森林是重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯,全球變暖將會(huì)深刻影響森林的碳匯格局。目前,在全球已建立了數(shù)十個(gè)森林增溫站點(diǎn),但絕大多數(shù)規(guī)模較小(圖1),無(wú)法揭示在生態(tài)系統(tǒng)尺度上森林氣候變暖的響應(yīng)規(guī)律及其機(jī)制。野外增溫的方法分為主動(dòng)和被動(dòng)增溫方式,主動(dòng)增溫主要包括加熱電纜和紅外輻射增溫,通常能穩(wěn)定控制增溫幅度。相較于其它增溫方式,紅外輻射增溫也更能模擬自然的氣候變暖過(guò)程,且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)小。然而,過(guò)去開(kāi)展的森林紅外輻射增溫樣方面積也普遍都較小,樣方面積通常小于12m2。森林生態(tài)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地形多變、空間異質(zhì)性較大等特點(diǎn),因此,開(kāi)展大型野外增溫實(shí)驗(yàn)將有助于更好的評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變暖的響應(yīng)。目前,國(guó)際上僅有兩個(gè)研究站點(diǎn)具有足夠大的樣方并開(kāi)展了此類研究,一個(gè)位于美國(guó)的Harvard Forest,一個(gè)是位于瑞典的Flakaliden Forest,均采用電纜增溫。我國(guó)東北地區(qū)溫帶森林是區(qū)域尺度上重要的森林碳匯,且處于氣候變暖的敏感區(qū)域及快速升溫區(qū),然而該地區(qū)尚無(wú)原位土壤增溫實(shí)驗(yàn)(圖1)。
基于此,中科院沈陽(yáng)生態(tài)所方運(yùn)霆研究員團(tuán)隊(duì)依托遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站建立了東北亞地區(qū)最大的森林野外增溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖2)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)增溫和對(duì)照2個(gè)處理,3個(gè)樣方重復(fù),單個(gè)樣方面積達(dá)到108m2。首次采用聯(lián)排紅外輻射燈陣方法進(jìn)行增溫,結(jié)合控溫系統(tǒng)對(duì)0-10cm土壤增溫2℃。采用全天24小時(shí)增溫方式,增溫時(shí)間段是每年的無(wú)雪期(3月下旬-12月上旬)。增溫平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是評(píng)估我國(guó)東北典型森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯對(duì)增溫的響應(yīng)及其機(jī)制。該平臺(tái)于2017年開(kāi)始籌建,并于2018正式運(yùn)行。
2018-2021年4年連續(xù)觀測(cè)表明增溫系統(tǒng)能夠使0-10cm土壤穩(wěn)定增溫2℃(圖3),同時(shí)也使10-60cm土壤升溫1.2-2℃。紅外熱成像儀的結(jié)果顯示,表層土壤的增溫效果非常均勻。此外,增溫并未顯著改變土壤濕度。清原森林野外增溫平臺(tái)自建成以來(lái)運(yùn)行良好,能克服復(fù)雜的野外氣候條件,這些結(jié)果充分表明聯(lián)排紅外燈陣增溫方案的可行性,本平臺(tái)穩(wěn)定的增溫效果為量化森林在生態(tài)系統(tǒng)尺度上對(duì)升溫的響應(yīng)奠定了堅(jiān)實(shí)的方法基礎(chǔ)。
上述結(jié)果以“Design and performance of an ecosystem‐scale forest soil warming experiment with infrared heater arrays”為題在線發(fā)表在Methods in Ecology and Evolution期刊。沈陽(yáng)生態(tài)所博士生段伊行和助理研究員劉冬偉為共同第一作者,方運(yùn)霆研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
圖1 全球森林增溫站點(diǎn)分布圖(n=38)
圖2 清原森林紅外輻射增溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)俯視圖
圖3 清原森林土壤增溫對(duì)0-10cm土壤溫度和濕度的影響(紅色背景區(qū)域表示增溫時(shí)段)