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四种森林经营措施对土壤活性有机碳组分影响研究

2020-12-02阅读(623)

四种森林经营措施对土壤活性有机碳组分影响研究

论文摘要

了解不同经营措施引起森林土壤碳储量变化及其驱动原因,对科学选取森林经营措施,应对全球气候变化具有一定的科学意义。经营措施通过人为控制林分结构、树种组成以及立地条件,引起林内物理、化学、生物等环境因子的改变,可能影响了周转速率较快的土壤活性有机碳组分,最终对土壤总有机碳（SOC）库的大小及稳定性产生影响。然而,该生态过程涉及众多环境变量及土壤活性有机碳组分,不同森林经营措施对土壤活性碳库的影响有差异,森林土壤碳活性有机碳组分如何响应森林经营措施还有待进一步研究。调整林分密度及林龄是改善林地生态功能,保障林产品产量的重要森林经营措施,维持合理的林分密度及林龄从而提升森林生态系统的固碳功能是研究热点之一。纯林及混交林是常见的两种造林选择,由纯林向混交林引导经营是提高生态功能的重要方式之一。坡向的不同导致林地接受太阳能的差异,可能造成土壤温度等的关键环境因子的变化,进而有可能影响土 SOC储量及其活性碳组分。为研究不同经营措施对SOC的影响,选取:1)不同林分密度华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）人工林;2)24年及40年生两种林龄华北落叶松人工林;3)油松（Pinus tabulaeformis）纯林及油松、辽东栎（Quercus wutaishanica）针阔混交林;4)东坡向及西坡向两种坡向油松人工林纯林,四种较为典型的人工林经营措施为研究对象,并对研究区植物生长季内主要环境因子、土壤总碳氮及其活性碳氮组分进行研究。（1）2012年建立12块25m×25m固定样地,通过盲组方式设置轻度调整（LT,间伐除去15%原有木,1834±12株/公顷）,中度调整（MT,35%,1418±12株/公顷）,重度调整（HT,50%,1089±3株/公顷）,以及空白对照（CK,2173±12株/公顷）,每种处理设置3块样地重复。监测密度调整后样地的环境因子如:降雨、土壤温度、林内光照环境（林下及林外光照总辐射）、土壤呼吸、土壤含水量、土壤pH等。监测覆盖两个完整生长季（2015,2016年）春、夏、秋三个时间点的林下土壤（0～50cm,5层,每层10cm）重要土壤活性碳氮组分（如,SOC;土壤全氮:STN;易氧化有机碳:POXC;可溶解性有机碳氮:DOC、DON;微生物量有机碳氮:MBC、MBN等）。研究结果表明,中等强度的密度调整（MT）有利于土 SOC及POXC的积累（p<0.01）,密度调整显著影响了 POXC/SOC（p<0.001）,在MT密度调整下,单位SOC含有更高比例的POXC组分。DOC及MBC随季节变化显著,但密度调整对DOC及MBC影响并未到达到显著水平。不同生长季中,植物生长旺盛且微生物活动较强的夏季SOC变化较大,该季节POXC,STN,MBC的含量相比春季显著提高。随密度调整强度的增强,SOC及STN含量先增后减在MT密度处理下含量达到最高,夏季林地水文变化与土壤中可溶解性成分（DOC,DON）的相互作用,是造成碳氮含量在MT中较高且在HT中减少的重要原因。中等强度的密度调整（约1400株/公顷）有利于太岳山地区华北落叶松人工林SOC及STN的积累,活性有机碳氮组分是造成SOC及STN含量变化的重要驱动因素。（2）2016年8月选取油松林纯林及油松林辽东栎针阔混交林,建立25m×25m固定样6块（每种处理样地重复3块）,同时进行样地基本信息的调查。2017年生长季（4、6、8、10月）,进行土壤（0～50cm,共5层,每层10cm）活性碳氮组分监测,同时测定土壤含水量、pH、凋落物厚度等环境因子。使用纽扣式测温仪监测样地10cm 土壤温度。并进行室内矿化培养,下一次采样开始时上次采样矿化碳培养停止。研究结果表明,土壤活性碳组分及土壤温度、pH、凋落物厚度受到纯林及混交林两种森林经营措施的影响;混交林的碳储量高于纯林（p<0.001,高20%）,混交林土壤温度显著低于纯林。土壤矿化碳的室内培养表明,两种林型土壤矿化能力的差异是造成总碳含量差异的重要原因。（3）2016年8月选取24年及40年生华北落叶松人工林,设置25m×25m固定样6块（每种处理样地重复3块）,研究方法同上,结果表明:40年生生华北落叶松人工林SOC库（12.43 kg Cm-2）显著高于24年生林（9.56 kg C m-2）,40年生林土壤温度（平均温度9.8℃）较24年生高2.9%。40年林下土壤矿化碳释放了更多的CO2,是土壤总碳库含量减少的重要原因之一。对两种林龄土壤微生物群落（PLFA）及MBC含量MBC研究结果表明,土壤矿化碳释放差异可能受到微生物的驱动。其它环境因子在两种林龄中亦有变化:40年生林下土壤较二代林土壤pH低,秋季40年生林土壤含水量显著高于24年生林。相对于24年生华北落叶松人工林40年生人工林更有利于土壤有机碳库的积累。（4）选取东坡向（EDF,east direction forests）和西坡向的（WDF,west direction forests）油松人工林纯林为研究对象,设置25m×25m标准固定样6块（每种处理3块样地重复）,海拔、坡度、坡向、林龄等立地条件基本一致。样地建设完成翌年的4月、6月、8月、10月进行采样,研究环境因子及土壤活性有机碳组分。结果表明,EDF林下土壤的固碳和固氮能力优于WDF。对全生长季10cm 土壤温度监测结果表明,EDF林分土壤温度略有升高,而WDF处理的土壤温度日较差（diurnal temperature variation;DTV）得到显著提高。WDF油松林中更高的DTV与更多的MBC及较低的DOC可能影响了 SOC库。矿化培养分析结果表明,WDF林地的微生物消耗DOC矿化释放更多的CO2是造成WDF林地碳储量减少的重要原因之一。东坡向油松纯林对比西坡向更有利于林下SOC的固持。土壤活性有机碳库、土壤环境因子（水、热、光等）及土壤微生物是影响SOC库的重要驱动因素。不同森林经营措施改变林内的土壤温度、pH等环境因子,不同程度地影了响林下SOC积累及其活性组分的含量变化。DOC与MBC随季节变化明显,且这两种碳组分在不同季节相互耦合关系也是影响林下土壤的固碳功能的重要原因。矿化释放CO2导致土壤碳库的减小解释了部分森林经营措施下碳库的变化。太岳山地区华北落叶松人工林约1400株/公顷的种植密度、油松辽东栎针阔混交林、40年生华北落叶松人工林、东坡向油松林有利于土壤碳汇的形成。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1. 绪论
