青海共和盆地典型固沙植物根系特征及功能研究

发布时间：2020-08-26 05:11

【摘要】：地下生态系统(Belowground ecosystem)具有复杂且不可直接观测的特点,阻碍了科学家们对其特征和功能展开深入的研究。植被的细根是获取并运输水分、养分元素的重要地下器官,细根的生长、周转和分解在地球生物化学循环中具有重要的作用,其在调节有机碳和养分元素(N、P、K)从植物-土壤-植物的流通和生物循环中具有重要的意义。中国是受土地荒漠化影响最严重的国家之一,而青海省位于青藏高原的东北部,其脆弱敏感的生态环境导致沙化土地分布广泛,是我国受荒漠化危害相对严重的区域。通过生物结合机械措施实现沙化土地的植物恢复与生物多样性的保护,是防止沙化土地面积增加最有效的方法,也是治理并有效利用沙化土地的合理途径。细根作为地下生态系统根系动态研究最为重要的部分,细根动态特征对荒漠生态系统物质循环和能量流动的影响机制以及细根动态对碳和养分循环贡献率尚不清楚。本文以青海共和盆地高寒沙区丘间低地典型固沙植物人工林(乌柳(Salix cheilophila)、沙柳(Salix psammophila)、小穗柳(Salix microstachya)、小叶杨(Populus simonii)和乌柳+小叶杨混交林)和固定沙丘典型固沙植物人工林(中间锦鸡儿(Caragana intermedia)、柠条锦鸡儿(Caragana Korshinskii)、沙蒿(Artemisia desertorum)和中间锦鸡儿+沙蒿混交林)为研究对象,采用传统挖掘法、根钻法、埋袋法和森林收获法对9种人工林植被细根生物量、生产量、分解、周转和细根动态对人工林碳贮量和养分贮量的贡献率进行了系统的研究。研究结果表明:(1)典型固沙植物人工林的细根主要分布在0~40 cm的土层深度中。乌柳、沙柳、中间锦鸡儿和柠条锦鸡儿相比其他植被拥有更高的细根生物量和生产力,其细根对环境变化适应性更强,两种立地条件下混交林中的植被细根较相应的纯林树种分布更深,对土壤固持能力更强,对土壤的深层资源利用率更高。沙柳、小穗柳和沙蒿样地土壤含水量显著高于其他人工林样地,混交栽植方式能增加林地土壤涵养水源的能力;小穗柳、沙柳、中间锦鸡儿和柠条锦鸡儿纯林土壤容重较小,有利于改善土壤透气透水性,混交栽植模式会增大林地的土壤容重;沙柳、小穗柳、小叶杨和中间锦鸡儿样地的SOC含量较高,且混交栽植模式会降低其SOC含量,典型固沙植物人工林的土壤全N和全P含量均较低。(2)典型固沙植物细根在489 d的分解期内,分解速率表现为“快-慢-较块”;典型固沙植物细根分解速率非常缓慢(分解95%需12.57~39.21 a)。细根的分解速率与土壤环境温湿度和细根底物P含量显著正相关(P0.05),与底物N含量呈极显著负相关关系(P0.01)。丘间低地纯林中沙柳和小穗柳分解速率显著高于乌柳和小叶杨,固定沙丘纯林中中间锦鸡儿分解速率显著高于沙蒿和柠条锦鸡儿。混交栽植模式会加快林地内细根分解速率。(3)典型固沙植物人工林细根周转速率表现为半灌木灌木乔木。小叶杨、中间锦鸡儿相比沙柳、沙蒿的细根平均寿命更长,细根周转率更低。沙柳林与沙蒿灌丛主要通过不断更新细根来适应高寒沙区的干旱环境以及季节性降雨,而中间锦鸡儿与小叶杨细根拥有相对较长的寿命,通过降低细根周转率来降低水分和养分的消耗,且混交栽植模式会增加相应的树种的细根周转速率。(4)丘间低地典型固沙植物人工林的各组分生物量主要分配在树干中,而在固定沙丘中则主要分配到树根中,且65.5%~93.9%的根系分布在0~40 cm土层深度中。混交栽植模式能提高林分的固氮能力,在丘间低地,植物细根年固碳量占人工林年总固碳量比例为2.3%~15.5%,而在固定沙丘这一比值为1.8%~16.8%,沙柳、小穗柳、柠条锦鸡儿纯林较其他纯林植被的细根对人工林固碳量的贡献率更大;乌柳+小叶杨的混交林中,乌柳细根对人工林的固碳量贡献率远大于小叶杨,中间锦鸡儿+沙蒿的混交林中,中间锦鸡儿的细根贡献大于沙蒿。(5)典型固沙植物人工林中有59%~92%的N、P、K贮存在植被层中,丘间低地的固沙植物养分大部分贮存在树叶和树枝中,而在固定沙丘中则主要储存在树根和树枝中,且N、P、K在养分储量中的分配关系表现为N、K较大,P最小。典型固沙植被细根N、P、K的存留量占人工林总N、P、K贮量比例大小分别为1.7%~42.5%、1.0%~28.3%和1.3%~29.2%,大体上表现为混交沙蒿灌丛、沙蒿灌丛、柠条锦鸡儿、小穗柳、混交乌柳和沙柳较大,中间锦鸡儿和小叶杨最小。本研究中的典型固沙植被养分贮存能力较好,土壤养分的利用效率较低,人工林的养分循环速率较慢,且无论在丘间低地还是固定沙丘,N都是相对比较活跃的养分元素。本文系统全面的研究和评估了青海高寒沙区9种典型固沙植物人工林的细根动态特征及其对碳循环和养分循环的影响,深入研究了细根的生长、分布、生产、周转和分解动态对典型固沙植物人工林的碳贮量和养分贮量的贡献,明确了细根在高寒沙区碳储量和养分储量的贡献率。结果表明沙柳、小穗柳、乌柳和柠条锦鸡儿是适合高寒沙区植被恢复与重建的优良固沙品种,沙柳纯林、乌柳+小叶杨的混交林以及中间锦鸡儿+沙蒿的混交林是更加合适的高寒沙区防护林栽培模式。研究结果可为高寒沙区及其类似区域的生态效应评估提供理论依据,也可为退化土地生态系统服务功能建设提供参考。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S775
【图文】：

技术路线图,细根,养分贮量,碳储量

结合细根周转和分解各项获得细根动态固定的有机碳和养分含量，明确细根生产占碳储量和养分贮量的比例，初步揭示细根在人工林碳循环和养分循环中的作用机制。1.5 技术路线

示意图,地理位置,示意图,青藏高原东北

第二章研究区概况自然概况研究区地理位置究区位于青海省海南藏族自治州共和盆地，共和盆地地处青藏高原东北边连山和昆仑山的过渡带，东经 98°46′~101°22′，北纬 35°27′~36°56′，四周拔高度自西北向东南逐渐降低，总面积为 13800 km2（张登山等，2009）。选在共和盆地西北部的沙珠玉乡的国家林业局青海共和荒漠生态系统定位100°14.04′~100°14.52′E，36°14.02′~36°14.98′N），其海拔高度为 2871~3872017）。地理位置如图 2-1 所示。

示意图,固沙植物,细根,中间锦鸡儿

固沙植物细根周转取样示意图

【参考文献】