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典型竹林植硅体碳库与稳定性特征及其调控机制

黄程鹏  
【摘要】:植硅体碳(phytolith occluded organic carbon,Phyt OC)是稳定态碳,可以长期封存于土壤中,对缓解全球气候变化具有重要作用。Phyt OC在土壤中的封存数量和分布规律决定于植物Phyt OC输入和土壤Phyt OC输出之间的平衡。决定植物Phyt OC产生和土壤Phyt OC输出有生物和非生物因素,如植被类型、植硅体自身稳定性、土壤特性、生产经营措施等,而这些因素对土壤Phyt OC平衡的影响机理目前仍然未知。作为禾本科中典型的硅富集植物,竹类植物Phyt OC封存潜力大,具有Phyt OC研究的很好的代表性和很高的研究价值。本论文以中国典型竹林为研究对象,通过野外调研采样、定位试验和实验室分析相结合的方法,研究竹种种类、不同器官、土壤物理组分、母岩类型、建园年龄与土层深度、硅肥与生物质炭施用和生产经营强度对竹类植物Phyt OC与其稳定性的影响结果,以揭示典型竹种土壤Phyt OC平衡的影响因素及其机制。主要研究结果如下:(1)不同竹类植物植硅体在缓冲液中释放硅和碳的数量有差异(P0.05),且在15和30 d比0.5、1、3、7 d更明显。生境竹种种类显著影响叶片植硅体含碳量、≤10μm和10μm的植硅体质量分数、土壤Phyt OC质量分数和质量归一化碱稳定植硅体。质量归一化碱稳定植硅体与10μm的植硅体呈显著正相关(R~2=0.13),而与≤10μm呈显著负相关(R~2=0.16)。竹种植硅体含碳量(P0.001)、10μm的植硅体(P0.001)和质量归一化碱稳定植硅体(P0.05)是驱动土壤Phyt OC质量分数变化的重要因素。通过筛选,发现毛竹(Phyllostachys edulis)具有较高Phyt OC产量和植硅体稳定性,可以作为进一步研究的代表性竹种。(2)毛竹不同器官及土壤物理组分中的植硅体质量分数、质量归一化碱稳定植硅体、植硅体含碳量有显著差异(P0.05)。不同土壤物理组分中的植硅体含硅量差异亦显著(P0.05),但不同毛竹器官中植硅体含硅量并无差异(P0.05)。毛竹叶、枝和鞭中植硅体溶解度均高于茎。植硅体溶解度随以下顺序而减少:叶子凋落物土壤。相对于轻组植硅体,土壤中重组植硅体的溶解度更低,并且重组植硅体表面更为粗糙,具有更多溶蚀坑。植硅体溶解度与植硅体含硅量(R~2=0.27)呈显著线性负相关,但与植硅体含碳量不相关。(3)母岩类型显著影响竹叶中Phyt OC质量分数,但并未影响竹叶植硅体溶解度。母岩类型影响0~10和10~30 cm土层土壤植硅体溶解度,但并未影响以上2个土层土壤Phyt OC质量分数。植物Phyt OC(R~2=0.34)和0~10 cm土层土壤Phyt OC(R~2=0.34)质量分数均与0~10 cm土层土壤有效硅质量分数呈显著线性正相关。通过最优子集和最小角回归揭示出了土壤有效硅是土壤植硅体溶解度的主要驱动因子。(4)无论生物质炭施用量多少,竹叶和0~10 cm土层土壤中Phyt OC质量分数均随硅肥添加量的增加而增加。无论硅肥施用量多少,添加生物炭都会增加土壤Phyt OC、轻组Phyt OC和重组Phyt OC质量分数。硅肥和生物质炭配施提高了土壤植硅体溶解度。土壤Phyt OC和土壤有机氮(R~2=0.32)、土壤有机碳(R~2=0.51)、土壤有效硅(R~2=0.23)质量分数及土壤p H(R~2=0.28)显著相关。硅肥通过增加土壤中有效硅质量分数,增加了植物Phyt OC和土壤Phyt OC质量分数。生物质炭的施用增加了轻组Phyt OC质量分数和Phyt OC的不稳定部分比例,从而增加土壤Phyt OC质量分数。(5)随毛竹建园年龄的增加,土壤0~10和10~30 cm土层中轻组Phyt OC质量分数不断增大,而30~60 cm和60~100 cm土层的变化不明显。相同土层的重组Phyt OC质量分数均随建园年龄增加而增大,且0~10和10~30 cm土层土壤的增幅比30~60和60~100 cm土层土壤更大。长期种植毛竹人工林增加了轻组Phyt OC和重组Phyt OC储量,从而增加了土壤Phyt OC储量。轻组Phyt OC(R~2=0.32)和重组Phyt OC(R~2=0.35)质量分数与土壤有机碳质量分数呈显著正相关。重组Phyt OC质量分数(R~2=0.06)与土壤水溶性硅质量分数呈显著正相关。(6)相比粗放经营管理,集约经营管理提升了森林生产力,从而提高了植物Phyt OC的产生通量;增加了重组Phyt OC储量,但降低了轻组Phyt OC储量,因而并土壤Phyt OC储量不受影响;增加了土壤Phyt OC的损失通量和径流中Phyt OC的流失通量;促进了植物部分Phyt OC的增加,从而增加了Phyt OC在土壤—植物系统中的封存。通过以上研究,本文揭示了遗传特征(生境竹种)、生理特征(器官)、土壤特性、人为经营和植硅体自身属性均会影响竹林Phyt OC稳定性,从而影响土壤Phyt OC及其在土壤物理组分中的分布特征。


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