暖温带锐齿栎林土壤呼吸时空变异及其调控机理

【摘要】： 土壤呼吸是大气CO_2来源之一,在决定生态系统作为大气碳源汇方面起着重要作用。理解土壤呼吸调控机理对于我们更好的描述全球碳收支具有重要意义。但是,不同年龄段、不同森林类型间,土壤呼吸变异规律及其调控机理都存在不同程度的差异。本研究位于伏牛山地区宝天曼自然保护区,通过对该区主要森林类型之一锐齿栎林土壤呼吸的研究,旨在为计算该区森林生态系统碳收支提供理论基础。 1)研究了暖温带锐齿栎林长期演替序列(40年生幼龄林(YO)、48年生中龄林(IO)、80年生成熟林(MO)、143年生过熟林(OGO))土壤呼吸(RS)时空变异性。四种林分土壤呼吸的时间变异很大程度上依赖于土壤5cm温度(T5),T5揭示了土壤呼吸时间变异的73.8～82.5%。土壤含水量(SWC)仅与IO林土壤呼吸在时间上有弱相关,与其它林分土壤呼吸均无相关关系。四种林分土壤呼吸标准差(SD)呈明显的季节动态,与T5季节动态相一致,而土壤呼吸变异系数(CV)则无显著季节动态。土壤水分含量的空间变异系数与YO林和OGO林土壤呼吸空间变异系数呈显著线性相关关系。OGO林土壤呼吸变异性显著高于其它林分,因而,在95%置信区间内获得的土壤呼吸值控制在实际值的±20%误差范围内,OGO林需要取样点数高于其它林分。表层(0-10cm)土壤有机碳(SOC),尤其是土壤轻组有机碳(LFOC)能很好的解释土壤累积呼吸量不同林龄间差异。土壤0-5cm总孔隙度(TP)与不同林龄间土壤累积呼吸量呈显著负相关关系,这种负相关关系可能来自于土壤毛管孔隙对土壤呼吸的限制或制约。随着森林演替,土壤活性碳储量及土壤物理性状等随之变化,继而影响了土壤表面碳通量,使土壤表面CO_2通量随林龄增加而增加。森林演替后期,土壤呼吸空间变异性明显增加。 2)通过壕沟断根法结合根分解实验,区分估计了暖温带锐齿栎林长期演替序列(YO、IO、MO、OGO)生长季土壤自养(RR)和异养呼吸(RH)。并对其季节动态和时空变异调控因素进行了研究。研究发现,尽管根系呼吸与异养呼吸一样,在时间变异上可以很好的由土壤5cm温度通过指数模型解释,但是,YO和IO林根呼吸的峰值发生在9月份,较土壤温度的峰值滞后约30天。而且,与MO和OGO林不同,YO和IO林根系呼吸占总呼吸的比例在9月份出现了第二个峰值。2009年生长季(106-287天)累积自养和异养呼吸通量不同林龄间表现出显著差异。YO、IO、MO及OGO林生长季土壤异养呼吸累积值分别为431.72、452.02、484.62和678.93 g C m~(-2),而其根呼吸累积值分别为191.94、206.51、321.13和153.03 g C m~(-2)。根系呼吸占土壤总呼吸的比例(RC)由YO林的30.78%增加到MO林的39.85%,然后降低到OGO林的18.39%。不同林龄间土壤0-10cm有机碳储量,尤其是活性有机碳储量(LFOC)与生长季累积土壤异养呼吸间呈显著相关。但是,细根生物量与根系呼吸间相关性不显著。异养呼吸的表面温度敏感性(Q_(10))显著高于根系呼吸,两者分别为3.93和2.78。随林龄增加土壤毛管孔隙度显著降低,一定程度上解释了土壤呼吸不同林分间差异。该区锐齿栎长期演替序列土壤呼吸随林龄的增加而增加,主要由该区森林土壤异养呼吸较高贡献率所致。不同演替阶段,森林根系呼吸表现出不同的季节格局。本研究强调了土壤呼吸组分分离在评价林龄对土壤呼吸影响时的重要性。 3)通过在两种林分分别建立40×60m固定样地,按10m网格划分后在网格交点测定土壤呼吸、土壤理化性状、根生物量及林分结构特征等,研究比较了暖温带地区相邻锐齿栎天然次生林(OF)与华山松人工林(PP)土壤呼吸时空变异性及其调控因素。测定从2008年10月至2009年10月。研究表明,整个生长季过程中,两种林分土壤呼吸空间格局均较为稳定。与锐齿栎次生林相比,华山松人工林土壤呼吸空间变异较小。各测定点土壤呼吸与5cm土壤温度均呈显著指数相关。研究发现,土壤呼吸与土壤水分含量(SWC)在空间上呈负相关,但是,水分饱和对气体扩散的限制作用并不是土壤水分含量较高区域呼吸量较低的主要原因。