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《东北林业大学》 2017年
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4种针叶树种树干CO_2释放通量的时间动态及估算

许飞  
【摘要】:树干是森林生态系统中最大的生物量载体和重要的经济产量,更是长期而巨大的全球碳库。与此同时,树干组织的活细胞为了自身的生存和生长发育也在昼夜不停的进行碳代谢活动,这导致树木光合作用固定的大量CO_2被释放到大气中。因此,树干CO_2释放通量(E_S)在调控森林生态系统的生产力和碳平衡、调节大气CO_2浓度变化等方面起着关键的作用。地处中高纬度的东北温带森林因其面积大、碳储量高以及对全球变化响应敏感而在维持陆地生态系统碳平衡中起重要作用,但其碳循环研究尚存在相当大的不确定性,其中木质组织呼吸的贡献及其对生物环境因子的响应认识不足,尤其缺乏E_S的时间(昼夜、季节、年际)动态及其与相关生物和环境因子的关系以及林分水平呼吸通量的量化。采用红外气体分析法于2011年秋季10—11月和2012年春季4—5月原位测定了东北东部山区3种常绿(红松Pinus koraiensis、红皮云杉Picea koraiensis和樟子松Pinus sylvestrisvar.monglica)和1种落叶(兴安落叶松Larix gmelinii)针叶树种E_S的昼夜变化,于2012年5月—2014年7月测定其E_S的季节变化,旨在探索左右E_S时间变异的主导因子及其调控机理,同时尝试建立一种上推呼吸环水平的E_S到林分水平的普适实验方案,以减少林分水平E_S估算的不确定性,提高森林碳平衡模型的估测精度。主要结果如下:(1)2011年秋季和2012年春季4个树种的E_S昼夜变化多随树干温度(T_S)而变化,但E_S峰值大小和出现时间以及昼夜变化幅度因树种和季节而异。T_S解释了 E_S(除春季樟子松外)变异性的50%以上,但E_S对T_S响应滞后1.5h(春季樟子松为3h)。将E_S标准化到7S为10℃(E_(s10))时发现,秋季Ess10波动在0.54(兴安落叶松)—0.78(红皮云杉)μmolCO_2m~(-2)s~(-1)之间,而春季Es10则波动在0.87(红松)—1.10(樟子松)μmol CO2 m-2 s-1之间,前者平均低于后者约40%。然而,各树种秋季和春季E_S的温度敏感系数(Q10值)差异不显著(P0.05),波动在1.52(樟子松)—1.82(红皮云杉)之间。秋季和春季所有树种的Es10与胸径(DBH)之间均呈显著的正相关关系(P0.05),而Q10与DBH则多呈负相关关系(P0.05),表明DBH可作为估测这些针叶树种Es的参数之一。(2)2013年7月至2014年7月4个树种E_S的季节动态总体上与T_S变化一致,高峰值出现在温度较高和生长迅速的夏季月份(5月末—7月初),最小值则出现在温度较低的春季(3月末—4月末)或秋季(10月)。Ts分别解释了所有树种生长季(5—9月)和非生长季(其他月份)E_S 42%-91%和56%—89%的变异性。进一步分析发现,除了T_S之外,生长季期间4个树种的E_S与日胸围生长量、樟子松和兴安落叶松的E_S与空气相对湿度、樟子松的E_S与边材氮浓度也显著相关(P0.05)。这些结果表明Ts是影响E_S季节动态的主导环境因子,但影响程度随树种、生长节律而变。同一树种生长季E_S显著高于非生长季,而同一季节不同树种间E_S差异显著(P0.05)。生长季不同树种E_S的Q10值的差异不显著(波动在1.64—2.09之间),但在非生长季却存在显著性差异(波动在1.80—3.14之间;P0.05);并且红皮云杉、樟子松和兴安落叶松生长季的Q10值均显著低于非生长季(P0.05),说明不同树种E_S对温度变化响应的差异主要表现在非生长季。上述这些温带针叶树种E_S的季节和种间变化受温度等多因子联合驱动,因此采用单一的Es温度响应方程可导致Es年通量估测的不确定性。(3)2013年7月至2014年6月红松、红皮云杉、樟子松和兴安落叶松呼吸环水平的年总E_S(ET-chamber)分别为 196.8、365.9、234.6 和 376.6 g Cm~(-2) stem surface area yr~(-1)。3个常绿针叶树种的年维持呼吸(EM-chamber)平均占全年总呼吸的79%,而落叶针叶树兴安落叶松的EM-chamber与年生长呼吸对年通量的贡献量几乎均等,可能表明具有不同叶物候的针叶树种在生长策略和呼吸碳分配方面存在分异。所有树种的ET-chamber及其组分与树干年胸围生长量、边材体积(除樟子松外)和DBH之间大都存在显著的回归关系(R2=0.45—0.90),并且包括树干年胸围生长量和DBH的综合模型显著提高了估测兴安落叶松ET-chamber及其组分的能力,表明树干年胸围生长量、边材体积和DBH不仅是造成4个针叶树种ET-chamber及其组分种内种间差异的主要因子,而且可作为ET-chamber及其组分强有力的模拟和预测指标。但是,T-chamber及其组分与预测变量函数关系的形式和系数随树种而变化,表明应该针对各个树种建立相应的尽估测模型,以减小本地区和区域森林碳循环模型的不确定性,提高其估测精度。(4)在不考虑种内个体间变异和统一呼吸特征(Es10和Q10值)计算方法的前提下,采用季节性呼吸特征和合适的上推指标可以有效提高林分水平E_S年通量(ET-stand)的估算精度。采用季节性(生长季和非生长季)呼吸特征计算的ET-stand平均高于年呼吸特征计算值10%。基于树干体积估算的ET-stand普遍低于基于树干表面积和边材体积获得的估算值,表明采用树干体积作为上推单位会导致ET-stand低估。采纳上述计算方案,基于树干表面积和边材体积获得的红松年平均(2012—2014年)ET-stand分别为165和166 g C m-2 ground area yr-1,兴安落叶松为 183 和 283 g C m-2 ground area yr-1,前者分别低于后者 10%和41%。年际间ET-stand存在明显的差异,但其差异大小取决于所采用的上推单位。其他树种的ET-stand占红松林分呼吸总量的45%,表明在某些情况下,在估算包含其他树种的林分水平年通量时,需要谨慎考虑处理其他树种的方式。讨论了ET-stand估算中存在的一些潜在误差源。本研究强调了掌握Es时间动态变化特征和采用合理的上推方案对提高林分水平树干呼吸通量估算精度的重要性。
【学位授予单位】:东北林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S718.5

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【参考文献】
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