北亚热带—暖温带过渡区典型森林生态系统土壤呼吸特征研究

【摘要】： 为揭示北亚热带-暖温带过渡区典型森林生态系统的土壤总呼吸及各组分呼吸的变异与碳排放特征，促进对森林生态系统碳输出过程的深入了解。本研究针对目前土壤呼吸研究中的热点与难点问题，以宝天曼森林生态观测站为依托，以土壤总呼吸组分分离为突破口，应用国内外认可的呼吸速率测定及分离方法对分布面积占该区域森林总面积95％以上的5个典型森林生态系统的土壤总呼吸(R_T)、土壤呼吸(R_S)、根呼吸(R_A)、土壤异养呼吸(R_H)及凋落物呼吸(R_L)在5个森林类型土壤温度、土壤含水量及凋落物含水量变幅分别为26.60～26.94℃、0.19～0.29 kg·kg~(-1)与1.85～1.96 kg·kg~(-1)条件下的变化过程及相关的环境、生物因子进行了为期一年的观测，并设置了土壤温湿度室内培养与呼吸速率测定试验，对更大温度范围内锐齿栎幼林的土壤呼吸特征进行了研究，经统计分析与模型模拟，结果表明： (1)该区域森林生态系统土壤总呼吸与各组分呼吸有3种昼夜变化模式，第一种发生在春季阔叶林展叶前与秋季阔叶林落叶后，土壤总呼吸及各组分呼吸的变化均与土壤温度一致；第二种仅发生在夏季的幼林中，R_T、R_S与R_A与土壤温湿度的变化过程有短暂的解偶联现象，而R_H与R_L的变化与第一种相同：第三种模式发生在夏秋季的生长季中，仅有T_A与土壤温湿度有短暂的解偶联，而其它呼吸类型均与土壤温度的变化一致。R_T、R_S、R_H、R_A与R_L的最低值均出现在06：00，最高值出现在15：00～21：00。虽然土壤总呼吸与各呼吸组分在不同季节最低与最大值出现的时间存在差异，但昼夜变化均为单峰曲线。R_A与土壤温湿度的解偶联是否导致R_T与R_S与土壤温湿度解偶联与R_A在不同季节、不同林分中的绝对与相对大小有关；各呼吸在夏季的昼夜变幅＞秋季＞春季＞冬季，与水热变幅相同：随林龄增加，R_A与R_L昼夜变幅的季节性变异系数减小，而R_H的增大；R_T、R_S、R_H及R_A的季节性变化趋势均为单峰曲线，最小与最大值分别出现在1月与7月，总体上与土壤温度一致，含水量较低时对呼吸有明显制约，凋落物呼吸的季节性变化受其含水量的影响较大。 (2)温度与水分对呼吸影响的相对重要性存在季节性变化，土壤含水量与凋落物含水量分别低于0.20 kg·kg~(-1)与0.38 kg·kg~(-1)，而相对应地温与气温分别高于15℃与13℃的季节，含水量对呼吸有明显的制约作用；当土壤温度与气温分别低于15℃与13℃的季节，温度对呼吸的影响高于含水量：其它温湿度条件下，呼吸同时受到二者的明显影响：室内培养发现，锐齿栎幼林的土壤呼吸速率对土壤升温表现为正反馈，但土壤含水量过高(在0.35kg·kg~(-1)以上)时对二者的正反馈关系具有抑制作用。 (3)5个林分的土壤温度与R_T、R_S，R_A及R_H均呈显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)的指数函数关系，可以分别解释上述呼吸昼夜与季节变化的80.62％～93.85％、86.84％～92.23％、79.05％～88.12％与82.63％～96.70％：昼夜与季节尺度上，土壤温度与凋落物呼吸分别呈显著的指数函数与二次函数关系，对其呼吸的昼夜与季节性变化的解释能力分别为68.10％～81.58％与34.78％～54.24％。各呼吸与含水量在昼夜与季节尺度上分别呈负相关与正相关。季节变化中，5种林分的R_T与其它4种林分(除锐齿栎老林外)的R_S、R_A及R_H与土壤含水量间有显著的一元一次函数关系，可分别解释上述呼吸季节性变化的24.8％～55.2％、23.8％～47.1％、20.45％～41.14％与23.06％～48.45，但室内培养试验发现二次函数对二者关系的解释能力更高；季节性变化中，5种林分凋落物含水量与凋落物呼吸具有显著的一元一次函数关系，能解释凋落物呼吸季节性变化的72.24％～79.50％。室内培养试验发现，只是在含水量较高或较低时，含水量的增加才对土壤呼吸速率有明显的抑制或促进作用。 (4)全年而言，5个林分的R_T、R_S、R_H的Q_(10)值分别为2.18～2.41(平均2.30)、2.30～2.44(平均为2.38)、2.09～2.35(平均为2.19)与2.49～2.82(平均为2.61)，上述各呼吸的温度敏感性指数间有显著差异(P＜0.05)。