大渡河中游干旱河谷区云南松人工林凋落叶分解和土壤呼吸对增加降水的响应

摘要

由于全球气候的变暖，引起全球降水格局发生了异常变化。其中，降水量大幅增加是降水格局异常变化的一种体现。近几十年来降水增加发生的频率、范围和持续时间都有所增加。森林生态系统是最大的陆地生态系统，土壤碳、氮、水循环过程是森林生态系统中最重要的三种循环过程。降水量的增加通过改变土壤环境因素，进而影响凋落物分解、土壤碳氮、土壤呼吸、土壤有机碳矿化等关键生态过程，势必会对森林生态系统过程造成重大影响。四川省石棉县地处大渡河中游干旱河谷区，全年干、湿季节分明，从上世纪50至70年代和90年代至今，该地区降水量呈上升趋势，尤其2000年初期降水量明显增加，比上世纪90年代降水量增加了48％。云南松(Pinusyunnanensis)是该区域主要的造林树种。本研究于2013年6月至2015年5月，对大渡河中游干旱河谷区石棉县云南松人工林进行增加降水试验，试验设置对照(CK，0 mm·m-2·a-1)、增水10％(A1，80 mm·m-2·a-1)、增水20％(A2，160 mm·m-2·a-1)和增水30％(A3，240 mm·m-2·a-1)4个处理水平。在研究了增加降水对云南松人工林凋落叶分解、土壤碳氮、土壤呼吸和土壤有机碳矿化影响的基础上，初步探讨了云南松人工林土壤碳氮水关系对增加降水的响应。研究主要结果如下:
　　(1)云南松人工林凋落叶分解、土壤呼吸和土壤有机碳矿化及其相关因素均具有不同的季节特征。凋落叶分解、土壤呼吸和土壤有机碳矿化具有湿季快、干季慢的季节特征;土壤温度、土壤湿度、土壤全氮、SMBC和SMBN具有湿季高、干季低的季节特征，土壤硝态氮和铵态氮则具有湿季低、干季高的季节特征;但STOC没有明显的季节特征。
　　(2)增加降水促进了云南松人工林凋落叶分解，促进作用大小表现为A1＞A2＞A3。增加降水也促进了凋落叶木质素降解，促进作用大小表现为A3＞A2＞A1; A1处理促进了的纤维素降解，A2和A3抑制了纤维素降解。凋落叶各养分元素释放模式没有受降水量增加的影响。增加降水促进了凋落叶C、N、P和K元素的释放，A1处理促进了Ca和Mg元素的释放，A2和A3处理抑制了Ca和Mg元素的释放。凋落叶C/N、C/P和木质素/N随分解时间增加而升高，增加降水提高了凋落叶C/N和C/P，而木质素/N在A1处理下降低，在A2和A3处理下提高。
　　(3)增加降水提高了云南松人工林STOC含量，但这种作用不随增水量的增加而增大;土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量均随降水量的增加而降低。在湿季，A1处理提高了SMBC含量，对SMBN含量无显著影响，A2处理提高了SMBC和SMBN含量，A3处理降低了SMBC和SMBN含量;在干季，SMBN含量随降水量的增加而降低，仅A3处理降低了SMBC含量。
　　(4)增加降水提高了云南松人工林土壤有机碳矿化，但这种作用不随降水量的增加而增大。相关分析表明，土壤有机碳矿化与STOC之间没有明显的关系，与SMBC之间有明显的相关关系。增加降水没有改变土壤有机碳矿化与STOC的关系，而A2和A3处理则降低了土壤有机碳矿化与SMBC的关系。
　　(5)在降水量增加下，A1处理对土壤呼吸和土壤碳排放量没有明显影响，A2处理促进了土壤呼吸并增加了土壤碳排放量，A3处理抑制了土壤呼吸并降低了土壤碳排放量。湿季期间增加降水未对土壤温度和湿度造成显著影响，干季期间增加降水提高了土壤湿度，而土壤温度未受到影响。土壤呼吸与土壤温度具有极显著正指数关系，增加降水没有明显影响两者关系;各处理土壤呼吸的温度敏感性（Q10值）分别为2.13(CK)、2.11(A1)、2.11(A2)和2.53(A3)，其中A3处理的Q10值较CK明显升高(P＜0.05)。土壤呼吸与土壤湿度具有极显著二项式关系，而在降低温度的影响后，两者之间没有显著相关性关系，增加降水也没有明显改变它们的关系;与土壤温度相比，土壤湿度对土壤呼吸的影响相对较小。土壤呼吸与土壤温度、土壤湿度具有极显著二元线性关系，变异解释量较单因素有明显提高，增加降水降低了土壤温度和土壤湿度对土壤呼吸的综合影响。土壤呼吸与SMBC、SMBN之间有明显的相关关系，A1和A2处理提高了SMBC与土壤呼吸的关系，A3处理降低了两者的关系;仅A1处理提高了SMBN与土壤呼吸的关系。
　　(6)云南松人工林土壤碳水关系中，土壤水分与土壤呼吸之间有明显的相关关系，增加降水没有影响土壤碳水关系。土壤氮水关系中，土壤水分与土壤硝态氮、土壤铵态氮、SMBN之间有明显的相关关系。在降水量增加下，A1和A2处理降低了土壤水分与土壤铵态氮的关系，A1和A3处理降低了土壤水分与SMBN的关系。土壤碳氮关系中，土壤有机碳与土壤氮之间没有明显的相关关系，增加降水也没有影响它们的关系。SMBC与土壤全氮、土壤硝态氮、土壤铵态氮之间存在明显的相关关系;增加降水降低了SMBC与土壤全氮的关系，A2和A3处理降低了SMBC与土壤硝态氮的关系，A1和A2处理提高了SMBC与土壤铵态氮、SMBN的关系，而A3处理仅降低了SMBC与土壤铵态氮的关系。土壤呼吸与土壤氮之间有明显的相关关系，增加降水降低了土壤呼吸与土壤全氮、土壤硝态氮的关系;A3处理降低了土壤呼吸与土壤铵态氮的关系;而A1处理提高了土壤呼吸与SMBN的关系。土壤有机碳矿化与土壤氮之间存在明显的关系，总体上增加降水降低了它们的关系。土壤碳氮水关系中，土壤水分总体与土壤碳氮比之间没有明显的相关关系，增加降水也没有改变它们之间的关系。仅土壤水分与土壤呼吸/全氮、土壤有机碳矿化/SMBN之间存在明显的相关关系，增加降水降低了它们的关系。土壤水分与SMBC/SMBN之间虽没有明显的相关关系，但A2处理提高了两者的相关性。综上，土壤碳氮水关系对增加降水的响应较为复杂，要深入揭示增加降水对土壤碳氮水关系的影响仍需进一步研究。

