn)行氣體采集實(shí)驗(yàn)，采集氣體時使用醫(yī)用注射器，將試驗(yàn)蓋箱的三通閥與注射器進(jìn)行連接，使用氣袋抽取30～60 mL氣體，采集氣體的同時將時間記錄下來，采集的氣體帶回實(shí)驗(yàn)室使用氣象色譜儀獲取氣體通量峰面積，通過采集氣體30 min內(nèi)的峰面積變化來算出氣體通量值，采樣頻率為每5 d取樣，每月月中進(jìn)行1次晝夜的采集，如遇特殊天氣稍做調(diào)整。

2.3 環(huán)境因子監(jiān)測

隨機(jī)選取一個增溫和一個對照小區(qū)安裝溫濕度監(jiān)測儀(Watchdog 2400)，全年監(jiān)測空氣和土壤的溫濕度變化，記錄土壤5、10、20 cm處溫度和濕度及空氣溫濕度(1.5 m)進(jìn)行全年動態(tài)觀測。每次收集氣體時用手持氣象風(fēng)速儀測定當(dāng)時空氣溫度、濕度及風(fēng)速。

2.4 公式計(jì)算

氣體通量的計(jì)算公式以單位時間內(nèi)通過單位峰面積的物理量，所取氣體的濃度采用以下公式計(jì)算：

CS=AS·C0/A0。

(1)

式中：C0為標(biāo)氣濃度；AS為所測樣品峰面積；A0為標(biāo)氣峰面積。

通量是指單位時間通過某單位面積界面輸送的物理量。氣體交換通量(F)計(jì)算公式：

(2)

式中：ρ為箱內(nèi)氣體密度；Δm和Δc分別為Δt時間內(nèi)箱內(nèi)氣體質(zhì)量和混合比濃度的變化；A、V、H分別為采樣箱的底面積、體積和氣室高度；Δc/Δt為箱內(nèi)氣體濃度變化。當(dāng)F為負(fù)值時表示吸收，F(xiàn)為正值時表示排放。氣體通量計(jì)算過程中，通過公式中引入箱內(nèi)溫度和氣壓值，對氣體濃度進(jìn)行校正。

土壤呼吸溫度敏感性(Q10)表示溫度每升高10 ℃土壤呼吸速率增加的倍數(shù)，其不僅受土壤溫度、濕度的影響，同時也受植被類型、土壤微生物、呼吸底物的影響。增溫與對照狀態(tài)下土壤呼吸速率與大氣和土壤溫度之間的關(guān)系，采用指數(shù)模型進(jìn)行模擬：

R=αeβT。

(3)

式中：R是土壤呼吸，T是對應(yīng)呼吸組分的土壤溫度，α、β是方程擬合參數(shù)。土壤呼吸及其不同組分的溫度敏感性(Q10)計(jì)算公式：

Q10=e10β。

(4)

2.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬增溫下大氣及土壤各層溫濕度的變化

如圖1所示，經(jīng)過對比1 a的溫度變化，增溫使大氣溫度增長了1.2 ℃。大氣濕度呈現(xiàn)出生長季低，與土壤溫度相反的變化趨勢。2019年11月—2020年3月較為穩(wěn)定處于高值，4—7月之間降為低值，8月溫濕度均達(dá)到高值，此時土壤呼吸速率也達(dá)到最強(qiáng)溫度變化趨勢相同，均在8月最高溫度，且均在8月19日和9月25日驟降后迅速上升，增溫和對照狀態(tài)下大氣溫濕度差異不顯著，濕度整體變化較為平坦。

圖1 增溫對大氣溫濕度的季節(jié)變化

如圖2所示，增溫處理下土壤5、10 cm處年平均溫度分別為1.17、2.07 ℃。與對照相比，增溫使平均溫度分別增加了0.5和1.1 ℃。土壤5 cm處溫度增幅在非生長季較大，生長季期間增溫效果不明顯，與對照狀態(tài)溫度相比較為一致，土壤各層溫度差異不顯著。土壤10 cm土層在生長季期間增溫幅度最大。在11月至次年1月，土壤溫度也有明顯升高，平均增加了1.0 ℃。

圖2 增溫對土壤各層溫度的季節(jié)變化

從表1所示，6—10月對照處理土壤5 cm濕度變化趨勢比增溫處理復(fù)雜，對照樣地6月濕度與增溫樣地濕度相差為生長季最大，是增溫樣地濕度的1.9倍。6—7月濕度值下降，對照及增溫樣地濕度分別下降了22.2%和8.4%。7—8月大幅度上升，對照及增溫樣地濕度分別增長了50.4%和55.4%。增溫樣地土壤5 cm濕度整體低于對照樣地，且為單峰值變化，8月濕度達(dá)到最大，6—7月濕度變化幅度較小，土壤5 cm差異不顯著，基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，7—8月濕度變化較大，增長了55.4%。由土壤濕度的月變化情況可以看出，土壤濕度在10、20 cm的隨著土壤深度的增加而逐漸升高，各土層表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，土壤10、20 cm濕度差異顯著(P<0.05)。