除根呼吸外，其它呼吸在冬季的Q_(10)值均＞春季＞秋季＞夏季，根呼吸的Q_(10)值在春季最高，其次为秋季，夏冬季较低。在土壤温度没有显著差异(P＞0.05)且含水量对土壤总呼吸没有明显抑制时，幼林土壤总呼吸的温度敏感性高于老林。昼夜与季节性变化中，每个林分土壤总呼吸的Q_(10)值均始终低于土壤呼吸。多数情况下，根呼吸的Q_(10)值＞土壤异养呼吸＞凋落物呼吸，但冬季时土壤异养呼吸的Q_(10)值＞凋落物呼吸＞根呼吸，且不同呼吸类型Q_(10)的相对大小在不同林分中也不相同。室内培养试验发现，温度对Q_(10)的影响较大，含水量的影响很小，含水量过高对Q_(10)有抑制作用。 (5)若考虑断根样方内细根分解对根呼吸与异养呼吸碳排放量估算的影响，锐齿栎幼林、锐齿栎老林、针-阔混交林、阔-阔混交林与栓皮栎林根呼吸的碳排放量应分别为724.52 gC·m~(-2)·a~(-1)、373.55 gC·m~(-2)·a~(-1)、441.56～441.87 gC·m~(-2)·a~(-1)、427.14 gC·m~(-2)·a~(-1)与484.43C·m~(-2)·a~(-1)，异养呼吸应分别为380.63 gC·m~(-2)·a~(-1)、405.57 gC·m~(-2)·a~(-1)、379.36～379.67 gC·m~(-2)·a~(-1)、485.05 gC·m~(-2)·a~(-1)与415.07 gC·m~(-2)·a~(-1)；凋落物呼吸的分别为：239.04 gC·m~(-2)·a~(-1)、119.79gC·m~(-2)·a~(-1)、218.60 gC·m~(-2)·a~(-1)、115.03 gC·m~(-2)·a~(-1)与277.29 gC·m~(-2)·a~(-1)；新鲜凋落物的分别为：86.59 gC·m~(-2)·a~(-1)、56.72 gC·m~(-2)·a~(-1)、65.92 gC·m~(-2)·a~(-1)、55.65 gC·m~(-2)·a~(-1)与98.84 gC·m~(-2)·a~(-1)；土壤呼吸的分别为：1105.15 gC·m~(-2)·a~(-1)、779.12 gC·m~(-2)·a~(-1)、821.23 gC·m~(-2)·a~(-1)、912.19gC·m~(-2)·a~(-1)和899.50 gC·m~(-2)·a~(-1)；总呼吸的分别为1345.19 gC·m~(-2)·a~(-1)、897.23 gC·m~(-2)·a~(-1)、1039.83 gC·m~(-2)·a~(-1)、1027.22 gC·m~(-2)·a~(-1)与1176.79 gC·m~(-2)·a~(-1)；每种林分中R_T、R_S、R_H和R_A的排放量均在1月最低，7月最高，变化趋势为单峰曲线；5种林分的R_S、R_H及R_A在夏秋两季的总排放量分别占全年的72.93％～76.55％、54.03％～59.50％与74.25％-82.21％。5种林分R_L凋落物呼吸碳排放量在夏季最高，其次为秋季、春季与冬季，夏秋两季排放量占全年的78.45％～83.67％。 (6)若考虑断根样方内细根分解对R_A与R_H贡献率估算的影响，林分1～林分5R_A的贡献率应依次分别为53.86％、41.63％、42.46％～42.49％、41.58％与41.17％；R_H的贡献率应依次分别为28.57％、45.21％、36.48％～36.51％、47.13％与35.27％；R_L的分别为17.77％、13.35％、21.01％、12.61％与23.56％；幼林、针阔混交林与栓皮栎林中根呼吸的年贡献率＞异养呼吸＞凋落物呼吸，而在其它2个林分中异养呼吸的年贡献率＞根呼吸＞凋落物呼吸，R_A贡献率的最小与最大值分别出现在15∶00以前与18∶00～21∶00，R_H的分别出现在18∶00～21∶00与15∶00以前，R_L的分别出现在15∶00～18∶00与12∶00之前；夏季根呼吸贡献率＞春季＞秋季＞冬季，R_H的贡献率在冬季最大，其次为春季，夏秋季较小；R_L贡献率在秋季最高，其次为夏季、春季与冬季，影响凡贡献率季节性变化的主导因子是凋落物含水量，其次为凋落物现存量，林分类型间凋落物现存量的差异解释了林分间R_L贡献率差异的62.60％～71.42％。 (7) 5个典型森林生态系统间的R_T、R_S及R_H均无显著差异(P＞0.05)，而林分间的R_A与R_L存在显著差异(P＜0.05)。在林分间温度、凋落物含水量没有显著差异(P＞0.05)，土壤含水量虽有极显著差异(P＜0.01)，但是解释能力很低的情况下，林分间活细根生物量的差异解释了林分间R_A差异的94.71％，凋落物现存量的差异解释了5种凋落物性质差异较大的林分类型间R_L差异的57.83％，解释了凋落物性质相似的4种阔叶林间R_L差异的99.9％。 【关键词】：过渡区 典型森林生态系统 土壤总呼吸 土壤呼吸 土壤异养呼吸 根呼吸 凋落物呼吸 呼吸特征
