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北京大兴杨树人工林生态系统碳平衡的研究

查同刚  
【摘要】: 气候变化和全球变暖使陆地生态系统的源/汇问题成为当前生态科学研究的热点问题之一。作为陆地生态系统中碳吸收能力最强的碳库,森林生态系统碳吸收特征及其环境控制机理研究已经成为全球气候变化研究的焦点问题。经过多年的建设,我国的人工林面积已经达到5.4x107hm2,大面积的人工造林使我国森林生态系统由碳源转变为碳汇。杨树因其生长迅速、适应性强的生态特点成为我国主要的营林树种。目前我国杨树人工林面积达到7×106hm2,占整个人工林面积的13%,杨树人工林的碳汇效益已经成为我国森林生态系统碳汇功能的一个重要增长点。但我国在人工林特别是杨树人工林的碳汇效益方面的系统研究很少,关于碳平衡规律及其机理方面的研究尚属空白。本文采用生物量调查法和涡度相关法相结合,以北京大兴杨树人工林为研究对象,系统研究杨树人工林生态系统的碳储量及碳平衡过程及其环境响应机理,旨在探明杨树人工林生态系统的碳储量和碳交换,分析环境因子对杨树人工林碳汇效益的影响;同时通过两种方法的对比,探索提高森林生态系统CO2交换量研究可靠性的途径。本文的主要研究结论是: 1)采用经典的生物量调查法,结合室内植物各器官和土壤含碳率的测定,建立了杨树人工林生态系统林木生物量统计模型,并以此模型计算出2004年、2005年和2006年的生物量相应是25.2Mg-hm"2、42.4 Mg.hm-2和53.1 Mg.hm-2。杨树各组织器官的含碳率存在明显差异,依据不同部位的含碳率计算结果与统一采用0.5的系数估算结果接近。土壤碳占森林碳库的50%以上,土壤碳库呈现出缓慢积累的趋势,表明在土壤贫瘠地区造林不会产生长期的碳源。2006年杨树人工林生态系统碳储量为55.11 Mg·hm-2,8年生杨树人工林生态系统平均固碳量为6.9 Mg.hm-2a-',2005年和2006年的净生态系统生产力分别为9.38±2.62 Mg.hm-2和7.02±2.59 Mg.hm-2,降水量的年内分布较降水量本身,对林木生长和固碳量大小具有更重要的影响。 2)采用OLS、EBR和频率分布三种统计方法研究杨树人工林生态系统的能量闭合率达到89%,表明涡度相关系统观测数据具有较高的可信度。能量闭合规律白天高于夜间,生长季高于非生长季,在昼夜交替和季节交替时段EBR值变化剧烈;夜间能量平衡闭合较差的可能原因是仪器缺测以及低频能量的损失。冠层储热项在杨树人工林内是重要的能量支出项,可使OLS回归斜率增加7.6%。无论湍流通量被低估或高估,CO2通量都有被低估的倾向。 3)基于Licor6400测定结果,研究了林分冠层光合和森林土壤呼吸。杨树人工林林分叶片的光饱和点为2000μmol.m-2s-1,光饱和光合速率为23.8μmol.m-2s-1,环境因子和生理因子的共同作用决定了光合速率的日变化和季节变化。土壤呼吸速率与5cm处土壤温度和土壤水分表现出正相关关系,土壤呼吸对5cm处土壤温度的Q10值为2.01。 4)采用平均值检验法确定杨树人工林生态系统摩擦风速的阈值U*c为0.1m·s-1,生态系统呼吸与空气温度的相关方程为Re=0.021e0.070Ta。生态系统呼吸速率的季节动态与空气温度密切相关,1月最低,而在旺盛的生长季平均值为7.0g·m-2d-1左右,2006年杨树人工林生态系统的呼吸通量为10.63 Mg.hm-2;自2月至5月,土壤呼吸与生态系统的比值由98%下降到50%。 5)杨树人工林生态系统白天表现为碳汇,夜间表现为碳源;非生长季表现为微弱的碳源,而在生长季表现为较强的碳汇,其中6、7、8月净生态系统交换量最大,占全年碳固定的88%。杨树人工林净生态系统交换量(NEE)与净辐射(Rn)、空气温度(Ta)、土壤温度(ts)、土壤水分含量(vwc)、叶面积指数(LAI)和空气C02浓度(gashound)等因子表现为负相关,而与空气饱和水汽压差(vpd)表现为正相关;经各项因子比较分析并采用SAS程序进行多元回归统计分析,在99%置信度下,在生长季与NEE关系最密切的是Rn、Ta、vpd,而在非生长季与NEE关系最密切的是空气温度Ta。建立相应的回归模型分别为:NEE=-0.049Rn-0.391Ta+2.95vpd+3.784和Re=0.021e0070Ta。 6)杨树人工林生态系统碳平衡及其机理 北京大兴杨树人工林生态系统碳平衡过程可分为3个阶段:即呼吸阶段,呼吸大于光合阶段和光合大于呼吸阶段,此平衡过程与生态系统的水热状况高度一致。指数Z分析表明研究林分的均值为1.34,是一个碳汇,而生态系统的Re虽然稍微滞后于GPP,但两者在数值上表现出高度的相关性;全年生态系统的GPP为-15.25 Mg·hm-2,Re为10.63 Mg.hm-2,全年生态系统固定碳的量为4.62 Mg.hm-2。 7)生物量调查法得出的生态系统固碳量为7.02±2.59 Mg·hm-2,涡度相关系统获得的净生态系统交换量为4.62 Mg·hm-2,两者表现出一定程度的吻合。生物量调查法适于生态系统碳储量及较大时间尺度上碳交换量的研究,而涡度相关法适于碳平衡过程及其机理的研究。两者结合并相互检验,有利于生态系统碳储量与碳平衡研究精度的提高。 研究结果既提供了杨树人工林生态系统碳储量与碳平衡的基础数据,又研究了碳平衡过程对环境因子的响应过程。对正确评价我国杨树人工林生态系统的碳汇效益具有重要的理论价值与实践意义,同时也从增加碳汇的角度为人工林经营管理提供了理论参考。


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