表1 增溫對土壤各層濕度的季節(jié)變化

3.2 增溫處理對土壤呼吸的影響

如圖3所示，土壤呼吸的峰值出現(xiàn)在7、8月份。2020年6月21日—2020月10月14日增溫樣地CO2通量變化的變化范圍在(45.9±12.8～476.8±158.2)mg·m-2·h-1，對照樣地CO2通量變化的范圍在(27.3±12.2～356.3±131.1)mg·m-2·h-1。呼吸強(qiáng)度最旺盛時期模擬增溫使呼吸速率提高120.5 mg·m-2·h-1。對照樣地于6月底到7月均呈現(xiàn)小幅度上升的平穩(wěn)狀態(tài)，7月5日呼吸強(qiáng)度出現(xiàn)突增，7月底到8月初CO2通量呈現(xiàn)頂峰狀態(tài)，8月之后呼吸強(qiáng)度逐漸下降。增溫樣地呼吸強(qiáng)度與對照樣地大體一致，均在8月出現(xiàn)頂峰，10月呼吸強(qiáng)度最弱，增溫樣地呼吸強(qiáng)度整體大于對照樣地強(qiáng)度值。8月19日土壤呼吸強(qiáng)度出現(xiàn)拐點(diǎn)，可能于土壤溫度有關(guān)，在8月19日土壤溫度降低至8月最低值土壤濕度處于平穩(wěn)波動范圍內(nèi)，所以土壤溫度成為限制土壤呼吸的主要環(huán)境因子。

圖3 增溫條件下土壤呼吸速率的季節(jié)動態(tài)規(guī)律

如表2所示，增溫和對照狀態(tài)下土壤呼吸速率同月份差異均不顯著。增溫樣地與對照樣地土壤呼吸速率在季節(jié)上的變化規(guī)律基本相似，增溫與對照樣地在試驗(yàn)期呼吸速率變化范圍差距較大，峰值出現(xiàn)時間卻完全相同，在每年的7、8月份，溫度達(dá)到最大，植物生長最旺盛時期。而隨著溫度的下降，在植物的生長季末，土壤呼吸的速率迅速下降，這也間接說明植物生長旺盛期的土壤呼吸速率大于生長后期。增溫條件下土壤呼吸速率的月動態(tài)規(guī)律，土壤呼吸的峰值出現(xiàn)在的7、8月份。6和9月呼吸速率大致相同，10月呼吸速率最低，增溫樣地整體趨勢明顯大于對照樣地。

表2 增溫條件下土壤呼吸速率的月動態(tài)規(guī)律

3.3 增溫條件下影響土壤呼吸的因素

對照樣地CO2通量與不同深度的溫度相關(guān)性分析如圖4所示，土壤5、10、20 cm溫度與土壤CO2通量之間的指數(shù)相關(guān)關(guān)系均為顯著，增溫處理下土壤5 cm溫度相關(guān)性最強(qiáng)，呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。如圖4所示，對照樣地土壤CO2通量變化在隨著土層深度的增加與土壤溫度的相關(guān)性在逐漸下降。當(dāng)溫度開始接近零攝氏度時，土壤CO2通量值會不斷接近于零，但不會產(chǎn)生負(fù)通量。由此可見，短期增溫會改變各組分土壤呼吸速率，土壤呼吸與土壤溫度之間的關(guān)系也受到影響。

圖4 土壤溫度與土壤CO2通量相關(guān)性

如圖5所示，在增溫處理下，土壤濕度與土壤呼吸速率的最優(yōu)函數(shù)關(guān)系是線性函數(shù)，呈現(xiàn)非顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，10 cm土層的土壤濕度與土壤呼吸速率的相關(guān)程度最強(qiáng)，對照及增溫處理下相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.39和0.22。土壤深度達(dá)到20 cm時，相關(guān)性最低，相關(guān)性分別為0.13和0.05。對照樣地土壤5 cm濕度與土壤CO2通量相關(guān)系數(shù)為0.29，相關(guān)性較增溫處理更強(qiáng)。在本文研究中土壤呼吸與土壤濕度之間的相關(guān)性較差，且均不顯著，可能因?yàn)樵撛囼?yàn)地區(qū)降雨量適宜，適合植物的生長和土壤微生物的生長，造成了土壤濕度對土壤呼吸無限制作用。

