暖溫帶銳齒櫟林土壤呼吸時空變異及其調(diào)控機理

【摘要】： 土壤呼吸是大氣CO_2來源之一,在決定生態(tài)系統(tǒng)作為大氣碳源匯方面起著重要作用。理解土壤呼吸調(diào)控機理對于我們更好的描述全球碳收支具有重要意義。但是,不同年齡段、不同森林類型間,土壤呼吸變異規(guī)律及其調(diào)控機理都存在不同程度的差異。本研究位于伏牛山地區(qū)寶天曼自然保護區(qū),通過對該區(qū)主要森林類型之一銳齒櫟林土壤呼吸的研究,旨在為計算該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支提供理論基礎(chǔ)。 1)研究了暖溫帶銳齒櫟林長期演替序列(40年生幼齡林(YO)、48年生中齡林(IO)、80年生成熟林(MO)、143年生過熟林(OGO))土壤呼吸(RS)時空變異性。四種林分土壤呼吸的時間變異很大程度上依賴于土壤5cm溫度(T5),T5揭示了土壤呼吸時間變異的73.8～82.5%。土壤含水量(SWC)僅與IO林土壤呼吸在時間上有弱相關(guān),與其它林分土壤呼吸均無相關(guān)關(guān)系。四種林分土壤呼吸標準差(SD)呈明顯的季節(jié)動態(tài),與T5季節(jié)動態(tài)相一致,而土壤呼吸變異系數(shù)(CV)則無顯著季節(jié)動態(tài)。土壤水分含量的空間變異系數(shù)與YO林和OGO林土壤呼吸空間變異系數(shù)呈顯著線性相關(guān)關(guān)系。OGO林土壤呼吸變異性顯著高于其它林分,因而,在95%置信區(qū)間內(nèi)獲得的土壤呼吸值控制在實際值的±20%誤差范圍內(nèi),OGO林需要取樣點數(shù)高于其它林分。表層(0-10cm)土壤有機碳(SOC),尤其是土壤輕組有機碳(LFOC)能很好的解釋土壤累積呼吸量不同林齡間差異。土壤0-5cm總孔隙度(TP)與不同林齡間土壤累積呼吸量呈顯著負相關(guān)關(guān)系,這種負相關(guān)關(guān)系可能來自于土壤毛管孔隙對土壤呼吸的限制或制約。隨著森林演替,土壤活性碳儲量及土壤物理性狀等隨之變化,繼而影響了土壤表面碳通量,使土壤表面CO_2通量隨林齡增加而增加。森林演替后期,土壤呼吸空間變異性明顯增加。 2)通過壕溝斷根法結(jié)合根分解實驗,區(qū)分估計了暖溫帶銳齒櫟林長期演替序列(YO、IO、MO、OGO)生長季土壤自養(yǎng)(RR)和異養(yǎng)呼吸(RH)。并對其季節(jié)動態(tài)和時空變異調(diào)控因素進行了研究。研究發(fā)現(xiàn),盡管根系呼吸與異養(yǎng)呼吸一樣,在時間變異上可以很好的由土壤5cm溫度通過指數(shù)模型解釋,但是,YO和IO林根呼吸的峰值發(fā)生在9月份,較土壤溫度的峰值滯后約30天。而且,與MO和OGO林不同,YO和IO林根系呼吸占總呼吸的比例在9月份出現(xiàn)了第二個峰值。2009年生長季(106-287天)累積自養(yǎng)和異養(yǎng)呼吸通量不同林齡間表現(xiàn)出顯著差異。YO、IO、MO及OGO林生長季土壤異養(yǎng)呼吸累積值分別為431.72、452.02、484.62和678.93 g C m~(-2),而其根呼吸累積值分別為191.94、206.51、321.13和153.03 g C m~(-2)。根系呼吸占土壤總呼吸的比例(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%。不同林齡間土壤0-10cm有機碳儲量,尤其是活性有機碳儲量(LFOC)與生長季累積土壤異養(yǎng)呼吸間呈顯著相關(guān)。但是,細根生物量與根系呼吸間相關(guān)性不顯著。異養(yǎng)呼吸的表面溫度敏感性(Q_(10))顯著高于根系呼吸,兩者分別為3.93和2.78。隨林齡增加土壤毛管孔隙度顯著降低,一定程度上解釋了土壤呼吸不同林分間差異。該區(qū)銳齒櫟長期演替序列土壤呼吸隨林齡的增加而增加,主要由該區(qū)森林土壤異養(yǎng)呼吸較高貢獻率所致。不同演替階段,森林根系呼吸表現(xiàn)出不同的季節(jié)格局。本研究強調(diào)了土壤呼吸組分分離在評價林齡對土壤呼吸影響時的重要性。 3)通過在兩種林分分別建立40×60m固定樣地,按10m網(wǎng)格劃分后在網(wǎng)格交點測定土壤呼吸、土壤理化性狀、根生物量及林分結(jié)構(gòu)特征等,研究比較了暖溫帶地區(qū)相鄰銳齒櫟天然次生林(OF)與華山松人工林(PP)土壤呼吸時空變異性及其調(diào)控因素。測定從2008年10月至2009年10月。研究表明,整個生長季過程中,兩種林分土壤呼吸空間格局均較為穩(wěn)定。與銳齒櫟次生林相比,華山松人工林土壤呼吸空間變異較小。