【摘要】：為揭示太行山南段森林群落土壤碳組成及其影響因子的變化特征，以加深對森林生態(tài)系統(tǒng)碳輸入與輸出過程的理解。本研究以太行山南段低丘區(qū)農(nóng)田、農(nóng)田撂荒地、10年刺槐人工林和43年刺槐人工林為研究對象，采用土壤呼吸自動觀測系統(tǒng)，結(jié)合壕溝法和同位素法區(qū)分土壤呼吸組分，進而探討不同林齡刺槐人工林土壤呼吸及其組分的動態(tài)特征及其環(huán)境影響機制，主要結(jié)論如下： （1）采用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)對不同土地利用方式土壤質(zhì)量進行了綜合評價，探討不同土地利用方式對土壤質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：隨著林齡的增加，刺槐人工林土壤養(yǎng)分的表層富集作用顯著，且0-5cm土層土壤改良效果增強；與農(nóng)田相比，刺槐人工林的土壤物理性狀得到改善，養(yǎng)分含量增加，土壤微生物生物量顯著提高。不同土地利用方式土壤質(zhì)量綜合指數(shù)為43年刺槐林（0.542）10年刺槐林（0.536）撂荒地（0.499）農(nóng)田（0.498），說明人工造林改善了太行山南段低丘山區(qū)的土壤質(zhì)量。 （2）基于LI-8150多通道土壤呼吸自動觀測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，對太行山南段刺槐人工林土壤呼吸測定代表性時間進行研究，探討不同月份土壤呼吸的代表性時刻，并分析土壤呼吸代表性時刻測定值與日均值間偏差大小。結(jié)果表明，刺槐人工林的土壤呼吸日變化和季節(jié)變化與5cm土壤溫度（Ts）的變化格局均趨于一致。各月土壤溫度在6-8點達(dá)到日最低值，14-16點達(dá)到日最高值。除1月土壤體積含水量（W）最低值為18.32%外，其他各月W均在20%以上。刺槐人工林土壤呼吸月均值季節(jié)變化呈單峰趨勢，在7月最大，1月最低。刺槐人工林在6月-11月8:00-10:00、12月-5月9:00-11:00土壤呼吸測定均值與日均值間的絕對偏差分別為1.27%和4.91%，且土壤呼吸代表時段均值與24h土壤呼吸日均值相對差異均在±10%以內(nèi)。全年測定期內(nèi)各月代表性時刻的土壤呼吸測定值與24h日均值呈極顯著正相關(guān)。因此6月-11月8:00-10:00、12月-5月9:00-11:00土壤呼吸測定均值可作為本研究區(qū)刺槐人工林土壤呼吸測定的最佳代表時段。 （3）本研究利用13C的自然豐度法來區(qū)分土壤呼吸各組分結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤CO2氣體δ13C隨土層梯度減小，植被根系和土壤有機質(zhì)δ13C則變化不明顯。比較埋置管道土壤CO2氣體δ13C值與利用GVP（Gas Vapor Probe Kits）50cm土層CO2氣體δ13C值，得出本研究區(qū)土壤CO2氣體50cm土層的δ13C同位素分餾系數(shù)為2.03‰。隨著土層深度的增加，自養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻率（fRA）逐漸增大。而異養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻率（fRh）隨著土層增加逐漸減小。關(guān)于壕溝法和同位素法測定自養(yǎng)呼吸貢獻率的差異比較可知，壕溝法fRA（23.50%）與埋置管道穩(wěn)定同位素法fRA（21.03%）差異不顯著。 （4）基于氣體紅外分析技術(shù)，以農(nóng)田、撂荒地為對照，分析43年和10年刺槐人工林土壤呼吸速率的季節(jié)變化及其環(huán)境影響機制，結(jié)果表明：人工造林恢復(fù)措施的實施顯著的提高了土壤固碳能力。43年和10年刺槐人工林0-5cm土層的土壤有機質(zhì)含量分別是農(nóng)田的3.9倍和1.6倍。43年、10年刺槐人工林、撂荒地和農(nóng)田的全年土壤呼吸平均速率分別為2.33、1.21、2.40、2.04μmol·m-2·s-1，其中撂荒地的全年土壤呼吸平均速率最大，43年刺槐林的全年土壤呼吸平均速率大于10年刺槐林。研究區(qū)內(nèi)四種土地利用方式土壤呼吸速率主要受土壤溫度（5cm）的影響。43年刺槐林、10年刺槐林、撂荒地及農(nóng)田的土壤呼吸溫度敏感系數(shù)Q10分別為2.47、2.53、2.06、1.56，其中刺槐林的Q10均顯著高于農(nóng)田。四種土地利用方式Q10值均存在顯著的季節(jié)變異，其主要受溫度影響。 （5）利用壕溝法來區(qū)分太行山南段不同林齡刺槐人工林土壤自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸，結(jié)果表明：刺槐人工林土壤呼吸及其組分均呈明顯的季節(jié)變化，表現(xiàn)為夏季高、冬季低的格局；10年和43年刺槐林土壤總呼吸月均值均顯著高于自養(yǎng)呼吸，與異養(yǎng)呼吸無顯著差異。 土壤呼吸及其組分與5cm土壤溫度之間均呈極顯著指數(shù)相關(guān)；與自養(yǎng)呼吸相比，刺槐人工林異養(yǎng)呼吸更易受土壤溫度變化的影響，且5cm土壤溫度（Ts）分別解釋R10和R43的組分RH和RA的77.82%和38.6%，77.87%和43.43%；刺槐人工林土壤呼吸及其組分與土壤體積含水量均呈極顯著相關(guān)，0-10cm土壤體積含水量（W）分別解釋R10和R43的組分RH和RA的25.54%和10.6%，，31.72%和11.55%；R10的Rs、RH與ECp、R43的Rs、RA與ECp間呈極顯著相關(guān)，但0-10cm土壤電導(dǎo)率（ECp）與各呼吸速率的擬合決定系數(shù)均較低。與Ts及W相比，ECp不是土壤呼吸的主要控制因子。 不同林齡刺槐土壤呼吸及其組分的Q10季節(jié)變化與土壤溫度變化相反；刺槐林在生長季（5月-7月）內(nèi)土壤呼吸及其組分的Q10值大小排序均為RHRsRA。10年刺槐在溫度較高的生長季內(nèi)的總呼吸和自養(yǎng)呼吸的溫度敏感性變異要大于43年刺槐，而在溫度較低的非生長季則出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。不同林齡刺槐的自養(yǎng)呼吸對土壤總呼吸的貢獻率（RC）呈明顯季節(jié)變化。刺槐林各月份RC值均無顯著差異；在本研究中10年和43年刺槐自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸的年通量對土壤總呼吸年通量的貢獻率分別為25.14%和90.69%、30.84%和70.26%，異養(yǎng)呼吸年通量在不同林齡刺槐林土壤總呼吸的年通量中所占的比重較高。
【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S714.2

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