与土壤水分含量相比,土壤孔隙充水率(WFPS)能更好的解释土壤呼吸空间变异性。以土壤呼吸测量点为中心,半径4-5m范围内的胸高断面积和(BA)、最大胸径(max DBH)、平均胸径(mean DBH)等林分结构参数能很好的解释锐齿栎次生林土壤呼吸的空间变异性,而在华山松人工林中则未发现相似结果。多元逐步回归模型表明,土壤轻组有机碳(LFOC)含量、土壤持水力(WHC)共同解释了华山松人工林土壤呼吸空间变异的49.6%;而土壤持水力(WHC)、4米半径内最大胸径(max DBH4)、及土壤总孔隙(TP)共同解释了锐齿栎次生林土壤呼吸空间变异的64.2%。这表明生物与非生物因子在控制次生林与人工林土壤呼吸空间变异时的差异性。土壤呼吸温度敏感性(Q_(10))与土壤碳库活度(LLFOC)、细根生物量(FR)在空间上呈正相关关系,而与土壤水分含量则呈负相关关系。森林覆盖变化造成土壤水分含量的显著降低可能是华山松人工林土壤呼吸温度敏感性显著增加的原因。本文研究结果强调了次生林与人工林土壤碳通量空间变异及其调控因子的差异性,对于精确估计区域碳收支具有重要意义。 4)关于气候变暖对中国暖温带森林土壤碳氮循环潜在影响的研究尚未见报道,本研究将高海拔地区(1400m)锐齿栎林直径30cm、高40cm的原状土柱移至低海拔地区(620m),将低海拔地区栓皮栎林原状土柱移至高海拔地区,通过土壤互置实验模拟气候变暖或变冷对土壤碳氮动态的影响。研究表明,低海拔样地土壤平均温度比高海拔样地约高3℃,而土壤水分含量约低6%。对控制(in situ)及移位处理(transfer)土柱土壤氮周转和土壤呼吸均进行了为期一年的观测。移位土壤净氮矿化率及净氮硝化化率比原位培养的分别高约254%和67%,移位土壤呼吸速率比原位培养的高约52%。在整个实验过程中,相对于较为稳定的增温效果(3℃),土壤呼吸量对移位处理的响应程度则呈现明显的季节动态,在夏季时达到最大。土壤从高海拔到低海拔移位一年后,土壤微生物生物量碳显著降低,可溶性有机碳显著增加,土壤异养呼吸温度敏感性显著增加,而土壤异养基础呼吸明显降低。相反,土壤从低海拔到高海拔移位,对土壤碳、氮过程影响程度较低,各土壤呼吸参数及土壤活性有机碳含量均无显著变化。本研究表明,从高海拔到低海拔土壤移位短期内对土壤碳氮过程及土壤可用性底物均具有强烈的影响。 【关键词】：林分结构 林龄 根系呼吸 异养呼吸 Q_(10) 细根生物量 土壤有机碳 轻组有机碳
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：S714
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-19
• 第一章 绪论19-32
• 1.1 森林土壤呼吸野外测定方法19-21
• 1.1.1 碱吸收法19
• 1.1.2 气相色谱法19-20
• 1.1.3 红外气体分析仪法20
• 1.1.4 涡度相关法20-21
• 1.2 影响森林土壤呼吸的因素21-24
• 1.2.1 环境及其它因子对土壤呼吸的影响21-22
• 1.2.2 营林活动对土壤呼吸的影响22-23
• 1.2.3 生物因素对土壤呼吸的影响23-24
• 1.3 森林土壤呼吸的时空变异24-25
• 1.3.1 森林土壤呼吸的时间变异24
• 1.3.2 森林土壤呼吸的空间变异24-25
• 1.4 森林土壤自养呼吸与异养呼吸的分离25-26
• 1.5 土壤呼吸温度敏感性（Q_(10)）26-29
• 1.5.1 传统描述土壤呼吸的经验公式26-27
• 1.5.2 Q_(10) 与土壤质量关系的争论27-28
• 1.5.3 自养呼吸与异养呼吸敏感性差异28-29
• 1.6 国内森林土壤呼吸研究概况29-30
• 1.7 研究目的和意义30
• 1.8 拟重点解决的问题及主要研究内容30-31
• 1.9 技术路线31-32
• 第二章 暖温带锐齿栎林长期演替序列土壤呼吸季节及空间变异32-49
