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《福建农林大学》 2015年
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凋落物多样性对杉木苗期生长及土壤生态功能的影响研究

郑文辉  
【摘要】:杉木(Cunninghamia lanceolata)是中国特有的树种,是中国南方最重要速生用材树种之一,在我国林业生产中具有举足轻重的地位和作用。然而,传统的以木材生产为主要目的、追求速生丰产杉木人工林集约经营模式,形成了现行的带有掠夺性的、强度经营的、消耗地力的栽杉体制,造成杉木人工林生态系统结构过于简单、生物多样性下降、水土流失、地力衰退、抵御自然灾害能力(如病虫害和火灾蔓延等)弱等各种严重生态问题,尤其是多代连栽杉木人工林出现严重的地力衰退问题,直接制约和威胁着当前杉木人工林的可持续发展。通过多年来的大量研究结果表明,引起杉木人工林地力衰退的重要原因是:杉木凋落物养分含量相对贫乏(尤其是N的含量偏低),凋落物不易分解,造成养分归还林地较少;土壤酸化导致土壤中的有效磷被固定;土壤酸化造成的铝毒害;杉木人工林生态系统的结构简单导致自我调节能力下降。因此,充分了解、利用植物种间关系的有利作用,模仿天然林生态系统组建合理的人工林群落结构,提高生态系统多样性,增加凋落物的量,促进杉木凋落物分解,加快养分归还速度;提高林地土壤的pH值,增加土壤有效养分含量、降低有毒物资积累,已成为当前杉木人工林经营过程中亟待解决的一个重大问题。有鉴于此,根据生态学家提倡营造杉木混交林解决杉木人工林出现的各种弊端的理论基础,结合天然林生态系统为多种树种之间、树种和林下灌丛及草本之间的相互作用模式,以凋落叶多样性的角度模拟研究多种树种混交对杉木生长的影响及林下土壤理化性质产生的效应,寻求一种模仿天然林的多树种混交的近自然林业经营模式来恢复杉木林生态系统的平衡,对于研究生物多样性对生态系统功能的影响、杉木林混交树种的选择以及解决杉木连栽地力衰退问题提供科学依据。主要的研究结论如下:(1)添加凋落叶多样性处理后,各处理杉木苗期地径的生长过程较一致,1月份至2月份生长较慢,2月份至12月份生长的速度较平稳。除杉木凋落叶、杉木+火力楠+乳源木莲、杉木+火力楠+楠木处理外,添加凋落叶多样性处理杉木苗地径增量均大于添加CK处理,且不同树种凋落叶组合处理杉木苗地径增量均大于杉木凋落叶处理,其中木荷、杉木+木荷、杉木+楠木、火力楠处理地径的增量较大,但各处理杉木苗的地径增量差异不显著(P0.05)。(2)凋落叶多样性处理对杉木苗期树高生长具有明显的影响。添加凋落叶多样性处理后,各处理杉木苗树高的生长过程均为:1月份至3月份生长较慢,3月份至7月份生长迅速,且5月份至6月份有个生长高峰,7月份至12月份生长速度放缓。添加不同树种凋落叶处理后,各处理树高增量的关系为:乳源木莲=楠木杉木CK木荷火力楠;不同树种凋落叶组合处理树高的增量均大于杉木凋落叶和CK处理,其中杉木+乳源木莲、杉木+楠木和杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理树高增量较大;除杉木+乳源木莲+楠木处理外,不同树种凋落叶组合处理杉木苗树高增量均大于单一树种凋落叶处理。(3)凋落叶多样性处理后,各处理杉木苗冠幅的生长趋势较一致,3月份至4月份各处理杉木苗冠幅生长较慢,4月份至6月份冠幅生长迅速,6月份之后冠幅生长速度变缓并以较稳定的速度生长。添加不同树种凋落叶处理,杉木苗冠幅增量的关系为:楠木木荷乳源木莲CK火力楠杉木。