海岸带木麻黄人工林生态系统的碳吸存与碳平衡

摘要

随着大气温室气体含量上升，全球气候变暖，森林作为固定二氧化碳的绿色植物主体，其CO2吸收和储存功能越来越受到人们的关注。森林现有植物中碳储量和森林生态系统中碳循环是评价森林CO2吸收功能的主要尺度。随着近年来天然林资源的减少，人工林面积不断增加，人工林在森林生态系统中占有越来越重要的地位，中国现有人工林保存面积已达到5300多万公顷，但目前有关人工林生态系统碳吸存与碳平衡的研究不多，特别是我国南亚热带地区人工林生态系统碳循环研究，这就限制了对我国南亚热带人工林生态系统碳汇源的准确评估。 有鉴如此，本文选择我国南亚热带地区海岸带不同发育阶段(幼龄林、中龄林、成熟林)的木麻黄人工林为研究对象，通过测定木麻黄人工林乔木层各器官、凋落物层和土壤层含碳率，结合各组分生物量和年净生产量，计算了木麻黄人工林生态系统的碳储量和不同发育阶段木麻黄人工林的年净固碳量。采用静态箱式法(结合便携式CO2分析仪)和LICOR-8100AutomatedSoilCO2FluxSystem两种方法对不同林龄木麻黄人工林土壤呼吸尤其是异养呼吸在2006年5月至2007年12月间的日动态、月动态与年际差异及其与土壤水热因子的关系进行了系统研究，通过测定样地的土壤含碳率和碳储量，以及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，以期为准确评估我国南亚热带木麻黄人工林生态系统的碳汇能力提供科学依据。主要研究结果如下： 1.木麻黄人工林乔木层、凋落物层和土壤层(0～100cm)含碳率在不同发育阶段以及同一发育阶段不同器官间存在显著差异，各器官含碳率随发育阶段而有所变化。其中，土壤含碳率在垂直方向上表现为随土层深度的增加而降低，且不同土层间含碳率差异达显著水平(P＜0.05)，同一土壤层含碳率表现出随林龄增大而升高的趋势。幼龄、中龄和成熟木麻黄人工林生态系统碳储量分别为76.80、164.11和222.69t·hm-2，随林龄升高而升高，植被层碳储量分别为62.75，139.70和165.30t·hm－2;凋落物层碳储量则表现出不同的变化规律；土壤层碳储量在生态系统碳储量中的比例随林龄增大而降低；而乔木层碳储量在总碳储量中的比重随林龄增大而升高。 2.木麻黄幼龄林、中龄林和成熟林年凋落物量分别为4.84、9.25和13.33t·hm-2，不同发育阶段间存在显著差异。年凋落物量中小枝占85.05％，树枝占10.01％，果实占4.94％。凋落量的峰值出现在梅雨季节(5月)和台风多发季(7～9月)，以9月凋落量最大。凋落物碳素含量的季节变化为冬季＞秋季＞夏季＞春季。木麻黄人工林的年固碳量介于8.457～14.889t·hm-2之间，年固碳量以中龄林最大，幼龄林次之，成熟林最小。这种差异主要是由乔木层各器官年固碳量差异引起的。 3.随着林龄的逐渐增大，土壤中DOC含量逐渐升高，幼龄林的20.15mg·kg-1增大为中龄林的31.68mg·kg-1和成熟林的41.52mg·kg-1。三种林分0～20cm土层中MBC平均含量分别为94.03、40.14和20.01mg·kg-1。 4.以木麻黄中龄林为例，土壤异养呼吸通量在2006年7月、10月和2007年1月、4月的日均值分别为3.22、2.24、1.81和2.27μmolCO2·m-2·a-1。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，白天的变化幅度略高于夜晚，上午8时和下午14-16时出现了两个峰值，最小值出现在晚上20-22时。木麻黄林分土壤异养呼吸速率的季节动态表现为单峰曲线，最大值出现在6或7月，最小值一般出现在11或12月；土壤总呼吸速率与异养呼吸的月际变化规律基本一致，这与林地的气象因子(主要是5cm土壤温度和土壤体积含水量)有着相似的变化动态；木麻黄中龄林土壤异养呼吸速率和总呼吸速率的月际变化幅度都高于幼龄林和成熟林，其中幼龄林、中龄林和成熟林异养呼吸速率月际变化幅度分别为1.41、3.37和2.53μmolCO2·m-2.a-1，土壤总呼吸速率分别为1.21、4.37和3.52μmolCO2·m-2·a-1。土壤呼吸速率(异养呼吸和总呼吸)在2007年间总体上低于2006年。2006年土壤异养呼吸速率和总呼吸速率分别为2007年的81.97％和82.04％，但土壤呼吸速率在两年间的变化动态基本一直。 5.本研究主要从温度与水分两个方面来探讨土壤呼吸速率的影响因子并构建了呼吸模型。土壤呼吸速率与气温、地表温度和5cm土温3个指标均有较好的指数关系(R=αebT)，其中拟和度最好的是5cm土温，幼龄林、中龄林和成熟林中的R2分别为0.6343、0.5437和0.6677，基于5cm土温的Q10值分别为1.385、1.438和1.948。土壤呼吸速率与表层土壤体积含水量之间也具有显著的线性相关关系(Y=αX+b)，三种林分R2值分别达到了0.5713、0.7839和0.8207。土壤温度和水分的交互作用对呼吸速率有显著影响，利用模型R=α×ebT×WC对土壤呼吸速率与5cm土温和土壤体积含水量的交互作用作二元非线性回归分析，二元模型的R2值分别为0.690、0.919和0.902。 6.三种林分土壤异养呼吸速率平均值分别为1.86、2.60和2.23μmol·m-2·s-1；总呼吸速率分别为2.44、3.56和3.09μmol·m-2·s-1，三种样地的日变化规律基本一致。不同林龄林分中土壤异养呼吸在总呼吸中所占的比例在一年中的变化幅度为68.59～76.87％，基本稳定在72％左右。 7.静态法的测定结果较动态法高，前者是后者的1.327倍，且静态法的测定结果较不稳定。但对两种方法的线性回归分析表明，两种方法的测定结果较为一致(R2=0.8258)。 8.木麻黄人工幼龄林、中龄林和成熟林均表现出了碳汇功能，其中幼龄林(11.165t·hm-2·a-1)与中龄林(15.628t·hm-2·a-1)年净固碳量较大，而成熟林(0.479t·hm-2·a-1)的碳汇功能较弱。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

