小兴安岭典型森林生态系统的碳储量与生产力

摘要

准确估算森林的碳储量和生产力对于评价森林生态系统在全球碳循环中的作用具有重要意义。本研究以小兴安岭典型森林生态系统(原始阔叶红松(Pinus koraiensis)林、谷地云冷杉林、白桦(Betula platyphylla)次生林、红松人工林和兴安落叶松(Larix gmelinii)人工林）为研究对象，探讨森林类型转换（原始林—次生林—人工林）对森林生态系统碳储量、净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)的影响，量化处于衰退状态的谷地云冷杉林的固碳能力，并结合特定森林生态系统分析不同碳库（植被碳库、碎屑碳库和土壤碳库）碳储量的影响因素。研究结果如下:
　　(1)4种森林生态系统（阔叶红松林、白桦次生林、红松人工林和兴安落叶松人工林）的碳储量差异显著，其中阔叶红松林的碳储量最高，为315.4t C·hm-2。土壤有机碳储量占生态系统总碳储量的比例最高(55-70％)，其次是植被碳储量(28-43％)，碎屑碳库最低(2-6％)。两种人工林生态系统的土壤有机碳储量显著低于阔叶红松林和次生白桦林。4种森林生态系统之间总NPP没有显著差异，但其分配(地上部分NPP(NPPA)和地下部分NPP(NPPB))却显著不同。凋落物(44％-60％)和细根(43％-47％)生产分别是NPPA和NPPB的最大组分。4种森林生态系统中，红松人工林(328.0g C·m-2·yr-1)的NEP最高，其次依次是阔叶红松林(311.9g C·m-2·yr-1)、白桦次生林(231.1g C·m-2·yr-1)和兴安落叶松人工林(187.9g C·m-2·yr-1)。
　　(2)2011年谷地云冷杉林生态系统总碳储量为268.14t C·hm-2，其中植被、碎屑和土壤的碳储量分别为74.25t C·hm-2、16.86t C·hm-2和177.03t C·hm-2。2006-2011年，乔木层碳储量从80.86t C·hm-2减少到71.73t C·hm-2，优势树种冷杉(Abiea nephrolepis)、云杉(Picea spp.)和兴安落叶松的碳储量年均减少比例分别为0.5％、2.7％和3.7％。森林NPP为4.69t C·hm-2·yr-1，NPPB与NPPA的比值为0.56，凋落物是总NPP的最大组分。森林生态系统中2个主要碳输出途径土壤异养呼吸和粗木质残体(CWD)分解的年通量分别为293.67和119.29g C·m-2·yr-1。森林NEP为55.90g C·m-2·yr-1。研究结果表明处于衰退状态的谷地云冷杉林仍具有一定的碳汇功能。
　　(3)处于演替初期阶段的白桦次生林的植被碳储量和NPPA均仅受林分密度的影响，与其呈线性正相关关系(P＜0.05)。而处于演替后期阶段的阔叶红松林的植被碳储量和NPPA受林分密度和物种丰富度的共同影响，植被碳储量随林分密度和物种丰富度的增加呈现出先增加后减少的驼峰型分布(P＜0.05);NPPA随林分密度的增加而增加(P＜0.05），但与物种丰富度的关系则是驼峰型格局(P＜0.05）。研究结果认为森林生态系统林分密度和物种丰富度与植被碳储量和NPPA的关系受到森林演替阶段的影响。
　　(4)CWD作为谷地云冷杉林碎屑碳库的主要组成部分，其碳储量为13.25t C·hm-2，其中云杉、冷杉和兴安落叶松的CWD碳储量分别为3.59、2.61和3.06t C·hm-2。不同腐烂等级下CWD碳储量呈近正态分布，多集中在Ⅱ和Ⅲ等级，分别占总量的42.7％和35.4％。不同径级的CWD碳储量也呈近正态分布，主要分布在30-40cm和40-50cm径级上。干中折断、拔根倒、枯立木和干基折断为谷地云冷杉林CWD碳储量的主要存在方式。CWD碳储量表现出较强的空间异质性，其随着林分平均胸径、最大胸径和胸高断面积的增加而下降(P＜0.05）;而与林分密度、多样性指数和均匀度指数均无显著相关性。
　　(5)阔叶红松林固定样地表层土壤有机碳含量(SOC)平均值为70.13g·kg-1，变异系数为54.93％，表现为中等程度变异。SOC存在强烈的空间自相关性，自相关变化尺度为18.0m。随着采样密度的降低，SOC的空间自相关程度变弱，空间分布格局越来越趋于均质化。土壤含水率是影响表层SOC空间分布格局的最主要因素，其次依次是凋落叶干重、加权的倒木腐烂等级和土壤pH值，4个因子共同解释了SOC空间变异的51.9％。SOC与倒木体积不存在显著关系，而与其加权的腐烂等级呈显著正相关，说明倒木的腐烂程度而非倒木的数量对于SOC起着更为重要的作用。未发现林分结构和地形因子对表层SOC的显著影响。

