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《四川农业大学》 2011年
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高山/亚高山森林凋落物分解对季节性冻融的响应

朱剑霄  
【摘要】:季节性冻融是高纬度和高海拔地区森林生态系统土壤热量动态的一种表现形式,而气候变化引起的冻融特征的变化势必会作用于森林生态系统。凋落物分解是构成地上地下系统的能量流动、物质循环和信息传递的主要途径,也是生物地化循环的重要枢纽,除受凋落物自身质量影响外还受到生物因素以及非生物因素的综合调控。然而,关于凋落物分解的大量研究主要集中在低纬度和低海拔地区,实验温度一般控制在3-25℃,对于寒冷地区凋落物分解的实验相对较少,当然寒冷地区冬季凋落物分解的研究更为不足,此外关于寒冷地区森林冬季的不同冻融阶段(冻融初期、深冻期、融冻期)凋落物分解相关内容更是从未报道,也就是说目前对于高寒地区季节性冻融不同阶段凋落物分解的研究几乎是一片空白,这很难满足全面认识寒冷森林冬季生态学动态的需要。因此,以青藏高原东缘作为优势树种且广泛分布的粗枝云杉(Picea asperata)、岷江冷杉(Abies faxoniana)和红桦(Betula albosinensis)为研究对象,沿着2700m(A1)、3000m(A2)、3300 m(A3)和3600 m(A4)4个海拔梯度设置了2年的凋落物分解实验,研究了冻融初期(OF)、深冻期(DF)、融冻期(TS)和生长季节凋落物的质量损失、生物元素释放以及凋落物中难分解物质(木质素和纤维素)降解,以期深入理解亚高山/高山森林生态系统过程。 1)季节性冻融季节,四个海拔土壤温度动态结果显示,不同海拔森林土壤具有显著不同的土壤温度动态和冻融循环特征。第一个季节性冻融时期较海拔(A3和A4)土壤冻融循环次数显著高于低海拔土壤,受冻融循环干扰的持续时间高海拔森林土壤也高于低海拔(A1和A2)森林土壤。而第二个季节性冻融时期低海拔森林土壤冻融循环次数又高于高海拔森林。 2)两年凋落物分解实验发现,云杉、红桦和冷杉凋落物的质量损失分别为:43.3-45.9%、49.8-52.0%和46.3-48.6%。其中第一年凋落物分解,四个海拔梯度的云杉、冷杉和红桦凋落物的失重率分别为38.0-40.5%、41.1-43.6%以及42.1-48.0%。在第一个季节性冻融时期,凋落物质量损失(失重率)均占第一年质量损失的较大比例(30%),而第二年凋落物失重几乎全部集中在季节性冻融时期(70%)。凋落物分解速率均在冻融初期最快,而深冻期凋落物失重率均最高(p0.05)。冷杉凋落物在季节性冻融时期的三个阶段失重率在高海拔森林高于低海拔森林,而云杉和红桦在海拔梯度上均无显著差异。在进入生长季节后,受更多土壤冻融循环作用的A4和A3的凋落物失重率显著高于受较少冻融循环的A2和A1的凋落物失重率,表明受更多土壤冻融循环的凋落物在进入生长季节后可分解性更强。 3)整个两年的云杉、红桦和冷杉凋落物分解过程中碳释放率分别为:49.6-57.4%、62.1-64.3%和56.3-59.5%,而第一年凋落物碳释放率占总共两年的80%以上,第一年季节性冻融时期凋落物碳释放率占第一年释放的40-55%,而第二年季节性冻融时期凋落物碳释放率占第二年释放的80%以上。季节性冻融期间,云杉四个海拔凋落物的C的释放率分别为27.6%(A1)、19.6%(A2)、22.3%(A3)和16.9%(A4);相应地,冷杉四个海拔凋落物的C的释放率分别为25.6%(A1)、30.5%(A2)、24.3%(A3)和25.5%(A4),红桦为21.9%(A1)、24.0%(A2)、29.2%(A3)和20.1%(A4)。 4)而整个两年云杉、红桦和冷杉凋落物分解过程中养分释放率也主要集中在第一年的凋落物分解过程中,而第一个季节性冻融时期的养分释放率又占到了第一年释放的50%以上。