寒温带针叶林火烧迹地土壤温室气体通量研究

摘要

随着全球气候变暖进程的加剧，世界范围内森林火灾频发，致使森林生态系统破坏、森林资源流失，造成了巨大的生态和经济损失。与此同时，林火产生的大量温室气体进一步加剧了全球气候变暖的进程，增加森林火险，形成气候变暖→森林火灾→气候变暖的正反馈机制。
　　寒温带大兴安岭是我国唯一的高纬度冻土林区，也是“东北亚”环境敏感区。作为我国重要的森林碳汇区，该区的多年连续冻土封存了大量的温室气体，而森林火灾是导致该区冻土融化、温室气体排放的重要干扰因素之一。本研究以不同年份(2003年、2008年和2012年)和不同程度（轻度和重度）的兴安落叶松林火烧迹地为研究对象，从林火后冻土区土壤温室气体通量、植被恢复、水热因子、土壤微生物及土壤有机碳等方面展开研究，旨在揭示林火干扰后冻土区土壤温室气体通量规律，探索火烧迹地土壤温室气体通量对植被恢复、水热因子变化、土壤微生物动态及土壤有机碳分布的响应，对进一步完善大兴安岭森林火灾后碳氮循环研究具有重要的意义。
　　观测期（2011年-2012年）内的研究结果表明:
　　1.不同火烧迹地土壤CO2排放通量呈单峰曲线规律，且随火烧年份和火烧程度的增加而增加;土壤CH4通量（生长季为吸收通量，冻融期为排放通量）呈多峰曲线规律，林火造成了土壤CH4通量的显著差异;土壤N2O通量（生长季为排放通量，冻融期不确定）呈多峰曲线规律，林火对土壤N2O通量的影响不显著。
　　2.轻度火烧趋向于增加火烧迹地Shannon-Wiener指数和Margalef指数，但地上生物量减少，重度火烧则相反;火烧导致Pielou指数的增加，表现为轻度＞重度，火灾年份对其影响不显著;土壤CO2、 CH4通量分别与地上生物量具有显著的线性正相关关系(R2=0.63，P＜0.05)和指数负相关关系(R2=0.82，P＜0.01)，土壤N2O通量与地上生物量关系不显著。
　　3.火烧迹地大气温湿度和土壤温度均表现为单峰曲线规律，土壤含水量表现为指数下降规律;土壤CO2通量分别与大气温度、土壤温度表现为显著的指数回归关系，与大气相对湿度表现为显著的正线性关系，与土壤含水量关系不显著;土壤CH4通量分别与土壤含水量、土壤温度表现为显著的正、负线性关系;土壤N2O通量分别与土壤温度、土壤含水量之间表现为显著的二次函数关系和线性关系。
　　4.2003年和2008年火烧迹地土壤微生物数量均低于未过火区，2012年火烧迹地土壤微生物数量则表现出增加趋势，火烧对土壤微生物数量造成了显著影响;轻度火烧导致土壤微生物量碳减少，重度火烧导致土壤微生物量碳增加;火烧也造成了土壤微生物量氮的显著差异，导致火烧后土壤微生物碳氮比下降;土壤微生物量碳分别与土壤CO2、CH4通量表现出极显著的正线性关系，土壤微生物量氮与土壤N2O通量之间具有显著的正相关关系。
　　5.火烧迹地土壤容重与土层深度呈负相关关系，土壤有机碳含量、有机碳密度分别与土层深度呈正相关关系;与未过火区相比，林火造成了10 cm-20 cm土层土壤有机碳的积累和0-10 cm、20 cm-30 cm和30 cm-40 cm土层土壤有机碳的亏损;土壤有机碳含量和有机碳密度整体上表现为未过火区＞2003年火烧迹地＞2008年火烧迹地＞2012年火烧迹地的特征;土壤CO2、CH4通量分别与土壤有机碳含量和密度具有显著的线性关系，但与土壤N2O通量之间关系不显著。
　　6.在冻土融化期和生长季，土壤温室气体CO2总当量随火烧年份和火烧程度增加而增加，轻度火烧导致全球增温潜能(GWP)小幅增加，重度火烧导致GWP大幅增加;在冻土冻结期，轻度火烧迹地土壤温室气体GWP减少15％左右，重度火烧迹地GWP增加，火烧年份和火烧程度对GWP增量具有显著的影响。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 土壤温室气体研究进展

