【摘要】：細根(直徑2 mm)的形態(tài)解剖特征對樹木個體的資源吸收和和存活生長具有重要影響,而細根生物量、生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和養(yǎng)分循環(huán)中扮演關(guān)鍵角色。因此,明確大尺度上細根形態(tài)和解剖特征以及林分尺度細根生物量動態(tài)的地理變異,對預(yù)測全球變化背景下樹木和森林生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)與機制具有重要意義。為此,本研究在樹木個體、林分和區(qū)域三個水平上考察樹木細根形態(tài)解剖特征以及細根生物量動態(tài)在大空間尺度上變異,旨在探究未來氣候變化對樹木細根系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的潛在影響。在個體水平上,研究了不同氣候區(qū)(5個研究地點由南至北分別為廣東省韶關(guān)市,河南省鄭州市,山西省太原市,寧夏回族自治區(qū)銀川市和遼寧省沈陽市)銀杏(G/nkgo biloba)和杜仲(Eucommia ulmoides)葉和1級根形態(tài)解剖特征的地理變異;在林分水平上,比較了東北地區(qū)不同地點(3個研究地點分別為遼寧省撫順市灣甸子、黑龍江省尚志市帽兒山和黑龍江省伊春市帶嶺)水曲柳(Fraxinus mandschurica)人工林吸收根(直徑≤0.5 mm)和細根(直徑≤2 mm)生物量、生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)的地理變異;在區(qū)域水平上,基于以往研究數(shù)據(jù),考察了中國不同森林類型(針葉樹、闊葉樹及總體)細根生物量、生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)的空間變異格局和潛在影響因子。主要的研究結(jié)果如下:1、在樹木個體水平上,不同氣候區(qū)銀杏和杜仲葉和1級根形態(tài)解剖特征表現(xiàn)出明顯變異,這種變異主要受年均降水量的影響。兩樹種比葉面積、氣孔和葉脈密度,以及1級根直徑均與年均降水量顯著正相關(guān),而葉厚度和比根長隨年均降水量增加而降低。銀杏和杜仲比葉面積與比根長,葉厚度與1級根直徑之間顯著負相關(guān),而葉和1級根木質(zhì)部細胞數(shù)量間存在緊密正相關(guān)關(guān)系,說明兩樹種葉和1級根間存在協(xié)同變異。干旱地區(qū)葉厚度增加,氣孔和葉脈密度降低有助于減少水分散失,而更細的1級根和更薄的皮層能夠提高水分吸收能力;相反,濕潤地區(qū)個體具有更高的比葉面積,氣孔和葉脈密度,這有助于提高光合速率,葉和1級根更多的木質(zhì)部細胞數(shù)量能提高水分縱向運輸效率而確保蒸騰與光合作用的協(xié)調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)顯示了樹木葉和根在水分吸收、運輸和蒸散過程中的緊密聯(lián)系,并能夠?qū)Υ蟪叨鹊沫h(huán)境變異做出結(jié)構(gòu)和功能上的協(xié)調(diào)優(yōu)化。2、在林分水平上,東北地區(qū)不同地點上水曲柳人工林吸收根和細根生物量和生產(chǎn)力差異顯著,其中帶嶺水曲柳吸收根和細根生物量和生產(chǎn)力接近灣甸子的兩倍,而吸收根和細根周轉(zhuǎn)及形態(tài)特征(比根長和組織密度)變異較小。年均溫度是驅(qū)動水曲柳吸收根和細根生物量和生產(chǎn)力變異的關(guān)鍵環(huán)境因子。水曲柳吸收根和細根生物量和生產(chǎn)力均隨年均溫度增加而顯著降低,而吸收根和細根周轉(zhuǎn)以及形態(tài)特征與氣候因子間沒有顯著聯(lián)系。這些結(jié)果說明水曲柳在在更寒冷地區(qū)可能傾向于通過提高吸收根細根生產(chǎn)力和生物量,而非改變細根形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征來滿足地上生長對土壤資源的吸收需求。吸收根占細根生物量的比例與氣候因子沒有顯著相關(guān)性(47-52%),但這一比例隨土層深度增加而顯著降低(26-56%),可能暗示了土壤理化性質(zhì)而非氣候因子才是影響吸收根和細根生物量比例的關(guān)鍵因子。3、在區(qū)域水平上,中國森林細根生物量、生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)具有明顯的地理變異,這種變異主要受年均降水量的影響。中國針、闊葉林和森林總體細根生物量分別為224.3 g m-2,317.2 g m-2和 278.3 g m-2,生產(chǎn)力分別為 320.5 g m-2a-1,387.2 g m-2a-1 和 366.8 g m-2a-1.,周轉(zhuǎn)分別為1.30a-1 1.11a-1和1.19a-1。我們估計的中國森林生物量低于其他地區(qū)和全球水平的估計值,生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)則高于全球森林的平均值。這可能是因為中國森林林分年齡普遍較小(平均為40.1a),并且生長于比其他區(qū)域更干旱的環(huán)境中。中國森林細根生物量、生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)均隨著降水量增加而增加,可能的原因是在生長季(5月-9月)中平均溫度的變異(14%)小于累計降水量的變異(41%)。這些結(jié)果意味著在未來降水量時空分布格局的改變會對中國森林細根動態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)碳和養(yǎng)分循環(huán)過程產(chǎn)生重要影響。年均降水量對中國森林細根生物量、生產(chǎn)力和周轉(zhuǎn)的變異格局的強烈影響,與年均溫度對東北地區(qū)水曲柳林分細根變量有重要影響不同,顯示了相對寒冷地區(qū)溫度而非水分才是影響樹木細根生長的關(guān)鍵因子。綜上,從樹木個體水平上的細根形態(tài)解剖特征到區(qū)域水平上中國森林細根生物量動態(tài)均表現(xiàn)出明顯的地理變異,這種變異與氣候因子間具有緊密聯(lián)系。但是,在不同區(qū)域和研究尺度上,影響樹木細根結(jié)構(gòu)和功能特征空間變異的的關(guān)鍵氣候因子有所不同,體現(xiàn)了樹木細根系統(tǒng)對環(huán)境變化所采取適應(yīng)策略的多樣性。這些發(fā)現(xiàn)對于理解和預(yù)測樹木個體生長發(fā)育和森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程對未來環(huán)境變化的響應(yīng)具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S718.4

【參考文獻】

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本文編號：2700421