各測定點土壤呼吸與5cm土壤溫度均呈顯著指數(shù)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),土壤呼吸與土壤水分含量(SWC)在空間上呈負相關(guān),但是,水分飽和對氣體擴散的限制作用并不是土壤水分含量較高區(qū)域呼吸量較低的主要原因。與土壤水分含量相比,土壤孔隙充水率(WFPS)能更好的解釋土壤呼吸空間變異性。以土壤呼吸測量點為中心,半徑4-5m范圍內(nèi)的胸高斷面積和(BA)、最大胸徑(max DBH)、平均胸徑(mean DBH)等林分結(jié)構(gòu)參數(shù)能很好的解釋銳齒櫟次生林土壤呼吸的空間變異性,而在華山松人工林中則未發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果。多元逐步回歸模型表明,土壤輕組有機碳(LFOC)含量、土壤持水力(WHC)共同解釋了華山松人工林土壤呼吸空間變異的49.6%;而土壤持水力(WHC)、4米半徑內(nèi)最大胸徑(max DBH4)、及土壤總孔隙(TP)共同解釋了銳齒櫟次生林土壤呼吸空間變異的64.2%。這表明生物與非生物因子在控制次生林與人工林土壤呼吸空間變異時的差異性。土壤呼吸溫度敏感性(Q_(10))與土壤碳庫活度(LLFOC)、細根生物量(FR)在空間上呈正相關(guān)關(guān)系,而與土壤水分含量則呈負相關(guān)關(guān)系。森林覆蓋變化造成土壤水分含量的顯著降低可能是華山松人工林土壤呼吸溫度敏感性顯著增加的原因。本文研究結(jié)果強調(diào)了次生林與人工林土壤碳通量空間變異及其調(diào)控因子的差異性,對于精確估計區(qū)域碳收支具有重要意義。 4)關(guān)于氣候變暖對中國暖溫帶森林土壤碳氮循環(huán)潛在影響的研究尚未見報道,本研究將高海拔地區(qū)(1400m)銳齒櫟林直徑30cm、高40cm的原狀土柱移至低海拔地區(qū)(620m),將低海拔地區(qū)栓皮櫟林原狀土柱移至高海拔地區(qū),通過土壤互置實驗?zāi)M氣候變暖或變冷對土壤碳氮動態(tài)的影響。研究表明,低海拔樣地土壤平均溫度比高海拔樣地約高3℃,而土壤水分含量約低6%。對控制(in situ)及移位處理(transfer)土柱土壤氮周轉(zhuǎn)和土壤呼吸均進行了為期一年的觀測。移位土壤凈氮礦化率及凈氮硝化化率比原位培養(yǎng)的分別高約254%和67%,移位土壤呼吸速率比原位培養(yǎng)的高約52%。在整個實驗過程中,相對于較為穩(wěn)定的增溫效果(3℃),土壤呼吸量對移位處理的響應(yīng)程度則呈現(xiàn)明顯的季節(jié)動態(tài),在夏季時達到最大。土壤從高海拔到低海拔移位一年后,土壤微生物生物量碳顯著降低,可溶性有機碳顯著增加,土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性顯著增加,而土壤異養(yǎng)基礎(chǔ)呼吸明顯降低。相反,土壤從低海拔到高海拔移位,對土壤碳、氮過程影響程度較低,各土壤呼吸參數(shù)及土壤活性有機碳含量均無顯著變化。本研究表明,從高海拔到低海拔土壤移位短期內(nèi)對土壤碳氮過程及土壤可用性底物均具有強烈的影響。 【關(guān)鍵詞】：林分結(jié)構(gòu) 林齡 根系呼吸 異養(yǎng)呼吸 Q_(10) 細根生物量 土壤有機碳 輕組有機碳
【學位授予單位】：中國林業(yè)科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：S714
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-19
• 第一章 緒論19-32
• 1.1 森林土壤呼吸野外測定方法19-21
• 1.1.1 堿吸收法19
• 1.1.2 氣相色譜法19-20
• 1.1.3 紅外氣體分析儀法20
• 1.1.4 渦度相關(guān)法20-21
• 1.2 影響森林土壤呼吸的因素21-24
• 1.2.1 環(huán)境及其它因子對土壤呼吸的影響21-22
• 1.2.2 營林活動對土壤呼吸的影響22-23
• 1.2.3 生物因素對土壤呼吸的影響23-24
• 1.3 森林土壤呼吸的時空變異24-25
• 1.3.1 森林土壤呼吸的時間變異24
• 1.3.2 森林土壤呼吸的空間變異24-25
• 1.4 森林土壤自養(yǎng)呼吸與異養(yǎng)呼吸的分離25-26
• 1.5 土壤呼吸溫度敏感性（Q_(10)）26-29
• 1.5.1 傳統(tǒng)描述土壤呼吸的經(jīng)驗公式26-27
• 1.5.2 Q_(10) 與土壤質(zhì)量關(guān)系的爭論27-28
• 1.5.3 自養(yǎng)呼吸與異養(yǎng)呼吸敏感性差異28-29
