透光抚育对长白山中期“栽针保阔”红松林碳收支的影响

摘要

伴随着全球工业经济的不断发展，温室气体浓度不断上升，森林生态系统作为陆地生态系统的组成部分对大气环境的影响越来越重要。森林中碳收支的变化将直接影响到全球气候的变化。因此，应该探寻有效的森林经营管理途径，将更多的碳固定在森林生态系统之中，进而提高或维持森林碳汇功能以期减缓全球气候变化。阔叶红松林作为我国东北温带地带性顶极森林植被，具有蓄积量高、生态功能强、系统稳定等特点。但由于历史原因遭到严重的破环，因此如何恢复阔叶红松林受到林业科学界的普遍关注。
　　本文以我国东北长白山林区的中期“栽针保阔”红松林（即1979年次生林林冠下栽植红松，目前红松林龄33年故称其中期;1996年对该批红松开展透光抚育试验，2012调查时透光抚育试验已达16年）为研究对象，通过对比分析5种透光抚育强度下（对照-栽针未采伐0.0％、轻度透光抚育-25％、中度透光抚育-50％、强度透光抚育-75％及上层皆伐-100.0％）（采伐强度指伐除上层阔叶树蓄积比）红松林的生态系统碳储量（植被层、土壤层及凋落物层）、土壤呼吸碳排放量、净初级生产力与年净固碳量及其生态系统净碳收支，揭示透光抚育对中期“栽针保阔”红松林生态系统碳收支的影响规律，以期筛选出能够提高森林碳汇的经营管理方式。主要研究结果表明:
　　(1)透光抚育使长白山中期“栽针保阔”红松林植被碳储量(68.38±1.78～97.40±2.98 t·C/hm2)显著降低16.1％～29.8％(P＜0.05)，且3种透光抚育方式降低幅度相近(22.5％～29.8％)并大于上层皆伐(16.1％)。其影响机制为:次生林冠下红松碳储量随透光抚育强度增大而递增（0.6～14.4倍），而上层阔叶树种碳储量却随透光抚育强度增大而递减(-36.2％～-94.1％)，两者的削涨关系导致各强度透光抚育降低幅度相近并大于上层皆伐。
　　(2)强度透光抚育与上层皆伐使长白山中期“栽针保阔”红松林土壤碳储量（131.2±15.7～234.6±20.3 t·C/hm2）显著降低29.9％～36.9％(P＜0.05)，中度透光抚育使红松林碳储量显著提高(12.8％，P＜0.05)，而轻度透光抚育对其土壤碳储量并无显著影响（2.4％，P＞0.05）。其影响机制为:强度透光抚育与上层皆伐显著降低了土壤碳含量，但同时也显著提高了土壤容重，两者综合作用导致土壤碳储量显著降低;中度透光抚育显著提高了其土壤碳含量，但同时也显著降低了土壤容重，前者增加的趋势大于后者降低的趋势，两者综合作用导致土壤碳储量显著提高;而轻度透光抚育对土壤碳含量与土壤容重均无显著影响，进而对土壤碳储量也未产生显著影响。
　　(3)强度透光抚育与上层皆伐使长白山中期“栽针保阔”红松林生态系统碳储量(212.90±19.59～310.06±23.40 t·C/hm2)显著降低29.8％～30.3％(P＜0.05)，而轻、中度透光抚育对其生态系统碳储量并无显著影响（-7.8％～1.5％，P＞0.05），即轻、中度透光抚育能够维持其生态系统碳储量。且透光抚育也改变了生态系统碳储量的分配格局，对照样地与强度透光抚育样地相一致，土壤碳储量约占2/3，植被碳储量约占1/3;轻、中度透光抚育样地土壤碳储量约占3/4，植被碳储量约占1/4;上层皆伐样地土壤碳储量约占3/5，植被碳储量约占2/5。其影响机制为:轻、中度透光抚育显著降低了植被碳储量，但对土壤碳储量并无显著影响，结果导致两者对生态系统碳储量并无显著影响;而强度透光抚育与上层皆伐均显著降低了植被碳储量与土壤碳储量，进而显著降低了两者的生态系统碳储量。
　　(4)强度透光抚育显著降低长白山中期“栽针保阔”红松林的植被净初级生产力（6.74±0.69～8.96±0.64 t·hm-2·a-1）与年净固碳量（2.97±0.11～4.07±0.30 t·C·hm-2·a-1）24.7％和27.0％(P＜0.05)，而轻、中度透光抚育与上层皆伐对两者并无显著影响(-10.5％～0.1％和-16.0％～-2.5％，P＞0.05)。其影响机制为:强度透光抚育显著降低了乔木层与灌木层的净初级生产力与年净固碳量;轻、中度透光抚育显著降低了乔木层的净初级生产力与年净固碳量，但同时也显著提高了草本层的净初级生产力与年净固碳量;上层皆伐仅显著降低了灌木层的净初级生产力与年净固碳量。
　　(5)强度透光抚育与上层皆伐显著降低长白山中期“栽针保阔”红松林生长季节土壤呼吸CO2排放量（24.00±4.15～39.48±5.43 t·hm-2·yr-1）34.1％～39.2％(P＜0.05)，而轻、中度透光抚育对其并无显著影响（-4.0％～-0.3％，P＞0.05）。其影响机制为:强度透光抚育与上层皆伐显著降低了各季节（春、夏、秋季）的土壤呼吸、自养呼吸及异养呼吸CO2排放量;轻度透光抚育仅显著降低了春季的土壤异养呼吸CO2排放量;中度透光抚育对其各季节的土壤呼吸、自养呼吸及异养呼吸CO2排放量均无显著影响。
　　(6)长白山中期“栽针保阔”红松林经过透光抚育16年后表现为碳的吸收汇（0.64±0.17～2.00±0.31 t C·hm-2·yr-1），其中，上层皆伐能够显著降低其生态系统的碳排放源强（111.5％，P＜0.05），而中度、强度择伐对其生态系统的碳排放源强并无显著影响（P＞0.05）。轻度择伐显著提高了其生态系统的碳排放源强(32.6％，P＜0.05)。总之，上层皆伐16年后，不同择伐条件下的长白山中期“栽针保阔”红松林均表现为碳的吸收汇，且上层皆伐能够显著增加其碳汇效应。
　　因此，从维持我国东北森林生态系统碳储量考虑，对中期“栽针保阔”红松林应采取中、轻度择伐比较适宜，但两者并不能完全释放冠下红松的生长潜力，将延迟阔叶红松林的恢复进程;若从加速东北温带地带性顶极植被阔叶红松林的恢复进程并兼顾维持我国东北森林碳汇功能考虑，则对中期“栽针保阔”红松林应采取强度择伐或上层皆伐（两者能够充分发挥红松的生长潜力），且随着新一代阔叶红松林的不断成长壮大，其碳汇功能也必将会得到大幅度提高，故从长时间尺度上来看，对中期“栽针保阔”红松林采取强度择伐或上层皆伐也具可行性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 阔叶红松林概况

