南亚热带格木、马尾松幼龄纯林及其混交林碳氮特征研究

【摘要】人工林正逐步成为世界森林资源的关键组分，并在整个森林可持续经营管理过程中发挥着重要作用。然而，长期以来为了片面追求经济效益，国内外人工林都存在诸如生物多样性丧失，土壤肥力退化，生态系统稳定性降低等问题。在我国亚热带，为减少低效人工林带来的负面影响，促进人工林的多目标经营，提高人工林的生态功能和经济价值，许多乡土珍贵阔叶树种(包括固氮树种)逐渐被用于亚热带人工林营建的生产实践中。有关该地区不同森林经营措施对人工林影响的研究主要集中在林分生产力的经济效益方面。然而，由于不同人工林的凋落叶、根系的数量和质量以及冠层结构等的差异都将导致土壤环境特征、理化性质，以及土壤生物化学过程的不同。因此，从生态功能的角度深入探索不同营林模式对人工林生态系统碳氮特征的影响变得十分必要。全球CO2浓度和温度升高、氮沉降、物候变化和干旱胁迫等都可能导致森林枯落物输入量发生变化，因此，在研究森林土壤碳氮动态变化过程中考虑枯落物输入改变的影响变得非常重要。为此，本研究在南亚热带的广西壮族自治区凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心选取了林龄相同、立地条件相似、位置邻近的三种幼龄人工林类型[格木(Erythrophleumfordii)纯林、马尾松(Pinusmassoniana)纯林、格木与马尾松混交林]为研究对象，同时结合凋落物输入的控制实验，主要采用常规理化分析法、气压过程分离技术(BaPS)和磷脂脂肪酸技术(PLFA)，研究了：1)不同树种人工林生态系统碳氮储量及其空间分布特征；2)不同树种人工林土壤呼吸和总硝化速率以及微生物群落结构的季节变异；3)人工林土壤呼吸和总硝化速率以及微生物群落结构对凋落物输入改变的响应；4)环境因子与土壤呼吸和总硝化速率之间的相关关系，以期为南亚热带人工林经营过程中的树种选择及合理的营林方式提供数据参考和科学依据。主要研究结果如下：(1)格木、马尾松幼龄纯林及马尾松与格木混交林生态系统碳氮储量存在差异。格木、混交林和马尾松人工林生态系统总碳储量分别为134.07thm-2、137.75thm-2和131.10thm-2，总氮储量则分别为10.19thm-2、8.68thm-2和7.01thm-2。三种人工林生态系统碳氮库空间分布基本一致，绝大部分碳氮储存于0～100cm土壤层，平均分别占生态系统总碳和氮储量的81.49%和96.91%，其次为乔木层(分别占17.52%和2.69%)，林下植被和凋落物层所占比例最小。林地土壤碳主要集中于表土层，其中，0～30cm土层平均碳储量为52.52thm-2，占土壤总碳储量(0～100cm)的47.99%，土壤氮的分布则无明显规律。相比于纯林，与固氮树种混交的营林方式表现出更大的碳储存能力。同时，三种幼龄人工林生态系统较低的地上与地下部分碳氮分配比，表明其仍具有较强的碳氮固持潜力。(2)三种人工林土壤呼吸和总硝化速率均呈现明显的季节变异(p<0.05)，具体表现为，土壤呼吸和总硝化速率从2012年9月到2013年1月的旱季下降至最低值(平均分别为2.63mgCkg-1SDWd-1和0.34mgNkg-1SDWd-1)，然后持续升高直到2013年7月的雨季(平均分别为22.44mgCkg-1SDWd-1和1.23mgNkg-1SDWd-1)。土壤呼吸和总硝化速率与土壤温度和湿度之间存在显著相关关系(p<0.05)，表明土壤温度和湿度是影响土壤呼吸和总硝化速率的关键环境因子。土壤全氮、铵态氮和硝态氮与土壤呼吸和总硝化速率也呈显著相关关系(p<0.05)，这表明土壤碳氮转化作用在受土壤微环境条件影响的同时，还受土壤其它环境因子的综合影响。不同人工林中，格木人工林土壤呼吸和总硝化速率显著高于混交林和马尾松林(p<0.05)，这主要归因于树种生物学特性的差异，阔叶固氮树种格木较高的凋落叶和细根生物量和质量以及较快的分解速率使得林地土壤养分和底物有效性高于其它两种人工林。与其它研究结果对比表明，土壤呼吸和总硝化速率，以及Q10值均可能因植被类型、立地质量、林龄或气候带的不同而有差异。(3)三种人工林旱季平均土壤微生物PLFAs总量、细菌PLFAs量、真菌PLFAs量、放线菌PLFAs量及丛枝菌根真菌PLFAs量分别比雨季高170.1%、182.1%、152.1%、232.5%和185.2%(p<0.05)。