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沙漠公路防护林主要植物种凋落物的分解特征

张雪梅  
【摘要】:塔里木沙漠公路沿线气候条件极端干旱、水资源匮乏、地下水矿化度高、风沙活动强烈、沙丘流动性极强。塔里木沙漠公路作为联通新疆南北疆的交通要道,是世界上穿越流动沙漠最长的等级公路。沙漠公路两侧建立了就地利用高矿化度地下水滴灌,以高抗逆性的柽柳属(Tamarix Linn.)、沙拐枣属(Calligonum L.)和梭梭属(Haloxylon Bunge)灌木和小乔木为主要造林树种的生物防沙体系,即塔里木沙漠公路防护林。塔里木沙漠公路防护林所处的特殊地理环境,使得防护林凋落物分解所释放的养分成为植物营养和土壤肥力的主要来源。本文以塔里木沙漠公路防护林内乔木状沙拐枣(Calligonum arborescens)、梭梭(Haloxylon ammodendron)和多枝柽柳(Tamarix ramosissima)的凋落物为研究对象,于2012年~2014年通过野外定点监测、原位分解试验、定点控制试验和室内凋落物样品分析,研究了塔里木沙漠公路防护林三种主要植物种凋落物的凋落量及其组成随定植年限增加的动态变化特征;分析了不同凋落物类型、不同定植年限防护林地、不同林龄凋落物和不同控制措施对凋落物的质量残留率、分解速率、分解过程中元素(C、N、P、K、Ca、Mg、木质素和纤维素)及元素比值动态变化特征的影响。揭示了塔里木沙漠公路防护林凋落物的凋落动态,探讨了控制措施对凋落物分解的影响;阐明了塔里木沙漠公路防护林凋落物分解过程、养分迁移模式及主要影响因素。主要结论如下:塔里木沙漠公路1995年、1998年、2001年、2004年和2006年定植防护林的年总凋落量分别为7.93 t·hm-2、6.19 t·hm-2、10.54 t·hm-2、9.10 t·hm-2、8.31 t·hm-2。各定植年限防护林三种植物的年凋落量均以柽柳最高,且秋季最高。凋落物组成均以梭梭同化枝、柽柳枝和沙拐枣同化枝的凋落量最高,占年总凋落量的70.58%~88.93%。不同定植年限防护林,总凋落量和主要凋落组分凋落量的月动态趋势皆呈三峰型,峰值出现在3~5月、7月、9~11月,最高值均出现在11月。其余凋落物组成呈不规则变化且峰值出现的时间有所差异,梭梭老枝和柽柳叶为5~7月,梭梭果为9~10月,沙拐枣果为6~7月,柽柳花和沙拐枣花凋落在5~8月。沙漠公路防护林组成物种的遗传和生态学特性、生理过程和气候条件影响凋落量及其组成的凋落动态。在塔里木沙漠公路不同定植年限防护林地,三种凋落物的分解速率从高到低分别为多枝柽柳枝(0.24~0.32 g·g-1·a-1),乔木状沙拐枣同化枝(0.17~0.23 g·g-1·a-1),梭梭枝(0.13~0.18 g·g-1·a-1)。三种凋落物分解速率最低值均出现在1995a防护林地;分解速率最高值,多枝柽柳枝和乔木状沙拐枣同化枝出现在2004a防护林地,梭梭枝出现在2001a防护林地。防护林定植年限通过凋落物分解的微环境直接或间接影响凋落物分解。凋落物初始C、P、K和Mg含量是分解前期的主要控制因子;初始木质素、纤维素含量,C/N和N/P比值是分解中期和后期的主导因子。在720d的分解过程中,三种凋落物的C元素呈净释放模式,N和P元素呈富集-释放模式,K元素呈释放-富集模式,梭梭枝和乔木状沙拐枣同化枝的Ca和Mg元素呈净富集模式,多枝柽柳枝的Ca和Mg元素呈释放-富集模式。木质素和纤维素含量呈先升高后降低的变化趋势,木质素在分解后期低于初始浓度,纤维素始终高于初始浓度。