长沙城市森林生态系统养分循环与碳平衡研究
【摘要】：城市是人口主要集中居住的地区,是人类活动的重要场所,近年来随着城市的功能和规模不断扩大,城市环境污染日益严重,阻碍了社会、经济的发展。而城市森林被称为“城市之肺”,在改善城市地域内的生态环境,促进人与自然协调,满足社会持续发展等方面的作用突出,因此对城市森林的研究正日益受到世界各国的重视,城市森林显著的生态功能也备受各界科学工作者的关注。本研究在长沙城市选择樟树、马尾松人工混交林,对林分土壤理化性质、生物量结构特征、林分生产力、养分循环及生态系统碳素贮量及碳平衡等进行了系统研究。主要研究结果为：
1.林地土壤pH值为4.69,属酸性土壤；自然含水量为21.77%；总孔隙度为44.59%；有机质含量为17.59 g·kg-1；全N含量0.99 g·kg-1；全P含量1.13 g·kg-1,且N素、P素有效率低,仅为2%；全K含量6.13 g·kg-1,属于低水平,速效K含量150.15 mg·kg-1,属适量K型土壤；全Ca含量0.79 g·kg-1,全Mg含量3.00 g·kg-1,均为低含量。
微量元素含量以Fe最高,为60797 mg·kg-1,Cd最低,仅为1.18mg·kg-1,微量元素含量高低依次排序为：FeMnZnCuPbNiCoCd,并呈现Mn被淋溶而向土壤下层迁移,Cu、Fe、Zn、Cd、Ni、Pb、Co在土壤中的积累和淋溶作用不明显的规律。
2.森林生态系统中,樟树单株生物量为191.12 kg,马尾松为291.97kg,山矾为29.37 kg,对蕚山矾为18.04 kg。4个树种单株生物量均为树干最高,且显著高于树皮、树枝、树叶和树根(p0.05)。按林木各器官生物量大小依次顺序,樟树为树干树根树枝树皮树叶；马尾松、山矾和对蕚山矾则为树干树枝树根树叶树皮。在同一生态环境条件下,林冠层常绿阔叶速生樟树和常绿针叶速生马尾松均为24年生,而马尾松单株生物量比樟树大1.5倍；下木层山矾与对蕚山矾均为20年生的常绿阔叶树种,山矾单株生物量大于对蕚山矾1.6倍。表明林木个体生物量大小是由其生物学特性决定的,而环境的影响则是次要的。
林分乔木层生物量为76.14 t·hm-2,其中樟树为28.67 t·hm-2,占乔木层生物量37.7%；马尾松为17.51 t·hm-2,占23.0%；山矾22.91 t·hm-2,占30.0%；对蕚山矾7.05 t·hm2,占9.3%。
灌木层生物量为16.15 t·hm-2,其中木姜子1.47 t·hm-2,黄栀子0.64t·hm-2,幼树14.04 t·hm-2。
草木层生物量为0.22 t·hm-2,其中狗脊蕨0.15 t·hm-2,凤尾蕨0.03t·hm-2,棕叶芦0.04 t·hm-2。
层外层生物量为0.05 t·hm-2,其中菝葜0.02 t·hm-2,鸡矢藤为0.03t·hm-2。
死地被物层生物量为5.00 t·hm-2,其中未分解(L)层为0.53 t·hm2,半分解(F)层为2.57 t·hm-2,已分解(H)层为1.90 t·hm-2。
林内年凋落物生物量为7601.66 kg·hm-2·a-1；其中凋落针叶量为3541.22 kg·hm-2·a-1,凋落阔叶1878.20 kg·hm-2·a-1,落果796.67kg·hm-2·a-1,有机碎屑1385.57 kg·hm-2·a-1。
林分乔木层生产力为4.85 t·hm-2·a-1,其中樟树为2.62 t·hm-2·a-1,马尾松0.73 t·hm-2·a-1,山矾1.14 t·hm-2·a-1,对蕚山矾0.36 t·hm-2·a-1。
3.乔木层四个树种体内大量营养元素平均含量：N为5.92—8.25g.kg-1,P 0.43—0.58 g·kg-1；K 1.50—2.53 g·kg-1,Ca 4.36—10.21 g·kg-1, Mg 0.84—1.10 g·kg-1；微量元素平均含量：Fe 165.90—344.56 mg·kg-1, Cu 7.53—9.00 mg·kg-1,Zn 21.63—41.49 mg·kg-1,Mn 138.78—619.27 mg·kg-1,Cd 0.46—2.25 mg·kg-1；Ni 2.88—3.83 mg·kg-1；Pb 5.70—13.65 mg·kg-1.
