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亚热带北缘毛竹林群落生产力、有机碳及养分动态

作　者: 刘西军
导　师: 徐小牛
学　校: 安徽农业大学
专　业: 森林培育
关键词: 亚热带北缘 毛竹林 生物量 碳贮量 养分动态 经营措施
分类号: S718.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


毛竹(Phyllostachys pubescens)是我国南方重要的森林资源,生长快,经营周期长,具有巨大的固碳能力。本文选取毛竹林为研究对象,通过样地调查与分析、野外定点观测、室内测定等研究亚热带北缘毛竹林群落生产力、有机碳和养分动态特征及其经营措施的影响,以揭示在全球变化背景下,亚热带北缘毛竹林生长、碳循环以及养分平衡关系。主要研究结果如下：(1)毛竹林立竹密度为2711～3956株·hm-2；立竹度为0.33-0.64；平均眉径10.12cm,径级结构尚不合理,集中在9～15cm；平均高13.8-21.6m；毛竹林立竹整齐度都大于7,竹林很整齐；立竹均匀度为5.51,达到均匀竹林的水平；叶面积指数在5.01-13.14之间,样地1和样地3已达到丰产林水平,但年龄结构不合理,Ⅰ度和Ⅳ度以上毛竹比例偏大。(2)毛竹单株生物量在6.99～56.89kg之间,地上部分占90%以上,随年龄增大先增加后减小(Ⅲ度以后),随径阶增大而增加。毛竹林分平均生物量为89.83t·hm-2,样地3的生物量最高,达到127.19t·hm-2；毛竹各器官生物量的大小排序为竹秆>竹枝>竹根>竹叶,各器官及单株生物量分别与眉径、株高间达到了极显著相关(p<0.01),并建立了相关方程。(3)毛竹各器官含碳率排序为竹根(50.76%)>竹秆(49.44%)>竹枝(46.07%)>竹叶(41.71%),幼年期较稳定,老竹(3度以上)间差异显著(p<0.05)。未经营毛竹林碳贮量45.84tC·hm-2,而经营后的毛竹林碳贮量在63.66～101.11tC.hm-2。竹秆碳贮量占毛竹林碳贮量的78.22%,竹枝10.57%,竹根6.35%和竹叶4.87%；毛竹不同部位的营养元素含量存在着明显差异,叶、枝、秆和根中的N和K较多,P和Ca较少,但叶中Ca较多,而N、P、Ca、Mg元素含量叶>秆>枝>根；随年龄增加,不同器官中的钾含量降低,氮、磷与镁含量上下波动,钙含量相对稳定,且不同器官中的N、P、K、Ca、Mg元素间达到了显著(p<0.05)或极显著水平(p<0.01)。(4)毛竹林年凋落物量为2.95～4.61t·hm-2·a-1,集中在4～5月份,呈单峰型,月份间凋落物量差异显著(p<0.05)；凋落物含碳率为32.93%～48.75%,凋落物碳年输入量以对照样地(1.85t·hm-2·a-1)最高,在4～5月份形成单峰值；凋落物中养分含量排序均为N>Ca>K>P>Mg,存在明显的季节变化。(5)毛竹林土壤有机碳含量为21.61～42.30g·kg-1,上下层土壤DOC含量分别为0.15～0.17g·kg-1和0.11～0.15g·kg-1,均随土壤剖面深度增加而降低,变异系数分别为17.92%～26.10%和81.36%～150.26%,土层间有机碳含量均达到了显著差异水平(p<0.05),DOC均未达到显著差异(p>0.05)；土壤有机碳和DOC含量的月变化均呈波浪形,变化趋势大致相同。