目录

摘要

绪论

1．1 研究背景

1．2 森林生态系统碳储量研究综述

1．2．1 植被碳储量

1．2．2 碎屑碳储量

1．2．3 土棚碳储量

1．3 森林生态系统生产力研究综述

1．3．1 森林净初级生产力

1．3．2 森林净生态系统生产力

1．4 研究目的与意义

1．5 研究内容

2 研究区域概况及样地设置

2．1 研究区域概况

2．2 样地设置

3 森林类型转换对生态系统碳储量和生产力的影响

3．1 引言

3．2 研究方法

3．2．1 森林生态系统碳储量的测定

3．2．2 森林净初级生产力的测定

3．2．3 森林净生态系统生产力的测定

3．2．4 数据分析

3．3 结果与分析

3．3．1 4种森林生态系统碳储量及其组分

3．3．2 4种森林净初级生产力及其组分

3．3．3 4种森林净生态系统生产力

3．4 讨论

3．4．1 森林类型转换对生态系统碳储量的影响

3．4．2 森林类型转换对净初级生产力的影响

3．4．3 森林类型转换对净生态系统生产力的影响

3．4．4 森林生态系统碳储量估算的不确定性

3．5 本章小结

4 衰退状态下谷地云冷杉林的碳储量与生产力

4．1 引言

4．2 研究方法

4．2．1 森林生态系统碳储量的测定

4．2．2 森林净初级生产力的测定

4．2．3 森林净生态系统生产力的测定

4．2．4 数据分析

4．3 结果与分析

4．3．1 森林生态系统碳储量

4．3．2 森林生产力

4．4 讨论

4．4．1 云冷杉林碳储量

4．4．2 云冷杉林生产力

4．5 本章小结

5 不同演替阶段植被碳储量和生产力的影响因素

5．1 引言

5．2 研究方法

5．2．1 林分密度和物种丰富度的测定

5．2．2 森林生态系统檀被碳储量的测定

5．2．3 森林生态系统地上部分净初级生产力的测定

5．2．4 叶面积指数的测定

5．2．5 数据分析

5．3．1 林分特征

5．3．2 林分密度和物种丰富度与生态系统功能的关系

5．4 讨论

5．4．1 林分密度和物种丰富度对演替初期森林生态系统功能的影响

5．4．2 林分密度和物种丰富度对演替后期森林生态系统功能的影响

5．5 本章小结

6 粗木质残体碳储量的基础特征及影响因素

6．1 引言

6．2 研究方法

6．2．1 活立木调查

6．2．2 粗木质残体调查

6．2．3 粗木质残体碳储量的测定

6．2．4 数据分析

6．3 结果与分析

6．3．1 粗木质残体碳储量的物种组成

6．3．2 粗木质残体碳储量的分布特征

6．3．3 粗木质残体碳储量空间异质性及影响因子

6．4 讨论

6．5 本章小结

7 土壤有机碳的空间异质性及影响因素

7．1 引言

7．2 研究方法

7．2．1 土壤采样及分析

7．2．2 土壤有机碳含量空间分布影响因素的测定

7．2．3 数据分析

7．3 结果与分析

7．3．1 士壤有机碳含量的空间变异和分布格局

7．3．2 采样密度对土壤有机碳含量空间分布格局的影响

7．3．3 影响土壤有机碳含量空间分布的主要因素

7．4 讨论

7．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

声明