土壤增温对不同深度土壤温度的影响

章 宪，刘小飞，陈仕东，熊德成，林伟盛，林廷武，林成芳

(福建省湿润亚热带山地生态重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地，福州350007)

章宪，刘小飞，陈仕东，等．土壤增温对不同深度土壤温度的影响［J］．亚热带资源与环境学报，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．

过去的70年 (1948—2010年)中陆地表面平均气温每10年增加0.17℃［1］，据IPCC(2007)预计到21世纪末，全球平均温度将增加1.1～6.4℃［2］。近20年来，全球相继开展了大量的增温控制实验，研究各类生态系统对全球变暖的响应。据已发表的文献统计分析表明，目前野外增温控制实验主要集中于中高纬度地区的草原、农田、冻原和森林生态系统［3-6］，在30°N以南的热带和亚热带地区野外增温实验鲜有报道［7-8］。

土壤有机C库是陆地生态系统最大的C储存库，其储量高达1 500～2 000 Pg，其中深层土壤 (20 cm或30 cm以下)占1 m土层土壤C储量的比例超过50%，因此深层土壤C释放的微小变化能显著地改变大气中CO2浓度［9］。土壤温度是影响土壤C矿化的重要因子，土壤温度增加将加速土壤C矿化。目前土壤增温研究主要集中土壤表层温度变化对生态系统C、N循环过程的影响，而对深层土壤温度变化研究报道较少。因此，本研究采用埋设加热电缆法探讨土壤增温对不同深度土壤温度的影响，对探讨深层土壤有机C对全球变暖的响应具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于福建省三明市金丝湾森林公园陈大林业国有林场内 (26°19'N，117°36'E)，属于中亚热带季风气候，年均温20.1℃，年降水量1 670 mm，降水多集中于3—8月份。

1.2 试验方法

增温小区面积2 m×2 m，设增温、不增温2种处理，每个处理5个重复。于2013年10月安装加热电缆 (增温和不增温小区都布设相同电缆)，加热电缆功率是40 w/m，平行布设，深度为10 cm，间距20 cm，并在最外围环绕一圈，保证样地增温的均匀性。对照样地和增温样地的温度探头布设在2条加热电缆之间，分别在土壤5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm和70 cm埋入温度探头(德国JUMO)。电缆安装完5个月后 (2014年3月)开始通电增温。本文采用数据时间为2014年3月15—19日。

1.3 数据分析

采用SPSS 17.0的One-Way ANOVA检验不同处理间不同深度的显著性差异，采用Excel 2013作图。

2 结果与分析

2.1 不同深度土壤温度变化

在观测期间 (图1)，对照样地不同深度土壤温度随深度增加而降低，变化范围为17.15～21.49℃，最大值出现在5 cm处，在70 cm以下，土壤温度基本不变。增温样地，土壤温度变化范围为18.72～25.10℃，由于增温电缆布设在10 cm处，土壤温度最大值出现在10 cm处，其次为5 cm温度最高，在10 cm以下，土壤温度随深度增加而降低。

2.2 土壤增温对不同深度土壤温度的影响

在观测期间，增温样地10 cm土壤温度变化范围为20.41～31.89℃，对照样地变化范围为15.31～26.81℃，平均增温幅度为4.83℃，与预设的5℃增温相差0.17℃，达预期的增温效果 (图2B)，其中夜间 (18:00—06:00)土壤平均增温幅度为4.90℃，白天 (06:00—18:00)平均增温幅度为4.62℃，夜间增温幅度大于白天。在土壤5 cm温度受外界环境影响较大，昼夜波动明显，对照样地温度变化范围为13.94～33.53℃，平均温度为21.49℃;增温样地土壤平均温度24.42℃，显著高于对照样地 (P＜0.05)，变化范围为17.69～34.84℃ (图2A)。对照样地土壤20 cm和30 cm温度波动范围较小，其平均值分别为19.29℃和18.89℃，增温样地20 cm和30 cm土壤温度分别增加3.76℃和3.19℃，显著高于对照样地 (图2C、D)。增温样地40 cm和50 cm土壤平均温度20.77℃和20.21℃，两土层温度无显著变化，但分别比对照样地高2.32℃和2.06℃ (图2E、F)。在60 cm和70 cm处，对照样地平均土壤温度基本接近，分别为17.16℃和17.15℃，但增温样地，60 cm平均温度(19.58℃)仍比70 cm高0.86℃。因此，采用埋设加热电缆进行土壤增温其增温效果可以延续至70 cm以下。

图1 土壤温度随土层深度变化Figure1 Soil temperature changes with soil depth

图2 土壤增温对不同土层深度土壤温度的影响Figure2 Effects of soil warming on soil temperature in different depths

3 小结

采用埋设加热电缆进行增温对0～70 cm土层温度均有不同程度的影响。除增温层外 (10 cm)，对30 cm和40 cm影响最大，比对照样地高3.19～3.76℃;其次为5 cm、40 cm、50 cm和60 cm，分别比对照样地高2.93℃、2.32℃、2.06℃和2.42℃;增温样地70 cm土壤温度仍比对照高1.57℃;底层土壤温度 (20 cm以下)的升高可能导致底层土壤有机C大量释放，使全球变暖进一步加剧。因此，未来开展土壤增温研究中需考虑增温对底层土层温度的影响，并需进一步开展增温对深层土壤有机C影响的研究。

［1］Xia J Y，Chen J Q，Piao S L，et al．Terrestrial carbon cycle affected by non-uniform climate warming［J］．Nature Geoscience，2014，DOI:10．1038/NGEO2093．

［2］IPCC．Climate change:The physical science basis．Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［R］．Cambridge:Cambridge University Press，2007．

［3］Aronson E L，McNulty S G．Appropriate experimental ecosystem warming methods by ecosystem，objective，and practicality［J］．Agricultural and Forest Meteorology，2009，149(11):1791-1799．

［4］Melillo J M，Steudler P，Aber J，et al．Soil warming and carbon-cycle feedbacks to the climate system ［J］．Science，2002，298(5601):2173-2176．

［5］Schindlbacher A，Zechmeister-boltenstern S，Jandl R．Carbon losses due to soil warming:Do autotrophic and heterotrophic soil respiration respond equally?［J］．Global Change Biology，2009，15(4):901-913．

［6］Li D J，Zhou X H，Wu L，et al．Contrasting responses of heterotrophic and autotrophic respiration to experimental warming in a winter annual-dominated prairie ［J］．Global Change Biology，2013，19(11):3553-3564．

［7］Wood T E，Cavaleri M A，Reed S C．Tropical forest carbon balance in a warmer world:a critical review spanning microbial to ecosystem-scale processes ［J］．Biological Reviews，2012，87(4):912-927．

［8］Zhou X H，Fu Y，Zhou L，et al．An imperative need for global change research in tropical forests［J］．Tree Physiology，2013，33(9):903-912．

［9］Jobbagy E G，Jackson R B．The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation ［J］．Ecological Application，2000，10(2):423-436．