不同树种凋落叶组合处理杉木苗冠幅增量均大于杉木凋落叶处理;且除杉木+火力楠+乳源木莲、杉木+乳源木莲+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木处理外,不同树种凋落叶组合处理杉木苗的冠幅增量均大于CK处理。凋落叶多样性处理后,楠木、杉木+火力楠、杉木+乳源木莲、杉木+楠木处理杉木苗冠幅增量较大。(4)凋落叶多样性对杉木苗的枝条数、枝径和总枝长产生影响。不同树种凋落叶处理杉木苗的一级枝枝条数、一级枝枝径和总枝长的关系分别为:乳源木莲杉木CK楠木火力楠木荷;楠木火力楠杉木木荷乳源木莲CK;乳源木莲杉木CK楠木木荷火力楠。不同树种凋落叶组合处理中,仅杉木+木荷、杉木+火力楠+楠木、杉木+乳源木莲+楠木处理杉木苗一级枝枝条数大于杉木凋落叶和CK处理,且杉木+乳源木莲+楠木处理杉木苗枝条数最多;不同树种凋落叶组合处理杉木苗一级枝枝径均大于CK,但仅杉木+火力楠、杉木+乳源木莲、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理杉木苗一级枝枝径大于杉木凋落叶处理;不同树种凋落叶组合处理中,除杉木+楠木、杉木+火力楠、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木处理杉木苗的总枝长小于CK外,其余处理杉木苗的总枝长均大于CK,但仅杉木+火力楠+楠木、杉木+乳源木莲+楠木处理杉木苗的总枝长大于杉木处理。凋落叶多样性处理中,仅杉木、乳源木莲、杉木+火力楠、杉木+火力楠+乳源木莲、杉木+火力楠+楠木处理有二级枝条。(5)凋落叶多样性处理对土壤温度和水分产生不同的影响。与CK相比,不同树种凋落叶处理均能降低1 cm与5 cm土层土壤温度,其中阔叶树种凋落叶的效果均比杉木凋落叶的效果好,其中乳源木莲凋落叶的效果最好;不同树种凋落叶还能够保持土壤水分,其中乳源木莲和木荷凋落叶的效果较好,杉木凋落叶效果较差。不同树种凋落叶组合处理均可降低1cm与5 cm土层土壤温度,且其效果比杉木凋落叶好;不同树种凋落叶组合处理中,杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理降低土壤温度的效果最好,杉木+楠木处理效果最差。不同树种凋落叶组合处理均能增加土壤含水量,其效果好于杉木凋落叶处理,其中杉木+乳源木莲、杉木+火力楠+乳源木莲处理的保水效果较好。(6)凋落叶多样性处理能够影响土壤的化学性质。添加不同树种凋落叶后,土壤全碳含量的关系为:杉木火力楠木荷楠木乳源木莲CK;全氮的关系为:杉木乳源木莲火力楠楠木CK木荷;全磷含量的关系为:杉木=乳源木莲=火力楠=CK楠木=木荷;全钾的含量为:火力楠木荷乳源木莲楠木CK杉木;水解氮含量的关系是:CK杉木楠木乳源木莲火力楠木荷;速效磷含量的关系为:木荷杉木乳源木莲楠木火力楠CK;土壤速效钾的关系为:乳源木莲木荷火力楠杉木楠木CK。添加不同树种凋落叶组合处理后,各处理土壤全碳含量均大于CK,除杉木+木荷和杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理外,不同树种凋落叶组合处理土壤全碳含量均小于杉木凋落叶处理;土壤全氮的含量基本不变,各处理全氮的含量略大于或等于CK且略小于杉木凋落叶处理;各处理全磷含量基本不变,仅杉木+火力楠和杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理土壤全磷含量略大于杉木凋落叶和CK处理;全钾含量中仅杉木+乳源木莲、杉木+火力楠+乳源木莲、杉木+火力楠+楠木、杉木+乳源木莲+楠木处理大于CK和杉木凋落叶处理;各处理土壤水解氮含量均小于CK,且只有杉木+楠木处理土壤水解氮的含量大于杉木凋落叶处理;各处理土壤速效磷的含量均大于CK,杉木+火力楠+楠木、杉木+乳源木莲+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理土壤速效磷含量均大于杉木凋落叶处理;各处理土壤速效钾的含量均明显大于CK,除杉木+楠木处理外,不同树种凋落叶组合处理土壤速效钾含量均大于杉木凋落叶处理。