南亚热带针叶人工林近自然化改造过程中群落结构与碳动态研究

发布时间：2017-12-30 06:22

  本文关键词：南亚热带针叶人工林近自然化改造过程中群落结构与碳动态研究　出处：《中国林业科学研究院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：全球气候变化已是不争的事实,通过造林再造林和经营管理提高森林碳汇是当今应对全球气候变化的重要举措,也是人工林多目标培育和可持续经营的重要内容。我国人工林面积居世界首位,且在南亚热带地区更是以松杉针叶人工纯林为主,单一的树种结构和不合理的经营方式导致物种多样性下降、固碳减排功能减退等一系列生态问题。因此,如何通过调整林分结构,改进经营措施,提高林分生产力和森林碳汇,满足人类在木材生产、生物多样性和固碳减排等多重需求的同时,提升森林减缓和适应全球气候变化的能力,建立健康稳定的多功能人工林生态系统,是林学界和生态学界共同面临的问题。近些年来,近自然化改造作为新增碳汇和多目标经营最有希望的选择途径之一,受到人们的广泛关注。然而,近自然化改造究竟如何影响针叶人工林群落结构进而影响林分生产力和碳过程,林分群落结构和碳动态与近自然化改造导致的凋落物、土壤组成与质量的改变、土壤微生物群落结构及土壤呼吸的改变存在哪些关联等问题目前尚不清楚,尤其是连续定位观测的研究尚缺乏相关报道。本研究以广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站为平台,在位于广西凭祥市的中国林业科学研究院热带林业实验中心,选取位置相近、立地条件相对一致的四种人工林类型(马尾松近自然化改造林、马尾松未改造纯林、杉木近自然化改造林和杉木未改造纯林)为研究对象,采取野外固定样地连年观测、野外调查与室内常规理化分析法相结合、磷脂脂肪酸法和静态箱气相色谱等方法,从林分群落结构和生态系统碳储量变化入手,研究了(1)不同人工林近自然化改造过程中群落结构与物种多样性动态;(2)不同人工林在近自然化改造过程中生物量和生产力及其动态特征;(3)不同人工林植被碳储量及其动态特征;(4)不同人工林土壤碳储量及其动态特征;(5)人工林近自然化改造过程中土壤微生物生物量与群落结构及主要影响因子;(6)人工林近自然化改造过程中土壤温室气体通量及主要影响因子。本研究阐明了不同经营方式下林分物种多样性与碳储量动态、土壤微生物群落结构和土壤温室气体排放通量的变化特征及其机制,揭示了人工林群落结构及碳循环过程对近自然化改造的响应机理,加深了人工林碳循环过程的认识,为全球变化背景下人工林生态系统的经营管理提供科学依据。主要研究结果如下:(1)近自然化改造显著改善了马尾松和杉木人工林林分结构,促进了乔木物种的天然更新,增加了乔木层物种的丰富度,改变了群落及群落各层的物种组成和优势种,降低了马尾松和杉木在群落中的优势度和重要值,减弱了单一树种在群落中的优势地位,使群落物种组成向多样化和分布均匀化的方向演替。近自然化改造改变了马尾松和杉木人工林灌木和草本层植物多样性的动态,前10年呈现出先减小后增加再减小而后趋于稳定的“S”变化过程。灌木层和草本层植物多样性的变化过程主要受林分郁闭度和林分胸高断面积这两个关键因子的影响。(2)近自然化改造通过调整林分结构显著提升马尾松和杉木人工林生物量和生产力,8年后马尾松和杉木林分生物量分别增加46.71%和37.24%。林分生物量和生产力的增加主要因为近自然化改造改变了林分群落结构,进而提高了乔木层生产力。四种林分生物量均随着林龄的增加而增加,但近自然化改造可显著提升林分年净生产力。研究结果表明,合理的经营措施不仅可以改善林分结构,提升林分生产力,并可为增强植被固碳能力和潜力创造有利条件。(3)近自然化改造对马尾松和杉木人工林植被各组分碳含量无显著影响,但可显著提升植被碳储量,近自然化改造8年后,马尾松和杉木人工林植被碳储量分别提高46.7%和37.2%。马尾松和杉木人工林植被碳储量总体上均随林龄增长而增长,但马尾松和杉木改造林的植被年净固碳速率均显著高于相应的对照林分。改造林具有更高的植被年净固碳速率主要归因于改造后林下补植树种生物量的高速增长和主林层马尾松和杉木生物量的快速增长。(4)近自然化改造显著提升马尾松和杉木人工林0~40cm土壤有机碳含量和0-100c m土壤碳储量,改造8年后,马尾松和杉木人工林0-40cm土壤有机碳分别提高13.2%和9.1%,0-100cm土壤碳储量分别提高10.8%和8.7%。马尾松和杉木人工林土壤碳储量随林龄增长而增长,改造林分土壤年净固碳速率显著高于其对照林,土壤有机碳与植物多样性指数呈显著正相关关系。(5)近自然化改造显著提高马尾松和杉木人工林细菌、真菌、丛枝菌根真菌的生物量和土壤微生物总量,降低放线菌生物量。干冷季节,马尾松和杉木改造林PLFAs总量分别高出各自对照林21.0%和20.7%;湿热季节,分别高出18.3%和16.3%。近自然化改造显著改变马尾松和杉木人工林微生物群落结构,提高了松杉人工林土壤细菌群落相对百分含量,抑制了放线菌的生长,而对真菌的相对含量无显著影响。RDA分析表明土壤pH值、细根生物量、凋落物碳氮比、土壤全磷和土壤孔隙度是显著影响松杉人工林土壤微生物群落组成的主要环境因子。(6)马尾松、杉木近自然化改造林年平均土壤CO_2和N_2O的排放速率高于各自未改造纯林,但平均土壤CH4的吸收速率低于二者的对照林。林分间CO_2排放速率差异主要归因于林分间细根碳氮比和土壤温度的差异;土壤N_2O排放速率差异主要归因于树种间凋落叶碳氮比和土壤有效氮的差异;林分间土壤CH4吸收速率差异主要归因于林分间凋落叶碳氮比的差异。研究表明马尾松、杉木人工林近自然化改造增加了土壤温室气体的排放量,同该地区减少温室气体排放的目标相悖。但林分对碳素的吸收和固持占据主导作用,近自然化改造总体上增加了林分净固碳量。
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【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】：2017
【分类号】：S718.5
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本文编号：1353722