毛竹林生态系统碳平衡特征的研究

【摘要】： 毛竹是我国南方重要的森林资源之一，分布地域广阔，栽培历史悠久。据不完全统计，中国现有毛竹林总面积300万hm~2以上，约占全世界竹林总面积的20％，并且近年来种植面积有不断扩大的趋势。毛竹林不仅为我国提供了大量的商品用材，而且在维护生态平衡方面发挥了明显的作用。本项研究采用CID—301便携式光合测定仪，对湖南会同林区毛竹林生态系统的CO_2排放动态进行了观测，并结合现存生物量测定、分析，对其生态系统碳平衡特征进行了研究，主要结果如下： (1)对毛竹林地土壤和凋落物的呼吸进行了季节和日变化动态测定，首次区分毛竹林地土壤自养、异养呼吸及各组分呼吸对林地土壤呼吸的贡献。 ①毛竹林地土壤总呼吸、矿质土壤呼吸、根系呼吸和凋落物呼吸年平均速率分别为2.1276、1.4403、0.6873和0.3058μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1)，且季节变化曲线呈单峰型，表现为1至7月份随着气温、地温的升高呈上升的趋势，8月份达最大值，分别为4.9487、3.0092、1.9359和0.7976μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1)，此后随温度的降低而呈逐渐递减的趋势，直到次年的1～2月份，呼吸速率降至最低值，分别为0.7642、0.7017、0.0625和0.0471μmolCO_2·m~(-2)·s~(-1)。凋落物呼吸主要集中在5～9月份，这期间的呼吸占全年凋落物呼吸的73.6％。 ②毛竹林地土壤呼吸速率、矿质土壤呼吸速率、根系呼吸速率和凋落物呼吸速率日变化曲线图均表现为单峰形态，一般也是随着温度的升高而加大，随着温度的降低而减小。6～14时，随着土壤温度的升高而增加，至16～18时出现最高峰，此后，一直递减，直到次日4～8时，且毛竹林地土壤呼吸昼夜基本相当。 ③毛竹林地年释放CO_2量为33.9414 tCO_2．hm~(-2)．a~(-1)，月平均为2.8284 tCO_2·hm~(-2)，其中，凋落物、矿质土壤、死细根、活细根年呼吸量分别为4.154、19.052、1.1367和9.5957tCO_2．hm~(-2)．a~(-1)，分别占林地总呼吸量的12.24％、56.14％、3.35％和28.27％，由此得出毛竹林土壤有机碳周转时间为21.35年。 ④毛竹林土壤温度、湿度及温、湿度的交互作用对土壤呼吸产生了极显著的影响。土壤温度可以单独解释67.4％的毛竹林地土壤呼吸速率变化，并且土壤总呼吸与土壤5cm和10cm层温度的相关性要好于与大气温度的相关性；土壤含水量只可以单独解释10％的毛竹林地土壤呼吸速率变化，与土壤温度相比解释能力较小，但二者的交互作用明显，能共同解释79.8％的土壤呼吸速率的变化。本研究发现，土壤呼吸对温度响应的临界点为30℃，对毛竹林土壤呼吸产生抑制的土壤含水量临界点为36％。毛竹根系生物量和土壤微生物量碳可以单独解释72.8％和73.75％的林地土壤呼吸量变化，而林地根系生物量和地表温度可以共同解释毛竹林地土壤呼吸量的86％。 (2)采用生物量清查法对生态系统的碳贮量和碳分配进行了测定，结果表明毛竹林生态系统碳贮量为144.3tC·hm~(-2)，其中，森林土壤、植被生物量以及森林凋落物分别贮存110.95 tC·hm~(-2)、32.61 tC·hm~(-2)和0.74 tC·hm~(-2)。 ①毛竹不同器官碳含量波动在47.74％～50.13％之间，各器官碳含量高低依次为竹枝(50.13％)、竹鞭(49.91％)、竹秆(49.27％)、竹叶(48.00％)、竹蔸(47.8％)、竹根(47.74％)，不同器官的碳含量没有随着年龄增加而增大的趋势。 ②毛竹林植被碳贮量为31.97 tC·hm~(-2)，空间分布格局为乔木层碳贮量是植被碳贮量的主体，为30.58 tC·hm~(-2)，占整个植被碳贮量的95.64％；其次，毛竹林凋落物层碳贮量占植被层碳贮量的2.33％，略高于林下植被的2.02％。从毛竹林中植被碳贮量在乔木层各器官中的分配来看，碳贮量在不同器官中的分配基本上与各器官生物量成正比关系。 ③毛竹林地3个土壤层次(60cm深)碳含量为1.015％～2.607％，各层次碳含量分布不均，差异达极显著水平，其中表层(0～20cm)土壤碳含量和碳贮量最高，占林地土壤碳贮量的44.75％，分别为20～40cm层和40～60cm层的1.38倍和1.97倍。 ④毛竹林地三个层次土壤各粒径团聚体分布特征为＞5mm的含量在土壤团粒结构中占主导地位，占总团聚体的比例为26.39％～42.38％；其次为1～5mm含量，占14％～18％；＜0.25mm的含量最小，占2.31～6.73％。毛竹林土壤团聚体平均重量直径平均值为0.90mm，并且随着土壤层次的增加有逐渐增加的趋势。毛竹林地土壤总有机碳的积累与0.25～3.15mm团聚体中有机碳含量呈显著相关，但与＞3.15mm和＜0.25mm团聚体有机碳含量相关不显著。 (3)首次得出毛竹林细根年生长量和分解量分别为6.895t．hm~(-2)．a~(-1)和0.3124 t．hm~(-2)．a~(-1)，细根年周转率为0.93次／年，由此计算出毛竹林地植物年凋落进入土壤的碳量为2.245tC．hm~(-2)．a~(-1)，其中，地上和地下凋落物分别占78.5％和21.5％。并且，凋落物层分解每年以腐殖酸形式输入矿质土壤中的碳量为0.802tC．hm~(-2)．a~(-1)。 (4)毛竹林生态系统年固定CO_2总量为37.18 tCO_2·hm~(-2)·a~(-1)，其中，林地土壤和凋落物每年以呼吸的形式排放CO_2的量分别为29.786 tCO_2·hm~(-2)·a~(-1)和4.115 tCO_2·hm~(-2)·a~(-1)，最后整个毛竹林生态系统年净固定CO_2的量为3.239tCO_2·hm~(-2)·a~(-1)，折合成净碳量为0.883tC·hm~(-2)·a~(-1)。由此可见，毛竹林对缓解大气CO_2浓度的升高，具有一定的现实意义。

【关键词】：森林生态系统 毛竹林 碳平衡 碳贮量 土壤呼吸
【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】：2007
【分类号】：S795;S718.5
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