(7)除了杉木凋落叶处理土壤Fe-P含量小于CK外,添加不同树种凋落叶处理土壤均能增加土壤Ca-P、Fe-P的含量,且阔叶树种凋落叶处理优于杉木凋落叶处理;添加凋落叶能够降低植物难利用磷形态O-P的比例,同时也降低了植物有效磷源Al-P的比例。除了添加杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理土壤Fe-P含量与杉木凋落叶处理近似外,不同树种凋落叶组合处理土壤Ca-P、Fe-P含量均大于杉木凋落叶处理;不同树种凋落叶组合处理土壤A1-P、O-P含量均小于杉木凋落叶处理。(8)凋落叶多样性对土壤酸度组成的影响有以下结论:不同树种凋落叶处理土壤交换性总酸含量的关系为木荷楠木CK火力楠杉木乳源木莲;交换性铝和交换性氢含量的大小分别关系是木荷=楠木CK火力楠杉木乳源木莲、木荷楠木火力楠CK乳源木莲杉木;土壤pH的关系为杉木乳源木莲CK火力楠楠木木荷。不同树种凋落叶组合处理土壤交换性酸总量和交换性铝含量均是杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理最大,杉木+乳源木莲处理最小;杉木+火力楠、杉木+乳源木莲、杉木+楠木、杉木+木荷、杉木+火力楠+乳源木莲处理土壤交换性酸总量和交换性铝含量均小于CK;杉木+乳源木莲、杉木+火力楠+乳源木莲处理土壤交换性酸总量和交换性铝含量小于杉木凋落叶处理。土壤交换性氢含量中,杉木+火力楠、杉木+乳源木莲、杉木+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲处理均小于CK;不同树种凋落叶组合处理土壤交换性氢的含量均大于杉木凋落叶处理。不同树种凋落叶组合处理土壤pH均大于CK,且均小于杉木凋落叶处理,其中杉木+乳源木莲处理pH最大。(9)凋落叶多样性对土壤铝形态产生影响。添加不同树种凋落叶处理后,土壤交换性铝含量的关系是:楠木=木荷CK火力楠杉木乳源木莲;土壤单聚体羟基铝的含量均小于CK处理,但阔叶树种凋落叶处理土壤单聚体羟基铝含量均大于杉木凋落叶处理;土壤腐殖酸铝含量的关系是:杉木火力楠乳源木莲楠木木荷CK;酸溶无机铝含量的关系为:木荷CK楠木杉木乳源木莲火力楠。不同树种凋落叶组合处理后,杉木+火力楠、杉木+乳源木莲、杉木+楠木、杉木+木荷、杉木+火力楠+乳源木莲处理土壤交换性铝含量小于CK,且其中仅有杉木+乳源木莲、杉木+火力楠+乳源木莲处理交换性铝含量小于杉木凋落叶处理;土壤单聚体羟基铝的含量均小于CK,其中仅杉木+火力楠+楠木、杉木+乳源木莲+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木处理土壤单聚体羟基铝的含量小于杉木凋落叶处理;土壤腐殖酸铝的含量均大于CK,除杉木+火力楠+乳源木莲+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理土壤腐殖酸铝的含量小于杉木凋落叶处理外,其它不同树种凋落叶组合处理土壤腐殖酸铝的含量均大于杉木凋落叶处理;杉木+火力楠、杉木+乳源木莲、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理土壤酸溶无机铝的含量大于CK;杉木+火力楠、杉木+木荷、杉木+乳源木莲、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理土壤酸溶无机铝的含量大于杉木凋落叶处理;其中杉木+乳源木莲处理土壤酸溶无机铝含量最大。