毛乌素沙地臭柏、油蒿细根的生产与周转

论文摘要

为揭示细根在沙地生态系统物质循环中的作用,采用钻土芯法和埋袋法,对毛乌素沙地开发整治研究中心北实验地天然臭柏（Sabina vulgaris）、油蒿（Artemisia ordosica）细根的生产与周转进行两年的动态研究。主要结论如下:1.臭柏细根占其总根量的60.10%,年平均生物量为14.480t·hm-2,52.72%为活细根。油蒿的细根占总根系的73.04%,年平均生物量为1.027 t·hm-2,活细根占53.57%。臭柏细根生物量为油蒿的14.11倍（P<0.05）。臭柏、油蒿细根主要分布0～45cm的土层中,其深度特征值β在0.96左右,细根根长密度和根面积指数在垂直面上呈现相似的规律:年平均细根最大根长密度和根面积指数都出现在表层0～15cm,并随土层的加深而递减。臭柏、油蒿的总细根生物量季节动态均呈现双峰型,臭柏细根生物量峰值出现在春末和盛夏。油蒿细根生物量峰值出现在春末夏初和晚秋。2.臭柏、油蒿细根C、N、P、K、Ca、Mg的浓度呈波动状态。臭柏细根中C、N、P、K、Ca、Mg的现存量在2005年基本呈现倒“S”型,在2006年基本呈现“V”字型。油蒿细根中C、N、P、K、Ca、Mg的现存量总体上看基本呈现倒“S”型。臭柏细根中灰分浓度变化为单峰型,油蒿细根中灰分浓度变化呈现倒“S”型;臭柏、油蒿干重热值变化与灰分浓度变化趋势相反。灰分总量、干重热值、去灰分热值现存量随季节变化,臭柏2005年呈“S”型,2006年呈“V”型。油蒿呈倒“S”型。3.臭柏细根分解系数（K）为0.0004d-1,为油蒿(0.0009d-1)的44.44%。臭柏和油蒿细根年分解率为17.6%和41.8%,半分解时间分别为1639d、544d,分解95%时间分别为7396d、3102d。在臭柏、油蒿细根分解过程中,C、P浓度表现为上升与下降交替进行的波浪形下降, K浓度呈快速下降趋势,N、Ca浓度变化呈上升趋势,Mg浓度为波浪形上升。臭柏、油蒿C/N和C/P的动态变化表现为相同的变化趋势,变化幅度存在显著的差异（P<0.05）。木质素浓度的变化趋势为单峰型,纤维素浓度变化为上升和下降交替波浪型。C、P、K、Mg均表现为释放,释放率油蒿>臭柏。元素重量损失率K>P>C>Mg。N在臭柏分解中表现为积累,在油蒿分解中表现为释放;Ca在臭柏、油蒿细根分解中都表现为积累的趋势,积累率为油蒿>臭柏。4.不同计算方法估算两种植物的细根生产量和周转率差异可达2～3倍。臭柏、油蒿细根年生产量分别为5.868t·hm-2·a-1、0.428t·hm-2·a-1;细根年死亡分别为5.309t·hm-2·a-1、0.357 t·hm-2·a-1;年分解残留量分别为4.534t·hm-2·a-1、0.250t·hm-2·a-1;细根周转率分别为0.788times·a-1、0.892times·a-1。臭柏各养分归还量大小顺序为C>Ca>N>K>Mg>P,油蒿为C>K>Ca>N>P>Mg;臭柏各养分归还比为K>C>P>N>Ca>Mg,油蒿为K>C>P>N>Mg>Ca。在分解过程中C、N、P、K、Mg表现为释放,Ca表现为积累。臭柏细根分解释放量C>K>P>N>Mg,油蒿细根分解释放量C>K>N>P>Mg,与臭柏略有不同。臭柏年细根年能量净生产量是油蒿细根的11.23～16.58倍,年能量年归还量是油蒿的9.21～20.27倍。年能量分解释放量是油蒿的4.49～9.88倍,臭柏、油蒿细根的能量归还比分别为51.70%、为57.86%。5.臭柏群落细根生产动态与0～15cm土壤含水率在P< 0.05水平下相关,并且与空气相对湿度达到极显著相关;油蒿细根生产动态与表层土壤含水率相关系数比较大,但是均未达到显著水平。臭柏、油蒿的细根分解除受自身特性影响外,还与微气象因子有关。臭柏、油蒿细根分解与样地温度达到显著的正相关（P<0.05）,油蒿细根分解与样地的相对湿度、露点温度、绝对温度间达到极显著的负相关（P<0.01）。两种植物细根分解与土壤含水率间不存在显著的相关性。本项研究成果为全面系统研究毛乌素沙地主要群落的细根周转和相关机制,特别是细根在半干旱地区沙地生态系统中养分循环、碳平衡中的重要作用提供理论依据。对于揭示沙地人工林退化机理、维持措施和树种选择及搭配具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 细根研究综述
• 1.2.1 细根的划分
• 1.2.2 细根在森林生态系统中的作用
• 1.2.3 细根研究的历史
• 1.2.4 细根参数
• 1.2.5 细根分解及其在矿质养分循环中的作用
• 1.2.6 细根周转
• 1.2.7 影响细根生产、周转的因素
• 1.2.8 细根研究方法
• 1.2.9 细根研究中存在的问题与展望
• 1.3 臭柏研究现状
• 1.3.1 臭柏的生境和分布
• 1.3.2 臭柏的生物学特性及生长规律
• 1.3.3 臭柏的生理生态特性
• 1.3.4 臭柏的抗旱性和变异类型
• 1.3.5 臭柏的遗传和演替
• 1.3.6 臭柏的人工造林及开发利用
• 1.3.7 臭柏根系研究
• 1.4 油蒿研究现状
• 1.4.1 油蒿的生境和分布
• 1.4.2 油蒿的生物学特性及生长规律