生态系统中营养元素的总贮量为1423.44 kg·hm-1,存留量为132.07kg·hm-2·a-1,归还量为238.97 kg·hm-2·a-1,吸收量为371.04 kg·hm-2·a-1,利用系数为0.26,循环系数为0.64,周转时间为5.96年。樟树、马尾松混交林生态系统,养分归还速率快,循环强度大,利用率高,周转时间不长,有利于生态系统和林地养分的维持。
4.乔木层各树种的平均碳素含量樟树为539.73 g·kg-1,马尾松为458.40 g·kg-1,山矾470.13 g·kg-1,对蕚山矾463.50 g·kg-1。樟树各器官碳素含量差异不显著(p0.05),马尾松各器官碳素含量差异显著(p0.05),山矾叶碳素含量显著低于树干和树枝(p0.05)；对蕚山矾树干和树皮碳素含量显著高于树叶(p0.05)。
林下灌木层植物碳素平均含量以木姜子最高为481.47 g·kg-1,其次为黄栀子452.81 g·kg-1,再次为幼树466.67 g·kg-1。
草本植物碳素平均含量棕叶芦为475.55 g·kg-1,凤尾蕨422.71 g·kg-1,狗脊蕨396.04 g·kg-1。
藤本植物碳素平均含量菝葜为470.36 g·kg-1,鸡矢藤437.69 g·kg-1。草本植物和藤本植物地上部分茎叶碳素含量均高于地下部分根系。
死地被物层的碳素含量,未分解L层为401.80 g·kg-1,半分解F层为436.59 g·kg-1,已分解H层为352.72 g·kg-1。
凋落物层碳素含量：凋落针叶为325.03 g·kg-1,阔叶360.75 g·kg-1,落果425.18 g·kg-1,有机碎屑461.80 g·kg-1。
林地土壤0-60cm层碳素平均含量为10.20 g·kg-1,并随土层的增加而逐渐下降。
5.生态系统碳素的贮量为132.68 t·hm-2,其中乔木层为38.52 t·hm-2,灌木层为7.27 t·hm-2,草本层0.09 t·hm-2,层外层0.02 t·hm-2。死地被物层2.00 t·hm-2,土壤层(0-60cm)84.78 t·hm-2。系统中碳素贮量高低依次排序为土壤层植被层死地被物层。
6.林分乔木层年净固定碳量为2.44 t·hm-2·a-1,其中樟树为1.37t·hm-2·a-1,马尾松0.35 t·hm-2·a-1,山矾0.54 t·hm-2·a-1,对蕚山矾0.18·hm-2·a-1。
凋落物固碳量为2.81 t·hm-2·a-1,其中凋落针叶固碳量为1.15t·hm-2·a-1,阔叶0.68 t·hm-2·a-1,落果0.34 t·hm-2·a-1,有机碎屑0.64t·hm-2·a-1;土壤呼吸量(非根呼吸量)为3.58 t·hm-2·a-1。
长沙城市樟树马尾松人工林生态系统碳收支平衡为正值,即生态系统与大气碳的交换中表现为碳汇,碳汇量为1.67 t·hm-2·a-1。
【关键词】：城市森林生态系统 生物量 生产力 养分循环 碳贮量 碳平衡 【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：S718.5
【目录】：
- 摘要4-7
- Abstract7-15
- 1 文献综述15-29
- 1.1 城市森林的定义及发展历史15-19
- 1.2 城市森林结构特征19-23
- 1.2.1 生物产量20-21
- 1.2.2 生物生产力21-22
- 1.2.3 城市森林生物量评估模型22-23
- 1.3 城市森林养分特征23-25
- 1.3.1 养分储量分布特征23-24
