不同降雨强度对亚热带杉木人工林伐桩区土壤呼吸的影响及驱动机制

Stump system plays a vital role in regulating the carbon cycle in the plantation ecosystem. Most of previous studies have focused on examining the decomposition and nutrient dynamics of stump systems, but not the soil respiration. Precipitation may have a profound impact on soil respiration in stumped areas especially under the context of extreme rainfall events. However, we still lack of evidence regarding this issue. Here, we will monitor the high-frequency soil respiration on stump system and non-stump system after four intensity precipitation events in the subtropical Chinese fir plantation. By examining the biotic and abiotic indicators, we attempt to reveal the mechanisms controlling the effect of increased precipitation and forest exploitation on soil carbon pool in the subtropical Chinese fir plantation. Our research will provide important information for the accurate assessment of soil carbon processes of subtropical forest ecosystem under future scenarios of the forest exploitation and global precipitation pattern changes.

伐桩在人工林生态系统碳循环中发挥着极为关键的作用，但以往的研究更多关注伐桩本身的分解和养分释放动态，很少关注伐桩区土壤呼吸的动态。而且，近年来极端降雨事件发生频次增加，这可能会对伐桩区土壤呼吸产生深远的影响，但相关的研究极少。本项目拟以亚热带杉木人工林为研究对象，采用连续高频测定法，监测伐桩区和非伐桩区土壤呼吸对不同强度降雨事件(增雨）的响应格局，并通过测定相关的生物和非生物因子，揭示其驱动机制。这将为准确评估和预测降雨格局变化和采伐管理措施对亚热带人工林生态系统碳收支平衡提供科学依据。

作为土壤碳库进入大气的主要通道，土壤呼吸在构建陆地生态系统碳循环模型中发挥着重要作用。降雨格局改变（极端降雨频发）正逐步影响生态系统土壤碳释放过程，伐桩系统作为森林采伐所留下的粗木质残体，其碳释放过程对极端降雨事件的响应研究相对较少。为准确评估不同强度脉冲降雨对伐桩系统土壤呼吸及其组分的影响，本研究通过人工模拟对照、轻度、中度和重度4种强度脉冲降雨事件(+0mm、+40mm、+80mm和+120mm)开展针对杉木人工林伐桩区与非伐桩区野外人工连续高频土壤呼吸监测试验（4h/次）。结果表明：（1）对照中伐桩区土壤呼吸季节均值变化区间为1.14 -2.45 μmol m-2s-1，而非伐桩区在0.9-1.72 μmol m-2s-1之间，采伐管理使土壤呼吸年均降低了24.3%。低、中强度脉冲降雨显著促进了非伐桩区土壤呼吸的释放，而高强度脉冲降雨则显著抑制了伐桩区与非伐桩区土壤CO2的释放。另外，伐桩区与非伐桩区土壤呼吸的响应变化趋势基本一致，9月份土壤呼吸脉冲效应最大，6月份最为敏感，3月份响应最弱，12月份均产生了抑制效应。(2)在年尺度上，增加降雨虽然增加土壤湿度，但对土壤温度无显著影响，结构方程模型分析表明，土壤温度是引起土壤呼吸年内动态变化的主要原因，而降雨能够快速增加土壤湿度进而对土壤呼吸日动态产生影响。（3）异养呼吸是土壤呼吸的主要贡献者，伐桩区CK年均异养呼吸贡献率为71.1%，非伐桩区CK年均异养呼吸贡献率为61%，增加降雨促进了非伐桩区异养呼吸的贡献，而就伐桩区而言，低强度降雨显著增加了自养呼吸的贡献。结构方程模型分析发现非生物因素是引起非伐桩区土壤呼吸组分变异的主要原因，其中异养呼吸的变异主要来源于土壤温度的变化，自养呼吸与净铵化速率的变化相关；对于伐桩区而言，生物因素(ANPP)是自养呼吸变化的主要原因，非生物因素是异养呼吸变化的主要原因。综上，在这个降雨格局变化较大的季雨林生态系统，未来低、中强度降雨，将会使得杉木人工林非伐桩系统土壤碳更多的流向大气，而极端降雨事件短期内可能抑制土壤碳排放。