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《南京林业大学》 2007年
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苏北不同杨树人工林经营模式下土壤呼吸及杨树细根研究

朱强根  
【摘要】: 随着20世纪70年代“全球变化”的提出,人类已意识到温室效应引起全球变暖带来的一系列问题。全球碳循环研究自90年代兴起以来,已成为跨学科、综合性及规模较大的国际合作研究的热点,寻找未知碳汇和如何做到温室气体的减排一直是研究的目标。土壤呼吸作为大气主要碳源而倍受研究者关注,各国已大量开展森林、草原和农田等生态系统土壤呼吸研究。我国开展土壤呼吸研究较晚,且主要是针对森林生态系统、农田生态系统和草原生态系统,而对于人工林生态系统,尤其是农林复合生态系统的土壤呼吸研究很少。森林细根作为碳循环中土壤碳库的重要来源,已越来越受到碳循环研究者的关注。细根生物量只占森林植被总生物量很少的部分,但由于其周转快,年生产量极为可观,成为土壤碳库的重要输入源,在碳循环中具有十分重要的作用。 杨树作为我国重要的速生树种之一,在江苏省苏北地区广泛栽植,并形成多种栽培经营模式,不仅推动林业产业发展,增加农民收入,同时也改善了生态环境。杨树人工林每年巨大的碳吸存量对苏北地区农林生态系统碳循环有着特殊的重要意义,而目前对其生态系统碳储量及其林下土壤碳动态还不得而知,其碳源-汇功能尚不清楚,各种经营模式下土壤呼吸的研究还未有报道。鉴于此,本项目对苏北四种不同杨树人工林经营模式和农田模式下土壤呼吸进行研究,建立土壤呼吸的温度、水分模型,估算全年土壤呼吸总量,并开展杨树细根季节动态和特性研究,估算细根年生产量和年周转率。为苏北地区杨树人工林生态系统的碳源-汇功能及其对大气CO_2的贡献研究提供依据。研究主要结果如下: 1、土壤呼吸的季节动态和特性为,4种模式和农田对照下土壤呼吸年变化成单峰型曲线。杨树生长盛季(7月-8月)表现为一年中土壤呼吸的最高峰,其土壤呼吸速率为153.00mg CO_2·m~(-2)·h~(-1)~253.62 mgCO_2·m~(-2)·h~(-1)。休眠季节(12月~(-1)月)为一年中土壤呼吸速率的最低点,其土壤呼吸速率为46.75 mgCO_2·m~(-2)·h~(-1)~54.48mgCO_2·m~(-2)·h~(-1)。土壤呼吸速率的季节变化表现为夏季春季秋季冬季。 2、据全年土壤呼吸数据得到,4种模式和农田对照土壤呼吸速率与温度之间存在显著的指数关系,温度解释了土壤呼吸速率变化的64.6%~80.7%,各模式下土壤呼吸速率与温度的回归方程如下: M1模式有根:R=51.711e~(0.0628T) R~2=0.7549 (P0.001) M1模式无根:R=49.553e~(0.0542T) R~2=0.8073 (P0.001) M2模式有根:R=51.013e~(0.0584T) R~2=0.7179 (P0.001) M2模式无根:R=47.898e~(0.0536T) R~2=0.7170 (P0.001) M3模式有根:R=50.559e~(0.0572T) R~2=0.6966 (P0.001) M4模式有根:R=48.603e~(0.056T) R~2=0.6190 (P0.001)农田模式:R=50.511e~(0.0569T) R~2=0.6455 (P0.001) 3、用全年土壤呼吸速率拟合土壤含水量,4种模式和农田对照下土壤呼吸速率与含水量之间的线性关系均未达显著水平。其回归结果如下: M1模式有根:R=109.04W+136.88 R~2=0.0065 (P0.05) M1模式无根:R=474.83W+58.193 R~2=0.0742 (P0.05)M2模式有根:R=181.27W+122.82 R~2=0.0134 (P0.05) M2模式无根:R=421.86W+61.314 R~2=0.0685 (P0.05) M3模式有根:R=118.43W+124.9 R~2=0.0058 (P0.05) M4模式有根:R=~(-2)23W+167.25 R~2=0.0317 (P0.05)农田模式:R=313.46W+90.341 R~2=0.0566 (P0.05) 4、通过全年数据分析,4种模式和农田对照下,温度和水分对土壤呼吸的综合影响用双变量模型R =β_0 e~(β_1T) e~((β_2W+β_3W~2))进行拟合,其拟合R~2比采用温度或水分的单变量模型有较大的提高,各模式或农田对照拟合效果均达显著水平,表现了土壤呼吸变化同时受温度和水分的双重作用。