柏木人工林土壤有机碳组分对人工更新林窗的早期响应机制

发布时间：2020-08-13 00:49

【摘要】：柏木人工林,作为川中丘陵区主要的森林类型之一,其较低的生态效益限制了该区域森林生态系统服务功能的发挥,降低了林地的碳库功能和经济收益。为了提升川中丘陵区柏木人工林生态系统服务功能,实现林地可持续利用和发展,四川农业大学林学院利用乡土树种的乡土特性,根据森林培育学和森林生态学原理,在模拟天然林窗和自然种群团块状分布的基础上,提出一整套人工更新林窗的改造技术。利用乡土树种香椿对人工林窗进行人工更新(GMTT)便是该套改造技术中的一种,它在人工开窗的基础上补植乡土树种香椿,定向培育具有异龄混交和块状混交特征的柏木×香椿混交林。论文从土壤碳库的角度出发,以川中丘陵区低效的柏木林为研究对象,从开窗面积上构建0(A,CK)、50 (B)、100 (C)、150 (D)和200m2(E)等5种GMTT处理水平,通过测定土壤有机碳物理组分、稳定性组分、可溶性组分和微生物生物量碳等土壤有机碳的相关指标,和测定土壤温湿度、土壤理化性质和土壤微生物等与土壤有机碳相关土壤环境因子指标,全面研究GMTT改造对土壤有机碳及其土壤环境因子的早期影响效应；利用冗余分析、层次聚类分析、非度量多维尺度分析、决策树分析和结构方程模型等数据挖掘技术,深入探讨了GMTT处理条件下土壤碳库及其环境各相关指标之间的关系,模拟出了GMTT影响土壤碳库的直接途径和间接途径,为低效林分改造和碳汇林的营建提供科学的参考依据。从生态效应上来看,人工更新林窗对土壤有机碳的影响包括土地准备、林窗更新和树种混交三个阶段。土地准备期间苗木处于与环境磨合的阶段,其生态效应主要是由于采伐和补植等—系列人为干扰所造成。林窗更新期间为处理后苗木与土壤之间的关系逐渐从混沌状态向有序过渡,其生态效应主要是由于林窗内土壤环境因子的改变所造成。树种混交阶段为GMTT处理后的中后期,此时柏木-补植树种-土壤之间的关系从有序又复归为混沌,其生态效应主要是由于树种替换所造成。根据此研究思路,立足于研究的早期,重点探究GMTT模式下土壤有机碳组分的林窗效应,并得出了以下7点主要结论。(1)在土地准备阶段,一系列人为干扰对土壤有机碳库的影响主要体现在0-5 cm土层。较对照林分而言,GMTT处理后林分具有较低的总有机碳含量、全氮含量、碳氮比、微生物生物量碳含量、稳定性有机碳含量和碳库管理指数。这表明开窗整地后土壤有机碳库活性增加,稳定性降低。(2)在林窗更新阶段,GMTT处理林分同对照一样,林下土壤有机碳含量皆随土壤深度的增加而降低。但(GMTT显著提高土壤轻组有机碳和颗粒有机碳在各土层中含量。就所测样本而言,土壤颗粒有机碳占土壤总有机碳含量的比例约为48.73±8.82%,远远大于轻组有机碳仅占土壤有机碳的比例(7.13±4.22%),约为轻组有机碳占总有机碳比重的6.83倍。此外,GMTT处理林分的土壤易氧化有机碳含量、可溶性有机碳、土壤微生物生物量碳的含量皆略低于对照。这表明了GMTT在一定程度上促进了活性碳库的分解,增加对惰性碳库的积累。而对于水溶性有机碳组分而言,GMTT显著降低了水溶性己糖的含量,却增加了水溶性蛋白质的含量,这表明GMTT增加了地表凋落物的可降解性,那些具有简单化学结构的有机碳组分被微生物快速分解并利用。此外,较对照而言,处理林分下土壤水溶性芳香族化合物在表层0-5cm土层表现为显著的降低趋势,而5-20cm土层则表现为显著的增加趋势,这暗示了0-5 cm土层可溶性有机碳的分解程度小于5-20 cm土层。(3)由各指标之间的相关性及其对处理的敏感性可知,在林窗更新阶段,微生物生物量碳含量与土壤盐溶性有机碳之比、微生物生物量碳含量与水溶性有机碳含量之比、水溶性的总碳、己糖、戊糖和芳香族化合物含量等指标对GMTT的敏感性较高。由决策树分析结果可知,土壤水溶性己糖、戊糖及其比值在表征碳库管理上敏感性最好。(4)在林窗更新阶段,GMTT对土壤碳库环境的影响主要表现在对土壤理化性质和土壤微生物结构和功能上,而对土壤温湿度的影响不显著。