滨海沙地木麻黄人工林生态系统的土壤呼吸与碳平衡研究

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中文摘要：森林生态系统碳循环是全球碳循环的一个重要组成部分，其对全球碳循环的影响是人们关注的焦点之一。近年来随着天然林资源的减少，人工林面积的不断增加，人工林在森林生态系统中占有越来越重要的地位。但是目前关于人工林生态系统碳循环的研究不多，这限制了对我国森林生态系统碳源碳汇的准确评价。在碳循环过程中，土壤呼吸占有关键性的地位。因此进行我国亚热带人工林生态系统的土壤呼吸与碳循环研究已经成为当前全球变化中急需解决的重大课题。在中国规模巨大的人工林中，沿海各种防护林占有相当大的比重。木麻黄作为东南沿海地区的主要造林树种，在防风固沙，改造生态环境方面发挥着难以替代的巨大作用。相信随着国家沿海防护林体系的不断完善，木麻黄林在沿海的规模、地位和作用会越来越突出。有鉴于此，本文选择我国亚热带滨海沙地木麻黄沿海防护林作为研究对象，采用静态箱式法(结合便携式CO<,2>分析仪)和LICOR-8100 Automated Soil CO<,2> FlIlx System两种方法对不同林龄系列(幼林、三个中龄林和成熟林)五个木麻黄纯林样地的土壤呼吸尤其是异养呼吸在2006年5月至2007年4月问的日动态和月动态及其与土壤水热因子的关系进行了系统研究，测定了样地的土壤含碳率和碳储量，并根据木麻黄生态系统地上部分的年固碳量，分析评价了木麻黄人工林生态系统的碳源碳汇能力。主要研究结果如下： 1．通过对不同发育阶段木麻黄人工林样地的土壤含碳率及土壤碳储量分析，发现土壤含碳率都处于一个比较低的水平，基本上在5g/kg左右，在垂直分布上表现为随土壤深度的增加而降低，而随着土层加深，相邻土层含碳率之间的差异就越发不明显。木麻黄6年生幼龄林林地100m深度范围内的土壤碳储量为13.61 t/hm<'2>，18年生木麻黄中龄林的土壤碳平均达到23.37t/hm<'2>，而31年生木麻黄纯林土壤碳含量达到56.17 t/hm<'2>。 2．滨海沙地木麻黄人工林表层土壤(0～20cm)的DOC与MBC的总体含量处于一个比较低的水平。随着林龄的逐渐增大，其DOC含量逐渐变大，分别由幼林阶段的20.15mg/kg、增大为中林的31.68mg/kg至成林的41.52mg/kg．五个样地两个土层的MBC平均含量分别为94.03、40.14、86.18、52.17和20.01mg/kg，由此可以看出随着林龄的增长，除厂中林1有所变异外，MBC的含量基本上是不断降低的。随着林龄的不断增大，MBC的含量在表层土的不同层次之间的差异越来越小。五个样地中表层土壤(0～20cm)MBC/土壤有机碳的比值都处于一个很低的水平，五个样地的平均比值为0.75％。 3．实验中五个样地之间的气温、地表温度和5Cm土壤温度等气象因子以及土壤呼吸的日动态变化规律基本一致。在每一个样地中，气温、地表温度和．5m土壤温度的日变化呈现出相当一致的规律，都足单峰型曲线，差别只是在于峰值出现的时刻不同；对土壤表层含水量而言，日变化规律是在清晨7-8时左右出现一个峰值以及在傍晚16-18时左右出现一个次峰值；土壤呼吸(包括异养呼吸和总呼吸)的日动态均呈现出比较明显的双峰曲线，白天的变化幅度稍微大于夜晚，在早晨8时和下午14-16时附近出现了两个峰值，最小值出现在晚上20-22时附近。 4．五个木麻黄人工林样地的土壤呼吸速率的季节动态呈现出比较一致的变化规律，基本上都是单峰曲线，最大值出现在6或7月份，最小值一般出现在11或12月份；五个样地的土壤总呼吸速率的月际变化规律与异养呼吸的变化规律基本一致。