沙漠公路防护林凋落物的元素迁移动态主要受到凋落物基质质量、元素自身特性、分解阶段和分解环境等的综合影响。不同控制措施以及不同林龄凋落物的地表和埋深处理,凋落物分解速率最高为梭梭同化枝,多枝柽柳枝次之,最低为乔木状沙拐枣同化枝。不同控制措施对凋落物分解速率的影响有所差异,对照组乔木状沙拐枣同化枝、梭梭同化枝和多枝柽柳枝凋落物分解速率分别为0.53 g·g-1·a-1、0.94 g·g-1·a-1、0.55 g·g-1·a-1。各控制措施中,沙埋10cm三种凋落物的分解速率(0.92~1.69 g·g-1·a-1)最高,矿化度29.7g·L-1水灌溉的分解速率(0.31~0.54 g·g-1·a-1)最低。沙埋(0.69~1.69 g·g-1·a-1)、灌水周期7d(0.69~1.34 g·g-1·a-1)、施用磷钾复合肥(0.57~1.25 g·g-1·a-1)和淡水灌溉(0.59~1.12 g·g-1·a-1)显著提高三种凋落物的分解速率。控制措施通过改变凋落物分解的微环境从而影响凋落物分解速率,水分是主要影响因素。凋落物的初始N含量和C/N、木质素/N比值是不同控制措施下凋落物分解速率的主要控制因素,凋落物初始养分含量能较好的预测初期分解速率,凋落物难分解物质是控制后期分解速率的主要因素,不同控制措施下凋落物分解各阶段主要控制因素有所差异。凋落物420d的分解过程中,不同控制措施对凋落物分解过程中元素迁移模式的影响有所异同。其中,淡水灌溉处理下乔木状沙拐枣同化枝和多枝柽柳枝在分解中后期呈现出P富集。高矿化度水灌溉处理下梭梭同化枝和多枝柽柳枝在分解中后期呈现出Ca富集。沙埋处理下乔木状沙拐枣同化枝在分解前期呈现出N富集,沙埋10cm处理下三种凋落物呈现出P富集。施用氮肥处理下三种凋落物呈现出N富集,梭梭同化枝呈现出Ca富集。施用磷钾复合肥处理下乔木状沙拐枣同化枝在分解前期和中期呈现出N富集,三种凋落物皆呈现出P和K富集。灌水周期处理下乔木状沙拐枣和梭梭同化枝呈现出Mg释放。覆膜处理下多枝柽柳枝呈现出P释放;梭梭同化枝呈现出Ca富集。控制措施在一定程度上促使元素出现了富集现象,增加了凋落物的养分归还量。分解过程中木质素含量呈上升-下降趋势,因凋落物质量和控制措施的作用在不同时间出现下降的拐点,乔木状沙拐枣同化枝和多枝柽柳枝在分解后期低于初始值,梭梭同化枝木质素始终高于初始值;三种凋落物的纤维素含量呈波动上升趋势且始终高于初始值。不同林龄凋落物,7a乔木状沙拐枣和梭梭同化枝的分解速率最高,15a多枝柽柳枝凋落物分解速率最高。不同林龄凋落物的分解速率,初始C和N含量为分解前期主要限制因素,木质素和纤维素为分解后期主导因素。不同林龄三种凋落物的C、P、K和Mg元素皆呈释放模式,N元素主要呈释放模式,Ca元素主要呈富集-释放模式。各林龄三种凋落物的木质素含量呈上升-降低趋势,因凋落物类型的差异,乔木状沙拐枣同化枝在分解120d后低于初始值,梭梭同化枝和多枝柽柳枝始终高于初始值;纤维素含量呈波动上升趋势且始终高于初始值。本研究表明,在极端干旱的沙漠人工防护林,凋落物初始化学性质是凋落物分解速率的主要内在决定因素,水分和养分条件影响着凋落物的分解速率和养分归还。本文研究结果不仅对揭示特殊生境下沙漠人工防护林凋落物的凋落动态、分解速率和养分循环等有重要的理论意义,而且为沙漠人工防护林土壤性质的改善、土壤肥力的提高,防护林稳定和可持续发展管护措施的优化提供了数据支撑和科学依据。


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