青海云杉个体水分利用效率、种群动态及土壤碳氮研究

摘要

青海云杉（Picea crassifolia Kom.）是我国西北特有树种，是祁连山山地针叶林-青海云杉林的建群种。青海云杉林在涵养水源、调节径流、保持水土、净化空气、固碳和维护干旱区生态平衡方面起着重要的作用，山区森林植被的动态变化对流域水资源稳定、经济发展和生态环境建设有直接影响。本研究以森林生态学、土壤学、树木年代学的理论为基础，选择黑河流域上游山区典型林区，通过大量的野外调查实验，应用树木年轮技术和稳定碳同位素技术，并结合当地气象资料分析研究了祁连山中部青海云杉林的种群结构、动态，个体生长过程与水分利用状况，探讨了森林土壤碳氮分布特征，以及青海云杉和祁连圆柏叶片δ13C的海拔响应机理等方面的内容。获得如下结论： 1青海云杉个体生长规律与水分利用效率 青海云杉个体生长过程表现为1～15 a直径和材积生长极其缓慢，直径连年生长量在16～50 a达到最大值，而直径平均生长量则在51～100 a达到最大值；材积连年生长量在51～100 a到最大值，材积平均生长量则在100 a后达到最大值。低海拔调查样地树龄多在120 a以下，说明青海云杉正处于速生期。此外，不同海拔高度处的青海云杉个体生长过程不尽一致，主要是海拔变化所引起的环境条件的变化所致。 生长于不同海拔高度处的3棵青海云杉在整个生长期WUE（水分利用效率）的趋势不尽一致，生长于高海拔处青海云杉个体1～15 a的WUE最低，16～50 a的WUE逐渐升高，51～100 a达到最大，100 a后WUE又逐渐降低。而生长于中海拔和低海拔处青海云杉个体在整个生长期（60 a和55 a）的WUE呈下降趋势，其中40～50 a的WUE比1～10 a的WUE分别下降了7．03%和5．49%。 2青海云杉和祁连圆柏叶片δ13C的海拔响应 两种乔木叶片δ13C值与海拔显著正相关（P<0．0001），与年均温显著负相关（P<0．0001），与年均降水量显著正相关（P<0．0001）。阳坡树种祁连圆柏叶片的δ13C值显著高于同海拔阴坡树种青海云杉。祁连圆柏叶片δ13C值与土壤含水量（P<0．0001）、叶片含水量（P=0．01）和叶片碳氮比（C/N）（P<0．0001）显著正相关，与叶片全氮显著负相关（P<0．0001）。而青海云杉叶片δ13C值与土壤含水量、叶片全氮、叶片碳氮比和叶片含水量不相关。 3青海云杉种群结构与动态变化 青海云杉种群径级结构表现为典型的反J型；年龄结构表现为金字塔型，属于扩展型种群；种群密度随径级和年龄增大而下降，种群生物量则随年龄增大而增加，呈偏正态分布。静态生命表反映了青海云杉种群在形成初期的1～10 a和生长发育的30～50 a分别经历了强烈的环境筛选和竞争自疏，51～140 a种群基本稳定。青海云杉种群存活曲线介于DeeveyⅡ型和DeeveyⅢ型之间，表明祁连山中部青海云杉种群处于发展时期。 4青海云杉林土壤碳氮分布特征及影响因子 祁连山中段北麓山体垂直带阴阳坡表层土壤有机碳、全氮含量随海拔上升均呈显著增加趋势，阴坡显著高于阳坡。土壤有机碳、全氮含量受海拔、坡向、土壤含水量、植被类型等因素的影响，使其在空间上存在较大的变异，有机碳平均含量为（8．07±0．45）%，变异系数为45．78%，全氮平均含量为（0．63±0．02）%，变异系数为26．54%。主要植被类型土壤有机碳含量：高山灌丛草甸>青海云杉林>高山草甸>祁连圆柏林，全氮含量：高山灌丛草甸>高山草甸>青海云杉林>祁连圆柏林。阴阳坡土壤有机碳、全氮含量均与土壤含水量、年均降水量呈显著正相关，与土壤pH值、年平均气温呈显著负相关，阴阳坡土壤有机碳含量均与全氮含量呈显著正相关关系。主成分（PCA）分析表明，年均温、年均降水量和土壤含水量是影响土壤有机碳含量的第一主成分，土壤全氮是第二主成分，累计解释率为71%。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词表(Abbreviations)

声明

第一章前言

第一节国内外研究现状

1气候变化与森林生态系统

2森林种群动态研究

3稳定碳同位素技术在森林生态学研究中的应用

4森林土壤碳库动态变化

5祁连山青海云杉林研究现状

第二节研究内容及意义

1研究内容

2研究意义

第二章研究区概况及研究方法

第一节研究区概况

1祁连山区概况

2研究样地概况

第二节研究方法

1野外调查方法

2样品采集

3样品处理

4数据计算(估算)

5数据统计

第三章结果与讨论

第一节青海云杉个体生长规律及水分利用效率

1青海云杉个体生长规律

2青海云杉个体生长过程中的水分利用状况

第二节祁连山两种优势乔木叶片δ13C的海拔响应及其机理

1青海云杉和祁连圆柏叶片δ13C值沿海拔梯度的变化

2土壤和叶片其它指标沿海拔梯度的变化

3叶片δ13C值的主要影响因子

4讨论

5小结

第三节祁连山中部青海云杉种群结构与动态变化

1青海云杉种群结构随海拔梯度变化特征

2青海云杉种群胸径分布和年龄结构

3青海云杉种群密度动态

4青海云杉种群生物量动态

5青海云杉种群静态生命表

6青海云杉种群存活曲线、死亡曲线

7讨论

8小结

第四节 祁连山北麓山体垂直带土壤碳氮分布特征及影响因素

1海拔对土壤有机碳和全氮含量的影响

2坡向对有机碳和全氮含量的影响

3气候因子对有机碳和全氮含量的影响

4植被因子对有机碳和全氮含量的影响

5影响土壤有机碳含量因子的主成分分析

6讨论

7小结

第四章 结论与展望

第一节结论

1青海云杉个体生长规律与水分利用效率

2青海云杉叶片δ13C的海拔响应

3青海云杉种群结构与动态变化

4青海云杉林土壤有机碳的分布特征及影响因子

第二节展望

参考文献

作者简介

导师简介

致 谢