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北亚热带毛竹材用林土壤呼吸特征研究

雷海清  
【摘要】:土壤呼吸是土壤碳库的主要输出途径和大气CO_2重要的源,是全球碳循环和气候变化研究的热点问题。毛竹是我国南方重要的森林资源,在全球森林面积急剧下降的今天,竹林面积却以每年3%左右的速度在递增,这意味着竹林将是一个不断增大的碳汇。本项研究以我国北亚热带典型毛竹林生态系统为研究对象,采用封闭式动态气室法测定土壤呼吸,研究土壤呼吸的的时间变化、沿海拔梯度的变化,受环境因子和森林经营活动的影响,明确毛竹林土壤呼吸不同组分的贡献大小,并对毛竹林年呼吸碳通量进行了估算。为深入研究该区域毛竹林土壤碳循环的特征和在林分尺度上合理经营毛竹林生态系统提供理论指导,同时也为全球CO2浓度变化研究提供微观的实验数据和各级政府制定林业发展规划和环境保护政策及国家环境气候谈判提供科学依据。主要研究结论如下: (1)毛竹林土壤呼吸具有明显的时间变化规律 毛竹林土壤呼吸在一年中的大部分季节(春、夏、秋)都存在明显的日变化,日最大值分别出现在20:30、21:30、6:00,最大值分别达到4.71、7.93、4.44μmolCO_2·m-2·s~-1;最小值分别出现在11:00、11:00、14:30,对应的最小值为3.29、5.69、2.6μmolCO2·m~-2·s~-1。5和10cm的土壤温度具有比较明显的日变化;而20和40cm的土壤温度在一天当中波动比较小,没有明显的日变化。土壤呼吸在春、夏、秋出现峰值比5cm土壤温度的峰值分别延迟了3.5、5.5、6.5个小时。土壤湿度在各个季节都没有明显的日变化。毛竹林土壤呼吸具有明显的季节变化规律,变化曲线呈单峰型,8月份土壤呼吸达到全年最大值,为8.54μmolCO_2·m~-2·s~-1,从9月份开始到第二年的1月份,逐渐递减,第二年的1月份土壤呼吸为全年最低值,为0.62μmolCO2·m~-2·s~-1。不同深度土壤温度呈现明显的季节变化,而土壤湿度没有明显的季节变化,土壤呼吸的季节变化与土壤温度的季节变化同步。 (2)毛竹林土壤呼吸组分贡献率不同。毛竹林土壤呼吸各组分根系呼吸、凋落物呼吸、异养呼吸都具有明显的季节变化,且变化趋势与土壤总呼吸基本一致,呈现明显的单峰曲线,与土壤温度季节变化趋势基本吻合,全年中1月时最低,以后逐月增大,8月达到最高。根系呼吸、凋落物呼吸、异养呼吸的年贡献率分别为25.7%、57%和17.3%。各组分贡献率的季节变化规律不同,根系呼吸和凋落物呼吸呈现单峰曲线,最高值分别出现在6月和4月,异养呼吸贡献率季节变化呈现双峰曲线,最高值分别出现在10月和1月。 (3)模型拟合土壤呼吸和水热因子的关系 采用van’t Hoff指数方程来构建温度-呼吸模型,土壤呼吸与各层次土壤温度均具有极显著的的指数回归关系,回归方程的R_2都比较高,从0.937到0.977。土壤呼吸对温度的敏感性指数Q10在不同深度略有不同,Q_10值从2.97—4.52。土壤呼吸各组分(根系呼吸、凋落物呼吸、异养呼吸)与各层次土壤温度均具有极显著的的指数回归关系,回归方程的R_2都比较高,从0.84到0.95。土壤呼吸各组分对温度的敏感性不同,根系呼吸、凋落物呼吸、异养呼吸的Q_10均值分别为3.77、4.03、4.7。采用线形模型、对数模型和幂指模型来拟合土壤含水量和土壤呼吸的关系,土壤呼吸与5、20、40cm处的土壤含水量有极显著的的相关关系,但与10cm处的土壤含水量的三种模型都不显著。