【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】：2007
【分类号】：S718.516
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-13
• 目录13-15
• 表目录15-16
• 图目录16-18
• 第一章 绪论18-42
• 1.1 引言18-19
• 1.1.1 研究背景18-19
• 1.1.2 研究目的和意义19
• 1.1.3 项目来源与经费支持19
• 1.2 国内外研究现状与评述19-39
• 1.2.1 国外研究现状19-35
• 1.2.2 国内研究现状35-38
• 1.2.3 研究评述38-39
• 1.3 研究目标和主要研究内容39-40
• 1.3.1 研究目标39-40
• 1.3.2 主要研究内容40
• 1.4 研究技术路线40-42
• 第二章 研究材料与方法42-51
• 2.1 研究区域及试验样地概况42-45
• 2.1.1 研究区域自然概况42-43
• 2.1.2 试验样地的自然概况43-45
• 2.2 研究方法45-51
• 2.2.1 试验设计45-46
• 2.2.2 呼吸速率及相关因子的观测46-48
• 2.2.3 数据处理及相关因子的计算48-51
• 第三章 结果与分析51-109
• 3.1 土壤总呼吸及各呼吸组分随水热条件的昼夜与季节性变化51-76
• 3.1.1 土壤总呼吸及各组分随水热条件的昼夜变化51-64
• 3.1.2 土壤总呼吸及各组分呼吸随水热条件的季节性变化64-74
• 3.1.3 小结74-76
• 3.2 土壤总呼吸及各组分呼吸与水热因子间的量化关系76-93
• 3.2.1 土壤总呼吸及各组分呼吸与温度间的关系76-82
• 3.2.2 土壤总呼吸及各组分呼吸与水分间的关系82-83
• 3.2.3 土壤温湿度对土壤呼吸的单独或综合影响一室内培养结果83-91
• 3.2.4 小结91-93
• 3.3 土壤总呼吸及各呼吸组分碳排放量的估算93-98
• 3.3.1 土壤呼吸及其组分的碳排放量93-94
• 3.3.2 凋落物呼吸与土壤总呼吸的碳排放量估算94-97
• 3.3.3 小结97-98
• 3.4 各呼吸组分的贡献率及其变异98-105
• 3.4.1 昼夜尺度上各组分呼吸的贡献率及其变异98-99
• 3.4.2 其它时间尺度各呼吸组分的贡献率及其变异99-104
• 3.4.3 小结104-105
• 3.5 五种林分间土壤总呼吸及各组分呼吸的变异及其驱动变量105-109
• 3.5.1 五种林分间土壤总呼吸及各呼吸组分的变异105
• 3.5.2 林分间土壤总呼吸及各呼吸组分变异的驱动变量105-107
• 3.5.3 小结107-109
• 第四章 结论与讨论109-121
• 4.1 结论109-112
• 4.2 讨论112-119
• 4.2.1 土壤总呼吸及各组分的昼夜与季节性变化112-113
• 4.2.2 温湿度对土壤总呼吸及各组分呼吸影响的相对重要性113-114
• 4.2.3 温湿度与土壤总呼吸及各组分呼吸的量化关系114-115
• 4.2.4 土壤总呼吸及各组分呼吸的温度敏感性115-116
• 4.2.5 土壤总呼吸及各组分呼吸的 C排放量116-117
• 4.2.6 各组分呼吸的贡献率117-118
• 4.2.7 林分类型土壤总呼吸及各组分呼吸的变异及其驱动变量118-119
• 4.3 展望119-121
• 参考文献121-137
• 附录137-138
• 在读期间的学术研究138-139
• 致谢139

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