(10)凋落叶不同比例组合处理对土壤生态功能产生影响。杉木+火力楠凋落叶不同比例组合处理中,除了速效钾含量在75%杉木+25%火力楠处理中最低外,全碳、全氮、全磷、全钾、水解氮和速效钾的含量均在50%杉木+50%火力楠处理中含量最低。杉木+乳源木莲凋落叶不同比例的组合处理中,除全碳、全钾外,全碳、全氮、全磷、水解氮和速效磷、速效钾的含量均在杉木50%杉木+50%乳源木莲的处理中含量最低。除不同比例杉木+火力楠凋落叶组合处理水解氮含量的最大值在75%杉木+25%火力楠处理外,不同比例杉木+火力楠、杉木+乳源木莲凋落叶组合处理速效养分含量的最大值均在25%杉木+75%阔叶树种的处理中。杉木与火力楠、乳源木莲按照1:3的比例组合能够提高植物有效磷源的比例。杉木与火力楠、乳源木莲凋落叶不同比例组合处理中,75%杉木+25%火力楠处理土壤交换性酸总量、交换性铝、交换性氢的量均最低,土壤pH值均最高;50%杉木+50%乳源木莲处理土壤交换性酸总量、交换性铝、交换性氢的量均最低,土壤pH值最高。在铝形态中,75%杉木+25%火力楠、50%杉木+50%乳源木莲处理交换性铝的含量最低;50%杉木+50%火力楠、50%杉木+50%乳源木莲处理单聚体羟基铝和腐殖酸铝的含量均最大,酸溶无机铝的含量最小。(11)主成分分析的综合评价结果表明,凋落叶多样性处理对杉木苗的生长和土壤生态功能的改善作用均优于CK;除了杉木+火力楠、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木、杉木+火力楠+乳源木莲+楠木+木荷处理外,阔叶树种凋落叶和不同树种凋落叶组合处理对杉木苗期生长和土壤生态功能的改善效应均好于杉木凋落叶处理;杉木、火力楠和杉木、乳源木莲按不同比例组合处理对土壤生态功能改善的效果好于添加杉木、火力楠或者乳源木莲凋落叶处理。
【关键词】:凋落叶 多样性 土壤生态功能 土壤养分 杉木 生长
【学位授予单位】:福建农林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S791.27;S714
【目录】:
  • 摘要5-10
  • Abstract10-20
  • 1 前言20-21
  • 2 研究综述21-26
  • 2.1 凋落物的研究历史21-22
  • 2.2 凋落物对土壤生态功能的影响22-24
  • 2.2.1 凋落物对幼苗更新生长的影响22
  • 2.2.2 凋落物对土壤温度与水分的影响22-23
  • 2.2.3 凋落物对土壤化学性质的影响23
  • 2.2.4 凋落物对土壤微生物的影响23
  • 2.2.5 凋落物对土壤酶活性的影响23-24
  • 2.3 土壤磷形态的研究24
  • 2.4 土壤铝形态的研究24-25
  • 2.5 物种多样性对生态系统功能的影响25-26
  • 3 试验地概况与试验土壤、凋落叶养分概况26-27
  • 3.1 试验地概况26
  • 3.2 试验土壤养分概况26
  • 3.3 试验凋落叶养分概况26-27
  • 4 研究方法27-29
  • 4.1 试验材料的采集与处理27
  • 4.1.1 凋落叶的采集与处理27
  • 4.1.2 土壤的采集与处理27
  • 4.1.3 盆栽杉木苗的来源27
  • 4.2 试验方法27-28
  • 4.2.1 室内模拟试验27-28
  • 4.2.2 野外盆栽试验28
