结构对杉木人工林生态系统氮、磷内循环及收支平衡的影响

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中文摘要：目前我国林业建设的重心已经从扩大森林面积转变为提高森林质量，而林分结构不合理是我国人工林质量不高的主要原因之一。因此，合理调整和优化人工林结构是提高森林质量的关键管理措施。养分循环利用是森林生态系统可持续发展的物质基础，而森林生态系统的初级生产等生物过程普遍受到养分限制，其中氮(N)和磷(P)是最主要的限制因素。因而探明林分结构对人工林生态系统养分循环过程的影响是提高我国人工林质量，实现其可持续发展的重要保证。近年来，养分内循环的重要作用逐渐受到重视，而我国研究人员虽然对特定人工树种的养分循环特征开展了多项研究工作，但对于养分内循环方面的研究还不够深入，且缺乏结构对生态系统养分循环影响的数据支撑。为此，本研究以杉木这一我国种植面积最大的人工林树种为研究对象，在杉木的主要产区选择不同林分结构（林龄、密度、组成）的杉木人工林，比较研究林分结构对杉木人工林生态系统N、P内循环及其收支平衡的影响。具体研究结果如下: 在生态系统尺度上，杉木人工林生态系统90％以上的N和95％以上的P存储在土壤中。乔木N、P储量随林龄的增长显著增加，从9年生林分的221kg/ha和23kg/ha分别增加至31年生林分的748kg/ha和81 kg/ha。灌木和枯枝落叶N、P储量也随林龄增长而显著增加。植被的N、P归还吸收比随林龄增长从0.34和0.30分别增加至0.53和0.38，说明杉木人工林生态系统的N、P循环随林龄增长而趋向平衡。低密度林分N、P储量以及归还吸收比与高密度林分无显著差异。混交林的植被N、P储量与纯林无显著差异，但其枯枝落叶层N、P储量显著低于纯林，这可能与其凋落物分解速率较快有关。此外，混交林的N归还吸收比(0.45)与纯林(0.47)无显著差异，P归还吸收(0.32)比则小于纯林(0.35)。在林分尺度上，9年生杉木人工林乔木N、P储量的分配与其他林龄林分有巨大差异，其超过50％的N、P储量与净增量分配在叶片中，这与其处于迅速郁闭期，林冠生物量比重最高有关。此后随林龄增长，叶片N、P储量的分配比重大幅度下降，各器官间分配比例趋于均衡。乔木的N、P利用效率随林龄先升高再回落，在24年生人工林中达到最高值。低密度林分由于其单株林木享有的冠层空间较为充足，其林冠（树枝+树叶）占乔木N、P储量与年净增量的比例(53％)高于高密度林分(45％)，同时其林下植被的N、P储量也较大。混交林中阔叶树以43％的生物量，贡献了乔木51％的N储量和47％的P储量，说明阔叶树相比于杉木其N、P积累更快。在杉木叶片内循环方面，杉木新生叶片中约28％的N和30％的P由不同叶龄叶片间的N、P内循环来满足;高密度林分的叶片N、P浓度显著地低于低密度林分，同时，高密度林分细根生物量(203g/m2)和地下投入比(15.4％)高于低密度林分(152g/m2和12.5％)，而这种较高的地下投入通常意味着更为激烈的地下竞争，因此本研究推论林分结构能够通过调节地下养分竞争强度来影响叶片N、P化学计量水平，且地下养分的竞争强度可以通过林分乔木细根生物量来表征。本研究通过N、P添加试验验证了这一推论，结果表明，N、P添加明显提高了杉木叶片的N、P浓度，同时显著的降低了杉木的细根生物量。杉木人工林叶片的氮、磷回收效率及其回收过程基本不受林龄、密度和组成的影响。但叶片氮、磷回收效率会随叶龄显著下降，说明在对常绿针叶树种进行叶片取样分析时，由于其存在多年龄的叶片，在采样时需要明确取样叶片的年龄并设计标准一致的取样流程。总体来说，本研究表明较低的林分密度和树种混交结构更有利于大径材的培育;混交林相比于纯林，其养分积累速率更快，归还吸收比更低;随着林龄的增加，杉木人工林的N、P循环趋于平衡。结合上述结果本研究建议，对于纯林应适当延长杉木人工林的轮伐期，适度降低林分密度，以大径材为培育目标，兼顾木材生产和养分平衡。对于混交林应更加注意采伐收获时的树木利用方式，应避免全树利用，尽量将树皮、枝叶等采伐剩余物回归林地，以减缓地力衰退。此外本研究还证实了林分细根生物量与地下养分竞争程度以及叶片N、P浓度之间的关系，为全面监测林分养分状况和竞争强度提供了数据支撑和理论依据。

作者：

邸月宝

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关键词：

杉木人工林生态系统氮元素磷元素收支平衡林分结构

授予学位：

博士

学科专业：

生态学

导师：

李文华；王辉民

学位年度：

2017

学位授予单位：

中国科学院大学

语种：

中文

中图分类号：