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沈阳生态所在森林野外增温实验方法上取得进展

  森林是重要的陆地生态系统碳汇,全球变暖将会深刻影响森林的碳汇格局。目前,在全球已建立了数十个森林增温站点,但绝大多数规模较小(图1),无法揭示在生态系统尺度上森林气候变暖的响应规律及其机制。野外增温的方法分为主动和被动增温方式,主动增温主要包括加热电缆和红外辐射增温,通常能稳定控制增温幅度。相较于其它增温方式,红外辐射增温也更能模拟自然的气候变暖过程,且对生态系统扰动小。然而,过去开展的森林红外辐射增温样方面积也普遍都较小,样方面积通常小于12m2。森林生态系统具有结构复杂、地形多变、空间异质性较大等特点,因此,开展大型野外增温实验将有助于更好的评估森林生态系统对气候变暖的响应。目前,国际上仅有两个研究站点具有足够大的样方并开展了此类研究,一个位于美国的Harvard Forest,一个是位于瑞典的Flakaliden Forest,均采用电缆增温。我国东北地区温带森林是区域尺度上重要的森林碳汇,且处于气候变暖的敏感区域及快速升温区,然而该地区尚无原位土壤增温实验(图1)。    

  基于此,中科院沈阳生态所方运霆研究员团队依托辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站建立了东北亚地区最大的森林野外增温实验平台(图2)。实验设计增温和对照2个处理,3个样方重复,单个样方面积达到108m2。首次采用联排红外辐射灯阵方法进行增温,结合控温系统对0-10cm土壤增温2℃。采用全天24小时增温方式,增温时间段是每年的无雪期(3月下旬-12月上旬)。增温平台的建设目标是评估我国东北典型森林生态系统碳汇对增温的响应及其机制。该平台于2017年开始筹建,并于2018正式运行。 

  2018-20214年连续观测表明增温系统能够使0-10cm土壤稳定增温2(图3),同时也使10-60cm土壤升温1.2-2。红外热成像仪的结果显示,表层土壤的增温效果非常均匀。此外,增温并未显著改变土壤湿度。清原森林野外增温平台自建成以来运行良好,能克服复杂的野外气候条件,这些结果充分表明联排红外灯阵增温方案的可行性,本平台稳定的增温效果为量化森林在生态系统尺度上对升温的响应奠定了坚实的方法基础。 

  上述结果以“Design and performance of an ecosystem‐scale forest soil warming experiment with infrared heater arrays”为题在线发表在Methods in Ecology and Evolution期刊。沈阳生态所博士生段伊行和助理研究员刘冬伟为共同第一作者,方运霆研究员为通讯作者。该研究得到了国家科技部重点研发计划项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院森林生态与管理重点实验室等项目的支持。 

1 全球森林增温站点分布图(n=38

2 清原森林红外辐射增温实验平台俯视图

3 清原森林土壤增温对0-10cm土壤温度和湿度的影响(红色背景区域表示增温时段)

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