毛竹林土壤呼吸日变化为较平缓的单峰曲线,峰值出现在14：00；存在明显的季节变化,月平均土壤呼吸变幅在0.5～5.12μmol CO2·m-2·s-1之间,不同月份间均差异显著(p<0.05)；土壤呼吸速率与温度(t)成正相关,与湿度(w,0～20cm土壤)成负相关,土壤呼吸强度(Y)与二者的指数关系式为：Y1=0.0615×e0.2374t(R2=0.8324)；Y0=9.8065×e-0.0449w(R2=0.8248)(6)毛竹林土壤pH为4.62～6.89,上层(0～20cm)小于下层(20～40cm),变异系数27.81%～62.02%,仅样地3显著差异(p<0.05)；EC值为37～463μS·cm-1,上下层变异系数为4.04%～8.39%,差异均不显著(p>0.05)；上下层土壤有机质含量分别为54.64～72.92g·kg-1和37.26～50.80g·kg-1,上层均高于下层,变异系数为17.92%～26.10%,均达到了极显著差异水平(p<0.01)；上下层土壤全氮含量为0.74～4.64g·kg--和0.41～4.56g·kg-1,变异系数为22.17～46.22%,且在样地1、样地4中差异显著(p<0.05)；上下层土壤铵态氮含量为3.27-4.00g·kg-1和2.33～3.71g·kg-1,硝态氮含量2.29～6.81g·kg-1和2.00～4.35g·kg-1,上层均高于下层,但差异不显著(p>0.05)；上下层土壤全磷含量为0.05～2.68g·kg-1和0.02～2.39g·kg-1,上下层土壤速效磷含量为0.80～13.66mg·kg-1和(?)0.12～6.34mg·kg-1,上层土壤全磷和速效磷含量均高于下层,变异系数为49.53%～100.18%和40.80%～76.11%,上下层土壤全磷含量差异不显著(p>0.05)；土壤钾、钙、镁含量分别为0.52～8.58g·kg-1、0.07～4.15g·kg-1和0.63～3.69g·kg-1,变异系数分别为41.17%～53.43%、28.49%～55.58%和44.36%～50.47%,但均无显著差异(p>0.05)。毛竹林上下层土壤pH、EC值随时间先升高后降低再升高；土壤有机质先降低后升高又降低；全氮含量在秋季(8、9、10月份)相对较低,其他时间相对较高；上层土壤铵态氮含量以春季后期最高,秋冬季最低,下层则以夏季最高,其他三季较低；上下层土壤硝态氮含量均是春季前期最高,秋季较高,其他月份较低；上下两层土壤全磷和速效磷含量均是秋季较高,冬季次之,春夏季较低；钾、钙和镁含量均是1、9、10月份含量较低,其他月份含量较高。毛竹根际土(取样时间为10月份)的pH值、全氮含量小于非根际土；EC值、全磷、速效磷、钾、钙、镁以及有机质含量均高于非根际土,且毛竹根际土养分含量有随毛竹年龄先增加后减小的趋势。(7)毛竹林原位土壤培养的净DOC转化速率在秋冬季多为负值,春夏季多为正值；两层土壤净DOC转化速率的峰值均出现在8～9月份,趋势相似,大小相近；净氨化速率在2009年的秋冬季和2010年的春夏季多为负值,2010年的秋冬季则多为正值,下层土壤要比上层土壤净氨化速率要大；净硝化速率与净氨化速率相反,峰值出现在5-8月份,上层土壤净硝化速率比下层大；上下层土壤净矿化速率的变化规律基本一致,多为正值,峰值出现在5-8月份,土壤矿化以硝化作用为主；各样地两层土壤的年平均氨化速率基本为负值,而年平均硝化速率和年平均矿化速率均为正值；土壤的净氨化速率与土壤的pH值呈极显著正相关(p<0.01),与温度、铵态氮含量呈极显著负相关(p<0.01)；净硝化速率与铵态氮含量呈极显著正相关(p<0.01)；净矿化速率与土壤物理因子呈显著相关性。(8)毛竹秆茎流率为3.99%～23.44%,穿透率为22.65%～105.71%。