土壤增溫對(duì)不同深度土壤溫度的影響

章 憲，劉小飛，陳仕東，熊德成，林偉盛，林廷武，林成芳

(福建省濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州350007)

章憲，劉小飛，陳仕東，等．土壤增溫對(duì)不同深度土壤溫度的影響［J］．亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，9(1):89-91．

Zhang Xian，Liu Xiao-fei，Chen Shi-dong，et al．Effects of soil warming on the temperature of soil in different depths ［J］．Journal of Subtropical Resources and Environment，2014，9(1):89-91．

過(guò)去的70年 (1948—2010年)中陸地表面平均氣溫每10年增加0.17℃［1］，據(jù)IPCC(2007)預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，全球平均溫度將增加1.1～6.4℃［2］。近20年來(lái)，全球相繼開展了大量的增溫控制實(shí)驗(yàn)，研究各類生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變暖的響應(yīng)。據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析表明，目前野外增溫控制實(shí)驗(yàn)主要集中于中高緯度地區(qū)的草原、農(nóng)田、凍原和森林生態(tài)系統(tǒng)［3-6］，在30°N以南的熱帶和亞熱帶地區(qū)野外增溫實(shí)驗(yàn)鮮有報(bào)道［7-8］。

土壤有機(jī)C庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的C儲(chǔ)存庫(kù)，其儲(chǔ)量高達(dá)1 500～2 000 Pg，其中深層土壤 (20 cm或30 cm以下)占1 m土層土壤C儲(chǔ)量的比例超過(guò)50%，因此深層土壤C釋放的微小變化能顯著地改變大氣中CO2濃度［9］。土壤溫度是影響土壤C礦化的重要因子，土壤溫度增加將加速土壤C礦化。目前土壤增溫研究主要集中土壤表層溫度變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)過(guò)程的影響，而對(duì)深層土壤溫度變化研究報(bào)道較少。因此，本研究采用埋設(shè)加熱電纜法探討土壤增溫對(duì)不同深度土壤溫度的影響，對(duì)探討深層土壤有機(jī)C對(duì)全球變暖的響應(yīng)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省三明市金絲灣森林公園陳大林業(yè)國(guó)有林場(chǎng)內(nèi) (26°19'N，117°36'E)，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫20.1℃，年降水量1 670 mm，降水多集中于3—8月份。

1.2 試驗(yàn)方法

增溫小區(qū)面積2 m×2 m，設(shè)增溫、不增溫2種處理，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。于2013年10月安裝加熱電纜 (增溫和不增溫小區(qū)都布設(shè)相同電纜)，加熱電纜功率是40 w/m，平行布設(shè)，深度為10 cm，間距20 cm，并在最外圍環(huán)繞一圈，保證樣地增溫的均勻性。對(duì)照樣地和增溫樣地的溫度探頭布設(shè)在2條加熱電纜之間，分別在土壤5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm和70 cm埋入溫度探頭(德國(guó)JUMO)。電纜安裝完5個(gè)月后 (2014年3月)開始通電增溫。本文采用數(shù)據(jù)時(shí)間為2014年3月15—19日。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0的One-Way ANOVA檢驗(yàn)不同處理間不同深度的顯著性差異，采用Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深度土壤溫度變化

在觀測(cè)期間 (圖1)，對(duì)照樣地不同深度土壤溫度隨深度增加而降低，變化范圍為17.15～21.49℃，最大值出現(xiàn)在5 cm處，在70 cm以下，土壤溫度基本不變。增溫樣地，土壤溫度變化范圍為18.72～25.10℃，由于增溫電纜布設(shè)在10 cm處，土壤溫度最大值出現(xiàn)在10 cm處，其次為5 cm溫度最高，在10 cm以下，土壤溫度隨深度增加而降低。

2.2 土壤增溫對(duì)不同深度土壤溫度的影響

在觀測(cè)期間，增溫樣地10 cm土壤溫度變化范圍為20.41～31.89℃，對(duì)照樣地變化范圍為15.31～26.81℃，平均增溫幅度為4.83℃，與預(yù)設(shè)的5℃增溫相差0.17℃，達(dá)預(yù)期的增溫效果 (圖2B)，其中夜間 (18:00—06:00)土壤平均增溫幅度為4.90℃，白天 (06:00—18:00)平均增溫幅度為4.62℃，夜間增溫幅度大于白天。在土壤5 cm溫度受外界環(huán)境影響較大，晝夜波動(dòng)明顯，對(duì)照樣地溫度變化范圍為13.94～33.53℃，平均溫度為21.49℃;增溫樣地土壤平均溫度24.42℃，顯著高于對(duì)照樣地 (P＜0.05)，變化范圍為17.69～34.84℃ (圖2A)。對(duì)照樣地土壤20 cm和30 cm溫度波動(dòng)范圍較小，其平均值分別為19.29℃和18.89℃，增溫樣地20 cm和30 cm土壤溫度分別增加3.76℃和3.19℃，顯著高于對(duì)照樣地 (圖2C、D)。增溫樣地40 cm和50 cm土壤平均溫度20.77℃和20.21℃，兩土層溫度無(wú)顯著變化，但分別比對(duì)照樣地高2.32℃和2.06℃ (圖2E、F)。在60 cm和70 cm處，對(duì)照樣地平均土壤溫度基本接近，分別為17.16℃和17.15℃，但增溫樣地，60 cm平均溫度(19.58℃)仍比70 cm高0.86℃。因此，采用埋設(shè)加熱電纜進(jìn)行土壤增溫其增溫效果可以延續(xù)至70 cm以下。

圖1 土壤溫度隨土層深度變化Figure1 Soil temperature changes with soil depth

圖2 土壤增溫對(duì)不同土層深度土壤溫度的影響Figure2 Effects of soil warming on soil temperature in different depths

3 小結(jié)

采用埋設(shè)加熱電纜進(jìn)行增溫對(duì)0～70 cm土層溫度均有不同程度的影響。除增溫層外 (10 cm)，對(duì)30 cm和40 cm影響最大，比對(duì)照樣地高3.19～3.76℃;其次為5 cm、40 cm、50 cm和60 cm，分別比對(duì)照樣地高2.93℃、2.32℃、2.06℃和2.42℃;增溫樣地70 cm土壤溫度仍比對(duì)照高1.57℃;底層土壤溫度 (20 cm以下)的升高可能導(dǎo)致底層土壤有機(jī)C大量釋放，使全球變暖進(jìn)一步加劇。因此，未來(lái)開展土壤增溫研究中需考慮增溫對(duì)底層土層溫度的影響，并需進(jìn)一步開展增溫對(duì)深層土壤有機(jī)C影響的研究。

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