摘要: 土壤呼吸是土壤释放CO2的过程，作为土壤碳库和大气碳库进行气体交换的主要途径，其微小变化会对陆地生态系统碳循环产生显著影响。森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分。我国森林覆盖率高，占国土总面积的五分之一以上。所以，森林生态系统土壤... 展开 土壤呼吸是土壤释放CO2的过程，作为土壤碳库和大气碳库进行气体交换的主要途径，其微小变化会对陆地生态系统碳循环产生显著影响。森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分。我国森林覆盖率高，占国土总面积的五分之一以上。所以，森林生态系统土壤呼吸的研究对于认识陆地生态系统碳循环至关重要。我国土壤呼吸研究始于上世纪90年代中后期，距今己有二十余年，大量科学家在这一领域做出了突出的贡献。然而，相对于日臻完善的土壤呼吸实地测量数据，土壤呼吸数据的整合工作仍然匮乏，这极大限制了对中国森林生态系统碳循环的全面认识。 因此，本研究通过整合568篇己发表的国内外文献资料，建立了目前国内最大的土壤呼吸数据库。同时运用不同时间尺度的土壤呼吸数据，并结合随机森林、交叉验证、方差分解等多种统计手段，系统评估了中国森林生态系统土壤碳排放量的大小和空间分布特征，揭示了不同气候带土壤呼吸的月季动态变化规律，解析了区域尺度上土壤呼吸温度敏感性的主要调控因子。主要结论如下: (1)通过文献收集整理，得到634组年尺度土壤呼吸数据，相比前人的研究数据量扩大了近5倍。在此基础上，结合了气候要素、土壤信息等多源数据，使用随机森林模型分析了中国森林生态系统土壤碳排放总量及其空间分布特征。结果表明，中国森林生态系统土壤碳排放总量为1.18Pg C yr-1，其中常绿针叶林贡献最大(42.4％)，落叶阔叶林次之(28.8％)。土壤呼吸速率总体呈现由南向北递减的空间格局，变动于402.30-1765.92g C m-2yr-1之问，平均值为777.02g Cm-2yr-1，其中竹林土壤碳排放速率最大(1036.99g C m-2yr-1)，常绿阔叶林次之(1021.42g C m-2yr-1)，落叶阔叶林最小(716.89g C m-2yr-1)。不同森林类型土壤碳排放速率的影响因子存在差异，其中常绿阔叶林、针阔混交林和竹林主要受年平均温度的影响，相对重要性分别为46.8％、50.1％和38.2％;落叶针叶林主要受年降水量的影响，相对重要性为45.2％;落叶阔叶林和常绿针叶林主要受海拔的调控，相对重要性分别为33.1％和38.8％。 (2)基于5003组土壤呼吸月值数据，对不同气候带的土壤呼吸月季变化特征进行了分析。结果表明，不同气候带土壤呼吸月动态均呈单峰型曲线，最高值出现在7、8月份，寒温带和温带地区土壤呼吸最高月值(4.18-4.36μmol m-2s-1)大于亚热带和热带地区(3.58-3.83μmol m-2s-1)。土壤呼吸最低值均发生在1月份，从小到大依次为寒温带(0.20μmol m-2s-1)、温带(0.49μmol m-2s-1)、亚热带(1.10μmol m-2s-1)和热带(1.62μmol m-2s-1)。寒温带和温带土壤呼吸月动态变化幅度(3.86-3.98μmol m-2s-1)大于亚热带和热带(1.96-2.72μmol m-2s-1)。寒温带地区春、夏、秋、冬四个季节土壤碳排放量占全年土壤碳排放量的比例平均分别为13％、66％、17％、4％，温带地区分别为19％、50％、24％、7％，亚热带地区分别为23％、40％、25％、12％，热带地区分别为26％、31％、28％、15％，四个气候带土壤碳排放量均表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季。 (3)在全国尺度上，基于5cm土壤温度(N=6341)和10cm土壤温度(N=2878)计算得到我国森林生态系统土壤呼吸温度敏感性(Q10)值分别为2.05和2.17。随着温度升高Q10呈现降低趋势，寒温带、温带、亚热带到热带Q10分别为3.32-3.74、2.69-3.00、2.15-2.20、1.63-2.28。进一步汇总数据库中各研究地点相同森林类型土壤呼吸和5cm土壤温度数据，得到155个不同观测地点和林型的Q10值。汇总的Q10在1.48-6.30之间变动。不同森林类型Q10从小到大依次为:常绿阔叶林(2.31)、竹林(2.34)、针阔混交林(2.42)、常绿针叶林(2.65)、落叶阔叶林(2.66)、落叶针叶林(3.80)，落叶针叶林Q10显著高于其他林型。进一步利用方差分解和线性回归等统计手段分析了中国森林生态系统Q10的主要调控因素。结果显示，Q10主要受底物属性和气候因子的调控，二者可以共同解释土壤呼吸温度敏感性62％的空间变异，而土壤理化性质对其解释较弱。不同气候带中，底物属性和气候因子对土壤呼吸温度敏感性的影响不一致，热带、亚热带土壤呼吸温度敏感性主要受底物属性调控，可以单独解释39％的变动;寒温带、温带地区受底物属性和气候因子共同影响，分别解释约20％的变动。这一结果表明，陆地生态系统碳循环模型将Q10定义为常数的做法是有待商榷的，模型预测中应考虑不同气候带影响因素的差异性。 综上所述，本研究利用随机森林模型估算了中国森林生态系统土壤碳排放量，并以更加全面的数据描述了不同气候带土壤呼吸的月季动态特征，揭示了不同气候带土壤呼吸温度敏感性的主要调控因素。这些研究结果对于系统认识中国森林生态系统土壤呼吸和准确评估中国陆地生态系统碳循环具有重要意义。另外，本研究创建的土壤呼吸数据库是全球土壤呼吸数据库的重要扩充，为地球系统模型提供了基准数据。 收起