  • 4.3 杉木苗期生长的测定方法28-29
  • 4.4 土壤温湿度的测定方法29
  • 4.5 土壤pH的测定方法29
  • 4.6 土壤养分和磷铝形态的测定方法29
  • 5 结果与分析29-71
  • 5.1 凋落物多样性对杉木苗期生长的影响29-33
  • 5.1.1 凋落物多样性对杉木苗地径生长的影响29-31
  • 5.1.2 凋落物多样性对杉木苗树高生长的影响31-33
  • 5.2 凋落物多样性对杉木苗期枝系特征的影响33-36
  • 5.2.1 凋落物多样性对杉木苗冠幅生长的影响33-34
  • 5.2.2 凋落物多样性对杉木苗枝系生长的影响34-36
  • 5.3 凋落物多样性对土壤物理性质的影响36-47
  • 5.3.1 凋落物多样性对土壤温度的影响36-45
  • 5.3.1.1 不同树种凋落叶处理对1cm土层土壤温度的影响36-37
  • 5.3.1.2 不同树种凋落叶处理对5cm土层土壤温度的影响37-38
  • 5.3.1.3 不同树种凋落叶处理对1cm与5cm土层温差的影响38-39
  • 5.3.1.4 不同树种凋落叶组合处理对1cm土层土壤温度的影响39-41
  • 5.3.1.5 不同树种凋落叶组合处理对5cm土层土壤温度的影响41-43
  • 5.3.1.6 不同树种凋落叶组合处理对1cm与5cm土层温差的影响43-45
  • 5.3.2 凋落物多样性对土壤含水量的影响45-47
  • 5.3.2.1 不同树种凋落叶处理对土壤含水量的影响45-46
  • 5.3.2.2 不同树种凋落叶组合处理对土壤含水量的影响46-47
  • 5.4 凋落物多样性对土壤养分含量的影响47-54
  • 5.4.1 不同树种凋落叶处理对土壤养分含量的影响47-49
  • 5.4.2 不同树种凋落叶组合处理对土壤养分含量的影响49-54
  • 5.4.3 凋落叶不同组合比例对土壤养分含量的影响54
  • 5.5 凋落物多样性对土壤无机磷形态的影响54-59
  • 5.5.1 不同树种凋落叶处理对土壤无机磷形态的影响54-56
  • 5.5.2 不同树种凋落叶组合处理对土壤无机磷形态的影响56-58
  • 5.5.3 凋落叶不同组合比例处理对土壤无机磷形态的影响58
  • 5.5.4 土壤无机磷形态与全磷、速效磷的相关性分析58-59
  • 5.6 凋落物多样性对土壤酸度组成的影响59-62
  • 5.6.1 不同树种凋落叶处理对土壤酸度组成的影响59-60
  • 5.6.2 不同树种凋落叶组合处理对土壤酸度组成的影响60-61
  • 5.6.3 凋落叶不同组合比例处理对土壤酸度组成的影响61-62
  • 5.7 凋落物多样性对土壤无机铝形态的影响62-67
  • 5.7.1 不同树种凋落叶处理对土壤铝形态的影响62-63
  • 5.7.2 不同树种凋落叶组合处理对土壤铝形态的影响63-65
  • 5.7.3 凋落叶不同组合比例处理对土壤铝形态的影响65-66
  • 5.7.4 土壤铝形态间的相关性分析66-67
  • 5.8 综合评价67-71
  • 5.8.1 不同树种凋落叶处理对杉木苗期生长及土壤生态功能影响的主成分分析67-68
  • 5.8.2 不同树种凋落叶组合处理对杉木苗期生长及土壤生态功能影响主成分分析68-69
  • 5.8.3 凋落叶不同组合比例处理对土壤生态功能影响的主成分分析69-71
  • 6 结论71-75
  • 7 讨论75-76
  • 参考文献76-81
  • 致谢81

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