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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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黄土丘陵区油松和刺槐人工林地下生产力及生态化学计量特征研究

陈莉莉  
【摘要】:细根(直径≤2 mm)作为树木吸收水分和养分的主要器官,在森林生态系统的碳分配和养分循环中具有重要作用。随着全球碳循环研究的不断深入,作为森林生态系统中土壤碳的主要来源,细根的研究受到了更为广泛的关注。我国黄土高原生态系统在调节全球碳循环和气候变化中发挥着重要的作用,但目前还缺乏对该区域地下根系生产力及生态化学计量学的系统研究。本研究针对全球变化生态学和生物地球化学循环研究的问题,以黄土丘陵区油松和刺槐林为对象,采用根钻法和内生长袋法相结合,研究人工林地下细根生产力及碳氮磷生态化学计量的变化特征和分布,阐明细根生产力和碳氮磷生态化学计量的影响因素,从而为研究区人工林的适应性管理提供科学依据,同时也为评估该区人工林的碳汇能力提供数据支持。本研究取得的主要结果如下:(1)油松和刺槐的细根生物量随季节和土壤深度的变化差异显著受温度和降水量变化影响,细根生物量最大值出现在5月,最小值出现在7月。在0–180 cm土层中,油松和刺槐的细根随土壤深度的增加而减少。细根生物量主要分布于0–60 cm土层,且以0–20 cm土层的最大。细根生物量与土壤温度呈正相关,表明土壤温度对细根的垂直分布有显著影响。在细根生物量的构成方面,活细根生物量约占细根总生物量的70%以上。0–60 cm土层中直径≤1 mm细根生物量占细根总生物量的57%–65%,表明直径≤1 mm根系在细根中占有重要地位。(2)油松细根生物量和生产力随林龄增加显著降低,而刺槐细根生物量和生产力随林龄增加显著提高不同林龄油松细根生物量的大小顺序为10年(653 g m-2)25年(589 g m-2)40年(433 g m-2),不同林龄刺槐细根生物量的大小表现为10年(107 g m-2)25年(278 g m-2)40年(478 g m-2)。不同林龄油松的细根生产力依次为10年(564 g m-2 a-1)25年(362 g m-2 a-1)40年(165 g m-2 a-1),不同林龄刺槐的细根生产力分别为10年(83gm-2a-1)25年(112gm-2a-1)40年(257gm-2a-1)。油松林的平均细根生物量和生产力高于刺槐林。这些结果表明了林龄和树种是影响森林细根生产力的重要因子。油松和刺槐林的细根周转率在10年(0.86和0.78a-1)显著大于25年(0.62和0.40a-1)和40年(0.38和0.54a-1),表明细根在幼龄阶段时的周转较快。在油松和刺槐林中,细根生物量与土壤有机碳和全氮含量呈极显著正相关关系,表明细根生物量的大小与土壤的养分情况密切相关。当土壤容重增大时,细根生长受到限制,细根生物量减少。刺槐细根生物量与土壤含水量之间呈显著负相关。(3)油松和刺槐的细根碳氮磷生态化学计量在不同土壤深度、不同林龄与树种间存在显著差异细根的碳(c)、氮(n)、磷(p)浓度在土壤上层较高,并随土层深度的增加而降低。刺槐细根的c、n浓度和n:p值随林龄的增加而显著增加。油松和刺槐细根的p浓度和c:p值也受到林龄的显著影响。细根的c、n浓度和c:n值随林龄的变化特征与叶片是相同的。刺槐的细根n浓度为24.69–30.26gkg-1,远大于油松的细根n浓度(3.55–4.39gkg-1),表明刺槐作为固氮型树种,比非固氮型树种能获取更多的氮资源。刺槐细根c:n值(16.0)和c:p值(605.1)小于油松细根c:n值(123.4)和c:p值(806.3),刺槐细根n:p值(38.1)大于油松细根n:p值(6.8)。细根的c、n、p化学计量与土壤养分之间存在紧密的耦合关系:土壤全磷和速效氮与油松细根p浓度呈显著正相关关系,土壤全氮和速效氮与刺槐细根c浓度之间呈显著正相关,土壤c:p值与油松和刺槐的细根c:p值之间呈显著正相关,土壤全效n:p值和速效n:p值与刺槐细根n:p值呈显著正相关。(4)施肥处理对油松和刺槐细根生产力无显著影响,细根氮、磷浓度及氮磷比值在施肥处理后发生显著变化油松和刺槐的细根生物量、生产力和周转率在3种施肥处理(n、p和n+p)后没有产生显著变化。10年油松的细根n浓度在施n、施p和施n+p之后分别比对照(3.55gkg-1)增加47%、44%和55%,40年刺槐的细根n浓度在施n、施p和施n+p之后分别比对照(30.26gkg-1)减少20%、16%和17%。10年和40年油松的细根p浓度在施n后分别比对照降低了9%和13%。10年刺槐的细根p浓度在施p和施n+p后分别比对照增加了58%和74%。40年刺槐的细根p浓度在施p和施n+p后分别比对照增加了29%和43%。两种林龄油松的细根n:p值在进行施n处理后均显著增加(p0.05),两种林龄刺槐的细根n:p值在进行施p处理后显著降低(p0.05)。
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S791.254;S792.27

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