• 1.6 國內(nèi)森林土壤呼吸研究概況29-30
• 1.7 研究目的和意義30
• 1.8 擬重點解決的問題及主要研究內(nèi)容30-31
• 1.9 技術(shù)路線31-32
• 第二章 暖溫帶銳齒櫟林長期演替序列土壤呼吸季節(jié)及空間變異32-49
• 2.1 引言32-33
• 2.2 材料和方法33-36
• 2.2.1 研究地點及實驗設(shè)計33-34
• 2.2.2 土壤呼吸、土壤溫度及水分含量的測定34
• 2.2.3 土壤物理性狀、總有機碳、輕組有機碳、根生物量及葉面積指數(shù)34
• 2.2.4 數(shù)據(jù)分析34-36
• 2.3 結(jié)果36-46
• 2.3.1 土壤CO_2 通量季節(jié)格局及相關(guān)環(huán)境因子36-41
• 2.3.2 土壤呼吸的空間變異41-43
• 2.3.3 生長季累積土壤表面CO_2 通量及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系43-46
• 2.4 討論46-49
• 2.4.1 土壤CO_2 通量及其季節(jié)動態(tài)46-48
• 2.4.2 土壤呼吸空間變異的季節(jié)格局48-49
• 第三章 暖溫帶銳齒櫟林長期演替序列土壤根系呼吸和異養(yǎng)呼吸分離49-69
• 3.1 引言49-50
• 3.2 材料和方法50-53
• 3.2.1 研究地點及實驗設(shè)計50
• 3.2.2 土壤呼吸、土壤溫度及水分含量的測定50-51
• 3.2.3 土壤碳含量、輕組有機碳、根生物量及葉面積指數(shù)51
• 3.2.4 數(shù)據(jù)分析51-53
• 3.3 結(jié)果53-64
• 3.3.1 土壤呼吸與土壤溫濕度關(guān)系53-56
• 3.3.2 土壤呼吸季節(jié)動態(tài)56-58
• 3.3.3 土壤呼吸各組分生長季累積通量58-63
• 3.3.4 壕溝效應(yīng)63-64
• 3.4 討論64-69
• 3.4.1 土壤呼吸的季節(jié)動態(tài)64-65
• 3.4.2 根系與異養(yǎng)呼吸模型65-66
• 3.4.3 生長季土壤呼吸組分及其控制因素66-67
• 3.4.4 壕溝效應(yīng)對土壤微氣候及呼吸的影響67-69
• 第四章 銳齒櫟次生林與華山松人工林土壤呼吸時空變異及其調(diào)控因子的差異69-91
• 4.1 引言69-70
• 4.2 材料與方法70-73
• 4.2.1 樣地基本情況與實驗設(shè)計70-71
• 4.2.2 土壤呼吸、土壤溫度及水分含量的測定71
• 4.2.3 土壤碳含量、輕組有機碳、根生物量及葉面積指數(shù)71-72
• 4.2.4 土壤呼吸溫度效應(yīng)的消除72
• 4.2.5 土壤碳庫活度的定義72-73
• 4.2.6 統(tǒng)計分析73
• 4.3 結(jié)果73-85
• 4.3.1 土壤呼吸空間變異的季節(jié)格局73-78
• 4.3.2 影響土壤呼吸空間格局的因素78-83
• 4.3.3 溫度敏感性83-85
• 4.4 討論85-91
• 4.4.1 土壤呼吸空間變異及其季節(jié)動態(tài)85-86
• 4.4.2 土壤呼吸空間變異及其控制因素86-88
• 4.4.3 Q_(10) 值空間變異88-91
• 第五章 沿海拔梯度土壤互置實驗對暖溫帶銳齒櫟林土壤碳氮循環(huán)的影響91-106
• 5.1 引言91-92
• 5.2 材料及方法92-95
• 5.2.1 研究地點92
• 5.2.2 實驗設(shè)計92
• 5.2.3 樣地及土壤特征92-93
• 5.2.4 凈氮周轉(zhuǎn)93
• 5.2.5 土壤呼吸,土壤溫度及水分含量的測定93
• 5.2.6 土壤微生物生物量碳及可溶性有機碳測定93-94
• 5.2.7 數(shù)據(jù)分析94-95
• 5.3 結(jié)果95-102
• 5.3.1 土壤微氣候變化95-96
• 5.3.2 土壤氮周轉(zhuǎn)96
• 5.3.3 土壤 CO_2 通量變化96-101
• 5.3.4 溫度敏感性、基礎(chǔ)呼吸、微生物生物量碳及可溶性有機碳101-102
• 5.4 討論102-106
• 5.4.1 土壤移位對凈氮周轉(zhuǎn)的影響102-103
• 5.4.2 土壤移位對土壤呼吸和微氣候的影響103-104
• 5.4.3 土壤移位對活性碳庫及 Q10 值的影響104-106
• 第六章 結(jié)論及展望106-108
• 6.1 結(jié)論106-107
• 6.2 展望107-108
• 參考文獻108-125
• 在讀期間的學術(shù)研究125-126
• 致謝126-127

