川西亚高山典型森林生态系统碳氮储量及土壤碳氮循环关键过程

摘要

通过造林和恢复提高陆地森林生态系统碳氮储量，已被广泛地认为是缓解全球气候变化有效的措施。原始林及其砍伐后通过不同恢复措施形成的森林生态系统通过改变树种组成和结构、细根特性、土壤性质和微生物群落结构等，会影响生态系统碳氮循环过程，进而可能对区域生态系统碳氮收支和气候产生重要的影响。目前，对原始林及其砍伐后通过不同方式形成的森林生态系统碳氮储量、土壤碳氮循环关键过程及其调控因素的认识还不是十分清楚。川西亚高山林区原始林历史上经历了大规模的砍伐，随后进行了不同措施的恢复(天然、人工+天然和人工)。以往对该区域森林生态系统碳氮储量、土壤碳氮循环关键过程的研究往往只是针对于其中一个方面，或其中特定的森林类型，尚缺乏对4种典型森林生态系统碳氮储量、土壤碳氮循环关键过程的系统分析。本研究选择岷江冷杉原始林、粗枝云杉阔叶混交林(粗枝云杉为人工栽植，后经天然更新)、岷江冷杉-红桦次生林和粗枝云杉人工林等4种亚高山典型森林生态系统为研究对象，采用连续土钻法、气压分离过程技术、原位埋管培养法和静态箱一气相色谱法，研究了不同森林生态系统碳氮储量及其分配格局、细根动态、土壤碳氮转化关键过程季节动态及其影响因素。旨在揭示不同森林类型对生态系统碳氮固持及土壤碳氮转化过程的影响及其作用机理，为川西亚高山森林的恢复、保护以及区域重大林业生态工程综合效益的评价提供科学的基础。主要研究结果如下:　　(1)不同森林类型生态系统碳氮储量及其分配格局差异明显。岷江冷杉原始林、粗枝云杉阔叶混交林、岷江冷杉-红桦次生林和粗枝云杉人工林生态系统碳储量分别为611.18、252.31、363.07和239.06tC hm-2;氮储量分别为16.44、12.11、15.48和8.92tN hm-2。恢复林分与原始林碳储量在土壤—植被间的分配格局发生了变化，岷江冷杉原始林生态系统碳储量以植被层(67.98％)为主，粗枝云杉阔叶混交林、岷江冷杉-红桦次生林和粗枝云杉人工林则以土壤层(分别为69.87％、76.20％和72.12％)为主;不同森林类型生态系统氮储量均以土壤层(76.80％-92.58％)为主。植物残体碳氮储量分别占生态系统总储量的4.40-9.83％和2.94-7.08％，林下植被所占比例最小。岷江冷杉原始林植被部分具有较高的碳储量。3种恢复林分具有较高的碳汇潜力，且地上/地下碳储量比较低，表明其碳汇潜力尤其表现在地上部分。岷江冷杉-红桦次生林利于土壤有机碳的积累，而粗枝云杉人工林乔木层碳储量较高。　　(2)森林类型影响了细根生物量、生产量和周转。0-30cm土层细根生物量以粗枝云杉人工林最高，死细根生物量以岷江冷杉原始林最高，这两个指标均以粗枝云杉阔叶混交林最低。岷江冷杉-红桦次生林和粗枝云杉人工林细根生产量显著高于其他2种林分，而岷江冷杉-红桦次生林和粗枝云杉阔叶混交林细根周转率显著高于其他2种林分。细根生物量和生产量随着土层深度的增加呈现下降的趋势。细根生物量和生产量在0-10cm土层以粗枝云杉人工林最高;而在20-30cm土层，林型间差异不显著。在3种恢复森林类型间，0-10cm土层细根生物量和生产量与地上生物量显著相关，但相关性在20-30cm土层中不显著。细根周转总体呈现混交林大于纯林的趋势。　　(3)森林类型对土壤净氨化速率和净硝化速率的影响不同。林型对土壤净氨化速率有显著的影响，但对净硝化速率的影响不显著。净累积氨化氮含量以岷江冷杉-红桦次生林最高(11.40g kg-1)，以粗枝云杉人工林最低(4.79g kg-1);净累积硝化氮含量介于17.75-27.98g kg-1，在林型间没有显著差异。平均净氨化速率在粗枝云杉阔叶混交林和岷江冷杉-红桦次生林中为负值。净氨化速率和净硝化速率呈现了不同的季节动态，净氨化速率在研究末期较高，而净硝化速率在研究中期较高。土壤净氨化速率动态主要受土壤NH4+、全氮、温度和微生物PLFAs含量的影响，而土壤净硝化速率动态则主要受温度和微生物群落结构(真菌/细菌比，G+/G-比)的影响。　　(4)平均土壤异养呼吸速率和总硝化速率分别以粗枝云杉阔叶混交林和粗枝云杉人工林较高，均以岷江冷杉原始林较低。土壤异养呼吸和总硝化速率在生长季内具有明显的季节动态，呈以7月份最高的单峰趋势，并与土壤温度显著相关，而与土壤水分相关性不显著，表明土壤温度是调控土壤异养呼吸和总硝化速率季节动态的主要因子。土壤异养呼吸的温度敏感性(Q10)介于2.59-4.71，以岷江冷杉原始林最高，表明高海拔的岷江冷杉原始林可能更易受到气候变化的影响。林型间土壤异养呼吸和总硝化速率主要受凋落物量、pH和有机质的影响。不同林型间土壤异养呼吸和总硝化速率显著正相关，表明土壤呼吸和总硝化速率存在耦合关系。　　(5)4种森林类型土壤均表现为CO2和N2O的源，CH4的汇。不同森林类型影响了温室气体通量。与岷江冷杉原始林相比，3种恢复森林类型土壤CO2排放有一定程度的增加，而N2O排放有一定程度的降低。岷江冷杉原始林土壤平均CO2排放速率为230.69mg m-2h-1，分别比粗枝云杉阔叶混交林、岷江冷杉-红桦次生林和粗枝云杉人工林低67.66、77.11和53.76mg m-2h-1。岷江冷杉原始林土壤平均N2O排放速率为2.67μg m-2h-1，分别比粗枝云杉阔叶混交林、岷江冷杉-红桦次生林和粗枝云杉人工林高0.07、0.16和0.55μg m-2h-1。4种森林类型土壤平均CH4吸收速率以岷江冷杉-红桦次生林最高，粗枝云杉人工林最低。土壤温室气体通量具有明显的季节动态，土壤CO2和N2O排放通量以研究中期较高，而CH4吸收通量则在研究中期呈下降的趋势，且主要受土壤温度的调控。土壤CO2通量与SOC、NH4+、G+和G+/G-显著相关，CH4通量与NO3-和微生物群落特征(除细菌和革兰氏阳性菌PLFAs)的影响，所选择的土壤理化性质与土壤微生物群落特征与N2O通量的相关性不显著。　　综合以上结果，不同恢复措施形成的森林生态系统碳氮储量低于岷江冷杉原始林，表明3种恢复森林类型具有较大的碳氮固持潜力。3种恢复森林类型中，生态系统碳氮固持量以岷江冷杉-红桦次生林最高，表明了其较快的碳氮固持速率。在细根周转和基础物质循环方面，岷江冷杉-红桦次生林具有较高的细根生产量和周转速率，以及较快的物质循环过程，从而可能更有利于土壤碳氮的积累。因此，天然更新是该区较优的森林恢复方式。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2研究进展