1．2．1 阔叶红松林分布

1．2．2 阔叶红松林植被特点

1．2．3 阔叶红松林保护与恢复的必要性

1．2．4 阔叶红松林的研究概况

1．3 “栽针保阔”森林经营思想的形成

1．4 “栽针保阔”红松林透光抚育效果研究进展

1．5 森林生态系统碳储量与碳汇功能的研究进展

1．5．1 森林植被对碳的固定

1．5．2 森林土壤对碳的固定

1．5．3 森林生态系统的土壤呼吸碳排放

1．5．4 森林生态系统碳平衡研究概况

1．6 研究目的及意义

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究意义

1．7 主要研究内容

1．8 技术路线

2 研究地概况及研究方法

2．1 研究地区自然概况

2．2 研究方法

2．2．1 样地设置方法

2．2．2 植被碳储量测定方法

2．2．3 土壤碳储量测定方法

2．2．4 土壤呼吸碳排放测定方法

2．2．5 生态系统碳收支测定方法

2．3 数据处理

3 透光抚育对“栽针保阔”红松林植被碳储量的影响

3．1 透光抚育对红松林植被生物量的影响

3．2 透光抚育对红松林植被碳含量的影响

3．3 透光抚育对红松林植被碳储量的影响

3．4 讨论

3．4．1 透光抚育对植被生物量的影响

3．4．2 透光抚育对植被碳含量的影响

3．4．3 透光抚育对植被碳储量的影响

3．5 本章小结

4 透光抚育对“栽针保阔”红松林土壤碳储量的影响

4．1 透光抚育对红松林土壤容重的影响

4．2 透光抚育对红松林土壤碳含量的影响

4．3 透光抚育对红松林土壤碳储量的影响

4．4 讨论

4．4．1 透光抚育对土壤容重的影响

4．4．2 透光抚育对土壤碳含量的影响

4．4．3 透光抚育对土壤碳储量的影响

4．5 本章小结

5 透光抚育对“栽针保阔”红松林生态系统碳储量的影响

5．1 透光抚育对红松林生态系统碳储量的影响

5．2 透光抚育对红松林生态系统碳储量分布格局的影响

5．3 讨论

5．3．1 透光抚育对生态系统碳储量的影响

5．3．2 透光抚育对生态系统碳储量分布格局的影响

5．4 本章小结

6 透光抚育对“栽针保阔”红松林碳收支的影响

6．1 透光抚育对红松林植被净初级生产力与年净固碳量的影响

6．1．1 透光抚育对红松林植被净初级生产力的影响

6．1．2 透光抚育对红松林植被年净固碳量的影响

6．2 透光抚育对红松林土壤呼吸碳排放的影响

6．2．1 透光抚育对土壤呼吸季节动态的影响

6．2．2 透光抚育对红松林土壤呼吸速率的影响

6．2．3 透光抚育对红松林土壤呼吸与温度相关性的影响

6．2．4 透光抚育对红松林土壤呼吸CO2排放量的影响

6．3 透光抚育对红松林生态系统碳收支的影响

6．4 讨论

6．4．1 透光抚育对植被净初级生产力与年净固碳量的影响

6．4．2 透光抚育对土壤呼吸碳排放的影响

6．4．3 透光抚育对生态系统碳收支的影响

6．5 本章小结

7 结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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