双变量回归模型如下: M1模式有根: R = 37.677e~(0.064T)e~(((1.897W-1.453W~2))) R~2=0.77 (P0.001) M1模式无根: R = 30.714e~(0.054T)e~(((3.904Q-6.446W~2))) R~2=0.82 (P0.001) M2模式有根: R = 59.49e~(0.056T)e~((3.192W-12.925W~2)) R~2=0.73 (P0.001) M2模式无根: R = 33.217e~(0.053T)e~((2.67W-3.643W~2)) R~2=0.76 (P0.001) M3模式有根: R = 30.194e~(0.062T)e~((2.028W-4.485W~2)) R~2=0.76 (P0.001) M4模式有根: R = 11.376e~(0.069T)e~((15.053W-39.254W~2)) R~2=0.69 (P0.001)农田模式: R = 37.677e~(0.064T)e~((1.897W-1.453W_2)) R~2=0.63 (P0.001) 5、四种模式和农田对照下土壤年呼吸总量分别为:M2模式有根1492gCO_2·m~(-2)·a~(-1),M3模式有根1484gCO_2·m~(-2)·a~(-1) , M1模式有根1395gCO_2·m~(-2)·a~(-1) ,农田模式1361gCO_2·m~(-2)·a~(-1),M2模式无根1200gCO_2·m~(-2)·a~(-1),M1模式无根1135gCO_2·m~(-2)·a~(-1),M4模式有根1088gCO_2·m~(-2)·a~(-1)。总体表现出有根处理土壤年呼吸总量大于农田对照,而无根处理土壤年呼吸总量小于农田对照。M4模式由于其特殊性表现出土壤年呼吸总量显著小于其他模式有根处理和农田对照,而与无根处理年呼吸总量无显著差异。 6、M1和M2模式下根系年呼吸总量分别为260gCO_2·m~(-2)·a~(-1)和292gCO_2·m~(-2)·a~(-1)。分别占M1和M2模式土壤年总呼吸量的18.7%和19.6%。 7、在杨树生长盛期(8月5-6日),采用IRGA法测定土壤呼吸日动态。结果为土壤呼吸日变化呈单峰型曲线,土壤呼吸速率日变化与土壤温度之间有很好的相关性,5cm土壤温度变化解释了土壤呼吸变化的10%~80%,15cm土壤温度变化解释了土壤呼吸变化的10%~92%。 8、在杨树生长盛期(8月5-6日),同时采用AA法和IRGA法测定土壤日呼吸速率,结果表明, AA法测定值占IRGA法的27%~44% ,两者的线性关系为IRGA=3.8231AA~(-1)118(p0.05)。 9、杨树细根空间分布表现为:细根主要分布在距离树干1m~(-1).5m处;M1和M2模式下杨树细根集中在0~(-1)0cm土层,而M3和M4模式在20-40cm土层细根仍有大量分布,表现了M3和M4模式下杨树对深层水分的吸收利用。 10、M3和M4两种模式年平均细根现存生物量分别为1.86 t·ha~(-1)和1.26 t·ha~(-1)。不同径级细根生物量中,均以0~(-1)mm的细根生物量最大,两种模式下分别占0-5mm总细根生物量的58.4%和59.4%。活根在总细根生物量中占有主要部分,各径级活细根占有总细根生物量的比例在68.6%~91.1%之间。 11、细根生物量库季节变化主要表现为双峰型。M3和M4两种模式下,0~(-2)mm径级细根年净生产量分别为1.40 t·ha~(-1)·a~(-1)和1.06t·ha~(-1)·a~(-1),各占0-5mm总细根年净生产量的89.7%和90.6%。两种模式下0~(-2)mm细根年周转率分别为1.11次·a~(-1)和1.18次·a~(-1),2-5mm径级细根周转相对较慢,年周转率分别为0.52次·a~(-1)和0.57次·a~(-1)。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S792.11

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