1 文献综述

1.1森林生态系统碳储量

1.1.1森林植被碳储量

1.1.2森林土壤碳储量

1.2森林土壤呼吸作用研究进展

1.2.1土壤呼吸的基本概念

1.2.2土壤呼吸的测量方法及其比较

1.2.3土壤呼吸的组成及其分离方法

1.2.4土壤呼吸的影响因素及其呼吸模型

1.2.5国内人工林土壤呼吸的研究进展

1.3森林生态系统碳平衡

2研究内容、意义及主要创新点

2.1主要研究内容

2.2研究意义

2.3主要创新点

3研究方法

3.1研究区及试验地概况

3.2样地设置

3.3木麻黄人工林生物量测定

3.4土壤各项碳指标的测定与计算

3.5木麻黄人工林土壤呼吸作用测定

3.5.1土壤呼吸点设置

3.5.2土壤呼吸的分离方法

3.5.3土壤呼吸的测量方法

3.6生态系统碳平衡的计算

3.6.1木麻黄人工林生态系统碳储量及年净固碳量计算

3.6.2土壤异养呼吸年CO2释放量的计算

3.7数据统计分析

4结果和分析

4.1不同发育阶段木麻黄人工林生态系统碳储量研究

4.1.1不同林龄木麻黄人工林生态系统各组分含碳率研究

4.1.2不同林龄木麻黄人工林生态系统碳储量及分配

4.2木麻黄人工林生态系统乔木层和凋落物层年净固碳量

4.3不同发育阶段木麻黄人工林凋落物动态

4.3.1木麻黄人工林凋落物年生产量及组成

4.3.2木麻黄人工林凋落量的月动态

4.4木麻黄人工林林地土壤的水溶性碳(DOC)及微生物生物量碳(MBC)分析

4.4.1 DOC分析

4.4.2 MBC分析

4.4.3 MBC/TOC分析

4.5木麻黄人工林林地的土壤呼吸特征研究

4.5.1土壤呼吸的日动态

4.5.2土壤呼吸的季节动态

4.5.3土壤呼吸的年际差异

4.5.4土壤呼吸的关键影响因子分析及呼吸模型构建

4.5.5土壤异养呼吸占总呼吸的比例

4.5.6不同林龄下木麻黄样地土壤呼吸日变化规律的差异

4.5.7两种呼吸测量方法的比较分析

4.6土壤异养呼吸年释放量的计算

4.6.1 5cm土温与气温的关系

4.6.2五个样地土壤异养呼吸的年CO2释放量

4.7木麻黄人工林生态系统碳平衡的计算

5结论与讨论

5.1主要结论

5.2讨论与建议

5.2.1木麻黄人工林的含碳率

5.2.2木麻黄人工林生态系统的碳储量

5.2.3木麻黄人工林的土壤呼吸

5.2.4木麻黄人工林生态系统碳平衡

参考文献

致谢

博士生期间发表的学术论文,专著

博士后期间发表的学术论文,专著

个人简历