• 2.1 引言32-33
• 2.2 材料和方法33-36
• 2.2.1 研究地点及实验设计33-34
• 2.2.2 土壤呼吸、土壤温度及水分含量的测定34
• 2.2.3 土壤物理性状、总有机碳、轻组有机碳、根生物量及叶面积指数34
• 2.2.4 数据分析34-36
• 2.3 结果36-46
• 2.3.1 土壤CO_2 通量季节格局及相关环境因子36-41
• 2.3.2 土壤呼吸的空间变异41-43
• 2.3.3 生长季累积土壤表面CO_2 通量及其与土壤理化性质的关系43-46
• 2.4 讨论46-49
• 2.4.1 土壤CO_2 通量及其季节动态46-48
• 2.4.2 土壤呼吸空间变异的季节格局48-49
• 第三章 暖温带锐齿栎林长期演替序列土壤根系呼吸和异养呼吸分离49-69
• 3.1 引言49-50
• 3.2 材料和方法50-53
• 3.2.1 研究地点及实验设计50
• 3.2.2 土壤呼吸、土壤温度及水分含量的测定50-51
• 3.2.3 土壤碳含量、轻组有机碳、根生物量及叶面积指数51
• 3.2.4 数据分析51-53
• 3.3 结果53-64
• 3.3.1 土壤呼吸与土壤温湿度关系53-56
• 3.3.2 土壤呼吸季节动态56-58
• 3.3.3 土壤呼吸各组分生长季累积通量58-63
• 3.3.4 壕沟效应63-64
• 3.4 讨论64-69
• 3.4.1 土壤呼吸的季节动态64-65
• 3.4.2 根系与异养呼吸模型65-66
• 3.4.3 生长季土壤呼吸组分及其控制因素66-67
• 3.4.4 壕沟效应对土壤微气候及呼吸的影响67-69
• 第四章 锐齿栎次生林与华山松人工林土壤呼吸时空变异及其调控因子的差异69-91
• 4.1 引言69-70
• 4.2 材料与方法70-73
• 4.2.1 样地基本情况与实验设计70-71
• 4.2.2 土壤呼吸、土壤温度及水分含量的测定71
• 4.2.3 土壤碳含量、轻组有机碳、根生物量及叶面积指数71-72
• 4.2.4 土壤呼吸温度效应的消除72
• 4.2.5 土壤碳库活度的定义72-73
• 4.2.6 统计分析73
• 4.3 结果73-85
• 4.3.1 土壤呼吸空间变异的季节格局73-78
• 4.3.2 影响土壤呼吸空间格局的因素78-83
• 4.3.3 温度敏感性83-85
• 4.4 讨论85-91
• 4.4.1 土壤呼吸空间变异及其季节动态85-86
• 4.4.2 土壤呼吸空间变异及其控制因素86-88
• 4.4.3 Q_(10) 值空间变异88-91
• 第五章 沿海拔梯度土壤互置实验对暖温带锐齿栎林土壤碳氮循环的影响91-106
• 5.1 引言91-92
• 5.2 材料及方法92-95
• 5.2.1 研究地点92
• 5.2.2 实验设计92
• 5.2.3 样地及土壤特征92-93
• 5.2.4 净氮周转93
• 5.2.5 土壤呼吸,土壤温度及水分含量的测定93
• 5.2.6 土壤微生物生物量碳及可溶性有机碳测定93-94
• 5.2.7 数据分析94-95
• 5.3 结果95-102
• 5.3.1 土壤微气候变化95-96
• 5.3.2 土壤氮周转96
• 5.3.3 土壤 CO_2 通量变化96-101
• 5.3.4 温度敏感性、基础呼吸、微生物生物量碳及可溶性有机碳101-102
• 5.4 讨论102-106
• 5.4.1 土壤移位对净氮周转的影响102-103
• 5.4.2 土壤移位对土壤呼吸和微气候的影响103-104
• 5.4.3 土壤移位对活性碳库及 Q10 值的影响104-106
• 第六章 结论及展望106-108
• 6.1 结论106-107
• 6.2 展望107-108
• 参考文献108-125
• 在读期间的学术研究125-126
• 致谢126-127

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