闽西北不同施肥毛竹林生态系统碳平衡研究

论文摘要

竹林是我国南方重要的森林类型，到2008年第七次森林资源清查时已达538.10万公顷，其中毛竹（Phyllostachys edulis）林面积为386.83万公顷，约91.57亿株。竹林施肥是影响土壤质量演化及其可持续利用的重要林业措施之一，本文研究施肥对毛竹林生态系统碳平衡的影响，以期为现实竹林的科学经营提供理论指导。本项研究设置施用5年竹林专用肥（Ⅰ）、5年氮、磷、钾配方施肥（Ⅱ）、5年有机肥（Ⅲ）、1年竹林专用肥（Ⅳ）、1年有机肥（Ⅴ）、不施肥毛竹林（Ⅵ）6个试验水平，从生态系统碳输入和输出的角度出发，研究不同施肥措施下毛竹林生态系统碳储量及分配格局、土壤活性有机碳、呼吸及组分呼吸的变化规律，探讨其与土壤温/湿度、根系生物量、凋落物量及土壤质量因子等之间的关系，揭示不同施肥措施调控下土壤呼吸过程及影响机制，评估施肥措施调控下毛竹林碳汇/源的影响。主要研究结果如下：1.不同施肥处理毛竹林生态系统碳储量、碳分配格局及植被层碳素平均年净固定量（1）毛竹林Ⅰ～Ⅵ植被层碳储量分别为41.49、35.82、45.99、32.11、35.30、28.37tC·hm-2，植被层碳储量在器官上的分配均以竹秆最大，毛竹林地施肥可以提高竹秆生物量及碳储量占总量的比例。（2）不同施肥处理及季节变化对土壤有机碳含量无显著影响，有机碳含量为：Ⅵ(13.70g·kg-1)＞Ⅰ(13.61g·kg-1)＞Ⅳ(12.11g·kg-1)＞Ⅲ(11.95g·kg-1)＞Ⅴ(11.57g·kg-1)＞Ⅱ(11.43g·kg-1)，Ⅰ～Ⅵ毛竹林土壤层（0～100cm）碳储量为111.34～122.36t C·hm-2，平均值为117.41t C·hm-2。（3）毛竹林Ⅰ～Ⅵ生态系统碳贮量分别为165.36、153.29、168.35、145.19、154.06、145.00t C·hm-2。土壤层碳贮量所占比例最大，约为75%；其次是乔木层，枯落物层最低，仅为0.47%～1.73%。（4）毛竹林Ⅰ～Ⅵ植被层碳素平均年净固定量均为：Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅵ，年固碳量分别为11.30、11.23、8.45、6.40、5.64、5.45t C·hm-2·a-1，相当于年同化CO2量41.41、41.17、30.99、23.47、20.69、20.00t CO2·hm-2·a-1。2.不同施肥处理毛竹林活性有机碳变化规律（1）施肥降低土壤MBC含量，下降幅度为16.44%～28.69%。0-100cm土层MBC平均含量排列顺序为：Ⅵ(118.47mg·kg-1)＞Ⅳ(98.99mg·kg-1)＞Ⅰ(92.46mg·kg-1)＞Ⅴ(91.06mg·kg-1)＞Ⅱ(86.25mg·kg-1)＞Ⅲ(84.48mg·kg-1)。土壤微生物生物量碳表现出明显的季节动态，7月和10月MBC含量均显著高于1月和4月。（2）施肥降低土壤HWC含量，下降幅度为4.99%～23.54%。0-100cm土层HWC平均含量排列顺序为：Ⅵ(641.29mg·kg-1)＞Ⅰ(609.30mg·kg-1)＞Ⅳ(587.13mg·kg-1)＞Ⅴ(562.88mg·kg-1)＞Ⅲ(559.16mg·kg-1)＞Ⅱ(490.35mg·kg-1)。土壤热水浸提有机碳表现出明显的季节动态，但不同施肥处理之间规律性不一致。（3）施肥降低土壤ROC含量（除处理Ⅰ），降低幅度为-7.82%～20.08%。0-100cm土层ROC平均含量排列顺序为：Ⅰ(5.10g·kg-1)＞Ⅵ(4.73g·kg-1)＞Ⅲ(4.39g·kg-1)＞Ⅱ(4.32g·kg-1)＞Ⅳ(4.06g·kg-1)＞Ⅴ(3.78g·kg-1)。