太行山南段低丘区不同土地利用方式土壤碳通量组成及其影响机理

发布时间：2020-05-06 13:10

【摘要】：为揭示太行山南段森林群落土壤碳组成及其影响因子的变化特征，以加深对森林生态系统碳输入与输出过程的理解。本研究以太行山南段低丘区农田、农田撂荒地、10年刺槐人工林和43年刺槐人工林为研究对象，采用土壤呼吸自动观测系统，结合壕沟法和同位素法区分土壤呼吸组分，进而探讨不同林龄刺槐人工林土壤呼吸及其组分的动态特征及其环境影响机制，主要结论如下： （1）采用土壤质量综合指数对不同土地利用方式土壤质量进行了综合评价，探讨不同土地利用方式对土壤质量的影响。结果表明：随着林龄的增加，刺槐人工林土壤养分的表层富集作用显著，且0-5cm土层土壤改良效果增强；与农田相比，刺槐人工林的土壤物理性状得到改善，养分含量增加，土壤微生物生物量显著提高。不同土地利用方式土壤质量综合指数为43年刺槐林（0.542）10年刺槐林（0.536）撂荒地（0.499）农田（0.498），说明人工造林改善了太行山南段低丘山区的土壤质量。 （2）基于LI-8150多通道土壤呼吸自动观测系统的实测数据，对太行山南段刺槐人工林土壤呼吸测定代表性时间进行研究，探讨不同月份土壤呼吸的代表性时刻，并分析土壤呼吸代表性时刻测定值与日均值间偏差大小。结果表明，刺槐人工林的土壤呼吸日变化和季节变化与5cm土壤温度（Ts）的变化格局均趋于一致。各月土壤温度在6-8点达到日最低值，14-16点达到日最高值。除1月土壤体积含水量（W）最低值为18.32%外，其他各月W均在20%以上。刺槐人工林土壤呼吸月均值季节变化呈单峰趋势，在7月最大，1月最低。刺槐人工林在6月-11月8:00-10:00、12月-5月9:00-11:00土壤呼吸测定均值与日均值间的绝对偏差分别为1.27%和4.91%，且土壤呼吸代表时段均值与24h土壤呼吸日均值相对差异均在±10%以内。全年测定期内各月代表性时刻的土壤呼吸测定值与24h日均值呈极显著正相关。因此6月-11月8:00-10:00、12月-5月9:00-11:00土壤呼吸测定均值可作为本研究区刺槐人工林土壤呼吸测定的最佳代表时段。 （3）本研究利用13C的自然丰度法来区分土壤呼吸各组分结果发现，土壤CO2气体δ13C随土层梯度减小，植被根系和土壤有机质δ13C则变化不明显。比较埋置管道土壤CO2气体δ13C值与利用GVP（Gas Vapor Probe Kits）50cm土层CO2气体δ13C值，得出本研究区土壤CO2气体50cm土层的δ13C同位素分馏系数为2.03‰。随着土层深度的增加，自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率（fRA）逐渐增大。而异养呼吸对土壤总呼吸的贡献率（fRh）随着土层增加逐渐减小。关于壕沟法和同位素法测定自养呼吸贡献率的差异比较可知，壕沟法fRA（23.50%）与埋置管道稳定同位素法fRA（21.03%）差异不显著。 （4）基于气体红外分析技术，以农田、撂荒地为对照，分析43年和10年刺槐人工林土壤呼吸速率的季节变化及其环境影响机制，结果表明：人工造林恢复措施的实施显著的提高了土壤固碳能力。43年和10年刺槐人工林0-5cm土层的土壤有机质含量分别是农田的3.9倍和1.6倍。43年、10年刺槐人工林、撂荒地和农田的全年土壤呼吸平均速率分别为2.33、1.21、2.40、2.04μmol·m-2·s-1，其中撂荒地的全年土壤呼吸平均速率最大，43年刺槐林的全年土壤呼吸平均速率大于10年刺槐林。研究区内四种土地利用方式土壤呼吸速率主要受土壤温度（5cm）的影响。43年刺槐林、10年刺槐林、撂荒地及农田的土壤呼吸温度敏感系数Q10分别为2.47、2.53、2.06、1.56，其中刺槐林的Q10均显著高于农田。四种土地利用方式Q10值均存在显著的季节变异，其主要受温度影响。 （5）利用壕沟法来区分太行山南段不同林龄刺槐人工林土壤自养呼吸和异养呼吸，结果表明：刺槐人工林土壤呼吸及其组分均呈明显的季节变化，表现为夏季高、冬季低的格局；10年和43年刺槐林土壤总呼吸月均值均显著高于自养呼吸，与异养呼吸无显著差异。 土壤呼吸及其组分与5cm土壤温度之间均呈极显著指数相关；与自养呼吸相比，刺槐人工林异养呼吸更易受土壤温度变化的影响，且5cm土壤温度（Ts）分别解释R10和R43的组分RH和RA的77.82%和38.6%，77.87%和43.43%；刺槐人工林土壤呼吸及其组分与土壤体积含水量均呈极显著相关，0-10cm土壤体积含水量（W）分别解释R10和R43的组分RH和RA的25.54%和10.6%，，31.72%和11.55%；R10的Rs、RH与ECp、R43的Rs、RA与ECp间呈极显著相关，但0-10cm土壤电导率（ECp）与各呼吸速率的拟合决定系数均较低。与Ts及W相比，ECp不是土壤呼吸的主要控制因子。 不同林龄刺槐土壤呼吸及其组分的Q10季节变化与土壤温度变化相反；刺槐林在生长季（5月-7月）内土壤呼吸及其组分的Q10值大小排序均为RHRsRA。10年刺槐在温度较高的生长季内的总呼吸和自养呼吸的温度敏感性变异要大于43年刺槐，而在温度较低的非生长季则出现相反的现象。不同林龄刺槐的自养呼吸对土壤总呼吸的贡献率（RC）呈明显季节变化。刺槐林各月份RC值均无显著差异；在本研究中10年和43年刺槐自养呼吸和异养呼吸的年通量对土壤总呼吸年通量的贡献率分别为25.14%和90.69%、30.84%和70.26%，异养呼吸年通量在不同林龄刺槐林土壤总呼吸的年通量中所占的比重较高。
【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】：2014
【分类号】：S714.2

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本文编号：2651312