相对而言,第二年的凋落物分解过程中养分释放相对较少,并且绝大部分集中在第二年的季节性冻融时期的分解过程中(60%)。在第一个季节性冻融时期云杉四个海拔凋落物的N的释放率分别为43.3%(A1)、46.6%(A2)、48.2%(A3)和52.4%(A4);相应地,冷杉四个海拔凋落物的N的释放率分别为54.7%(A1)、49.0%(A2)、50.8%(A3)和47.9%(A4),红桦为35.6%(A1)、48.2%(A2)、48.3%(A3)和38.3%(A4)。云杉、红桦和冷杉在季节性冻融期间不同海拔的凋落物P释放率分别为:49.1-53.3%、24.9-34.0%以及36.2-42.3%;相对应的凋落物K释放率分别为:38.0-57.2%、33.8-34.4%以及32.2-38.0%;相对应的凋落物Ca释放率分别为23.7-34.4%、22.5-39.7%以及20.5-27.5%;而相对应的凋落物Mg释放率分别为13.4-27.2%、26.3-37.3%以及19.8-45.7%。 5)两年云杉、红桦和冷杉凋落物分解过程中木质素和纤维素的降解也同样主要集中在第一年的凋落物分解过程中,而第一个季节性冻融时期的木质素和纤维素的降解率又占到了第一年释放的50%以上,比较而言,第二年的凋落物分解过程中这两种物质的降解率同样相对较少,不过几乎全部的第一年凋落物木质素和纤维素的降解集中在第二年的季节性冻融时期的分解过程中。季节性冻融期间,三个物种四个海拔木质素释放率为2.8-6.3%(云杉)、11.1-16.4%(冷杉)以及4.2-6.7%(红桦);纤维素的释放率为32.0-42.6%(云杉)、26.6-39.3%(冷杉)以及27.0-32.7%(红桦)。在季节性冻融时期,木质素和纤维素的降解率与土壤冻融循环次数(FTCs)与冻融持续时间增加呈显著正相关。 6)季节性冻融循环显著地改变了凋落物质量(litter quality).分解过程中,凋落物中C、N、P、K、Ca、Mg以及纤维素含量在第一年分解过程中均有不同程度降低,而第二年的含量基本稳定在一个水平,而木质素浓度在第一年增加较快,而第二年增长较慢。在季节性冻融的三个关键时期,凋落物质量受到不同程度的改变也同时影响随后的生长季节凋落物的分解。不过变化的凋落物质量(如C/N和Lignin/N)并未能与随后生长季节分解过程中凋落物失重率呈一定的负相关,这与许多非高寒地区森林凋落物分解实验所得结果并不一致。 7)通过对该地区四个海拔森林两年不同阶段凋落物分解失重率进行的逐步回归分析结果得到Y=0.1021+0.0008[C]+0.0713(log[FTCs])-0.0062[Lignin]-0.0046[Cellulose]+0.0102(log[precipitation])。说明影响四个关键时期凋落物失重率的因素在该区域内是有土壤冻融循环频率、凋落物在各个阶段开始时的碳浓度以及木质素和纤维素含量和该阶段区域内的降雨量(反应该阶段土壤湿度)。 综上所述,寒冷地区森林凋落物分解过程每年要经历四个关键时期(冻融初期、深冻期、融冻期和生长季节);森林凋落物分解主要集中在第一年,而经过一年分解的凋落物各项分解指标显著降低,而绝大多数分解特征几乎均发生在季节性冻融时期;冬季土壤冻融循环改变凋落物质量,改变了质量的凋落物中一些预测凋落物分解的指标(如C/N和Lignin/N)不能再准确地预测随后生长季节凋落物分解速率,而生长季节的凋落物质量损失在很大程度上决定于生长季节的土壤温度和降雨量还决定于之前在季节性冻融时期受到的土壤冻融循环频率。这些结果为寒冷地区森林凋落物分解研究提供了新的思路。
【学位授予单位】:四川农业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S714

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