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中亞熱帶山區(qū)土壤呼吸及其組分對土地利用變化的響應(yīng)    盛浩

干旱區(qū)白刺荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸對增雨的響應(yīng)    賈子毅

極端干旱區(qū)泡泡刺群落土壤呼吸對增雨的響應(yīng)    劉殿君

黃土高原農(nóng)業(yè)土地利用對土壤呼吸與有機碳貯量的影響    陳先江

城市不同植被類型土壤呼吸與微生物量碳研究    張鴿香

太湖湖濱帶土壤呼吸與微生物生物量研究    馮育青

長期不同耕種措施對土壤呼吸和有機碳影響研究    吳會軍

華北低丘山地不同土地利用方式土壤呼吸差異及其影響因素    王平

棗樹人工林土壤呼吸變化特征研究    張曉慧

減少碳輸入對亞熱帶4種森林土壤呼吸的影響    閆照剛

北京大興人工楊樹林土壤呼吸動態(tài)與環(huán)境影響因素研究    譚炯銳

水蝕風蝕交錯區(qū)土壤呼吸與水分運動的影響因素及調(diào)控    謝慧慧

沙地植物群落土壤呼吸特征及其影響因子的研究    阿斯嘎

亞高山草甸土壤呼吸的時空變異特征研究    張義輝

崇明東灘土壤呼吸動態(tài)研究    任文玲

北亞熱帶林帶和農(nóng)田土壤呼吸及環(huán)境影響研究    張勇

模擬酸雨對天然次生林土壤呼吸的影響研究    沈小帥