穿透雨减少对南亚热带两种人工林土壤团聚体及碳固持的影响

发布时间：2020-08-28 16:59

　　 全球气候变化正在改变全球降水格局,许多地区降水呈减少趋势。这些变化将影响陆地生态系统的碳循环。森林作为陆地生态系统的主体,其土壤碳过程对降水减少的响应已成为国内外研究热点。但是,关于降水减少对土壤团聚体这一有机碳最重要的物理保护因素的影响还缺乏科学认识。人工林适应性经营是积极应对气候变化的重要手段之一,辨识降水减少背景下人工林土壤团聚体变化及其对有机碳的固持机制,有助于揭示土壤碳过程对降水减少的响应与反馈机理,籍以提高人工林生态系统碳汇功能和制定适应气候变化的人工林经营策略。因此,本研究针对增强人工林土壤固碳功能,以降水减少如何影响不同人工林土壤团聚体组成和有机碳分布作为关键科学问题,选取我国南亚热带具有代表性的马尾松(Pinus massoniana)和红椎(Castanopsis hystrix)两种人工林生态系统作为研究对象,开展原位穿透雨减少的模拟降水减少试验,通过定位观测、土壤理化分析、室内土壤矿化培养、微生物高通量测序等方法,综合研究了干、湿季土壤理化性质、团聚体组成和有机碳分布、有机碳矿化、微生物群落结构和功能的变化规律,深入揭示了穿透雨减少对南亚热带不同人工林土壤和团聚体总有机碳(TOC)及其活性组分(包括水溶性有机碳DOC、颗粒有机碳POC、易氧化有机碳EOC)分布的影响机制。主要研究结果和结论如下:(1)红椎人工林的阔叶凋落物量、0-5 cm土层细根生物量、土壤TOC、DOC、POC、EOC含量显著高于马尾松人工林。对土壤有机碳含量有显著影响的团聚体有机碳含量及其贡献率在两个林分间均无显著差异。凋落物输入和团聚体有机碳分布影响两种人工林的土壤有机碳含量。(2)本研究设置的50%穿透雨减少处理显著降低了表层土壤日均、日最高和日最低含水量。与对照相比,穿透雨减少处理显著降低了马尾松人工林全年、干季和湿季0-5cm土壤日均含水量,分别为14.5%、12.1%和16.9%;对应红椎人工林土壤表层含水量,分别降低了20.4%、20.1%和20.7%。穿透雨减少处理对0-5 cm土壤日均温、日最高温和日最低温均无显著影响。(3)与对照相比,试验处理4年后,穿透雨减少并未显著改变南亚热带马尾松和红椎人工林地上部分总凋落物量及其主要组分的凋落物量,但在全年水平上,马尾松人工林0-5 cm土层细根生物量增加了19.1%,红椎人工林细根生物量降低了24.1%。在马尾松人工林中,穿透雨减少显著增加了干、湿季土壤EOC含量;EOC含量与细根生物量显著正相关。在红椎人工林中,穿透雨减少显著降低了干季土壤DOC和湿季土壤EOC含量;DOC含量与细根生物量显著正相关,EOC含量与阔叶凋落物量和细根生物量显著正相关。(4)与对照相比,穿透雨减少有使大团聚体向小团聚体转变的趋势。马尾松和红椎人工林穿透雨减少处理后,土壤平均重量直径(MWD)分别较对照降低了15.1%和16.0%。马尾松人工林穿透雨减少处理后,0.106-0.25 mm团聚体EOC含量及其贡献率较对照显著增加;红椎人工林穿透雨减少处理后,0.106-0.5 mm团聚体EOC含量较对照显著下降,但该粒级团聚体EOC贡献率则显著增加。在两种人工林中,0.106-0.25 mm团聚体EOC贡献率均与土壤EOC含量显著相关。因此,穿透雨减少改变0.106-0.25 mm团聚体EOC含量及其贡献率是穿透雨减少影响马尾松和红椎林土壤EOC含量的原因之一。(5)土壤和团聚体有机碳的累积矿化量随时间的延长而增加,0.25 mm团聚体有机碳的累积矿化量小于0.25 mm团聚体。穿透雨减少只显著影响干季马尾松和干、湿季红椎土壤的有机碳矿化特征和动力学参数,对干、湿季土壤有机碳的累积矿化量无显著影响。对于马尾松人工林,受土壤团聚体结构、水分条件和土壤有机碳含量的影响,穿透雨减少抑制了干季土壤易矿化有机碳的矿化、促进了难分解有机碳的分解。对于红椎人工林,穿透雨减少有助于其干季土壤难矿化有机碳的积累和湿季0.25 mm团聚体有机碳的分解。(6)与对照相比,穿透雨减少显著降低了干、湿季马尾松人工林土壤的细菌丰度、干季马尾松和红椎人工林土壤的cbbL基因丰度。cbbL基因丰度影响红椎人工林土壤DOC和EOC含量。穿透雨减少还显著增加了湿季马尾松人工林土壤真菌群落Shannon指数,但对两种人工林土壤真菌群落总丰度无显著影响。研究区土壤细菌群落以酸杆菌门(Acidobacteria)最多。与对照相比,穿透雨减少显著增加了马尾松林土壤放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度,降低了红椎林土壤浮霉菌门(Planctomycetes)的相对丰度。浮霉菌门的相对丰度影响土壤POC、EOC含量。研究区土壤真菌群落以担子菌门(Basidiomycota)、子囊菌门(Ascomycota)、接合菌门(Zygomycota)为主。与对照相比,穿透雨减少显著降低了马尾松林土壤接合菌门的相对丰度。接合菌门受土壤温湿度影响,并影响土壤MWD。细菌丰度的下降、土壤水分变化和游离氧化铝含量下降共同导致了MWD的降低。(7)穿透雨减少对南亚热带人工林土壤TOC含量无显著影响,对活性有机碳含量的影响由微团聚体有机碳、土壤碳输入、微生物丰度和有机碳矿化共同决定。在马尾松人工林中,与对照相比,穿透雨减少通过增加0.106-0.25 mm团聚体EOC贡献率、细根生物量,降低易矿化有机碳的矿化速率,进而增加了土壤EOC含量。在红椎人工林中,与对照相比,穿透雨减少通过降低MWD、cbbL基因丰度、细根生物量,从而降低了干季土壤DOC含量;通过增加0.106-0.25 mm团聚体EOC贡献率,降低浮霉菌门的相对丰度、细根生物量,从而降低了湿季土壤EOC含量。本研究表明,穿透雨减少通过减少土壤表层水分、降低土壤游离氧化铝含量、改变土壤微生物群落结构,显著影响了土壤团聚体组成,进而降低了土壤团聚体结构稳定性。穿透雨减少增加了马尾松林土壤活性有机碳含量,但降低了红椎林土壤活性有机碳含量,上述影响主要受土壤微团聚体有机碳含量、凋落物碳输入量、土壤微生物特异类群丰度和土壤有机碳矿化速率影响。在未来降水减少情景下,应加强南亚热带针叶人工林近自然化的多目标经营,尽量减少林分和林地土壤的干扰提高针叶人工林土壤有机碳稳定性,籍以增强人工林土壤的碳汇功能。
【学位单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S714.2
【部分图文】：

