土壤湿度对温带森林土壤冻融过程中二氧化碳排放的研究

周泽文 周建东

摘 要：由于受到东亚季风和地区气温的影响，长白山地区林地土壤每年春初秋末冻融过程显著;而且土壤湿度的变化可能会对该地区土壤的温室气体的净通量产生影响。然而，由于土壤湿度的空间异质性存在巨大差异，且野外研究和室内土壤冻融实验预处理的土壤湿度梯度较少，导致土壤初始湿度对冻融期间二氧化碳排放研究不够深入。

关键词：土壤湿度;森林土壤;二氧化碳;排放

一、研究区域概况

本文的研究区域位于中国科学院长白山森林生态系统定位站（42°24′N，128°28′E），平均海拔高度为738m，地下水位约为9m。长白山地为典型的温带大陆性山地气候，受东亚季风气候的强烈影响。该地区无霜期短（全年约120d）而冰冻期长，春季干燥而多风，夏季温暖而短暂，降雨量较大，秋季凉爽多雾，冬季漫长而晴朗寒冷，常有积雪覆盖;该地区年均气温是3.6℃，1月份（最冷月）平均温度是-15.6℃，而7月份（最热月）平均温度是19.7℃;极端最高气温32.3℃，极端最低气温-37.6℃。年降水量约在600mm至900mm之间，多年平均降雨量是855mm，其中约有88%的降雨发生于每年的4月至9月。土壤为火山灰发育的温带森林暗棕壤。

1.计算与统计方法

培养过程中根据每个处理与无土壤的空白容器中气体CO2和N2O浓度差异以及培养时间算出每次不同处理土壤源CO2和N2O的瞬间通量，单位分别为mgCO2-Cm-2h-1和?gN2O-Nm-2h-1。CO2和N2O的累积通量是将培养期间每次采样测得的CO2和N2O净通量累加，单位分别为gCO2-Cm-2和mgN2O-Nm-2。

二、不同土壤湿度对温带森林土壤冻融过程中二氧化碳（CO2）排放的影响

二氧化碳（CO2）作为主要的温室气体之一，产生的途径有很多种，城市中大量汽车尾气的排放，化石燃料的燃烧，土壤中微生物的异养呼吸作用等均会产生大量CO2，而二氧化碳又会造成大气臭氧层的破坏，引起温室效应，因此，对于二氧化碳的研究就十分必要。

1.二氧化碳（CO2）的瞬时排放率

在不同的湿度条件下，次生白桦林和阔叶红松混交林冻融过程二氧化碳瞬间排放量随土壤培养时间的变化规律，由图可见，在解冻后第一天时（55～75h）不同湿度的土壤中二氧化碳（CO2）瞬间释放率达到峰值（见表2.1），之后在75～100h之间急速下降，瞬间释放率降低，并且逐渐趋于平缓。

综合分析图表2.1可以发现，土壤湿度对于次生白桦林土壤和阔叶红松混交林的影响从20%WFPS开始的，当湿度处于10%WFPS的时候，次生白桦林土壤和阔叶红松混交林土壤的CO2瞬时排放速率几乎没有改变，在各个时间点均处于平缓排放，当湿度达到20%WFPS的时候，次生白桦林土壤和阔叶红松混交林土壤的CO2瞬时排放速率均明显提高，各点速率变化较为明顯，当土壤湿度逐渐提升，从30%WFPS升高至80%WFPS的时候，次生白桦林土壤和阔叶红松混交林土壤对于CO2的释放速率的增长下降，当处于这几个WFPS的时候，各个湿度在各个时间点的CO2排放速率变化不大，当湿度达到90%的时候，次生白桦林土壤和阔叶红松混交林土壤对于CO2的瞬时排放速率急速下降减缓，与之前几个湿度相比，落差较大。

2.二氧化碳（CO2）的累计排放量

所谓CO2累计排放量是指某个湿度条件下，经计算出的CO2瞬时排放率乘以24h加上前一天的瞬时排放率乘以24的数值，CO2的累计排放量表达出了在不同的演替过程中森林土壤异养呼吸的差异与预期土壤的活性碳库有很大的关联。从累计排放量中我们可以看出，在10～90%的WFPS下，CO2的累积排放量是逐渐缓步提升的，由每个点的切变程度可以看出累积排放量持续处于上升状态。

三、结论

结合现今的环境，可以知道土壤冻融过程的加剧是由于全球气候变化引起的，而长白山地区由于其独特的地理、气候条件，首先受到影响。本实验以长白山两种演替阶段的森林土壤为研究对象，利用均质土壤构建模拟土柱，从而深入分析不同湿润程度下温带森林土壤冻融过程中温室气体净通量的单一和交互影响，并通过分析实验前后的土壤有效碳、氮含量的变化来研究相关机制。