杨树人工林皆伐对生态系统CH_4、CO_2和水汽通量的影响

发布时间：2017-10-18 20:24

  本文关键词：杨树人工林皆伐对生态系统CH_4、CO_2和水汽通量的影响

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【摘要】：采伐和更新是人工林经营的重要环节,它往往会导致生态系统碳水循环过程发生巨大变化,这给人工林在减缓气候变化方面的功能带来极大的不确定性。为揭示滩地杨树人工林皆伐对生态系统碳、水通量的影响及调控机理,为该区域杨树人工林经营管理和生态价值评估提供科学依据,特开展了滩地杨树人工林皆伐与更新期间的碳水通量观测研究。本文以湖南省岳阳市长江滩地杨树(Populus deltoides)人工林为研究对象,以涡度相关法为主要研究手段,对杨树人工林皆伐前后的CH4、CO2和水汽通量进行为期四年多(2010-2013年)的长期连续观测研究。本研究结果显示,滩地杨树人工林的皆伐对生态系统CH4、CO2和水汽通量均产生了较大影响,其具体表现为:(1)皆伐改变了生态系统CH4的源汇功能。皆伐使生态系统CH4吸收强度减弱,并最终转变成长期的CH4源。采伐后非淹水期CH4排放强度为0.11±0.08 mmolm-2d-1,而淹水期的排放强度为2.17±1.16 mmolm-2d-1,最大为~4.4 mmolm-2d-1。(2)滩地非淹水期和淹水期CH4通量的主要调控因子不同。未淹水期间,研究区CH4通量主要受地下水位、土壤含水量、大气湍流状况等共同调节,因而CH4通量的日变化和季节变化规律均不明显。而淹水期间,淹水深度是CH4通量最主要的调控因子,且当水位达~1.2 m时CH4排放强度达到峰值(~40 nmol m-2 s-1),因而研究区CH4通量的年际变化很大程度由淹水状况决定。(3)皆伐对生态系统的CO2净交换产生了重大影响,表现为采伐后生态系统立即从CO2汇转变成CO2源,但于翌年生长季开始时转变为微弱的CO2汇,期间总CO2排放量为209 g-Cm-2。采伐迹地CO2年通量(-4.60±1.90 mol m-2,2012年)仅皆伐前成熟林年通量(-83.12±8.24 mol m-2,2010年)的5.5%。林下草本植被旺盛的生长力是采伐迹地较快转变为碳汇的主要原因。(4)皆伐后ER的总量仅略微升高,但ER对温度的敏感性增强,且ER各组分比例发生变化。采伐迹地年ER(96.41 mol m-2,2012)是成熟林(2010年)的1.07倍。以土壤温度计算的Q10值由采伐前的2.01上升到采伐后的2.12和2.34。由于地上和地下生物量的大幅减少,土壤呼吸的比重上升到ER的94.0%,其中土壤微生物的呼吸是土壤呼吸最主要的部分。去除温度影响后,ER与归一化指标指数(NDVI)呈指数关系。(5)皆伐导致了GEP的大幅下降,其中采伐迹地的年GEP(101.0 mol m-2,2012年)仅成熟林(173.5mol m-2,2010年)的58.2%。皆伐改变了生态系统的植被组成,进而影响了生态系统光能利用效率和最大总生态系统生产力。成熟林和采伐迹地的最大光能利用效率分别为0.1和0.08 mol-CO2 mol-1,而最大总生态系统生产力分别为67.8和16.5umol m-2 s-1。采伐前后的光能利用效率和最大总生态系统生产力均与NDVI呈线性关系。(6)皆伐后,采伐迹地的ET和水分利用效率较成熟林均明显下降。采伐迹地(2012年)年ET和水分利用效率分别为成熟林(2010年)的70.0%和85.6%。皆伐前后ET均和NDVI呈指数响应关系。(7)基于NDVI和其他因子的模型能较好的模拟各种干扰下ER、GEP和ET的动态变化。方程如下:式中为参考温度和NDVI条件下的ER,和分别为参考温度(℃)和NDVI,分别设为15℃和0.4,B1和B2均为试验常数;为生态系统的光量子利用率(mol-CO2 mol-1光量子),为光量子达到饱和状态时的最大总初级生产力(mol-1 m-2),Par为光量子数(mol光量子);ETo为基于FAO Penman-Monteith模型计算的潜在蒸发散(mm d-1)。各式中a,b和c均为试验常数。本研究结果表明,长江滩地杨树人工林皆伐期间产生的碳排放量较小,且杨树人工林生长期间碳汇功能强大,因此长江滩地杨树人工林整个轮伐期将具有较大的碳汇能力。本研究结果还显示,长江滩地人工林的CH4通量在整个生态系统的碳通量中所占比重较小,然而此结论仍需要更长时间数据的佐证。