团聚体首先在大团聚体内形成。之后，在修订后的团聚体形成模多其他模型。例如，Golchin等(Golchin et al., 1994)指出>0.25 mm 的小团聚体，然后再分解成闭蓄在细颗粒有机质(POM)中的<0POM在土壤团聚中的作用。Angers等利用13C 技术在小麦秸秆的微团聚体是在大团聚体中形成的理论(Angers et al., 1997)。Six 等新鲜有机残体首先作为胶结物质促进大团聚体形成，大团聚体内团聚体的形成(Six et al., 1999；Six et al., 2000；Six et al., 2014)。型均与此类似，但至今未达成一致结论，且只对有机质含量高qui et al., 2004)。

图 2-1 凭祥市 1965-2015 年月累积降水量Fig.2-1 Monthly cumulative precipitation in Pingxiang during 1965-2015注：左图为1965-2015 年每年月累积降水量，右图为月累积降水量的平均值及其拟合曲线。误差线表示标准误。The figure in left side is the monthly cumulative precipitation in each year of 1965-2015, andthe right is the average and fitting curve of the monthly cumulative precipitation. Error bar refers to SE.总体上，凭祥市 1965-2015 年年降水量、湿季、干季累积降水量呈波动性变化，随年份的增加呈略微降低的趋势，分别降低 15.8 mm/10a、11.8 mm/10a 和 4.0 mm/10a（图2-2）。年降水量变幅范围为 937.8 mm-1837.7 mm，常年平均降水量为 1361.0 mm，以1988 年的降水量最少，1970 年的降水量最高。20 世纪 80 年代以来，降水量约每 5 年出现一次高峰。

随年份的增加呈略微降低的趋势，分别降低 15.8 mm/10a、11.8 mm/10a 和 4.0 mm/10a（图2-2）。年降水量变幅范围为 937.8 mm-1837.7 mm，常年平均降水量为 1361.0 mm，以1988 年的降水量最少，1970 年的降水量最高。20 世纪 80 年代以来，降水量约每 5 年出现一次高峰。图 2-2 凭祥市 1965-2015 年累积降水变化趋势Fig.2-2 Trend of cumulative precipitation in Pingxiang during 1965-2015

本文编号：2807871