土壤易氧化态碳表现出明显的季节动态，均以10月份最高，1月份次之，4月和7月较低。（4）施肥有利于土壤中轻组有机质含量的积累，提高幅度为13.37%～59.30%。0-100cm土层LFOM平均含量排列顺序为：Ⅲ(2.74g·kg-1)＞Ⅰ(2.22g·kg-1)＞Ⅱ(2.20g·kg-1)＞Ⅳ(1.95g·kg-1)＞Ⅴ(1.72g·kg-1)=Ⅵ(1.72g·kg-1)。（5）不同土壤活性有机碳占总有机碳的比率为：ROC＞LFOM＞HWC＞MBC。其中ROC的比例介于29.00%～37.80%，LFOM介于11.01%～22.93%，HWC介于4.11%～4.84%，MBC介于0.68%～0.82%。不同形式活性有机碳均随土层加深呈现下降趋势，表层富集现象明显。土壤总有机碳、微生物量碳、热水浸提有机碳、易氧化态碳及轻组有机质之间均达到极显著相关水平，相关系数介于0.708～0.964。（6）以不施肥毛竹林各土层为参照土壤，计算出混交经营对毛竹林各土层土壤碳库指数（CPI）、碳库活度（L）、碳库活度指数（LI）、氧化稳定系数（KOS）和碳库管理指数（CMI），CPI介于0.83～0.99之间，LI介于0.92～1.15之间，KOS介于1.65～2.06之间，CMI介于77.32～112.36之间。表明处理Ⅰ对土壤具有培肥作用，处于良性管理状态。3.不同施肥处理毛竹林总呼吸及组分呼吸变化规律。（1）不同施肥处理毛竹林土壤总呼吸、根呼吸、凋落物呼吸、矿质呼吸均表现出一定的月动态特征，且呈单峰型曲线。（2）六种处理（Ⅰ～Ⅵ）毛竹林地土壤总呼吸、根呼吸、凋落物呼吸、矿质呼吸年平均速率为3.57～3.96、1.15～1.69、0.86～1.21、1.05～1.49μmol·m-2·s-1。施肥处理增大了毛竹林土壤总呼吸、矿质呼吸，根呼吸（除处理Ⅲ），降低了凋落物呼吸。（3）根呼吸、凋落物呼吸、矿质呼吸对总呼吸的贡献率均具有一定的季节性变化。根呼吸年平均贡献率分别为42.14%、44.08%、31.40%、42.41%、39.76%、39.04%；凋落物呼吸年平均贡献率分别为23.48%、22.50%、29.06%、30.47%、26.69%、31.80%；矿质呼吸年平均贡献率分别为34.99%、33.59%、39.79%、27.12%、33.85%、29.17%。（4）土壤呼吸及组分呼吸与5cm土壤温度、土壤湿度均呈指数相关，土壤总呼吸，矿质呼吸相关性要高于根呼吸与凋落物呼吸。土壤呼吸及组分呼吸Q10介于1.30-2.13。处理Ⅰ增强了土壤呼吸与根呼吸的敏感性，处理Ⅱ-Ⅴ降低了土壤呼吸与根呼吸的敏感性，施肥处理均降低了凋落物呼吸和矿质呼吸的敏感性。4.不同施肥处理毛竹林生态系统碳平衡处理Ⅰ～Ⅵ土壤总呼吸年释放量分为13.67、14.18、14.41、14.96、14.10、13.51tC·hm-2·a-1，相当于年CO2释放量为49.55～54.84t CO2·hm-2·a-1，其中根呼吸年释放量为18.20～23.36t CO2·hm-2·a-1，凋落物呼吸年释放量为11.96～16.82t CO2·hm-2·a-1，矿质呼吸年释放量为14.53～20.61t CO2·hm-2·a-1。年初级净生产力（NPP）分为12.60、9.79、12.86、6.31、7.13、6.25t C·hm-2·a-1。不同施肥处理下生态系统净生产力（NEP）不同，Ⅰ～Ⅵ生态系统净生产力分别为4.71、1.47、2.79、-2.28、-1.21、-2.29t C·hm-2·a-1，表现为：Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅴ＞Ⅳ＞Ⅵ,施肥毛竹林高于不施肥毛竹林，施肥5年毛竹林优于施肥1年毛竹林，且以施用5年毛竹林专用肥效果最佳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.1.3 项目来源和经费