不同年龄毛竹的秆茎流量不存在显著差异(p>0.05)；林外雨、秆茎流和穿透雨均呈酸性,秆茎流酸性最强,分别与林外雨和穿透雨呈极显著差异(p<0.01)；电导率以穿透雨最高,林外雨最小,且穿透雨的电导率分别与秆茎流、林外雨的电导率达到极显著差异(p<0.01)；林外雨中的养分元素浓度差异较大,Ca> K> N>Mg> P,钙年输入量为67.98kg·hm-2,磷年输入量仅为0.12kg·hm-2;秆茎流的营养元素浓度明显低于穿透雨,以K和Ca减少最明显；除秆茎流中Ca外,二者中的其他元素浓度均高于林外雨：秆茎流和穿透雨中营养元素浓度排序为K>Ca>NO3--N>NH4+-N>Mg>P;秆茎流养分年输入量很小,穿透雨养分年输入量除钙外均最高,而毛竹林降水的养分年净输入量以氮最高,13.03kg-hm-2,磷为0.06kg·hm-2,钙为负值,营养元素浓度存在明显的季节变化；不同年龄的毛竹秆茎流的年养分平均含量差异不显著(p>0.05)；不同降雨时间的秆茎流、穿透雨和大气降雨中养分含量存在显著(p<0.05)或极显著差异(p<0.01),特别是秋季以后降水中输入的养分减少；降水中的养分元素与降水量存在着明显的相关性。(9)经营后,毛竹林的立竹密度、立竹度、平均眉径、平均高分别增加了32.9%～94.9%、34.5%～80.7%、20.4%～52.8%和23.1%～58.8%,经营措施明显提高了密度、立竹度、叶面积和上层土壤碳氮比,施肥和埋青增加了毛竹林生物量、碳贮量以及上层土壤硝态氮含量和5月份土壤全氮含量,且随抚育措施种类增多,叶面积指数和秆茎流量增大,碳贮量也达到了101.11tC·hm-2；经营措施降低了上层土壤有机质、全氮、铵态氮含量毛竹林年凋落物量、秆茎流量、毛竹林凋落物养分含量、年碳输入量和月碳输入量,且经营措施越多,上层土壤铵态氮含量越小,但对土壤pH值、EC值、全磷、速效磷、钾、钙、镁含量、土壤净DOC转化速率、净氨化速率、土壤净硝化速率、穿透雨量、秆茎流与穿透雨的养分含量等影响均不明显,因此,施肥、埋青等经营措施能够有效提高毛竹林群落生产力和碳贮量。

全文目录


摘要  5-8
Abstract  8-24
1 文献综述  24-36
  1.1 毛竹的生理特征及生长特性的研究动态  25-27
    1.1.1 生理特征  25
    1.1.2 生长条件  25-26
    1.1.3 生长规律  26-27
  1.2 毛竹丰产栽培技术研究进展  27-28
    1.2.1 垦复整地  27
    1.2.2 林下套种及混交  27
    1.2.3 施肥与埋青  27-28
    1.2.4 其他措施  28
  1.3 毛竹林群落结构研究进展  28-30
    1.3.1 毛竹林地上结构  29-30
    1.3.2 毛竹林地下结构  30
  1.4 毛竹林养分研究进展  30-31
  1.5 毛竹林生物量与生产力研究进展  31-32
  1.6 毛竹林生态系统碳贮量研究进展  32-34
  1.7 毛竹林土壤呼吸与碳平衡研究进展  34
  1.8 毛竹林水文功能研究进展  34-36
2 研究目的、意义  36-37
3 研究方法  37-42
  3.1 试验地概况  37-38
  3.2 技术路线  38-39
  3.3 研究方法  39-42
    3.3.1 毛竹林生物量研究  39
    3.3.2 毛竹林碳贮(通)量研究  39-40
    3.3.3 毛竹林养分特征研究  40-41
    3.3.4 数据计算与分析  41-42
4 毛竹林分结构特点、生物量有机碳和养分储量  42-59
  4.1 毛竹林分结构特征  42-47
    4.1.1 立竹密度  42-43
    4.1.2 立竹眉径  43-44
    4.1.3 立竹年龄结构  44-46
    4.1.4 整齐度  46
    4.1.5 立竹均匀度  46
    4.1.6 叶面积指数  46-47
  4.2 毛竹林生物量特征  47-51
    4.2.1 毛竹各器官含水率差异  47
    4.2.2 毛竹生物量分配  47-49
    4.2.3 毛竹单株及林分生物量  49-50
