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《中国林业科学研究院》 2015年
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神农架巴山冷杉林土壤有机碳及其影响因素研究

崔鸿侠  
【摘要】:巴山冷杉(Abies fargesii)是湖北神农架亚高山地区最重要的建群种,巴山冷杉林是该地区分布面积最广的针叶林类型。开展神农架地区典型森林类型碳密度及分布格局研究,有助于丰富对我国典型区域森林土壤碳密度特征的认识。本研究基于神农架二类清查资源数据,选择巴山冷杉林典型群落类型,并在开展野外调查、样品采集、室内分析测定的基础上,对神农架巴山冷杉林土壤碳密度进行了估算,并对土壤碳密度、活性碳组分分布特征及其影响因素进行分析,探讨神农架巴山冷杉林土壤有机碳与各影响因子的关系。主要研究结果如下:(1)选择巴山冷杉—红桦林、巴山冷杉—华山松林、巴山冷杉—箭竹林、巴山冷杉—杜鹃林4种典型群落类型,研究不同群落结构巴山冷杉林的土壤有机碳密度特征,探讨林分结构、地上植被生物量和土壤理化性质等对土壤碳密度的影响。结果表明:0~60cm土壤总碳密度大小依次为巴山冷杉—杜鹃林(225.70 t·hm-2)巴山冷杉—箭竹林(181.87 t·hm-2)巴山冷杉—红桦林(156.54 t·hm-2)巴山冷杉—华山松林(108.65t·hm-2),不同群落结构巴山冷杉林土壤碳密度差异达到极显著水平。巴山冷杉林土壤碳密度与地上植被灌草层物种多样性指数和土壤砂粒含量呈极显著负相关,与凋落物现存量、土壤全N含量、土壤粘粒含量和粉粒含量呈极显著正相关,与林木平均胸径和灌草层生物量呈显著正相关,而与林分郁闭度和土壤p H值相关性不显著。凋落物量、土壤全N含量和土壤粘粒含量是影响神农架巴山冷杉林土壤碳密度的主导因子。(2)以神农架巴山冷杉林二类清查资源数据为基础,通过建立土壤碳密度与林分平均胸径的关系模型,估算土壤有机碳密度,探讨土壤碳密度的空间分布特征。结果表明:神农架巴山冷杉林0~20cm和0~40cm土壤碳密度分别为75.25 t·hm-2和130.89 t·hm-2。土壤碳密度最小值出现在海拔2200m以下,最大值出现在海拔2800~3000m。巴山冷杉林北坡土壤碳密度最大,其后依次为东北坡、西北坡、西南坡、西坡、南坡、东坡,而东南坡土壤碳密度最小。巴山冷杉林随着年龄的增加,土壤碳密度有逐渐增加的趋势,与幼龄林相比,过熟林0~20cm和0~40cm土壤碳密度分别高15.66%和16.47%。(3)研究神农架巴山冷杉天然林凋落物量及组成的动态变化、凋落物养分年归还总量、凋落物分解规律,以及凋落物分解对土壤有机碳含量的影响。结果表明:巴山冷杉林年凋落物总量为6217.44 kg·hm-2,凋落物中以落叶为主,其次是落枝,树皮及花果含量相对较少。巴山冷杉林凋落模式为双峰型,在9~10月和5~6月具有2个明显高峰期,而在1~2月凋落量最小。巴山冷杉林凋落物养分年归还量为77.84 kg·hm-2,5种大量元素年归还量大小顺序依次为N(47.13 kg·hm-2)K(18.15 kg·hm-2)Ca(7.77 kg·hm-2)P(4.60 kg·hm-2)Mg(0.19 kg·hm-2)。凋落物分解系数分别为0.303,凋落物半衰期和周转期分别为1.70a和9.30a。凋落物分解过程中,不同的凋落物分解时间,可使表层土壤(0~10cm)有机碳含量提高3.95%~27.03%。(4)选取微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(WSOC)和易氧化有机碳(EOC)3个有机碳组分指标,分析巴山冷杉林土壤活性有机碳组分含量海拔梯度分布特征及其影响因子。结果表明:土壤微生物量碳、水溶性有机碳和易氧化有机碳均随着海拔的升高而增加,随着土层的加深而降低。其中土壤微生物量碳在海拔2200~3000m变化范围为0.30~1.22 g·kg-1,占总有机碳的比例变化范围为1.05%~2.09%;水溶性有机碳在不同海拔变化范围为0.16~0.69g·kg-1,占总有机碳的比例变化范围为0.57%~1.20%;土壤易氧化有机碳在不同海拔变化范围为5.93~17.20 g·kg-1,占总有机碳的比例变化范围为21.19%~29.23%。3个土壤有机碳活性组分均与土壤总有机碳含量、土壤全N含量和土壤湿度呈极显著正相关,而与土壤温度呈极显著负相关,土壤总有机碳含量是影响土壤活性碳组分含量的决定因素。(5)选择巴山冷杉原始林皆伐后自然恢复形成的巴山冷杉次生林、箭竹林和草地3种典型模式,并以现存的巴山冷杉原始林为对照,探讨原始林皆伐对土壤碳密度产生的变化,以及不同恢复模式的土壤碳密度分布特征及其恢复潜力。结果表明:巴山冷杉原始林皆伐后,次生林、箭竹林和草地土壤碳密度分别下降了29.43%、55.66%和65.18%。自然恢复形成的巴山冷杉次生林对土壤碳密度恢复最快,箭竹林次之,而草地对土壤碳密度恢复最慢。在恢复过程中,箭竹林和草地仅对0~20cm层土壤碳密度有较好的恢复效果,而20 cm以下土层深度有机碳受植被恢复的影响很小。巴山冷杉次生林土壤碳恢复潜力为63.4 t·hm-2,固碳速率为1.71 t/(hm2·a),在不受其它干扰的情况下,土壤碳密度恢复到采伐前水平共需要约82年。总之,神农架巴山冷杉林土壤碳密度受林分结构、土壤理化特性、凋落物数量和分解速率,以及采伐等人为因素的共同影响,并随海拔、坡向、林龄变化表现出明显差异。通过研究神农架巴山冷杉林土壤有机碳分布特征及其影响因子,可了解该地区森林土壤碳密度现状及固碳潜力,为该地区森林可持续经营,以及提高土壤碳库管理水平提供科学依据。
【学位授予单位】:中国林业科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S714.2

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