1．2．1森林类型对生态系统碳氮储量的影响

1．2．2森林类型对土壤呼吸的影响

1．2．3森林类型对土壤氮转化的影响

1．2．4森林类型对土壤CH4和N2O通量的影响

1．3研究目标和主要研究内容

1．3．1科学问题

1．3．2研究目标

1．3．3研究内容

1．3．4技术路线

第二章研究区概况

2．1研究区地理位置与地貌

2．2气候和水文

2．3植被和土壤

2．4川西亚高山森林生态系统演变历程

2．5研究对象

第三章不同森林生态系统碳氮储量及其分配格局

3．1研究方法

3．1．1生物量与凋落物量测算

3．1．2样品采集、处理与测定

3．1．3碳氮储量的计算

3．1．4数据处理

3．2结果与分析

3．2．1植被层碳氮储量及其分配格局

3．2．2土壤层碳氮储量及其分配格局

3．2．3生态系统碳氮储量及其分配格局

3．3讨论

3．4小结

第四章不同森林类型细根生物量、生产量和周转特征

4．1研究方法

4．1．1细根样品的采集

4．1．2林分特征和地上生物量

4．1．3土壤性质

4．1．4数据处理与分析

4．2结果与分析

4．2．1不同林型细根性状的比较

4．2．2细根生物量的季节动态

4．2．3细根性状的垂直变化

4．2．4细根性状与土壤氮素有效性的关系

4．2．5细根动态与地上生物量的关系

4．3讨论

4．4小结

第五章不同森林类型土壤净氮矿化特征

5．1研究方法

5．1．1样品采集及培养

5．1．2土壤微生物群落结构

5．1．3数据分析

5．2结果与分析

5．2．1土壤基本性质

5．2．2净氮矿化

5．2．3土壤微生物群落

5．2．4影响土壤净氮矿化速率的关键因素

5．3讨论

5．3．1林型对土壤净氮矿化速率的影响

5．3．2净氮矿化速率与非生物因素的关系

5．3．3净氮矿化速率与土壤微生物群落的关系

5．4小结

第六章不同森林类型土壤异养呼吸和总硝化速率特征

6．1研究方法

6．1．1土壤异养呼吸和总硝化速率

6．1．2土壤温度和水分

6．1．3数据处理与分析

6．2结果与分析

6．2．1土壤异养呼吸和总硝化速率

6．2．2土壤异养呼吸和总硝化速率与环境因子的关系

6．2．3土壤异养呼吸和总硝化速率在林型间变异的影响因子

6．2．4土壤异养呼吸和总硝化速率的关系

6．3讨论

6．4小结

第七章不同森林类型土壤温室气体通量特征

7．1研究方法

7．1．1土壤温室气体采样测定

7．1．2土壤温湿度的测定

7．1．3土壤微生物群落

7．1．4数据处理和分析

7．2结果与分析

7．2．1土壤温室气体通量特征

7．2．2土壤温室气体通量与环境因素的关系

7．2．3土壤温室气体通量与土壤性质的关系

7．3讨论

7．3．1土壤CO2通量

7．3．2土壤CH4通量

7．3．3土壤N2O通量

7．3．4不同森林类型土壤—大气温室气体交换的综合效益

7．3．5土壤碳氮转化过程耦合关系

7．4小结

第八章结论与展望

8．1主要结论

8．2对区域森林恢复措施制定的参考价值

8．3创新点和展望

8．3．1创新点

8．3．2展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