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《安徽农业大学》 2015年
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杉木人工林生产力与碳氮动态特点

谢昕云  
【摘要】:杉木(Cunninghamia lanceolata)是中国特有速生用材林树种,本研究以安徽大别山区杉木人工林为研究对象,采用生物量收获法测定了18株标准木生物量,拟合生物量估算优选模型。同时,选择杉木人工幼林开展氮添加试验,对杉木人工林生产力和土壤碳氮动态对N添加的响应进行了深入的研究。筛选出安徽大别山区不分林龄的估算杉木各器官生物量和单木生物量的最优模型,其中叶生物量最优估算模型是多项式形式:W=a+b D~2+c D~4,其他均为幂函数:W=a D~b,模型拟合效果顺序为干全株根枝;杉木人工林各器官生物量的最优模型是以D或D~2为自变量的,具有一定的通用性,可适用于估算不同林龄的杉木人工林生物量。10-50年生杉木人工林乔木层生物量在117.24~392.47 t·hm~(-2)之间,其碳储量在59.39 t·hm~(-2)和201.25 t·hm~(-2)之间。碳储量分配随林龄的不同有所变化,树干碳储量占乔木层碳量的58.68%~60.15%,随着林龄变化波动不大,其他组分碳储量的分配随林龄增长变化相对较大。10、22年生乔木层各组分碳储量的高低为树干树枝树根树叶,45-50年生乔木层各组分碳储量高低为树干树根树枝树叶。不同林龄林分的地表凋落物碳储量大小为:成熟林(12.47 t·hm~(-2)近熟林(11.93 t·hm~(-2)过熟林(9.76 t·hm~(-2)中幼林(7.21 t·hm~(-2))。林地0~50 cm土壤层的碳储量大小为:过熟林(108.04 t·hm~(-2)成熟林(98.22 t·hm~(-2)近熟林(67.02t·hm~(-2)中幼林(62.28 t·hm~(-2))。杉木人工林生态系统碳储量随着林龄的增高而增长,在近熟林到成熟林阶段增长最为迅速。N添加对杉木人工林生长及碳氮动态有一定影响。林分胸径生长对N添加的响应较为缓慢,林分平均胸径年生长量提高幅度不大。但是,N添加对土壤养分状况影响较为明显。N添加林分0~30 cm土壤有机碳(SOC)含量高于对照,而30-50 cm土层,两者SOC含量很接近,没有明显差异。N添加林分土壤溶解性有机碳(DOC)和氮(DON)含量均高于对照林分,但两者差异不显著,而且N添加对DOC、DON含量的季节变化也没有显著的影响。DOC、DON含量随土层深度的增加而减少,土层深度对DOC、DON含量有显著影响(p0.05)。土壤微生物量碳(MBC)和氮(MBN)含量随土层深度增加显著降低,并具有显著的季节变化特征,其变化趋势,N添加林分与对照林分相似,0~30 cm土层MBC含量在夏季最高,秋季最低;0~10 cm土层MBN含量在春季和夏季较高,秋季最低;10~30 cm土层MBN含量冬季最低。土壤MBC与NH_4~+-N、NO_3~--N、全P、全N呈显著正相关;MBN与NH_4~+-N、NO_3~--N、全P、全N呈显著正相关,与含水率呈显著负相关。DOC与NH_4~+-N、全P、全N呈显著正相关,与含水率、全Mg呈显著负相关,与Ca呈负相关;DON与NH_4~+-N、NO_3~--N、全P、全N呈显著正相关,与全Mg呈显著负相关,与含水率、p H、EC、全Ca呈负相关。N添加林分0~30 cm土层铵态氮和硝态氮含量均高于对照林分,并且随着时间的变化,两者差异增大。对照林分的土壤硝态氮含量一直保持较低的水平。说明N添加林分土壤硝化作用较强,有效氮以硝态氮形式存在较多。在0~20 cm土层中,N添加林分的氨化、硝化、矿化速,率均高于对照林分。