圖5 土壤濕度與土壤CO2通量的相關(guān)性

3.4 增溫對土壤呼吸溫度敏感性(Q10)的影響

如表3所示，通過公式計(jì)算土壤呼吸在各月對土壤5、10、20 cm的溫度敏感程度，隨著土層深度的增加，其敏感性進(jìn)一步變大，不同處理對土壤呼吸溫度敏感性差異顯著(P<0.05)。對照樣地中，土壤呼吸對土壤20 cm溫度的敏感性最強(qiáng)，Q10值達(dá)到4.66，5 cm土溫的Q10值為4.02，土壤10 cm溫度Q10值略下降為4。增溫樣地Q10值明顯高于對照樣地，但整體趨勢基本相同，5 cm土溫的Q10值為5.91，土壤10 cm溫度Q10值略下降了8.4%，土壤20 cm溫度的敏感性最強(qiáng)，Q10值達(dá)到6.67。

表3 增溫對土壤呼吸溫度敏感性(Q10)及溫度與土壤呼吸變化函數(shù)關(guān)系擬合

4 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)對大興安嶺興安落葉松林土壤呼吸的研究得出，土壤呼吸速率有較強(qiáng)的季節(jié)變化化特征。本研究所得出的結(jié)果與眾多在北方開展相關(guān)試驗(yàn)所得結(jié)論相同，段北星等[23]研究也表明了土壤呼吸的變化規(guī)律為明顯的單峰曲線。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果相同，土壤呼吸速率與溫度變化動態(tài)相同，土壤呼吸最高值出現(xiàn)在8月，最低值出現(xiàn)在6月和9月。在增溫處理下，土壤呼吸速率在季節(jié)變化以及晝夜變化均呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢。這和白煒等[24]對生長季的研究結(jié)果相同，隨增溫幅度的上升，CO2排放量逐漸增大。以及黃承才等[25]研究表明，增溫能提高土壤呼吸速率，促使土壤釋放出更多的CO2，進(jìn)而加劇全球變暖進(jìn)程。對照樣地的土壤濕度顯著高于增溫樣地[26-27]，這與Jassey et al.[28]和石福孫等[29]當(dāng)前大多數(shù)試驗(yàn)增溫降低土壤含水量的結(jié)果相同。Curiel et al.[30]通過生長季期間的土壤呼吸變化發(fā)現(xiàn)土壤溫度是土壤呼吸重要的影響因子，因此這與本文土壤呼吸與土壤溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論具有一致性。本試驗(yàn)興安落葉松林得出Q10值為4.00～6.67之間，屬于興安落葉松林的正常范圍,與上述研究不相同，本研究中增溫導(dǎo)致Q10值明顯上升，說明本試驗(yàn)土壤呼吸速率對溫度的響應(yīng)更敏感。其影響Q10值存在細(xì)微變化的原因有很多，不同取樣地點(diǎn)以及不同年份都會造成Q10值的差異。

本研究以興安落葉松林生態(tài)系統(tǒng)作為研究對象，分析了增溫處理對CO2通量的晝夜變化、季節(jié)變化特征，并探究了其與土壤溫度、土壤濕度之間關(guān)系。主要得到以下結(jié)論：

(1)增溫處理的大氣溫度年均增溫1.2 ℃，大氣濕度降低2.5%，土壤5 cm增溫0.5 ℃，土壤10 cm增溫1.1 ℃，土壤20 cm溫度下降0.08 ℃，土壤各層濕度分別下降2.9%、4.9%、8.8%。

(2)生長季增溫樣地CO2通量變化的變化范圍在(45.9±12.8～476.8±158.2)mg·m-2·h-1，對照樣地CO2通量變化的變化范圍在(27.3±12.2～356.3±131.1)mg·m-2·h-1。增溫處理使生長季期間土壤呼吸速率平均提高5.76 mg·m-2·h-1。增溫處理使土壤呼吸速率明顯升高，但整體變化趨勢相同，6月開始逐漸上升，8月達(dá)到最大呼吸強(qiáng)度后逐漸下降，10月呼吸強(qiáng)度最弱。在6月CO2排放速率較低，隨著地表溫度的回升，7月CO2排放速率開始逐漸增大，生長季CO2排放速率明顯增大。

(3)生長季期間的土壤總呼吸與土壤溫度呈顯著指數(shù)相關(guān)關(guān)系。同時與土壤濕度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤CO2通量變化在對照狀態(tài)下整體隨著土層深度的增加與土壤溫度的相關(guān)性在逐漸降低。增溫處理效果明顯，增溫1 a大氣及土壤溫度較對照平均升高0.7 ℃，大氣溫度及各土層土壤溫度生長季月均值呈單峰值趨勢，7、8月達(dá)到溫度峰值，增溫處理顯著提高了土壤10 cm溫度，分別比對照處理土壤10 cm溫度提高了1.13 ℃。

(4)CO2排放速率隨著土壤深度的增加對溫度的敏感性也不斷增大，表現(xiàn)為Q10(10 cm)