【摘 要】
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土壤碳库作为陆地生态系统中最大的碳储库,在全球碳循环中发挥着重要作用,土壤碳库的稳定性关系到全球生态系统碳循环的发展。全球气候变化影响大气环流和水文循环,引发降水格局的改变。降雨频率减少和降雨强度增大变化导致更多降水脉冲事件发生,刺激土壤微生物在短期内迅速提高土壤有机质分解速率并释放大量CO2到大气中,目前每年由降水脉冲引起的CO2排放量约占土壤微生物年呼吸总量的1/5。森林作为陆地生态系统的主体
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土壤碳库作为陆地生态系统中最大的碳储库,在全球碳循环中发挥着重要作用,土壤碳库的稳定性关系到全球生态系统碳循环的发展。全球气候变化影响大气环流和水文循环,引发降水格局的改变。降雨频率减少和降雨强度增大变化导致更多降水脉冲事件发生,刺激土壤微生物在短期内迅速提高土壤有机质分解速率并释放大量CO2到大气中,目前每年由降水脉冲引起的CO2排放量约占土壤微生物年呼吸总量的1/5。森林作为陆地生态系统的主体,其碳储量约占全球陆地生态系统碳储量的73%,因此探究森林生态系统中降水脉冲效应的空间格局分布及其影响因素,对土壤碳排放和陆地生态系统碳循环的研究有着重要意义。当前,相关研究主要集中在干旱半干旱区域和更小的空间尺度及室内实验上,国内外在区域大尺度上对森林土壤降水脉冲效应的研究不足,将给未来科学模拟和预测陆地乃至生物圈碳循环带来挑战。基于上述情况,本论文选择中国东部森林样带的22个典型森林生态系统,覆盖热带、亚热带、暖温带、中温带、寒温带五个温度带,包含常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、常绿针叶林和落叶针叶林五种林型。采集各样点的土壤为研究对象,在实验室内加水至土壤的65%饱和含水量以模拟自然界降水脉冲现象,在20℃下恒温培养,以分钟为时间尺度,连续测试48h内的降水脉冲效应。研究发现:(1)降水脉冲会引起中国东部森林土壤微生物的剧烈响应,产生降水脉冲效应。短时间(0.28~47.24h)内矿化分解有机质速率可快速提升1.7~38.12倍,造成土壤碳库短期内碳释放量激增。如神农架森林中土壤微生物分解有机质速率增加到干旱期间的38.12倍,土壤微生物最大呼吸速率(Rs-soil-max)升高到14.07μg C g-1soil h-1;长白山森林土壤中微生物矿化分解有机质的速率达到干旱期间的20倍,Rs-soil-max达到16.19μg C g-1soil h-1;鼎湖山森林土壤在降水脉冲后达到的呼吸峰值在这些研究样点中最小,但也是干旱期间的4倍,Rs-soil-max达到1.35μg C g-1soil h-1。(2)在中国东部森林样带上,降水脉冲效应的空间分布格局存在明显规律:随纬度增加,降水脉冲效应强度显著增大。Rs-soil-max为1.13~16.49μg C g-1soil h-1,随纬度增加而增大(P<0.05);48h碳释放总量(ARs-soil)为33.15~410.15μg C g-1soil,随纬度增加而增大(P<0.05);达到呼吸峰值的时间(TRs-soil-max)为0.28~47.24h,随纬度升高显著延长(P<0.05)。五个温度带之间森林土壤的降水脉冲效应差异显著,中温带森林土壤对降水脉冲的响应最强烈,Rs-soil-max(11.70μg C g-1soil h-1)和ARs-soil(300.71μg C g-1soil)达到最大值。热带森林响应最弱,Rs-soil-max(3.04μg C g-1soil h-1)和ARs-soil(92.07μg C g-1soil)值最小。随经度增加,降水脉冲效应强度显著增大。Rs-soil-max,ARs-soil,TRs-soil-max呈增大趋势。在海拔高度上没有发现明显规律。不同林型间的土壤降水脉冲效应存在差异,Rs-soil-max:针阔混交林>落叶针叶林>常绿针叶林>落叶阔叶林>常绿阔叶林;ARs-soil:常绿针叶林>落叶阔叶林>落叶针叶林>针阔混交林>常绿阔叶林;TRs-soil-max:落叶针叶林>常绿针叶林>针阔混交林>落叶阔叶林>常绿阔叶林。(3)气候因素(年均温、年降雨量、干旱指数),土壤化学性质(土壤总碳含量、总氮含量、p H、氧化还原电位)和土壤物理性质(粉粒、砂粒)是显著影响森林土壤降水脉冲效应的因素。按照影响程度大小排序为土壤粒径>气候因素>土壤氧化还原环境>土壤碳氮含量;微生物群落组成及数量(PLFA、G+、G-,真菌、细菌、放线菌、真菌/细菌,放线菌/细菌)对降水脉冲效应没有显著影响。本文以中国东部森林样带森林生态系统为研究对象,首次跨越大尺度区域空间范围,从纬度、经度、海拔、林型四个维度探讨森林土壤降水脉冲效应的变化规律和影响因素,为在全球变化大背景下清晰认识降水脉冲效应对碳排放的重要地位和作用,估测土壤碳库和全球生态系统碳循环的变化趋势提供科学数据支持。
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