目录

声明

摘要

第一章 研究背景

1．1 降水格局异常变化

1．2 全球及我国降水格局现状

1．3 降水格局变化对森林生态系统的影响

第二章 文献综述

2．1 凋落物分解及其对降水的响应

2．1．1 凋落物分解概况

2．1．2 凋落物分解的影响因素

2．1．3 降水对凋落物分解的影响

2．2 土壤呼吸及其对降水的响应

2．2．1 土壤呼吸概况

2．2．2 土壤呼吸的影响因素

2．2．3 降水对土壤呼吸的影响

2．3 土壤有机碳矿化及其对降水的响应

2．3．1 土壤有机碳矿化概况

2．3．2 土壤有机碳矿化的影响因素

2．3．3 降水对土壤有机碳矿化的影响

2．4 森林土壤碳氮水关系

第三章 研究区概况与研究方法

3．1 研究区概况

3．2 研究目的及其意义

3．3 研究内容与技术路线

3．4 研究方法

3．4．1 增加降水试验设计

3．4．2 凋落叶分解研究方法及数据统计分析

3．4．3 土壤呼吸研究方法及数据统计分析

3．4．4 土壤有机碳矿化研究方法及数据统计分析

第四章 增加降水对云南松人工林凋落叶分解的影响

4．1 结果与分析

4．1．1 增加降水对凋落叶质量变化的影响

4．1．2 增加降水对凋落叶木质素和纤维素降解的影响

4．1．3 增加降水对凋落叶养分元素释放的影响

4．1．4 增加降水对凋落叶C／N、C／P、木质素／N的影响

4．2 讨论

4．2．1 云南松人工林凋落叶分解对增加降水的响应

4．2．2 云南松人工林凋落叶木质素和纤维素降解对增加降水的响应

4．2．3 云南松人工林凋落叶分解过程养分元素释放对增加降水的响应

4．3 小结

第五章 增加降水对云南松人工林土壤碳、氮元素的影响

5．1 结果与分析

5．1．1 增加降水对土壤有机碳的影响

5．1．2 增加降水对土壤氮元素的影响

5．1．3 增加降水对土壤微生物生物量碳、氮的影响

5．2 讨论

5．2．1 云南松人工林土壤有机碳对降水增加的响应

5．2．2 云南松人工林土壤氮元素对降水增加的响应

5．2．3 云南松人工林土壤微生物生物量碳、氮对降水增加的响应

5．3 小结

第六章 增加降水对云南松人工林土壤有机碳矿化的影响

6．1 结果与分析

6．1．1 增加降水对土壤有机碳累积矿化量的影响

6．1．2 增加降水对土壤有机碳矿化速率的影响

6．1．3 增加降水对土壤有机碳矿化率的影响

6．1．4 增加降水对土壤有机碳矿化与STOC、SMBC的相关性影响

6．2 讨论

6．3 小结

第七章 增加降水对云南松人工林土壤呼吸的影响

7．1 结果与分析

7．1．1 增加降水对土壤温度和湿度的影响

7．1．2 增加降水对土壤呼吸速率的影响

7．1．3 土壤呼吸速率与土壤温度的关系

7．1．4 土壤呼吸速率与土壤湿度的关系

7．1．5 土壤呼吸速率与土壤温度、土壤湿度的联合关系

7．1．6 土壤微生物生物量碳、氮与土壤呼吸的相关关系

7．2 讨论

7．2．1 云南松人工林土壤呼吸对降水增加的响应

7．2．2 土壤呼吸与土壤温湿度的关系及其对增加降水的响应

7．2．3 云南松人工林土壤呼吸的温度敏感性对增加降水的响应

7．2．4 土壤呼吸与SMBC、SMBN的关系对增加降水的响应

7．3 小结

第八章 增加降水对云南松人工林土壤碳氮水关系的影响

8．1 结果与分析

8．1．1 增加降水对土壤碳水关系的影响

8．1．2 增加降水对土壤氮水关系的影响

8．1．3 增加降水对土壤碳氮关系的影响

8．1．4 增加降水对土壤碳氮水关系的影响

8．2 讨论

8．2．1 云南松人工林土壤碳水、氮水、碳氮关系对增加降水的响应

8．2．2 云南松人工林土壤碳氮水关系对增加降水的响应

8．3 小结

第九章 结论与展望

9．1 结论

9．2 研究特色

9．3 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

攻读博士期间发表的学术论文列表