【关键词】：杨树人工林 长江滩地 皆伐 CH4通量 温室气体
【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】：2015
【分类号】：S718.55
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第一章绪论18-37
• 1.1 引言18-34
• 1.1.1 研究背景18-21
• 1.1.2 国内外研究现状及评述21-34
• 1.2 研究目标和主要研究内容34-35
• 1.2.1 关键的科学问题与研究目标34
• 1.2.2 主要研究内容34-35
• 1.3 研究技术路线35-37
• 第二章研究材料与方法37-47
• 2.1 研究区概况37-39
• 2.2 研究材料与方法39-46
• 2.2.1 通量与环境因子的长期连续观测39-41
• 2.2.2 CH_4通量的箱法观测41
• 2.2.3 土壤呼吸观测41-42
• 2.2.4 通量计算与数据质量控制42-43
• 2.2.5 数据插补与不确定性分析43-45
• 2.2.6 碳平衡和综合温室气体（GHG）通量的计算45
• 2.2.7 蒸发散与水分利用效率的计算45-46
• 2.3 统计分析46-47
• 第三章环境因子的动态变化47-54
• 3.1 区域气候因子动态变化47-49
• 3.2 土壤环境因子动态49-51
• 3.3 植被动态51-52
• 3.4 小结52-54
• 第四章 CH_4通量动态及调控机理54-75
• 4.1 皆伐对CH_4通量的短期影响54-57
• 4.2 采伐后CH_4通量动态变化57-66
• 4.2.1 CH_4通量的日变化57-60
• 4.2.2 CH_4通量的季节变化60-63
• 4.2.3 CH_4通量的年际变化63
• 4.2.4 研究区大气CH_4浓度的变化63-66
• 4.3 CH_4通量的调控机理66-74
• 4.3.1 相关分析66-68
• 4.3.2 回归分析68-72
• 4.3.3 淹水深度对CH_4通量的影响72-74
• 4.4 小结74-75
• 第五章 CO_2通量动态及调控机理75-117
• 5.1 干扰下的CO_2通量动态75-78
• 5.2 CO_2通量不同时间尺度变化特征78-84
• 5.2.1 日变化特征78-81
• 5.2.2 季节变化特征81-83
• 5.2.3 年际变化特征83-84
• 5.3 CO_2通量的调控机理84-115
• 5.3.1 环境因子的相关性分析84-87
• 5.3.2 ER对环境因子的响应87-95
• 5.3.3 GEP对环境因子的响应95-110
• 5.3.4 NEE对环境因子的响应及模拟110-115
• 5.4 小结115-117
• 第六章蒸发散和水分利用效率的动态及环境响应117-130
• 6.1 蒸发散和水分利用效率的动态变化117-122
• 6.1.1 蒸发散和水分利用效率的日变化117-120
• 6.1.2 蒸发散和水分利用效率的季节和年际变化120-122
• 6.2 蒸发散和水分利用效率对环境因子的响应122-126
• 6.2.1 对温度因子的响应122-123
• 6.2.2 对光合有效辐射的响应123-124
• 6.2.3 对土壤水分的响应124
• 6.2.4 对饱和水汽压差的响应124-125
• 6.2.5 对NDVI的响应125-126
• 6.3 蒸发散的模型估算126-128
• 6.4 小结128-130
• 第七章结论与讨论130-140
• 7.1 结论130-131
• 7.2 讨论131-139
• 7.2.1 长江滩地CH_4通量的数量级131-133
• 7.2.2 长江滩地CH_4通量的调控因子133-135
• 7.2.3 皆伐对生态系统碳通量的影响135-137
• 7.2.4 皆伐对生态系统蒸发散和水分利用效率的影响137-138
• 7.2.5 以NDVI作为人工林干扰记录的优缺点138-139
• 7.3 展望139-140
• 参考文献140-154
• 附录154-155
• 在读期间的学术研究155-157
• 致谢157

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本文编号：1056985