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亚热带北缘毛竹林群落生产力、有机碳及养分动态

刘西军  
【摘要】:毛竹(Phyllostachys pubescens)是我国南方重要的森林资源,生长快,经营周期长,具有巨大的固碳能力。本文选取毛竹林为研究对象,通过样地调查与分析、野外定点观测、室内测定等研究亚热带北缘毛竹林群落生产力、有机碳和养分动态特征及其经营措施的影响,以揭示在全球变化背景下,亚热带北缘毛竹林生长、碳循环以及养分平衡关系。主要研究结果如下: (1)毛竹林立竹密度为2711~3956株·hm-2;立竹度为0.33-0.64;平均眉径10.12cm,径级结构尚不合理,集中在9~15cm;平均高13.8-21.6m;毛竹林立竹整齐度都大于7,竹林很整齐;立竹均匀度为5.51,达到均匀竹林的水平;叶面积指数在5.01-13.14之间,样地1和样地3已达到丰产林水平,但年龄结构不合理,Ⅰ度和Ⅳ度以上毛竹比例偏大。 (2)毛竹单株生物量在6.99~56.89kg之间,地上部分占90%以上,随年龄增大先增加后减小(Ⅲ度以后),随径阶增大而增加。毛竹林分平均生物量为89.83t·hm-2,样地3的生物量最高,达到127.19t·hm-2;毛竹各器官生物量的大小排序为竹秆竹枝竹根竹叶,各器官及单株生物量分别与眉径、株高间达到了极显著相关(p0.01),并建立了相关方程。 (3)毛竹各器官含碳率排序为竹根(50.76%)竹秆(49.44%)竹枝(46.07%)竹叶(41.71%),幼年期较稳定,老竹(3度以上)间差异显著(p0.05)。未经营毛竹林碳贮量45.84tC·hm-2,而经营后的毛竹林碳贮量在63.66~101.11tC.hm-2。竹秆碳贮量占毛竹林碳贮量的78.22%,竹枝10.57%,竹根6.35%和竹叶4.87%;毛竹不同部位的营养元素含量存在着明显差异,叶、枝、秆和根中的N和K较多,P和Ca较少,但叶中Ca较多,而N、P、Ca、Mg元素含量叶秆枝根;随年龄增加,不同器官中的钾含量降低,氮、磷与镁含量上下波动,钙含量相对稳定,且不同器官中的N、P、K、Ca、Mg元素间达到了显著(p0.05)或极显著水平(p0.01)。 (4)毛竹林年凋落物量为2.95~4.61t·hm-2·a-1,集中在4~5月份,呈单峰型,月份间凋落物量差异显著(p0.05);凋落物含碳率为32.93%~48.75%,凋落物碳年输入量以对照样地(1.85t·hm-2·a-1)最高,在4~5月份形成单峰值;凋落物中养分含量排序均为NCaKPMg,存在明显的季节变化。 (5)毛竹林土壤有机碳含量为21.61~42.30g·kg-1,上下层土壤DOC含量分别为0.15~0.17g·kg-1和0.11~0.15g·kg-1,均随土壤剖面深度增加而降低,变异系数分别为17.92%~26.10%和81.36%~150.26%,土层间有机碳含量均达到了显著差异水平(p0.05),DOC均未达到显著差异(p0.05);土壤有机碳和DOC含量的月变化均呈波浪形,变化趋势大致相同。 毛竹林土壤呼吸日变化为较平缓的单峰曲线,峰值出现在14:00;存在明显的季节变化,月平均土壤呼吸变幅在0.5~5.12μmol CO2·m-2·s-1之间,不同月份间均差异显著(p0.05);土壤呼吸速率与温度(t)成正相关,与湿度(w,0~20cm土壤)成负相关,土壤呼吸强度(Y)与二者的指数关系式为:Y1=0.0615×e0.2374t(R2=0.8324);Y0=9.8065×e-0.0449w(R2=0.8248) (6)毛竹林土壤pH为4.62~6.89,上层(0~20cm)小于下层(20~40cm),变异系数27.81%~62.02%,仅样地3显著差异(p0.05);EC值为37~463μS·cm-1,上下层变异系数为4.04%~8.39%,差异均不显著(p0.05);上下层土壤有机质含量分别为54.64~72.92g·kg-1和37.26~50.80g·kg-1,上层均高于下层,变异系数为17.92%~26.10%,均达到了极显著差异水平(p0.01);上下层土壤全氮含量为0.74~4.64g·kg--和0.41~4.56g·kg-1,变异系数为22.17~46.22%,且在样地1、样地4中差异显著(p0.05);上下层土壤铵态氮含量为3.27-4.00g·kg-1和2.33~3.71g·kg-1,硝态氮含量2.29~6.81g·kg-1和2.00~4.35g·kg-1,上层均高于下层,但差异