- 1.3.2 生物地球化学循环特征24-25
- 1.4 城市森林碳储量25-29
- 1.4.1 森林植物碳储量26-27
- 1.4.2 森林土壤碳储量27-29
- 2 研究目的和意义29-30
- 3 研究区自然概况30-33
- 3.1 地理位置30
- 3.2 地形地貌30
- 3.3 气候30-31
- 3.4 水文31
- 3.5 土壤31
- 3.6 森林植被31-33
- 4 研究方法33-36
- 4.1 土壤理化性质研究方法33
- 4.1.1 土壤样品采集33
- 4.1.2 土壤物理性质测定33
- 4.1.3 土壤化学性质测定33
- 4.2 森林生态系统生物量测定33-35
- 4.2.1 主林层和下木层林木生物量测定33-34
- 4.2.2 灌木层、草本层和层外层生物量测定34
- 4.2.3 死地被物层生物量测定34
- 4.2.4 森林凋落物测定34-35
- 4.3 植物样品的采集35
- 4.4 植物样品的化学分析方法35
- 4.5 数据处理35-36
- 5 结果与分析36-111
- 5.1 城市森林土壤理化性质36-41
- 5.1.1 城市森林土壤基本物理性质36-37
- 5.1.2 城市森林土壤的化学性质37-41
- 5.2 城市森林生物产量的结构特征41-56
- 5.2.1 城市森林单株生物量结构特征41-47
- 5.2.2 林分生物量结构特征47-49
- 5.2.3 林下灌木层生物量49-50
- 5.2.4 林下草本与藤本植物生物量50-51
- 5.2.5 枯枝落叶生物量51-55
- 5.2.6 林分生产力的估算55-56
- 5.3 城市森林生态系统的养分循环56-98
- 5.3.1 不同树种大量元素含量56-57
- 5.3.2 不同树种微量元素含量57-67
- 5.3.3 林下灌木层营养元素含量67-73
- 5.3.4 草本植物和藤本植物营养元素含量73-81
- 5.3.5 死地被物层养分含量81-83
- 5.3.6 林分凋落物的养分含量83-86
- 5.3.7 植物的生物吸收系数86-88
- 5.3.8 森林生态系统营养元素的生物循环88-98
- 5.4 樟树马尾松混交林生态系统碳贮量及其空间分布格局98-111
- 5.4.1 林分乔木层树种各器官碳素含量99-101
- 5.4.2 灌木层碳素含量101-102
- 5.4.3 草本和藤本植物碳素含量102-103
- 5.4.4 年凋落物和死地被物碳素含量103-104
- 5.4.5 林分林地土壤的碳素含量104-105
- 5.4.6 林分乔木层树种各器官碳贮量与分配105-106
- 5.4.7 林内不同深度土层碳贮量106-107
- 5.4.8 樟树马尾松林生态系统中碳贮量的空间分布107-109
- 5.4.9 林分年净固碳量与碳平衡109-111
- 6 结论111-115
- 6.1 林地土壤的理化性质111
- 6.2 生态系统的生物量与生产力111-112
- 6.3 林分中营养元素含量112-113
- 6.4 森林生态系统营养元素的生物循环113
- 6.5 森林生态系统的碳素含量113-114
- 6.6 生态系统的碳量贮量114
- 6.7 樟树马尾松人工林生态系统碳固定量和碳平衡114-115
- 7 创新点115-116
- 8 研究展望116-117
- 参考文献117-133
- 致谢133
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