亚热带典型森林凋落物输入对土壤有机碳累积和稳定性影响

摘要

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，森林土壤碳库是土壤碳库中最重要的一部分，对于维持全球碳循环发挥着及其重要的作用。然而，关于凋落物输入对森林土壤碳累积和稳定性影响的研究依然不清楚。我国南方亚热带地区是我国森林主要分布区，森林类型多样，同时我国人工林主要分布区。因此，开展该地区典型森林地上叶和地下根系凋落物输入对土壤有机碳累积和稳定性影响对于了解森林土壤碳循环具有重要价值。 本研究在福建省南平市福建农林大学西芹教学林场选择3种典型森林生态系统（天然林、杉木人工林和马尾松林）为研究对象，深入开展以下3方面研究内容：（1）不同类型森林生态系统土壤有机碳储量及土壤团聚体碳库结构组成特征；（2）不同类型森林生态系统地上和地下凋落物输入对土壤有机碳含量和土壤团聚体碳库结构影响；（3）地上和地下凋落物输入后土壤中凋落物来源新C累积及其不同活性有机碳库分配特征。 本研究研究主要结果如下： （1）亚热带三种典型森林中，0～20cm表层土壤总有机碳和全氮含量差异不显著，但天然林土壤C：N显著高于杉木人工林和马尾松林。林型主要影响土壤中＞5mm和2～5mm团聚体百分含量，天然林土壤中＞5mm的团聚体百分含量显著高于杉木人工林和马尾松林，森林类型对微团聚体和粉黏粒体影响不大。各粒径团聚体有机碳和全氮含量在林型之间均无显著差异，各粒径团聚体C：N在不同林型之间差异也不显著，但同一林型中，有机碳和全氮含量在不同粒径的团聚体之间有差异，随着粒径的减小，团聚体有机碳逐渐降低。 （2）不同凋落物输入对土壤有机碳和全氮含量有一定影响。三种林型中，天然林和马尾松林0～20cm表层土壤总有机碳在不同的凋落物处理下有显著变化，地上和地下凋落物共同输入显著提高土壤总有机碳和氮含量。在天然林中，地上和地下凋落物输入增加土壤总有机碳的同时，提高土壤中2～5mm团聚体有机碳含量，并促进微团聚体团聚成2～5mm的团聚体；在马尾松林中，地上和地下凋落共同输入在提高土壤总有机碳的同时，提高了微团聚体有机碳和＞0.5mm各粒径团聚体有机碳，并促进微团聚体团聚成较大粒径团聚体。在杉木人工林中，不同的凋落物处理后土壤总有机碳变化不显著，在凋落物输入前期，地上凋落物输入增加了＞5mm的团聚体比例，在凋落物输入后期，地上凋落物输入显著提高＞5mm的团聚体有机碳和增加＜0.053mm的团聚体百分含量。 （3）在凋落物输入土壤的不同时期，凋落物对土壤总有机碳和各粒径团聚体有机碳的相对贡献有差异。天然林中，在凋落物输入6个月时，土壤总有机碳主要来源于地上和地下凋落物共同输入，各粒径团聚体中，土壤中0.053～0.25mm微团聚体有机碳来源于地下凋落物比例显著高于地上凋落物；在凋落物输入12个月时，土壤总有机碳主要来源于地上和地下凋落物共同输入。在杉木人工林中，在凋落物输入前期，地上凋落物对土壤总有机碳贡献大于地下凋落物，各粒径团聚体中，土壤中2～5mm的团聚体有机碳主要来源于地上凋落物，在凋落物输入后期，地下凋落物对土壤总有机碳的贡献大于地上凋落物，土壤中1～2mm的团聚体有机碳主要来源于地下凋落物。在马尾松林中，土壤总有机碳来源于地下凋落物比例始终大于地上凋落物，土壤中＞5mm和2～5mm的团聚体来源于地下凋落物比例显著高于地上凋落物。 （4）不同森林凋落物输入土壤后，在提高团聚体有机碳的同时，保护团聚体有机碳不被矿化。在天然林中，地上和地下凋落物共同输入比地上凋落物输入显著提高＜0.053mm团聚体新增有机碳量，有利于此粒径团聚体有机碳的持续累积。在杉木人工林中，地上凋落物输入有利于提高2～5mm团聚体新增有机碳，同时地上凋落物输入比地下凋落物和地上地下凋落物共同输入显著保护0.053～0.25mm团聚体有机碳不被矿化；而地下凋落物输入有利于提高1～2mm团聚体有机碳。在马尾松林中，地上凋落物输入显著提高＞5mm团聚体有机碳含量，同时地上凋落物输入比地上和地下凋落物同时输入显著保护1～2mm、0.5～1mm和＜0.053mm团聚体有机碳不被矿化。

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ABSTRACT

第一章 前言

1.1 全球碳循环和森林土壤碳库

1.1.1 全球气候变暖与全球碳循环

1.1.2 森林土壤碳库

1.2 森林凋落物对土壤有机碳累积的影响

1.2.1 森林凋落物分解及影响因子

1.2.2 森林凋落物数量和质量对土壤有机碳累积的影响

1.3 土壤团聚体与土壤有机碳稳定性

1.3.1 土壤团聚体及其形成

1.3.2 土壤有机碳的团聚体物理保护机制

1.3.3 稳定同位素（13C、15N）示踪技术在土壤有机碳研究中的应用

1.4 本研究目的与意义

1.5研究内容

第二章 研究方案

2.1 研究区域概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 地形地貌特征

2.1.3 气候特征

2.1.4 植被状况

2.2 研究方法

2.2.1 试验处理

2.2.2 样品的采集与处理

2.2.3 土壤团聚体分级与各指标测定

2.3 数据计算与统计分析

第三章 亚热带典型森林土壤团聚体碳、氮含量及13C、15N同位素丰度特征

3.1 引言

3.2 研究材料与方法

3.3 研究结果

3.3.1 不同类型森林地上凋落物凋落量月动态特征

3.3.2 不同类型森林凋落物和土壤C、N含量、δ13C和δ15N值

3.3.3 不同类型森林土壤水稳性团聚体组成和C、N含量

3.4 讨论

3.4.1 亚热带典型森林植物—土壤碳氮含量和13C、15N丰度

3.4.2 亚热带典型森林土壤有机碳含量和氮含量

3.5 小结

第四章 亚热带典型森林凋落物输入对土壤团聚体碳氮含量的影响

引言

4.2 研究方法和材料

4.3 研究结果和分析

4.3.1 地上和地下凋落物对土壤总有机碳和全氮含量影响

4.3.2 不同森林凋落物对不同团聚体粒径组成的影响

4.3.3 不同森林凋落物对土壤各粒径团聚体有机碳和全氮含量影响

4.4 讨论

4.4.1 不同凋落物输入土壤对团聚体粒径比例的影响

4.4.2 不同凋落物输入对土壤总有机碳和各粒径团聚体有机碳的影响

4.5 小结

第五章 亚热带典型森林土壤有机碳来源和新增有机碳稳定机制

5.1 引言

5.2 研究材料和方法

5.3 研究结果

5.3.1 不同凋落物输入对土壤总有机碳库影响

5.3.2 凋落物输入对各粒径团聚体新增有机碳的影响

5.4 讨论

5.5 小结

研究结论与展望

6.1 研究结论

6.2 存在的问题与展望

参考文献

致谢