濱海沙地木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸與碳平衡研究.pdf

1、森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分，其對(duì)全球碳循環(huán)的影響是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近年來(lái)隨著天然林資源的減少，人工林面積的不斷增加，人工林在森林生態(tài)系統(tǒng)中占有越來(lái)越重要的地位。但是目前關(guān)于人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究不多，這限制了對(duì)我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。在碳循環(huán)過(guò)程中，土壤呼吸占有關(guān)鍵性的地位。因此進(jìn)行我國(guó)亞熱帶人工林生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸與碳循環(huán)研究已經(jīng)成為當(dāng)前全球變化中急需解決的重大課題。在中國(guó)規(guī)模巨大的人工林中，

2、沿海各種防護(hù)林占有相當(dāng)大的比重。木麻黃作為東南沿海地區(qū)的主要造林樹(shù)種，在防風(fēng)固沙，改造生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著難以替代的巨大作用。相信隨著國(guó)家沿海防護(hù)林體系的不斷完善，木麻黃林在沿海的規(guī)模、地位和作用會(huì)越來(lái)越突出。 有鑒于此，本文選擇我國(guó)亞熱帶濱海沙地木麻黃沿海防護(hù)林作為研究對(duì)象，采用靜態(tài)箱式法(結(jié)合便攜式CO<,2>分析儀)和LICOR-8100 Automated Soil CO<,2> FlIlx System兩種方法對(duì)不同林齡

3、系列(幼林、三個(gè)中齡林和成熟林)五個(gè)木麻黃純林樣地的土壤呼吸尤其是異養(yǎng)呼吸在2006年5月至2007年4月問(wèn)的日動(dòng)態(tài)和月動(dòng)態(tài)及其與土壤水熱因子的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，測(cè)定了樣地的土壤含碳率和碳儲(chǔ)量，并根據(jù)木麻黃生態(tài)系統(tǒng)地上部分的年固碳量，分析評(píng)價(jià)了木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳源碳匯能力。主要研究結(jié)果如下： 1．通過(guò)對(duì)不同發(fā)育階段木麻黃人工林樣地的土壤含碳率及土壤碳儲(chǔ)量分析，發(fā)現(xiàn)土壤含碳率都處于一個(gè)比較低的水平，基本上在5g/kg左右，

4、在垂直分布上表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而降低，而隨著土層加深，相鄰?fù)翆雍悸手g的差異就越發(fā)不明顯。木麻黃6年生幼齡林林地100m深度范圍內(nèi)的土壤碳儲(chǔ)量為13.61 t/hm<'2>，18年生木麻黃中齡林的土壤碳平均達(dá)到23.37t/hm<'2>，而31年生木麻黃純林土壤碳含量達(dá)到56.17 t/hm<'2>。 2．濱海沙地木麻黃人工林表層土壤(0～20cm)的DOC與MBC的總體含量處于一個(gè)比較低的水平。隨著林齡的逐漸增大，其DO

5、C含量逐漸變大，分別由幼林階段的20.15mg/kg、增大為中林的31.68mg/kg至成林的41.52mg/kg．五個(gè)樣地兩個(gè)土層的MBC平均含量分別為94.03、40.14、86.18、52.17和20.01mg/kg，由此可以看出隨著林齡的增長(zhǎng)，除廠中林1有所變異外，MBC的含量基本上是不斷降低的。隨著林齡的不斷增大，MBC的含量在表層土的不同層次之間的差異越來(lái)越小。五個(gè)樣地中表層土壤(0～20cm)MBC/土壤有機(jī)碳的比值都處于

6、一個(gè)很低的水平，五個(gè)樣地的平均比值為0.75％。 3．實(shí)驗(yàn)中五個(gè)樣地之間的氣溫、地表溫度和5Cm土壤溫度等氣象因子以及土壤呼吸的日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致。在每一個(gè)樣地中，氣溫、地表溫度和．5m土壤溫度的日變化呈現(xiàn)出相當(dāng)一致的規(guī)律，都足單峰型曲線，差別只是在于峰值出現(xiàn)的時(shí)刻不同；對(duì)土壤表層含水量而言，日變化規(guī)律是在清晨7-8時(shí)左右出現(xiàn)一個(gè)峰值以及在傍晚16-18時(shí)左右出現(xiàn)一個(gè)次峰值；土壤呼吸(包括異養(yǎng)呼吸和總呼吸)的日動(dòng)態(tài)均呈現(xiàn)出比

7、較明顯的雙峰曲線，白天的變化幅度稍微大于夜晚，在早晨8時(shí)和下午14-16時(shí)附近出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，最小值出現(xiàn)在晚上20-22時(shí)附近。 4．五個(gè)木麻黃人工林樣地的土壤呼吸速率的季節(jié)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出比較一致的變化規(guī)律，基本上都是單峰曲線，最大值出現(xiàn)在6或7月份，最小值一般出現(xiàn)在11或12月份；五個(gè)樣地的土壤總呼吸速率的月際變化規(guī)律與異養(yǎng)呼吸的變化規(guī)律基本一致。這種變化規(guī)律與樣地的氣象因子(主要是5cm土壤溫度和土壤體積含水量)的變化規(guī)律基本