三种模型方程的R_2最高的是幂指模型,与5、20、40cm处形成的幂指模型的R_2分别为0.615、0.519和0.623,比线性模型和对数模型的都要高,所以说明幂指模型比较适合对土壤含水率和土壤呼吸的关系的拟合。土壤呼吸各组分与土壤湿度的关系不同,根系呼吸、异养呼吸与5、20、40cm处的土壤含水量有显著的相关关系,凋落物呼吸与5、20、40cm处的土壤含水量呈极显著的相关关系。各组分与10cm处土壤含水量关系均不显著。同样是幂指模型的拟合程度最高。采用线性双因子模型和指数-幂指双因子模型对土壤呼吸和不同深度的土壤温度和土壤含水率进行拟合,结果表明,指数-幂指模型能够很好地拟合土壤温度、土壤湿度与土壤呼吸的关系,R_2在0.956-0.981之间。土壤呼吸各组分与土壤温度和含水率的双因子模型采用线性双因子模型,R_2在0.815-0.926之间。双因子模型对土壤总呼吸的拟合比单因子模型要好,但对土壤呼吸的不同组分,双因子方程的R_2比单因子温度-呼吸模型方程的R_2还要低,说明温度-呼吸单因子模型足以解释土壤呼吸不同组分的变化,土壤呼吸不同组分受土壤温度变化的影响比较大。 (4)不同海拔土壤呼吸差异显著 本研究从120-640m的海拔跨度研究了不同海拔土壤呼吸的变化,结果表明不同海拔土壤呼吸差异极显著(P0.01),随着海拔升高,呼吸值逐渐降低。通过对主要环境因子(空气温度、土壤温度、土壤含水率、大气CO2浓度、土壤容重、土壤有机碳、土壤全氮、土壤有效磷、土壤速效钾)等与土壤呼吸释放的响应关系进行分析,空气温度、土壤温度与土壤呼吸间均表现出极显著的指数关系(R~2=0.97, P 0.01),土壤容重、土壤含水率与土壤呼吸间表现出显著的负相关关系(R~2=0.2701、0.4848);大气CO_2浓度与土壤呼吸之间表现出极显著的正相关关系(R~2=0.7141,P 0.01)。通过主成分分析,空气温度、土壤温度、土壤有效磷含量、土壤容重、土壤有机碳含量、土壤速效钾含量等6个因子的累积贡献率为92.27%,其中空气温度—土壤温度主成分的贡献率为47.01%。不同海拔土壤呼吸对温度的敏感性不同。各海拔点的Q10值在3-4之间,除了433m处外,总体上随海拔上升,Q10降低,海拔最低点120m处Q10为3.96,640m处Q10为3。 (5)不同施肥处理造成土壤呼吸差异极显著 不同施肥处理造成土壤呼吸差异极显著(P0.01)。施用有机肥的土壤呼吸最高,达到5.62μmol CO_2·m~-2·s~-1,其次为同时施用有机肥和无机肥的处理,为5.03μmolCO_2·m~-2·s~-1,施用无机肥的为4.35μmol CO2·m~-2·s~-1,都比对照不施肥的3.42μmolCO_2·m~-2·s~-1要高。导致土壤呼吸差异极显著的直接原因是施肥造成土壤有机碳含量差异极显著(P0.01)。 不同施肥处理对土壤呼吸对温度敏感性影响较小。各个施肥处理的Q10值都集中在1.12-1.14。 (6)对研究区域的毛竹林土壤呼吸年通量进行了估算 该研究区域内,毛竹林根系呼吸年通量为404.76g C·m~-2·a~-1,异养呼吸年通量为246.214g C·m~-2·a~-1,凋落物呼吸为726.789g C·m~-2·a~-1。土壤总呼吸通量随海拔不同从526.83-1377.763g C·m-2·a~-1。


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