• 1.4.3 油蒿的生理生态特性
• 1.4.4 油蒿的人工造林及开发利用
• 1.4.5 油蒿根系研究现状
• 1.5 本研究的主要内容、拟解决的关键问题和意义
• 1.5.1 本研究内容
• 1.5.2 拟解决的关键问题
• 1.5.3 本研究意义
• 1.6 论文的特色与创新
• 1.6.1 拓展了细根的研究地域
• 1.6.2 是固沙植物对半干旱沙地环境适应性机理研究的新的尝试
• 1.6.3 对于沙地生态系统的恢复与重建具有重要的指导作用
• 2 研究材料与方法
• 2.1 试验地概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 气候
• 2.1.3 水文
• 2.1.4 地形、地貌
• 2.1.5 土壤、植被特征
• 2.1.6 样地相对位置
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 枝条生长测定
• 2.2.2 细根生长取样
• 2.2.3 根系处理
• 2.2.4 细根分解取样
• 2.2.5 土壤取样
• 2.2.6 化学物质组成、养分、能量的分析样品
• 2.3 测定内容及方法
• 2.3.1 含水率测定
• 2.3.2 温湿度测定
• 2.3.3 土壤颗粒分析、有机质测定
• 2.3.4 细根、土壤全碳测定
• 2.3.5 细根、土壤全氮测定
• 2.3.6 细根、土壤全磷测定
• 2.3.7 细根、土壤全钾、钙、镁测定
• 2.3.8 细根灰份测定
• 2.3.9 细根能量测定
• 2.3.10 细根木质素、纤维素测定
• 2.4 测定指标
• 2.4.1 根系生物量的计算
• 2.4.2 根系消弱系数（Root extinction coefficient）β的计算
• 2.4.3 细根根长密度与根面积指数的测定
• 2.4.4 细根养分、能量现存量计算
• 2.4.5 化学成分重量损失
• 2.4.6 分解数据分析
• 2.4.7 细根生产和周转计算方法
• 2.4.8 细根养分、能量年净生产量、分解释放量及归还量的计算方法
• 2.5 数据处理
• 3 臭柏、油蒿细根分布特征
• 3.1 结果与分析
• 3.1.1 根系生物量特征
• 3.1.2 根系垂直分布特征
• 3.1.3 细根垂直分布特征
• 3.1.4 细根根长密度、根面积指数分布特征
• 3.1.5 细跟垂直分布与土壤资源有效性的关系
• 3.2 讨论
• 3.2.1 根系分布特征
• 3.2.2 细根垂直分布特征
• 3.2.3 细根根长密度、根面积指数分布特征
• 3.3 小结
• 4 细根生物量生产与生长过程中养分、能量的动态
• 4.1 结果与分析
• 4.1.1 细根生物量的季节动态
• 4.1.2 细根生长发育过程中 C、N、P、K、Ca、Mg 浓度的动态变化
• 4.1.3 细根生长发育过程中 C、N、P、K、Ca、Mg 的现存量及动态变化
• 4.1.4 细根生长发育过程中灰分浓度、干重热值、去灰分热值的季节动态
• 4.1.5 细根生长发育过程中灰分浓度、干重热值、去灰分热值现存量季节动态
• 4.2 讨论
• 4.2.1 细根生物量的季节动态
• 4.2.2 细根生长发育过程中养分、能量的季节动态
• 4.3 小结
• 5 细根分解及分解过程中养分与能量的变化
• 5.1 结果与分析
• 5.1.1 臭柏、油蒿细根分解率
• 5.1.2 臭柏、油蒿细根分解失重过程的拟合
• 5.1.3 细根分解过程中化学组成的变化
• 5.1.4 细根分解过程中 C、N、P、K、Ca、Mg 的释放
• 5.1.5 细根分解过程中木质素、纤维素的释放
• 5.1.6 细根分解过程中灰分、能量的变化
• 5.2 讨论
• 5.2.1 细根分解率
• 5.2.2 细根分解过程中养分的变化
• 5.2.3 细根分解过程中能量的变化
• 5.3 小结
• 6 细根周转（Fine roots turnover）及其养分、能量的积累、释放和归还
• 6.1 结果与分析
• 6.1.1 细根（≤2mm）生产量和周转率
• 6.1.2 细根（≤2mm）年死亡量和分解量残留
• 6.1.3 细根（≤2mm）养分年净生产量、归还量、分解释放量及累积量
• 6.1.4 细根（≤2mm）能量年净生产量、归还量、分解释放量
• 6.2 讨论
• 6.2.1 细根（≤2mm）生产量和周转率
• 6.2.2 细根（≤2mm）养分年净生产量、归还量、分解释放量及累积量
• 6.2.3 细根（≤2mm）能量年净生产量、归还量、分解释放量
• 6.3 小结
• 7 影响细根（≤2mm）生产、分解的因素分析
• 7.1 结果与分析
• 7.1.1 样地相关因子
• 7.1.2 细根（≤2mm）生产的影响因子分析
• 7.1.3 细根（≤2mm）分解的影响因子分析
• 7.2 讨论
• 7.2.1 影响细根生产的因子分析
• 7.2.2 细根特性对分解的影响
• 7.2.3 非生物因素对细根分解的影响
• 7.3 小结
• 8 结论与讨论
• 8.1 结论
• 8.2 讨论
• 9 研究问题与展望
• 9.1 研究中存在的问题
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介