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季节性冻融对亚高山/高山森林细根分解的影响

魏圆云  
【摘要】:细根分解是森林生态系统物质循环与能量流动的关键环节之一,在全球生物地球化学循环中起重要作用。已有细根分解研究主要集中于温带森林地区及部分亚热带、热带森林地区,而在高寒森林地区开展研究较少,特别是对高寒森林地区冬季细根分解的研究报道更为稀少,与高寒地区森林生态系统在全球变化研究中的重要地位不符。上壤季节性冻融是川西亚高山/高山森林地区冬季普遍发生的自然现象,可对诸多生态学过程产生影响。为揭示川西亚高山/高山森林地区细根分解规律,分析季节性冻融对细根分解的影响,本研究于四川省理县毕棚沟林区,以川西亚高山/高山森林地区建群树种粗枝云杉(Picea asperata)、红桦(Betula albo-sinensis)和岷江冷杉(Abies faxoniana)的细根为研究对象,沿海拔梯度设置三个样地以模拟增温,3023m(A1)、3298m(A2)、3582m(A3)三个样地分别代表气温升高4℃、2℃和不变的增温情况,采用里袋法开展了为期两年的野外分解实验,其中以第一年季节性冻融期为重点研究时期。研究结果表明: 一、季节性冻融期内,细根失重持续发生,各阶段失重所占比例大致相同,平均分解速率以初冻期最快、融冻期次之、深冻期略慢。细根碳含量在初冻期至深冻期略有下降,在融冻期上升。云杉、冷杉细根氮含量持续大幅上升,红桦细根氮含量波动上升而幅度较小。细根磷含量波动略有下降。细根纤维素、木质素含量在初冻期维持不变,随后纤维素含量持续上升,木质素含量波动略有上升。细根持水能力提高,变化幅度与木质素变化量成负相关。 二、季节性冻融期内,沿海拔梯度模拟增温下土壤冻融格局显著不同。在沿海拔梯度各模拟增温情况之间,季节性冻融期各阶段细根平均分解速率以及细根氮含量、木质素含量变化显著不同,细根碳、磷、纤维素含量变化无显著差异。细根平均分解速率的差异只反映在不同模拟增温情况之间,而不同树种间差别不显著:细根氮含量的差异来源于模拟增温情况和树种以及二者的交互作用;细根木质素含量的差异既受模拟增温情况影响也受树种影响,但二者不存在交互作用。 三、生长季节内,细根失重继续持续发生。细根碳含量继续持续上升;细根氮含量持续下降;细根磷含量先上升后下降,在生长季节中期出现一次高峰。细根纤维素含量表现为先下降后维持不变;细根木质素含量持续上升。 四、一年中,细根质量在季节性冻融期末发生了显著改变。在季节性冻融期与生长季节,细根碳总量释放比例大致相近;细根氮总量由净固持转变为净释放,最终表现为净释放;细根磷总量在季节性冻融期释放较多;细根纤维素总量主要在生长季节减少;细根木质素总量的变化比例依模拟增温情况而不同。 五、细根经历季节性冻融期后对分解过程的影响,可由未经历季节性冻融期细根在同一样地分解相同时间后的失重和质量变化直接反映出来。在较短时间尺度上,季节性冻融对细根分解的影响没有体现在失重上,但在细根质量变化上有所反映。 六、忽略季节性冻融期分解的结果,与自然状态下分解的结果相比,在分解过程进行两年后,细根失重显著较少,各项质量指标除磷含量外也显著不同。季节性冻融期细根分解在其整个分解过程中十分重要,此阶段的分解作用在中等时间尺度上仍表现明显。 七、应用指数衰减模型拟合整个研究期间细根分解过程效果较好,但由季节性冻融期细根分解过程进行模型推演,预测结果与实际测量值偏离较大。一年内季节性冻融期与生长季节细根分解过程中存在差异,季节性冻融期细根分解规律也与整体分解过程不太一致,依据季节性冻融期细根分解过程预测整个分解过程并不准确。 本研究描述了川西亚高山/高山森林地区在自然状态下两年内细根分解过程,证实了细根分解在一年之中受不同因素主导在季节性冻融期与生长季节分解过程的差异,探讨了季节性冻融期不同阶段,即初冻期、深冻期和融冻期,细根分解过程的作用机理,分析了这些作用对细根失重和质量变化的直接影响,以及由质量变化所导致的对随后细根分解过程的延续性影响,通过海拔梯度模拟气候变化推算了由模拟增温造成土壤冻融格局改变而导致的细根分解过程差异,由比对未经历季节性冻融期细根分解结果得出了季节性冻融对细根分解过程影响的重要程度。本研究为全面准确地认识高寒森林地区细根分解过程,深入理解冬季细根分解作用机理和其结果,进而探索其中可能存在的促进碳固定和土壤有机质积累的机制提供了重要支持。


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