Birch效应对长白山阔叶红松林土壤呼吸的影响及其机理研究

"Birch效应"产生的碳排放，是个一直被忽略的碳过程，它可能造成森林碳汇功能评价的显著误差。本研究拟抓住这一土壤呼吸研究中有待解决的科学问题，基于中国科学院长白山森林生态系统定位研究站，以阔叶红松林森林土壤为研究对象，通过土壤控水+模拟降水试验，结合实验室试验与分析，在阐明Bitch效应表现及其过程机理的基础上，在传统的土壤呼吸模型中引入Birch效应土壤碳丢失计量，揭示Birch效应对森林碳汇功能评价的影响,提高森林土壤呼吸模型模拟预报的准确性。预期研究成果对温带森林土壤呼吸碳排放的精确估算有重要意义，对于评估降雨模式改变对土壤碳排放的影响也具有一定的参考价值。

Birch 效应产生的碳排放，是个一直被忽略的碳过程，它可能造成土壤碳呼吸排放的低估，进而造成森林碳汇功能评价的不确定性。本研究以温带原始针阔叶混交林土壤为研究对象，自制了可以在降水条件下实现实时观测的闭路箱系统，通过野外观测和实验室分析相结合，在阐明Bitch 效应大小及其过程机理的基础上，对其造成的土壤呼吸的估算误差进行了评估。通过本项目的实施揭示：森林土壤枯枝落叶层、半分解层、壤土层和白浆土层之间的呼吸差异显著，这种差异主要是由于支撑呼吸的底质有机质含量的不同所致。在5~25℃温度区间内，枯枝落叶层、半分解层和壤土层呼吸速率与温度呈指数相关，与土壤湿度也相关显著；白浆土层与黄土层土壤呼吸与温度、含水量的相关性均不显著。在野外不同的降水强度下，均观测到在模拟降水后（约1分钟），土壤中的CO2存在一个快速释放的过程，随后通量逐渐减小，并在60min 左右趋于稳定值。降水模拟试验也观测到降水发生后，土壤存在明显的呼吸激增现象，呼吸峰随降水强度的增加而升高，峰值大小与降水前的土壤湿度有关，干旱土壤对降水的响应最明显。单次降水事件造成的土壤CO2呼吸排放量可以达到16.4gC/m2， 若不考虑Birch效应造成的土壤呼吸排放低估可以达到91.0%。在总降水量相同情况下，Birch效应造成的土壤呼吸排放激增量对脉冲性降水的响应始终高于单次降水。对林下地表的倒木呼吸也进行了连续监测和实验室控制实验，并建立了倒木呼吸评价模型。指出倒木作为一个独立的碳库，其在分解过程中释放的CO2是森林土壤呼吸排放的一个重要分量。长白山阔叶红松林内倒木每年呼吸释放的碳量约为28.0±3.7 gC/(m2•yr)，占到了土壤呼吸排放量的3.8 %左右，倒木的呼吸速率与其含水量、腐烂等级和温度变化显著相关，降水发生时Birch效应在倒木呼吸中同样存在，其造成的倒木呼吸排放低估也不容忽视。通过本项目的实施，发表学术论文6篇，其中3篇发表在《Atmospheric Environment》和《Scandinavian Journal of Forest Research》等大气科学和林学主流SCI 期刊；培养博士研究生1名。