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大小兴安岭森林植物组成与生物量碳汇功能耦合机制解析

王媛媛  
【摘要】:大、小兴安岭森林是我国重要生态屏障,气候变化及人为干扰可能会改变森林植物组成及结构,从而影响生物多样性及生态系统功能;以往研究缺乏从长期历史变化,人为影响及气候变化趋势下森林植物特征及碳汇功能的响应及对其复杂耦合关系的解析,这限制了基于碳汇总量及其稳定性提升的科学管理措施的提出。本研究以大、小兴安岭森林为研究对象,首先以历史小班台账数据为基础结合调查数据探讨东北典型森林乔木60年碳汇功能演变过程及林分特征变化,以保护区内、外对比代表人为影响,以阴阳坡向模拟气候变化影响,研究森林植物组成特征及碳汇功能的响应差异,最后比较非生物因素(地理、地形及保护强度)及森林组分(物种,结构与功能组成及多样性)对碳储量及其稳定性的影响,为揭示碳汇功能的提升潜力提供依据。初步结论如下:(1)典型样地凉水国家级自然保护区森林特征及功能60年历史变化与耦合机制:整体来看,物种随时间变化更加丰富且多样,但分布的均匀程度变化不大,功能性状多样性也更高,具体表现为以松属,桦木属及云杉属为代表的关键种最优势种地位比重不断下降,阔叶树种如槭,榆属比重不断升高;森林高度向矮小化趋势发展明显,个体潜在最大高度也更低;森林群落性状向光合能力更强,叶片的含水量更多,柔叶,薄叶及阔叶的树木增多,叶片的氮磷含量更高的趋势发展,且多功能性减弱。地上碳储量更不耐分解,相反,碳累积速率更高,应对未来气候变化的稳定性更强。碳储量及其稳定性、碳累积速率与森林特征的关系在年代间分化并不明显,对于提升地上碳汇功能起重要作用的影响因子是关键种相对多度与结构及功能性状特征均值包括其交互作用,而多样性特征的贡献最小。(2)基于保护区内外差异评价天然林保护影响:天然林保护显著改变了草本层关键种组成(占调查种的80%),其次是灌木(占调查种的58%)及乔木(占调查种的50%),其中,榛属、槭属及薹草属提高了1.6-8倍,而保护区内的落叶松、蹄盖蕨及忍冬属植物仅为保护区外的1/10到1/2。人为干扰导致乔木的物种多样性减少,而灌木草本多样性无显著改变。保护使得大树(树高及胸径大)增多,草本更低,林分更稀疏。天然林保护对植物大小的影响强度是对物种多样性及种类组成改变的2倍。保护使得碳储量显著提升而其稳定性变化不明显,随着保护的加强对于碳汇功能起限制性作用的因子从树高变为胸径。(3)基于坡向差异的未来气候变化影响及耦合机制分析:更多的杨柳科植物及红皮云杉、毛榛、蔷薇科绣线菊、皱果薹草、泽薹草、蚊子草属生长的阳坡上;但落叶松、豆科灌木及越橘、蔷薇科草本、羊须草及地榆等有减少趋势。阳坡具有更矮的乔木、但灌木及草本更高,林分更稀疏,而灌木盖度更高。阳坡具有更加丰富多样乔木、灌木和草本,地上碳储量及稳定性的变化不大;不同坡向均表现为乔木关键种是碳汇功能差异影响最大因素,地理地形因素影响尽管有也是通过与群落组成结构的交互作用实现的。整体来看,以阳坡代表未来气候的话,植物组成与结构发生明显变化,但是碳汇功能以及其与植物组成结构耦合关系差异不大。(4)多因素综合影响碳储量及其稳定性与功能性状重要性:森林特征对碳汇功能的影响远大于非生物因素影响(5倍甚至更多),表现为叶片功能性状特征对地上碳稳定性有决定性作用,以叶片面积大,无毛,比叶面积小,柔叶的树木居多更有利于碳稳定性升高,其次功能性状越丰富,差异越大对其有积极影响;而树木个体大小对碳储量具有控制作用,是种类,功能组分及非生物因素影响的2倍以上。未来的天然林管理中应加强对森林垂直结构及叶片功能特性的调节措施,较单独考虑物种水平上的管理更为有效。综合来看,历史变化、气候变暖及人为保护都使得大、小兴安岭森林植物物种组成,结构及功能性状特征发生显著变化;对于地上碳储量及其稳定性的不同区域差异的解释力来说,外界地理气候因素的贡献远小于森林结构组成的贡献,显示森林具有强大的自我调节能力,通过适当管理能够达到碳增汇及应对未来气候变化的效果。在管理方面,乔木关键种、树木个体大小优化管理能实现碳储量增加,而功能性状的调节能显著影响生物量碳的气候稳定性和耐分解稳定性。本研究为提高森林生物固碳量及其稳定性、应对未来气候变化提供新思路,为天然林保护工程的森林抚育管理提供依据。


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