  •   1.1. 研究背景
  •   1.2. 国内外研究进展
  •     1.2.1. 土壤有机碳组分
  •     1.2.2. 森林经营措施
  •   1.3. 研究内容及科学问题
  •     1.3.1. 研究目的
  •     1.3.2. 科学问题
  •     1.3.3. 研究内容
  •     1.3.4. 科学假设
  • 2. 研究区概况及技术路线
  •   2.1. 研究区概况
  •     2.1.1. 太岳山地区概况
  •     2.1.2. 研究样地概况
  •   2.2. 气候特征
  •   2.3. 土壤特征
  •   2.4. 植被特征
  •   2.5. 林木经营特征
  •   2.6. 技术路线
  • 3. 密度调整对土壤活性碳组分的影响研究
  •   3.1. 引言
  •   3.2. 材料与方法
  •     3.2.1. 样地设置
  •     3.2.2. 样品的采集及预处理
  •     3.2.3. 样地基本信息调查
  •     3.2.4. 林外气象因子的监测
  •     3.2.5. 林内环境因子
  •     3.2.6. 土壤总有机碳、全氮及活性碳氮组分的测定
  •     3.2.7. 数据分析
  •   3.3. 研究结果
  •     3.3.1. 样地基本情况
  •     3.3.2. 土壤总有机碳氮特征
  •     3.3.3. 活性碳氮组分对密度调整的响应
  •   3.4. 讨论
  •     3.4.1. 林下环境及土壤碳氮
  •     3.4.2. 土壤活性碳有机碳组分
  •     3.4.3. 土壤活性氮组分
  •   3.5. 小结
  • 4. 纯林及混交林对土壤活性碳组分的影响研究
  •   4.1. 引言
  •   4.2. 材料与方法
  •     4.2.1. 样地设置
  •     4.2.2. 采样及理化分析
  •     4.2.3. 数据处理
  •   4.3. 结果与分析
  •     4.3.1. 纯林及混交林对生物环境因子的影响
  •     4.3.2. 纯林及混交林对物理环境因子的影响
  •     4.3.3. 纯林及混交林对化学环境因子的影响
  •     4.3.4. 纯林及混交林对活性有机碳组分季节动态的影响
  •   4.4. 讨论
  •     4.4.1. 环境因子
  •     4.4.2. 土壤活性有机碳氮组分
  •   4.5. 小结
  • 5. 林龄对华北落叶松人工林土壤活性碳组分影响研究
  •   5.1. 引言
  •   5.2. 材料与方法
  •     5.2.1. 样地设置
  •     5.2.2. 采样及样地背景调查
  •     5.2.3. 室内化学分析
  •     5.2.4. 数据分析
  •   5.3. 结果
  •     5.3.1. 样地植被土壤基本信息
  •     5.3.2. 土壤温度
  •     5.3.3. 土壤含水量及pH
  •     5.3.4. 土壤微生物群落
  •     5.3.5. 土壤总碳总氮
  •     5.3.6. 土壤活性碳氮组分
  •     5.3.7. 土壤矿化碳
  •   5.4. 讨论
  •     5.4.1. 土壤温度环境因子
  •     5.4.2. 土壤碳、氮库
  •     5.4.3. 土壤碳过程
  •   5.5. 小结
  • 6. 坡向对油松人工林土壤活性碳组分的影响研究
  •   6.1. 引言
  •   6.2. 材料与方法
  •     6.2.1. 样地设置
  •     6.2.2. 采样方法按时
  •     6.2.3. 室内化学分析
  •     6.2.4. 数据分析
  •   6.3. 结果
  •     6.3.1. 环境因子季节动态
  •     6.3.2. 碳氮及其活性组分的季节动态
  •   6.4. 讨论
  •     6.4.1. 环境因子
  •     6.4.2. 土壤活性碳氮库
  •   6.5. 小结
  • 7. 研究结论与展望
  •   7.1. 研究创新点
  •   7.2. 研究结论
  •   7.3. 研究展望
  • 8. 参考文献
  • 个人简介
  • 导师简介
  • 成果目录
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 马俊勇

    导师: 韩海荣

    关键词: 森林经营措施,土壤碳库,活性有机碳组分,环境因子

    来源: 北京林业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,农业科技

    专业: 自然地理学和测绘学,农业基础科学,林业

    单位: 北京林业大学

    基金: 国家重点研发项目“经营措施对人工林地力的影响机制”(2016YFD0600205),国家林业公益性行业科研专项“华北典型山地森林景观格局优化关键技术研究”(201404213)

    分类号: S714

    DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000111

    总页数: 119

    文件大小: 9318K

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