不同人工林中，马尾松林旱季土壤微生物的PLFAs总量、细菌PLFAs量、真菌PLFAs量、放线菌PLFAs量均最高，混交林次之，格木林最低；而雨季格木人工林土壤微生物的PLFAs总量、细菌PLFAs量、真菌PLFAs量、丛枝菌根真菌PLFAs量显著高于马尾松林(p<0.05)。主成分分析结果表明，土壤微生物群落结构组成受林分类型和季节的双重影响。冗余分析表明，土壤温湿度、pH值、全氮及铵态氮含量与单个特征磷脂脂肪酸之间呈显著相关关系(p<0.05)，这表明不同人工林营建改变了土壤微环境条件、凋落叶和根系基质数量和质量，以及土壤的理化性质，特别是土壤氮含量，从而进一步直接或间接驱动土壤微生物群落结构的改变。此外，全年(旱季和雨季)水平上，混交林土壤真菌/细菌比(分别为0.27和0.31)始终高于马尾松林(分别为0.26和0.28)和格木林(分别为0.22和0.26)(p<0.05)，表明格木与马尾松混交更有利于提高土壤生态系统的稳定性。(4)不同枯落物处理格木和马尾松土壤呼吸和总硝化速率均呈现明显的季节变异，雨季格木和马尾松土壤呼吸速率平均分别是旱季的7.12倍和6.07倍；雨季土壤总硝化速率则分别是旱季的3.37倍和3.89倍。枯落物处理实验前期(2012年9月和11月)，两种林分土壤呼吸和总硝化速率随枯落物的增厚而减小，主要因不同林地土壤温度而引起。随着枯落物处理时间延长至2013年，土壤呼吸和总硝化速率随枯落物增厚而增加，主要与土壤养分和可利用底物有效性有关。与对照相比，凋落物去除处理的格木和马尾松土壤呼吸分别平均降低3.59%和2.68%，凋落物添加处理则分别平均提高14.08%和26.54%；凋落物去除处理的格木和马尾松土壤总硝化分别平均降低11.52%和17.67%，凋落物添加处理则分别平均升高9.69%和2.22%。相关分析结果表明，两种林分土壤呼吸和总硝化速率均受土壤温度、湿度、全氮、铵态氮和硝态氮等多种环境因子的综合影响。不同枯落物输入在影响土壤微环境特征的同时，也驱动其微生物群落结构发生变异。冗余分析表明，格木土壤微生物群落结构主要受土壤温度和铵态氮含量的影响，而土壤温度和硝态氮含量则是影响马尾松土壤微生物群落结构最主要的环境因子，这表明不同人工林类型中影响土壤微生物群落结构的环境因子不同。微生物作为土壤养分循环的关键驱动者，其对枯落物输入改变的响应将影响土壤碳氮转化速率。相关分析表明，无论是枯落物去除或是添加处理，大部分微生物特征PLFAs对土壤碳氮转化作用有显著影响。
【作者】罗达；
【导师】史作民；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，生态学，2014，博士
【关键词】碳氮储量；土壤呼吸；土壤总硝化；微生物群落结构；气压过程分离技术；磷脂脂肪酸；凋落物输入；人工林；南亚热带；

【参考文献】
[1]鹿颜.茶叶卷烟及品质的研究[D].四川农业大学,茶学,2012,硕士.
[2]张杰群.肾茶及迷迭香酸对三聚氰胺和三聚氰酸联合致小鼠肾结石的作用[D].福建医科大学,内科学,2014,硕士.
[3]刘玉莲.WEB信息搜集系统设计与实现的研究[D].哈尔滨工程大学,2003.
[4]张倢.新型喹诺酮类抗菌药西他沙星注射剂临床前初步研究[D].苏州大学,药剂学,2014,硕士.
[5]王彩君.沈阳市铁路废弃地再生空间设计途径研究[D].西安建筑科技大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[6]郑华.基于XML和JAVA的异构数据库集成中间件系统的研究和实现[D].广西大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[7]陈新宇.给药条件下表皮生长因子对萎缩性胃炎逆转作用研究[D].浙江大学,2003.
[8]李海龙.翼点入路对基底动脉分叉部的显微解剖研究[D].桂林医学院,外科学,2012,硕士.
[9]马莹.城市群产业分工与要素集聚关系的实证分析[D].哈尔滨工业大学,国际贸易学,2014,硕士.
[10]明翠翠.张雪门幼儿教育思想及其当代意义[D].山东师范大学,学前教育学,2013,硕士.
[11]姚怡.可上楼梯的智能机器人设计与实现[D].北京邮电大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[12]邢勇军.大庆采油二厂特高含水期开发技术调整与研究[D].东北石油大学,石油与天然气工程（专业学位）,2013,硕士.