这种变化规律与样地的气象因子(主要是5cm土壤温度和土壤体积含水量)的变化规律基本一致；不同林龄木麻黄样地的土壤呼吸速率的月际变化幅度不一致，基本上是在中林的大于幼林和成林的，五个样地异养呼吸速率的月际变化幅度分别为1.41、3.37、4.14、2.27和2.53μmol m<'-2>·s<'-1>，土壤总呼吸速率的月际变化幅度分别为1.21,4.37、5.44、3.09和3.52μmol m<'-2>·s<'-1>，这说明总呼吸速率的变化幅度大于异养呼吸速率的月际变化幅度。 5．本实验主要从温度与水分两个方面来阐述分析了土壤呼吸速率的影响因子并构建了呼吸模型。五个样地的土壤呼吸作用与气温、地表温度和5cm土温3种温度指标均有较好的指数关系(R=αe<'bT>)，其中拟和度最好的是5cm土壤温度，R<'2>分别为了0.6343、0.5437、0.6773、0.5552和0.6677。由公式Q<,10>=e<'10b>算出五个样地土壤呼吸速率在三种温度下的Q<,10>值同样说明了这个问题。五个林分基于5cm土壤温度的Q<,10>值分别为1.385、1.438、1.533、1.831和1.948。土壤呼吸作用与表层土壤体积含水量之间也具有很好的线性相关关系(Y=aX+b)，五个样地的R<'2>值分别达到了0.5713、0.7839、0.7511、0.8165和0.8207，这说明在沿海沙地木麻黄人工林中，土壤水分对土壤呼吸的影响比土壤温度更大。土壤温度和水分对呼吸作用有明显的交互作用，利用模型R=α×e<'bT>×W<'c>对土壤呼吸作用与5cm土壤温度和土壤体积含水量的综合作用作二元非线性回归分析，得出双因素模型较之单因素模型能更好地解释土壤呼吸的变异，二元模型的R<'2>值达到了0.690、0.919、0.801、0.868和0.902，这同时进一步说明了在滨海沙地木麻黄人工林中，土壤温度和土壤水分都成为呼吸的关键性影响因子。 6．本实验把土壤呼吸只分成两个组分：根系呼吸(自养呼吸)和微生物呼吸(异养呼吸)，采用挖壕沟法来分离土壤呼吸。五个样地中，土壤异养呼吸在总呼吸中所占的比例在一年中的变化很小，基本稳定在72.73％，变化幅度为68.59％~76.87％。各样地土壤异养呼吸所占比例的季节差异没有明显规律，而且土壤异养呼吸所占比例在不同林龄林分之间的差异也不是非常明显。 7．本实验比较研究了立地条件差别不大的幼林样地1块、中林样地3块以及成熟林样地1块共5块样地的土壤呼吸作用。总的说来，在呼吸速率上，五个样地的异养呼吸速率平均值分别为2.05、2.70、2.90、2.01和2.20μmol m<'-2>·s<'-1>；总呼吸速率在五个样地分别为2.62、3.72、4.02、2.67和3.10μmol m<'-2>·s<'-1>。幼林和中林2样地的异养呼吸日变化曲线变异稍微大于其它三个样地的，但是总体来说，五个样地的日变化规律基本一致。 8．本研究中采用了两种方法即静态法一静态箱式法和动态法-LI-8100 Automated SoilCO<,2> Flux System对土壤呼吸进行同步对比测定。大量数据表明静态法的测定结果比动态法的大，在这一天中，平均而言前者是后者的1.327倍。同时静态方法的测定结果不是很稳定，变异较大。对两种方法的线性回归分析表明，R<'2>值为0.8258，说明这两种方法的测定结果具有较高的可信度。 9．五个木麻黄人工纯林生态系统均表现出了碳汇功能，其中幼林与中林2年固碳量较大，而成林的碳汇功能较弱，年固碳能力分别为11.165、15.628、10.204、7.986和0.479t·hm<'-2>·α<'-1>。保护和管理好现有人工林以及扩大沿海防护林的规模，不仅可以有利于防风固沙，改造生态环境，而且对于抑制大气CO<,2>浓度升高有重要意义。

作者：

肖胜生

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关键词：

土壤呼吸碳平衡木麻黄滨海沙地滨海人工林生态系统

授予学位：

硕士

学科专业：

水土保持与荒漠化防治

导师：

叶功富

学位年度：

2007

学位授予单位：

福建农林大学

语种：

中文

中图分类号：