8、一致；不同林齡木麻黃樣地的土壤呼吸速率的月際變化幅度不一致，基本上是在中林的大于幼林和成林的，五個(gè)樣地異養(yǎng)呼吸速率的月際變化幅度分別為1.41、3.37、4.14、2.27和2.53μmol m<'-2>·s<'-1>，土壤總呼吸速率的月際變化幅度分別為1.21,4.37、5.44、3.09和3.52μmol m<'-2>·s<'-1>，這說(shuō)明總呼吸速率的變化幅度大于異養(yǎng)呼吸速率的月際變化幅度。 5．本實(shí)驗(yàn)主要從溫度與水分兩個(gè)方

9、面來(lái)闡述分析了土壤呼吸速率的影響因子并構(gòu)建了呼吸模型。五個(gè)樣地的土壤呼吸作用與氣溫、地表溫度和5cm土溫3種溫度指標(biāo)均有較好的指數(shù)關(guān)系(R=αe<'bT>)，其中擬和度最好的是5cm土壤溫度，R<'2>分別為了0.6343、0.5437、0.6773、0.5552和0.6677。由公式Q<,10>=e<'10b>算出五個(gè)樣地土壤呼吸速率在三種溫度下的Q<,10>值同樣說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。五個(gè)林分基于5cm土壤溫度的Q<,10>值分別為1.3

10、85、1.438、1.533、1.831和1.948。土壤呼吸作用與表層土壤體積含水量之間也具有很好的線性相關(guān)關(guān)系(Y=aX+b)，五個(gè)樣地的R<'2>值分別達(dá)到了0.5713、0.7839、0.7511、0.8165和0.8207，這說(shuō)明在沿海沙地木麻黃人工林中，土壤水分對(duì)土壤呼吸的影響比土壤溫度更大。土壤溫度和水分對(duì)呼吸作用有明顯的交互作用，利用模型R=α×e<'bT>×W<'c>對(duì)土壤呼吸作用與5cm土壤溫度和土壤體積含水量的綜合

11、作用作二元非線性回歸分析，得出雙因素模型較之單因素模型能更好地解釋土壤呼吸的變異，二元模型的R<'2>值達(dá)到了0.690、0.919、0.801、0.868和0.902，這同時(shí)進(jìn)一步說(shuō)明了在濱海沙地木麻黃人工林中，土壤溫度和土壤水分都成為呼吸的關(guān)鍵性影響因子。 6．本實(shí)驗(yàn)把土壤呼吸只分成兩個(gè)組分：根系呼吸(自養(yǎng)呼吸)和微生物呼吸(異養(yǎng)呼吸)，采用挖壕溝法來(lái)分離土壤呼吸。五個(gè)樣地中，土壤異養(yǎng)呼吸在總呼吸中所占的比例在一年中的變化很

12、小，基本穩(wěn)定在72.73％，變化幅度為68.59％~76.87％。各樣地土壤異養(yǎng)呼吸所占比例的季節(jié)差異沒(méi)有明顯規(guī)律，而且土壤異養(yǎng)呼吸所占比例在不同林齡林分之間的差異也不是非常明顯。 7．本實(shí)驗(yàn)比較研究了立地條件差別不大的幼林樣地1塊、中林樣地3塊以及成熟林樣地1塊共5塊樣地的土壤呼吸作用?？偟恼f(shuō)來(lái)，在呼吸速率上，五個(gè)樣地的異養(yǎng)呼吸速率平均值分別為2.05、2.70、2.90、2.01和2.20μmol m<'-2>·s<'-1>

13、；總呼吸速率在五個(gè)樣地分別為2.62、3.72、4.02、2.67和3.10μmol m<'-2>·s<'-1>。幼林和中林2樣地的異養(yǎng)呼吸日變化曲線變異稍微大于其它三個(gè)樣地的，但是總體來(lái)說(shuō)，五個(gè)樣地的日變化規(guī)律基本一致。 8．本研究中采用了兩種方法即靜態(tài)法一靜態(tài)箱式法和動(dòng)態(tài)法-LI-8100 Automated SoilCO<,2> Flux System對(duì)土壤呼吸進(jìn)行同步對(duì)比測(cè)定。大量數(shù)據(jù)表明靜態(tài)法的測(cè)定結(jié)果比動(dòng)態(tài)法的大，

14、在這一天中，平均而言前者是后者的1.327倍。同時(shí)靜態(tài)方法的測(cè)定結(jié)果不是很穩(wěn)定，變異較大。對(duì)兩種方法的線性回歸分析表明，R<'2>值為0.8258，說(shuō)明這兩種方法的測(cè)定結(jié)果具有較高的可信度。 9．五個(gè)木麻黃人工純林生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)出了碳匯功能，其中幼林與中林2年固碳量較大，而成林的碳匯功能較弱，年固碳能力分別為11.165、15.628、10.204、7.986和0.479t·hm<'-2>·α<'-1>。保護(hù)和管理好現(xiàn)有人工林以