不显著(p0.05);上下层土壤全磷含量为0.05~2.68g·kg-1和0.02~2.39g·kg-1,上下层土壤速效磷含量为0.80~13.66mg·kg-1和(?)0.12~6.34mg·kg-1,上层土壤全磷和速效磷含量均高于下层,变异系数为49.53%~100.18%和40.80%~76.11%,上下层土壤全磷含量差异不显著(p0.05);土壤钾、钙、镁含量分别为0.52~8.58g·kg-1、0.07~4.15g·kg-1和0.63~3.69g·kg-1,变异系数分别为41.17%~53.43%、28.49%~55.58%和44.36%~50.47%,但均无显著差异(p0.05)。 毛竹林上下层土壤pH、EC值随时间先升高后降低再升高;土壤有机质先降低后升高又降低;全氮含量在秋季(8、9、10月份)相对较低,其他时间相对较高;上层土壤铵态氮含量以春季后期最高,秋冬季最低,下层则以夏季最高,其他三季较低;上下层土壤硝态氮含量均是春季前期最高,秋季较高,其他月份较低;上下两层土壤全磷和速效磷含量均是秋季较高,冬季次之,春夏季较低;钾、钙和镁含量均是1、9、10月份含量较低,其他月份含量较高。 毛竹根际土(取样时间为10月份)的pH值、全氮含量小于非根际土;EC值、全磷、速效磷、钾、钙、镁以及有机质含量均高于非根际土,且毛竹根际土养分含量有随毛竹年龄先增加后减小的趋势。 (7)毛竹林原位土壤培养的净DOC转化速率在秋冬季多为负值,春夏季多为正值;两层土壤净DOC转化速率的峰值均出现在8~9月份,趋势相似,大小相近;净氨化速率在2009年的秋冬季和2010年的春夏季多为负值,2010年的秋冬季则多为正值,下层土壤要比上层土壤净氨化速率要大;净硝化速率与净氨化速率相反,峰值出现在5-8月份,上层土壤净硝化速率比下层大;上下层土壤净矿化速率的变化规律基本一致,多为正值,峰值出现在5-8月份,土壤矿化以硝化作用为主;各样地两层土壤的年平均氨化速率基本为负值,而年平均硝化速率和年平均矿化速率均为正值;土壤的净氨化速率与土壤的pH值呈极显著正相关(p0.01),与温度、铵态氮含量呈极显著负相关(p0.01);净硝化速率与铵态氮含量呈极显著正相关(p0.01);净矿化速率与土壤物理因子呈显著相关性。 (8)毛竹秆茎流率为3.99%~23.44%,穿透率为22.65%~105.71%。不同年龄毛竹的秆茎流量不存在显著差异(p0.05);林外雨、秆茎流和穿透雨均呈酸性,秆茎流酸性最强,分别与林外雨和穿透雨呈极显著差异(p0.01);电导率以穿透雨最高,林外雨最小,且穿透雨的电导率分别与秆茎流、林外雨的电导率达到极显著差异(p0.01);林外雨中的养分元素浓度差异较大,Ca K NMg P,钙年输入量为67.98kg·hm-2,磷年输入量仅为0.12kg·hm-2;秆茎流的营养元素浓度明显低于穿透雨,以K和Ca减少最明显;除秆茎流中Ca外,二者中的其他元素浓度均高于林外雨:秆茎流和穿透雨中营养元素浓度排序为KCaNO3--NNH4+-NMgP;秆茎流养分年输入量很小,穿透雨养分年输入量除钙外均最高,而毛竹林降水的养分年净输入量以氮最高,13.03kg-hm-2,磷为0.06kg·hm-2,钙为负值,营养元素浓度存在明显的季节变化;不同年龄的毛竹秆茎流的年养分平均含量差异不显著(p0.05);不同降雨时间的秆茎流、穿透雨和大气降雨中养分含量存在显著(p0.05)或极显著差异(p0.01),特别是秋季以后降水中输入的养分减少;降水中的养分元素与降水量存在着明显的相关性。 (9)经营后,毛竹林的立竹密度、立竹度、平均眉径、平均高分别增加了32.9%~94.9%、34.5%~80.7%、20.4%~52.8%和23.1%~58.8%,经营措施明显提高了密度、立竹度、叶面积和上层土壤碳氮比,施肥和埋青增加了毛竹林生物量、碳贮量以及上层土壤硝态氮含量和5月份土壤全氮含量,且随抚育措施种类增多,叶面积指数和秆茎流量增大,碳贮量也达到了101.11tC·hm-2;经营措施降低了上层土壤有机质、全氮、铵态氮含量毛竹林年凋落物量、秆茎流量、毛竹林凋落物养分含量、年碳输入量和月碳输入量,且经营措施越多,上层土壤铵态氮含量越小,但对土壤pH值、EC值、全磷、速效磷、钾、钙、镁含量、土壤净DOC转化速率、净氨化速率、土壤净硝化速率、穿透雨量、秆茎流与穿透雨的养分含量等影响均不明显,因此,施肥、埋青等经营措施能够有效提高毛竹林群落生产力和碳贮量。


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