两种处理林分内,矿化速率均在2014年5-7月达到全年最高值,在2013年10~12月两种处理矿化速率差异最显著。硝化速率在两种处理林分中的差异性大于铵态氮。N添加林分与对照林分的土壤呼吸速率季节变化、日变化趋势相似。土壤呼吸速率日变化在春季、夏季呈现明显的波动趋势,而秋季和冬季土壤呼吸速率保持在较低的水平,日变化平稳,没有明显的峰值。土壤呼吸速率变化范围在0.19~3.09μmol·m~(-2)·s~(-1)之间,夏季日平均土壤呼吸速率最高,冬季最低。N添加林分土壤呼吸速率日均值在0.29~1.91μmol·m~(-2)·s~(-1)之间,对照林分在0.24~1.76μmol·m~(-2)·s~(-1)之间,春、夏季两者间差异显著,而秋、冬季差异不明显。N、P、K、Ca、Mg在杉木各组分的含量有较大差异,树叶树枝树根树干。树叶各养分含量均较高,树干养分含量最低。树叶中各养分含量大小依次为:NCaKMgP;树枝各元素含量;为:CaKNMgP;树干各元素含量大小为CaNKMgP;树根各养分含量大小为:NKMgCaP。林下植被中N、P、K含量均高于杉木各器官中含量。营养元素总含量的变化范围为26.80~57.94 g·kg~(-1),高于杉木的9.37~36.36 g·kg~(-1)。林下植被N含量12.32~21.94 g·kg~(-1),平均值为17.33 g·kg~(-1);P含量0.74~1.87 g·kg~(-1),平均值为1.37 g·kg~(-1);K含量9.58~23.31 g·kg~(-1),平均值为16.23 g·kg~(-1);Ca含量0.64~4.41g·kg~(-1),平均值为2.44 g·kg~(-1);Mg含量3.52~8.33 g·kg~(-1),平均值为6.22 g·kg~(-1)。
【关键词】:杉木人工林 生物量模型 碳储量 氮添加 氮素矿化 土壤呼吸
【学位授予单位】:安徽农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S791.27
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-17
  • 主要符号表17-18
  • 1 文献综述18-27
  • 1.1 森林生物量和生产力的国内外研究进展18-19
  • 1.2 森林生物量碳储的研究进展19-20
  • 1.3 森林土壤碳库的国内外研究现状20-27
  • 1.3.1 土壤碳库组成21
  • 1.3.2 土壤碳库及其组成的影响因素21-23
  • 1.3.2.1 林业措施22
  • 1.3.2.2 气候条件22-23
  • 1.3.2.3 土壤质地23
  • 1.3.3 土壤有机碳库组成23-24
  • 1.3.4 土壤活性碳库24-25
  • 1.3.5 土壤呼吸25-27
  • 2 研究目的和意义27-29
  • 3 研究方法29-34
  • 3.1 样地概况29-30
  • 3.2 技术路线30-31
  • 3.3 样地调查31
  • 3.4 杉木生物量测定31
  • 3.5 土壤呼吸的测定31-32
  • 3.6 施肥试验32
  • 3.7 氮素矿化速率测定32
  • 3.8 理化分析32-33
  • 3.9 碳储量计算33
  • 3.10 数据分析33-34
  • 4 不同林龄杉木人工林生物量及碳储量34-48
  • 4.1 杉木人工林生物量及其分配34-40
  • 4.1.1 不同林龄杉木人工林林分结构特征34-35
  • 4.1.2 杉木人工林生物量估算模型35-38
  • 4.1.3 杉木人工林各组分生物量38-40
  • 4.2 杉木人工林植被层碳含量特征40-43
  • 4.2.1 杉木各器官碳含量的时空变异40-41
  • 4.2.2 杉木各器官碳储量41-42
  • 4.2.3 杉木人工林碳固持特点42-43