在土壤理化性质上,GMTT显著降低了表层0-5cm土层的全氮含量、速效钾含量,5-40 cm土层的有效磷含量和各个土层的全钾含量；显著提高了各个土层的全磷含量,0-5 cm土层的有效磷含量和5-20cm土层的速效钾含量；轻微降低了20-40 cm土层的土壤速效钾含量；轻微增加了各个土层的土壤碱解氮含量。在微生物的结构上,GMTT降低了20-40 cm土层的细菌数量和各土层的放线菌数量,改变了0-5cm土层的真菌数量。在微生物的功能上,GMTT显著改变了土壤微生物功能的多样性,而对土壤微生物功能的强度无显著的影响。其中,GMTT显著改变了土壤淀粉酶、β-葡糖苷酶、脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性,对酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、蛋白酶和纤维素酶活性无显著的影响。(5)通过分析表层0-5 cm土壤碳库和其所处土壤环境之间的关系发现：土壤水热条件、土壤理化性质、土壤氮循环、土壤微生物结构与功能和土壤呼吸数据集对土壤有机碳库数据集总惯量的约束比例分为5.6%、55%、51%、91%和3.4%。其中,土壤理化性质和土壤氮循环约束土壤有机碳库特征的比例大多包含在土壤微生物的结构和功能之中。土壤三大类微生物数量可约束32.89%土壤有机碳库特征的总惯量,总比为土壤微生物生物量碳氮和土壤酶活性可约束比例的53.2096和48.23%,其总比的58.04%为与土壤微生物生物量碳氮和土壤酶活性的共享,其单独效益仅为0.85%。相对(GMTT处理的而言,柏木纯林(对照林分)0-5 cm土层水溶性活性碳库的所处土壤环境中具有较多的放线菌数量,较高的淀粉酶、蔗糖酶和β-葡糖苷酶活性,较低的脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性：0-5cm土层非水溶性活性碳库的土壤环境则具有较高全氮和速效钾含量,较低的全磷含量。其中,在整个土壤环境中,土壤放线菌在整个微生物功能体系中扮演的角色最为全面,与土壤微生物生物量和功能关系密切,细菌则主要涉及与微生物生物量碳相关的生化过程,真菌则主要涉及与微生物生物量氮相关的生化过程。而这些生化过程皆只与微生物功能的强度密切相关,与微生物功能的多样性无显著的相关性。(6)由结构方程模拟可知,在林窗更新阶段,GMTT对土壤有机碳的影响途径包括直接途径和间接途径两种。直接途径是指GMTT对水溶性活性碳组分的直接影响。间接途径是指土壤有机碳通过影响微生物数量和土壤氮循环来影响土壤水溶性活性碳组分。此外,GMTT主要通过间接地改变土壤微生物呼吸来调控土壤呼吸。GMTT对土壤微生物呼吸的改变主要通过调控土壤氮循环、土壤水溶性活性碳组分、土壤微生物数量和土壤酶活性来实现。(7)在林窗更新阶段,利用香椿替换柏木可增加表层40 cm内土壤有机碳密度。对照林分表层40 cm内土壤有机碳储量密度为90.73 Mg·hm-2,从上到下分别为30.21 (0-10 cm)、47.54 (10-30 cm)和12.98 (30-40 cm) Mg·hm-2。当柏木更换为香椿之后,表层40 cm内土壤有机碳密度所增加其增加量(INEQSOCD)与香椿斑块的大小(XCA)呈正相关,基本满足公式INEQSOCD=XCA*1.9 (Mg·hm-2)。对比相关研究结果可知,在未来香椿混交阶段,GMTT处理下林分土壤有机碳储量还有较高的提升空间。综上可知,人工更新林窗对土壤有机碳组分的早期效应主要是林窗效应,即随着林窗面积的增加,林地土壤碳库的生物降解能力也在不断的增加。该效应对土壤有机碳组分的影响从主要影响植物来源的有机碳组分,扩展到微生物来源的有机碳组分,直至改变土壤原有的惰性有机碳组分。因此,在评估GMTT对土壤有机碳组分的林窗效应时需综合考虑微生物生物量碳与水溶性有机碳之比、水溶性己糖和戊糖之比和水溶性芳香族化合物含量这三个指标。
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S714.2

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