全球氣候變化正在改變?nèi)蚪邓窬?許多地區(qū)降水呈減少趨勢(shì)。這些變化將影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,其土壤碳過程對(duì)降水減少的響應(yīng)已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。但是,關(guān)于降水減少對(duì)土壤團(tuán)聚體這一有機(jī)碳最重要的物理保護(hù)因素的影響還缺乏科學(xué)認(rèn)識(shí)。人工林適應(yīng)性經(jīng)營(yíng)是積極應(yīng)對(duì)氣候變化的重要手段之一,辨識(shí)降水減少背景下人工林土壤團(tuán)聚體變化及其對(duì)有機(jī)碳的固持機(jī)制,有助于揭示土壤碳過程對(duì)降水減少的響應(yīng)與反饋機(jī)理,籍以提高人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能和制定適應(yīng)氣候變化的人工林經(jīng)營(yíng)策略。因此,本研究針對(duì)增強(qiáng)人工林土壤固碳功能,以降水減少如何影響不同人工林土壤團(tuán)聚體組成和有機(jī)碳分布作為關(guān)鍵科學(xué)問題,選取我國(guó)南亞熱帶具有代表性的馬尾松(Pinus massoniana)和紅椎(Castanopsis hystrix)兩種人工林生態(tài)系統(tǒng)作為研究對(duì)象,開展原位穿透雨減少的模擬降水減少試驗(yàn),通過定位觀測(cè)、土壤理化分析、室內(nèi)土壤礦化培養(yǎng)、微生物高通量測(cè)序等方法,綜合研究了干、濕季土壤理化性質(zhì)、團(tuán)聚體組成和有機(jī)碳分布、有機(jī)碳礦化、微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化規(guī)律,深入揭示了穿透雨減少對(duì)南亞熱帶不同人工林土壤和團(tuán)聚體總有機(jī)碳(TOC)及其活性組分(包括水溶性有機(jī)碳DOC、顆粒有機(jī)碳POC、易氧化有機(jī)碳EOC)分布的影響機(jī)制。主要研究結(jié)果和結(jié)論如下:(1)紅椎人工林的闊葉凋落物量、0-5 cm土層細(xì)根生物量、土壤TOC、DOC、POC、EOC含量顯著高于馬尾松人工林。對(duì)土壤有機(jī)碳含量有顯著影響的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及其貢獻(xiàn)率在兩個(gè)林分間均無顯著差異。凋落物輸入和團(tuán)聚體有機(jī)碳分布影響兩種人工林的土壤有機(jī)碳含量。(2)本研究設(shè)置的50%穿透雨減少處理顯著降低了表層土壤日均、日最高和日最低含水量。與對(duì)照相比,穿透雨減少處理顯著降低了馬尾松人工林全年、干季和濕季0-5cm土壤日均含水量,分別為14.5%、12.1%和16.9%;對(duì)應(yīng)紅椎人工林土壤表層含水量,分別降低了20.4%、20.1%和20.7%。穿透雨減少處理對(duì)0-5 cm土壤日均溫、日最高溫和日最低溫均無顯著影響。(3)與對(duì)照相比,試驗(yàn)處理4年后,穿透雨減少并未顯著改變南亞熱帶馬尾松和紅椎人工林地上部分總凋落物量及其主要組分的凋落物量,但在全年水平上,馬尾松人工林0-5 cm土層細(xì)根生物量增加了19.1%,紅椎人工林細(xì)根生物量降低了24.1%。在馬尾松人工林中,穿透雨減少顯著增加了干、濕季土壤EOC含量;EOC含量與細(xì)根生物量顯著正相關(guān)。在紅椎人工林中,穿透雨減少顯著降低了干季土壤DOC和濕季土壤EOC含量;DOC含量與細(xì)根生物量顯著正相關(guān),EOC含量與闊葉凋落物量和細(xì)根生物量顯著正相關(guān)。(4)與對(duì)照相比,穿透雨減少有使大團(tuán)聚體向小團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。馬尾松和紅椎人工林穿透雨減少處理后,土壤平均重量直徑(MWD)分別較對(duì)照降低了15.1%和16.0%。馬尾松人工林穿透雨減少處理后,0.106-0.25 mm團(tuán)聚體EOC含量及其貢獻(xiàn)率較對(duì)照顯著增加;紅椎人工林穿透雨減少處理后,0.106-0.5 mm團(tuán)聚體EOC含量較對(duì)照顯著下降,但該粒級(jí)團(tuán)聚體EOC貢獻(xiàn)率則顯著增加。在兩種人工林中,0.106-0.25 mm團(tuán)聚體EOC貢獻(xiàn)率均與土壤EOC含量顯著相關(guān)。因此,穿透雨減少改變0.106-0.25 mm團(tuán)聚體EOC含量及其貢獻(xiàn)率是穿透雨減少影響馬尾松和紅椎林土壤EOC含量的原因之一。(5)土壤和團(tuán)聚體有機(jī)碳的累積礦化量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的累積礦化量小于0.25 mm團(tuán)聚體。穿透雨減少只顯著影響干季馬尾松和干、濕季紅椎土壤的有機(jī)碳礦化特征和動(dòng)力學(xué)參數(shù),對(duì)干、濕季土壤有機(jī)碳的累積礦化量無顯著影響。對(duì)于馬尾松人工林,受土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、水分條件和土壤有機(jī)碳含量的影響,穿透雨減少抑制了干季土壤易礦化有機(jī)碳的礦化、促進(jìn)了難分解有機(jī)碳的分解。對(duì)于紅椎人工林,穿透雨減少有助于其干季土壤難礦化有機(jī)碳的積累和濕季0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的分解。(6)與對(duì)照相比,穿透雨減少顯著降低了干、濕季馬尾松人工林土壤的細(xì)菌豐度、干季馬尾松和紅椎人工林土壤的cbbL基因豐度。cbbL基因豐度影響紅椎人工林土壤DOC和EOC含量。穿透雨減少還顯著增加了濕季馬尾松人工林土壤真菌群落Shannon指數(shù),但對(duì)兩種人工林土壤真菌群落總豐度無顯著影響。研究區(qū)土壤細(xì)菌群落以酸桿菌門(Acidobacteria)最多。與對(duì)照相比,穿透雨減少顯著增加了馬尾松林土壤放線菌門(Actinobacteria)的相對(duì)豐度,降低了紅椎林土壤浮霉菌門(Planctomycetes)的相對(duì)豐度。浮霉菌門的相對(duì)豐度影響土壤POC、EOC含量。研究區(qū)土壤真菌群落以擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、子囊菌門(Ascomycota)、接合菌門(Zygomycota)為主。與對(duì)照相比,穿透雨減少顯著降低了馬尾松林土壤接合菌門的相對(duì)豐度。接合菌門受土壤溫濕度影響,并影響土壤MWD。細(xì)菌豐度的下降、土壤水分變化和游離氧化鋁含量下降共同導(dǎo)致了MWD的降低。(7)穿透雨減少對(duì)南亞熱帶人工林土壤TOC含量無顯著影響,對(duì)活性有機(jī)碳含量的影響由微團(tuán)聚體有機(jī)碳、土壤碳輸入、微生物豐度和有機(jī)碳礦化共同決定。在馬尾松人工林中,與對(duì)照相比,穿透雨減少通過增加0.106-0.25 mm團(tuán)聚體EOC貢獻(xiàn)率、細(xì)根生物量,降低易礦化有機(jī)碳的礦化速率,進(jìn)而增加了土壤EOC含量。在紅椎人工林中,與對(duì)照相比,穿透雨減少通過降低MWD、cbbL基因豐度、細(xì)根生物量,從而降低了干季土壤DOC含量;通過增加0.106-0.25 mm團(tuán)聚體EOC貢獻(xiàn)率,降低浮霉菌門的相對(duì)豐度、細(xì)根生物量,從而降低了濕季土壤EOC含量。本研究表明,穿透雨減少通過減少土壤表層水分、降低土壤游離氧化鋁含量、改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),顯著影響了土壤團(tuán)聚體組成,進(jìn)而降低了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。穿透雨減少增加了馬尾松林土壤活性有機(jī)碳含量,但降低了紅椎林土壤活性有機(jī)碳含量,上述影響主要受土壤微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量、凋落物碳輸入量、土壤微生物特異類群豐度和土壤有機(jī)碳礦化速率影響。在未來降水減少情景下,應(yīng)加強(qiáng)南亞熱帶針葉人工林近自然化的多目標(biāo)經(jīng)營(yíng),盡量減少林分和林地土壤的干擾提高針葉人工林土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性,籍以增強(qiáng)人工林土壤的碳匯功能。
【學(xué)位單位】：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S714.2
【部分圖文】：