  • 4.3 不同林龄杉木人工林土壤碳储量43-45
  • 4.3.1 不同林龄杉木人工林土壤有机碳含量变化特点43-44
  • 4.3.2 不同林龄杉木人工林土壤碳储量44-45
  • 4.4 小结45-48
  • 4.4.1 杉木人工林生物量模型45-46
  • 4.4.2 杉木人工林碳储量46
  • 4.4.3 杉木人工林固碳潜力46-48
  • 5 氮添加对杉木人工林生长及土壤特性的影响48-56
  • 5.1 试验林分结构特征48-49
  • 5.2 试验林土壤养分特征49-52
  • 5.2.1 氮添加对土壤含水量、容重及p H、EC值的影响49-50
  • 5.2.2 氮添加对杉木人工林土壤养分的影响50-51
  • 5.2.3 土壤主要养分相关关系51-52
  • 5.3 氮添加对杉木人工林生长的影响52-54
  • 5.3.1 杉木人工林生长特征52-54
  • 5.3.2 杉木人工林生长与土壤养分相关性54
  • 5.4 小结54-56
  • 5.4.1 氮添加对杉木人工林养分特征的影响54-55
  • 5.4.2 氮添加对杉木人工林生长的影响55-56
  • 6 杉木人工林土壤碳氮动态特征及其对氮添加的响应56-82
  • 6.1 杉木人工林土壤有机碳56-59
  • 6.1.1 土壤有机碳含量56-57
  • 6.1.2 土壤有机碳密度57-59
  • 6.2 杉木人工林土壤活性碳氮59-67
  • 6.2.1 土壤DOC、DON的含量59-60
  • 6.2.2 土壤DOC含量季节动态60-61
  • 6.2.3 土壤DON含量季节动态61-63
  • 6.2.4 土壤MBC、MBN季节动态63-66
  • 6.2.5 土壤活性碳氮与土壤因子的相关性66-67
  • 6.3 杉木人工林土壤有效氮与氮素矿化67-76
  • 6.3.1 土壤氨态氮67-68
  • 6.3.2 土壤硝态氮68-70
  • 6.3.3 土壤有效氮70-72
  • 6.3.4 土壤氮素矿化72-76
  • 6.3.4.1 土壤净氨化速率72-73
  • 6.3.4.2 土壤净硝化速率73-74
  • 6.3.4.3 土壤氮素净矿化74-75
  • 6.3.4.4 土壤氮素年平均转化速率75
  • 6.3.4.5 土壤氮素矿化速率影响因素75-76
  • 6.4 杉木林土壤呼吸76-80
  • 6.4.1 土壤呼吸日变化及季节动态76-79
  • 6.4.2 温度对土壤呼吸的影响79-80
  • 6.5 小结80-82
  • 6.5.1 土壤有机碳及有机碳密度80
  • 6.5.2 土壤活性碳氮及其影响因素80-81
  • 6.5.3 土壤氮素转化及其氮有效性81
  • 6.5.4 土壤呼吸81-82
  • 7 杉木人工林生物量养分蓄积特征82-87
  • 7.1 杉木人工林各器官养分分布特征82-83
  • 7.1.1 杉木人工林各器官养分含量82-83
  • 7.1.2 杉木人工林地上与地下部分养分关系83
  • 7.2 杉木人工林林下地被物养分特征83-86
  • 7.3 小结86-87
  • 8 综合讨论与结论87-92
  • 8.1 杉木人工林生物量模型87
  • 8.2 杉木人工林碳储量及固碳潜力87-88
  • 8.3 氮添加对杉木人工林生长及其碳氮动态的影响88-89
  • 8.4 氮添加对氮素矿化及土壤呼吸的影响89-90
  • 8.5 主要研究结果90-91
  • 8.6 研究创新点91-92
  • 参考文献92-110
  • 致谢110-111
  • 作者简介111-112
  • 在读期间发表的论文112

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