    4.2.4 各器官生物量与眉径、株高的相关性分析  50-51
  4.3 毛竹林碳贮量  51-53
    4.3.1 毛竹各器官含碳量  51-52
    4.3.2 毛竹林碳贮量  52-53
  4.4 毛竹植株养分分布特征  53-56
    4.4.1 毛竹不同部位营养元素含量分析  54-55
    4.4.2 毛竹各器官营养元素相互关系分析  55-56
  4.5 小结与讨论  56-59
    4.5.1 毛竹林分结构特征  56-57
    4.5.2 毛竹林生物量  57
    4.5.3 毛竹林碳贮量  57-58
    4.5.4 毛竹养分含量  58-59
5 毛竹林凋落物和降雨的有机碳和养分通量  59-78
  5.1 毛竹凋落物量  59-60
    5.1.1 不同样地毛竹凋落物总量  59-60
    5.1.2 毛竹林凋落物量的动态变化  60
  5.2 毛竹林凋落物的碳输入量  60-62
  5.3 凋落物养分动态  62-63
  5.4 林内穿透雨及树干径流  63-75
    5.4.1 不同经营措施下毛竹秆茎流量与穿透雨量  63-65
    5.4.2 不同年龄毛竹竹秆茎流差异  65-66
    5.4.3 毛竹林降雨分配特征  66-67
    5.4.4 毛竹林雨水的养分特征  67-74
    5.4.5 雨水量与养分含量的关系  74-75
  5.5 小结  75-78
    5.5.1 毛竹凋落物量  75
    5.5.2 毛竹林凋落物碳输入量  75
    5.5.3 毛竹凋落物养分含量  75-76
    5.5.4 毛竹林水文特征  76-78
6 毛竹林土壤氮矿化特性、有机碳和养分储量特点  78-108
  6.1 毛竹林土壤氮素矿化  78-82
  6.2 毛竹林土壤有机碳贮量  82-86
    6.2.1 毛竹林土壤有机碳含量  83-85
    6.2.2 土壤可溶性有机碳(DOC)含量  85-86
  6.3 毛竹林土壤碳通量(土壤呼吸)  86-89
    6.3.1 土壤温湿度的比较  86-87
    6.3.2 土壤呼吸速率的日变化  87-88
    6.3.3 土壤呼吸速率的季节变化  88-89
    6.3.4 土壤呼吸速率与温湿度的关系  89
  6.4 毛竹土壤养分及变化  89-104
    6.4.1 土壤养分动态  89-103
    6.4.2 毛竹根际土壤养分特征  103-104
  6.5 小结  104-108
    6.5.1 毛竹林土壤氮素矿化  104-105
    6.5.2 毛竹林土壤有机碳贮量  105
    6.5.3 毛竹林土壤碳通量  105-106
    6.5.4 毛竹林土壤养分  106-108
7 综合讨论  108-113
  7.1 亚热带北缘毛竹林林分结构、生物量及碳氮循环特征  108-110
  7.2 毛竹适应土壤低磷的机制  110-111
  7.3 经营措施对毛竹林的影响  111-113
8 创新点  113-114
9 结论  114-118
  9.1 毛竹林分结构特征  114
  9.2 毛竹林生物量  114
  9.3 毛竹林碳贮量  114-115
  9.4 毛竹林养分特征  115
  9.5 毛竹林凋落物碳及养分  115
  9.6 毛竹林水文特征  115-116
  9.7 毛竹林土壤氮素矿化  116
  9.8 毛竹林土壤碳及养分  116-118
参考文献  118-138
致谢  138-139
作者简介  139
在读期间发表的论文  139

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