• 1.2. 国内外研究现状及评述
• 1.2.1 森林植被碳贮量研究
• 1.2.2 森林土壤碳贮量研究
• 1.2.3 森林土壤活性有机碳
• 1.2.4 森林生态系统碳平衡
• 1.2.5 研究评述
• 1.3 研究目标与主要研究内容
• 1.3.1 关键科学问题与研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究技术路线图
• 第二章 研究材料与方法
• 2.1 试验地概况
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 样地设置与试验设计
• 2.2.2 测定项目与试验方法
• 2.2.3 数据处理与分析
• 第三章 结果与分析
• 3.1 毛竹林生态系统碳储量及其分配特征
• 3.1.1 不同施肥措施下毛竹林植被层碳储量
• 3.1.2 不同施肥措施下毛竹林土壤层碳含量及碳储量
• 3.1.2.1 不同施肥措施下毛竹林土壤层碳含量
• 3.1.2.2 不同施肥措施下毛竹林土壤层碳储量
• 3.1.3 不同施肥措施下毛竹林生态系统碳储量及分配格局
• 3.1.4 不同施肥措施下植被层碳素年固定量核算
• 3.1.5 小结
• 3.2 毛竹林土壤活性有机碳
• 3.2.1 不同施肥措施下毛竹林微生物生物量碳
• 3.2.2 不同施肥措施下毛竹林热水浸有机碳
• 3.2.3 不同施肥措施下毛竹林易氧化态碳
• 3.2.4 不同施肥措施下毛竹林轻组有机碳
• 3.2.5 不同施肥措施下毛竹林土壤活性有机碳的相关性
• 3.2.6 不同施肥措施下毛竹林土壤碳库管理指数
• 3.2.7 小结
• 3.3 土壤碳库与土壤养分库
• 3.3.1 不同施肥措施下土壤养分库
• 3.3.2 不同施肥措施下土壤 C/N 特征
• 3.3.3 土壤碳与土壤质量因子
• 3.3.4 小结
• 3.4 毛竹林土壤呼吸特征
• 3.4.1 不同施肥措施下土壤总呼吸特征
• 3.4.2 不同施肥措施下土壤根呼吸特征
• 3.4.3 不同施肥措施下土壤凋落物呼吸特征
• 3.4.4 不同施肥措施下土壤矿质呼吸特征
• 3.4.5 小结
• 3.5 土壤呼吸过程机理研究
• 3.5.1 土壤温度月动态变化
• 3.5.2 土壤湿度月动态变化
• 3.5.3 土壤全氮季节动态变化
• 3.5.4 凋落物生物量月动态变化
• 3.5.5 根系生物量月动态变化
• 3.5.6 根系生物量氮含量月动态变化
• 3.5.7 土壤呼吸相关酶活性
• 3.5.8 土壤温度对土壤呼吸影响
• 3.5.9 土壤湿度对土壤呼吸影响
• 3.5.10 其他因素对土壤呼吸影响
• 3.5.11 小结
• 3.6 毛竹林碳源/汇核算
• 2释放量'>3.6.1 土壤呼吸 CO₂释放量
• 3.6.2 毛竹林生态系统碳收支计算
• 3.6.3 小结
• 第四章 结论与讨论
• 4.1 结论
• 4.1.1 不同施肥措施下毛竹林生态系统碳储量及其分配格局
• 4.1.2 不同施肥措施下毛竹林土壤活性有机碳特征
• 4.1.3 不同施肥措施下毛竹林土壤有机碳的输入特征
• 4.1.4 不同施肥措施下毛竹林土壤呼吸特征
• 4.1.5 不同施肥措施下毛竹林生态系统碳平衡
• 4.2 讨论
• 4.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 在读期间的学术研究
• 致谢