[13]邹四群.M水力发电企业运行成本管理研究[D].湖南师范大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[14]朱坤杰.整体CBN刀具高速切削淬硬高强度钢的机理研究[D].沈阳理工大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[15]潘鹤飞.连续鞅的一致可积性[D].河北工业大学,应用数学,2004,硕士.
[16]卢道琦.北方海区航海保障信息化发展策略研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[17]张剑冰.承德市居住区景观人性化设计研究[D].河北工程大学,建筑技术科学,2012,硕士.
[18]王敬渊.契约精神的导入与中国婚姻法的现代转型[D].吉林大学,法律,2012,硕士.
[19]刘欲燃.电力载波集中抄表器设计与开发[D].湖南大学,电子科学与技术,2012,硕士.
[20]张艾娇.稀土化合物催化合成磷（膦）酸酯和磷杂环戊烷的研究[D].苏州大学,有机化学,2013,硕士.
[21]任禾.《搜神记》中的救难故事研究[D].西南大学,中国古代文学,2014,硕士.
[22]严传鹏.基于图像处理的边坡位移检测方法研究[D].重庆交通大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[23]韩文才.公司社会责任、审计收费与审计意见[D].新疆财经大学,会计学,2013,硕士.
[24]沈熙磊.科学家发现最薄单层石墨烯或可制造芯片[J].半导体信息,2011,05:30-31.
[25]傅元.三峡库区城市滨江生态景观带的规划设计研究[D].西南大学,美术学,2013,硕士.
[26]夏巍巍.水平轴风力机尾流结构及其对风电场布局影响的研究[D].兰州理工大学,流体机械及工程,2014,硕士.
[27]孙群.改性Fe_3O_4磁性微球吸附DNA[D].中南民族大学,分析化学,2013,硕士.
[28]范鶄.脂环类二氨基甲酸甲酯和溴乙烷的催化合成研究[D].湖北大学,有机化学,2012,硕士.
[29]张涛.铰接式车辆转向稳定性特性分析[D].太原科技大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[30]张毅.捻转补泻手法对自发性高血压大鼠主动脉形态及P38/MAPK信号转导通路影响的机制研究[D].北京中医药大学,针灸推拿学,2013,硕士.
[31]辛耀中.2006年国际大电网会议系列报道(二)电力系统运行与控制技术新进展[J].电力系统自动化,2006,22:1-6.
[32]刘超群.互联网产业的税收问题研究[D].吉林财经大学,税收学（专业学位）,2014,硕士.
[33]发展中国家科学院院长演讲人白春礼.世界正处在新科技革命前夜[N].光明日报,2013-01-21005.
[34]郝惠男.γ-TiAl/TiO_2界面的电子结构及合金元素对其影响的第一性原理研究[D].首都师范大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[35]李岩.(TiO_x/G)_n薄膜及石墨烯量子点的制备与光电性质研究[D].华东师范大学,2014.
[36]黎伟麟.乡镇土地编制规划信息系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[37]贾淳.小组合作学习在独立学院英语听说课中的应用研究[D].华中师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[38]姜腾晖.功能对等理论指导下的商务宣传手册英译[D].湖南师范大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[39]陈婷婷.高压永磁自起动同步电动机实心转子三维温度场的计算与分析[D].哈尔滨理工大学,电机与电器,2012,硕士.
[40]孙丽.河北省普通高校高水平运动员培养现状调查[D].河北师范大学,运动训练,2014,硕士.
[41]程磊,朱全民,吴怀宇,王永骥,方华京.融合沿墙行为的多移动机器人有序化多模态群集运动控制[J].控制与决策,2011,03:477-480.
[42]黎贞君.我国欠发达地区居民食品安全认知与购买行为研究[D].西南交通大学,安全工程,2014,硕士.
[43]张路.锐孔法和复合凝聚法制备玉米肽微胶囊[D].吉林农业大学,粮食、油脂及植物蛋白工程,2012,硕士.
[44]刘福才,金书辉,赵晓娟.LC串联谐振和LCC串并联谐振在高压脉冲电容充电电源中的应用比较[J].高电压技术,2012,12:3347-3356.
[45]冯子芮.中国传统玉器中“结”饰的传承及文化意义[D].中国地质大学（北京）,设计艺术学,2014,硕士.
[46]彭丽.电力系统电压稳定与静态功角稳定分析方法研究[D].湖南大学,电气工程,2012,硕士.
[47]卢登琴.重污染行业环境信息披露与企业财务绩效的实证研究[D].重庆工商大学,会计学,2014,硕士.
[48]方勇杰.电力系统的自适应解列控制[J].电力系统自动化,2007,20:41-44+48.
[49]喻芳.子宫内膜癌中基质金属蛋白酶-9的表达及临床意义[D].南方医科大学,妇产科学,2012,硕士.
[50]吴雯.钢筋混凝土框架结构加固技术的研究与应用[D].西安工业大学,岩土工程,2014,硕士.