團(tuán)聚體首先在大團(tuán)聚體內(nèi)形成。之后，在修訂后的團(tuán)聚體形成模多其他模型。例如，Golchin等(Golchin et al., 1994)指出>0.25 mm 的小團(tuán)聚體，然后再分解成閉蓄在細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)中的<0POM在土壤團(tuán)聚中的作用。Angers等利用13C 技術(shù)在小麥秸稈的微團(tuán)聚體是在大團(tuán)聚體中形成的理論(Angers et al., 1997)。Six 等新鮮有機(jī)殘?bào)w首先作為膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)大團(tuán)聚體形成，大團(tuán)聚體內(nèi)團(tuán)聚體的形成(Six et al., 1999；Six et al., 2000；Six et al., 2014)。型均與此類似，但至今未達(dá)成一致結(jié)論，且只對(duì)有機(jī)質(zhì)含量高qui et al., 2004)。

圖 2-1 憑祥市 1965-2015 年月累積降水量Fig.2-1 Monthly cumulative precipitation in Pingxiang during 1965-2015注：左圖為1965-2015 年每年月累積降水量，右圖為月累積降水量的平均值及其擬合曲線。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤。The figure in left side is the monthly cumulative precipitation in each year of 1965-2015, andthe right is the average and fitting curve of the monthly cumulative precipitation. Error bar refers to SE.總體上，憑祥市 1965-2015 年年降水量、濕季、干季累積降水量呈波動(dòng)性變化，隨年份的增加呈略微降低的趨勢(shì)，分別降低 15.8 mm/10a、11.8 mm/10a 和 4.0 mm/10a（圖2-2）。年降水量變幅范圍為 937.8 mm-1837.7 mm，常年平均降水量為 1361.0 mm，以1988 年的降水量最少，1970 年的降水量最高。20 世紀(jì) 80 年代以來，降水量約每 5 年出現(xiàn)一次高峰。

隨年份的增加呈略微降低的趨勢(shì)，分別降低 15.8 mm/10a、11.8 mm/10a 和 4.0 mm/10a（圖2-2）。年降水量變幅范圍為 937.8 mm-1837.7 mm，常年平均降水量為 1361.0 mm，以1988 年的降水量最少，1970 年的降水量最高。20 世紀(jì) 80 年代以來，降水量約每 5 年出現(xiàn)一次高峰。圖 2-2 憑祥市 1965-2015 年累積降水變化趨勢(shì)Fig.2-2 Trend of cumulative precipitation in Pingxiang during 1965-2015

本文編號(hào)：2807871