1．2．2 林火干扰对温室气体的影响

1．2．3 林火后冻土区土壤温室气体研究进展

1．2．4 温室气体增温效应

1．3 研究目的和意义

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究意义

1．4 主要研究内容

1．5 创新点

1．6 课题支持

2 研究区概况及研究方法

2．1 研究区概况

2．1．1 地理位置

2．1．2 地质与地貌

2．1．3 水文水资源

2．1．4 土壤属性

2．1．5 气候条件

2．1．6 植被概况

2．1．7 森林火灾概况

2．2 研究方法

2．2．1 试验样地选择及设置

2．2．2 火烧迹地植被恢复调查

2．2．3 水热因子监测

2．2．4 土壤样品采集

2．2．5 土壤微生物测定

2．2．6 土壤有机碳测定

2．2．7 土壤温室气体通量监测

3 火烧迹地土壤温室气体通量规律

3．1 土壤CO2通量

3．1．1 火烧迹地土壤CO2通量变化规律

3．1．2 火烧迹地土壤CO2通量差异分析

3．2 土壤CH4通量

3．2．1 火烧迹地土壤CH4通量变化规律

3．2．2 火烧迹地土壤CH4通量差异分析

3．3 土壤N2O通量

3．3．1 火烧迹地土壤N2O通量变化规律

3．3．2 火烧迹地土壤N2O通量差异分析

3．3 讨论

3．3．1 林火对土壤CO2通量的影响

3．3．2 林火对土壤CH4通量的影响

3．3．3 林火对土壤N2O通量的影响

3．4 小结

4 林火后植被恢复及其与土壤温室气体通量的关系

4．1 物种多样性指数

4．1．1 火烧迹地物种多样性指数比较

4．1．2 火烧迹地物种多样性指数Duncan’s多重比较

4．1．3 林火对多样性指数的影响分析

4．2 地上生物量

4．2．1 火烧迹地地上生物量的比较

4．2．2 火烧迹地地上生物量的差异

4．2．3 林火对地上生物量的影响

4．2．4 地上生物量与土壤温室气体通量的关系

4．3 讨论

4．3．1 火烧迹地自然恢复对土壤温室气体通量的影响

4．3．2 火烧迹地地上生物量对土壤温室气体通量的影响

4．4 小结

5 土壤温室气体通量对水热因子的响应

5．1 大气温度

5．1．1 火烧迹地大气温度动态

5．1．2 大气温度与土壤温室气体通量的关系

5．2 大气相对湿度

5．2．1 火烧迹地大气湿度动态

5．2．2 大气相对湿度与土壤温室气体通量的关系

5．3 土壤温度

5．3．1 火烧迹地土壤温度动态

5．3．2 土壤温度与土壤温室气体通量的关系

5．4 土壤含水量

5．4．1 火烧迹地土壤含水量动态

5．4．2 土壤含水量与土壤温室气体通量的关系

5．5 讨论

5．5．1 温度对土壤温室气体的影响

5．5．2 土壤含水量对土壤温室气体通量的影响

5．6 小结

6 土壤微生物对土壤温室气体通量的影响

6．1 土壤微生物数量

6．1．1 火烧迹地土壤微生物数量特征及差异

6．1．2 土壤微生物数量对土壤温室气体通量的影响

6．2 土壤微生物量碳、氮

6．2．1 火烧迹地土壤微生物量碳、氮规律

6．2．2 火烧迹地土壤微生物量碳、氮对土壤温室气体通量的影响

6．3 讨论

6．3．1 林火对土壤微生物的影响

6．3．2 冻土冻融对土壤微生物的影响

6．3．3 土壤微生物对土壤温室气体通量的影响

6．4 小结

7 土壤有机碳与土壤温室气体通量的关系

7．1 火烧迹地土壤有机碳

7．1．1 火烧迹地土壤容重差异

7．1．2 火烧迹地土壤有机碳含量差异

7．1．3 火烧迹地土壤有机碳密度差异

7．2 土壤有机碳与土壤温室气体通量的关系

7．3 讨论

7．3．1 火烧程度对土壤有机碳的影响

7．3．2 火烧年份对土壤有机碳的影响

7．3．3 土壤有机碳的变化对土壤温室气体通量的影响

7．4 小结

8 土壤温室气体估算及增温效应

8．1 火烧迹地土壤温室气体通量估算

8．1．1 火烧迹地土壤温室气体生长季通量估算

8．1．2 火烧迹地土壤温室气体冻融期通量估算

8．2 火烧迹地土壤温室气体GWP

8．2．1 火烧迹地土壤温室气体生长季GWP

8．2．2 火烧迹地土壤温室气体冻融期GWP

8．3 讨论

8．3．1 林火干扰后土壤温室气体总排放量特征

8．3．2 火烧迹地土壤温室气体与GWP

8．4 小结

9 主要结论

9．1 火烧迹地土壤温室气体通量规律

9．2 火烧迹地植被恢复对土壤温室气体通量影响

9．3 火烧迹地土壤温室气体通量与水热因子的关系

9．4 火烧迹地土壤微生物对土壤温室气体通量的影响

9．5 火烧迹地土壤有机碳与土壤温室气体的关系

9．6 林火干扰对土壤温室气体GWP的影响

10 展望

致谢

参考文献

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