【摘要】：柏木人工林,作為川中丘陵區(qū)主要的森林類型之一,其較低的生態(tài)效益限制了該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮,降低了林地的碳庫功能和經(jīng)濟(jì)收益。為了提升川中丘陵區(qū)柏木人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)林地可持續(xù)利用和發(fā)展,四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院利用鄉(xiāng)土樹種的鄉(xiāng)土特性,根據(jù)森林培育學(xué)和森林生態(tài)學(xué)原理,在模擬天然林窗和自然種群團(tuán)塊狀分布的基礎(chǔ)上,提出一整套人工更新林窗的改造技術(shù)。利用鄉(xiāng)土樹種香椿對人工林窗進(jìn)行人工更新(GMTT)便是該套改造技術(shù)中的一種,它在人工開窗的基礎(chǔ)上補(bǔ)植鄉(xiāng)土樹種香椿,定向培育具有異齡混交和塊狀混交特征的柏木×香椿混交林。論文從土壤碳庫的角度出發(fā),以川中丘陵區(qū)低效的柏木林為研究對象,從開窗面積上構(gòu)建0(A,CK)、50 (B)、100 (C)、150 (D)和200m2(E)等5種GMTT處理水平,通過測定土壤有機(jī)碳物理組分、穩(wěn)定性組分、可溶性組分和微生物生物量碳等土壤有機(jī)碳的相關(guān)指標(biāo),和測定土壤溫濕度、土壤理化性質(zhì)和土壤微生物等與土壤有機(jī)碳相關(guān)土壤環(huán)境因子指標(biāo),全面研究GMTT改造對土壤有機(jī)碳及其土壤環(huán)境因子的早期影響效應(yīng)；利用冗余分析、層次聚類分析、非度量多維尺度分析、決策樹分析和結(jié)構(gòu)方程模型等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),深入探討了GMTT處理?xiàng)l件下土壤碳庫及其環(huán)境各相關(guān)指標(biāo)之間的關(guān)系,模擬出了GMTT影響土壤碳庫的直接途徑和間接途徑,為低效林分改造和碳匯林的營建提供科學(xué)的參考依據(jù)。從生態(tài)效應(yīng)上來看,人工更新林窗對土壤有機(jī)碳的影響包括土地準(zhǔn)備、林窗更新和樹種混交三個(gè)階段。土地準(zhǔn)備期間苗木處于與環(huán)境磨合的階段,其生態(tài)效應(yīng)主要是由于采伐和補(bǔ)植等—系列人為干擾所造成。林窗更新期間為處理后苗木與土壤之間的關(guān)系逐漸從混沌狀態(tài)向有序過渡,其生態(tài)效應(yīng)主要是由于林窗內(nèi)土壤環(huán)境因子的改變所造成。樹種混交階段為GMTT處理后的中后期,此時(shí)柏木-補(bǔ)植樹種-土壤之間的關(guān)系從有序又復(fù)歸為混沌,其生態(tài)效應(yīng)主要是由于樹種替換所造成。根據(jù)此研究思路,立足于研究的早期,重點(diǎn)探究GMTT模式下土壤有機(jī)碳組分的林窗效應(yīng),并得出了以下7點(diǎn)主要結(jié)論。(1)在土地準(zhǔn)備階段,一系列人為干擾對土壤有機(jī)碳庫的影響主要體現(xiàn)在0-5 cm土層。較對照林分而言,GMTT處理后林分具有較低的總有機(jī)碳含量、全氮含量、碳氮比、微生物生物量碳含量、穩(wěn)定性有機(jī)碳含量和碳庫管理指數(shù)。這表明開窗整地后土壤有機(jī)碳庫活性增加,穩(wěn)定性降低。(2)在林窗更新階段,GMTT處理林分同對照一樣,林下土壤有機(jī)碳含量皆隨土壤深度的增加而降低。但(GMTT顯著提高土壤輕組有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳在各土層中含量。就所測樣本而言,土壤顆粒有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳含量的比例約為48.73±8.82%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輕組有機(jī)碳僅占土壤有機(jī)碳的比例(7.13±4.22%),約為輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳比重的6.83倍。此外,GMTT處理林分的土壤易氧化有機(jī)碳含量、可溶性有機(jī)碳、土壤微生物生物量碳的含量皆略低于對照。這表明了GMTT在一定程度上促進(jìn)了活性碳庫的分解,增加對惰性碳庫的積累。而對于水溶性有機(jī)碳組分而言,GMTT顯著降低了水溶性己糖的含量,卻增加了水溶性蛋白質(zhì)的含量,這表明GMTT增加了地表凋落物的可降解性,那些具有簡單化學(xué)結(jié)構(gòu)的有機(jī)碳組分被微生物快速分解并利用。此外,較對照而言,處理林分下土壤水溶性芳香族化合物在表層0-5cm土層表現(xiàn)為顯著的降低趨勢,而5-20cm土層則表現(xiàn)為顯著的增加趨勢,這暗示了0-5 cm土層可溶性有機(jī)碳的分解程度小于5-20 cm土層。(3)由各指標(biāo)之間的相關(guān)性及其對處理的敏感性可知,在林窗更新階段,微生物生物量碳含量與土壤鹽溶性有機(jī)碳之比、微生物生物量碳含量與水溶性有機(jī)碳含量之比、水溶性的總碳、己糖、戊糖和芳香族化合物含量等指標(biāo)對GMTT的敏感性較高。由決策樹分析結(jié)果可知,土壤水溶性己糖、戊糖及其比值在表征碳庫管理上敏感性最好。(4)在林窗更新階段,GMTT對土壤碳庫環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對土壤理化性質(zhì)和土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能上,而對土壤溫濕度的影響不顯著。在土壤理化性質(zhì)上,GMTT顯著降低了表層0-5cm土層的全氮含量、速效鉀含量,5-40 cm土層的有效磷含量和各個(gè)土層的全鉀含量；顯著提高了各個(gè)土層的全磷含量,0-5 cm土層的有效磷含量和5-20cm土層的速效鉀含量；輕微降低了20-40 cm土層的土壤速效鉀含量；輕微增加了各個(gè)土層的土壤堿解氮含量。在微生物的結(jié)構(gòu)上,GMTT降低了20-40 cm土層的細(xì)菌數(shù)量和各土層的放線菌數(shù)量,改變了0-5cm土層的真菌數(shù)量。在微生物的功能上,GMTT顯著改變了土壤微生物功能的多樣性,而對土壤微生物功能的強(qiáng)度無顯著的影響。其中,GMTT顯著改變了土壤淀粉酶、β-葡糖苷酶、脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性,對酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、蛋白酶和纖維素酶活性無顯著的影響。(5)通過分析表層0-5 cm土壤碳庫和其所處土壤環(huán)境之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：土壤水熱條件、土壤理化性質(zhì)、土壤氮循環(huán)、土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能和土壤呼吸數(shù)據(jù)集對土壤有機(jī)碳庫數(shù)據(jù)集總慣量的約束比例分為5.6%、55%、51%、91%和3.4%。其中,土壤理化性質(zhì)和土壤氮循環(huán)約束土壤有機(jī)碳庫特征的比例大多包含在土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能之中。土壤三大類微生物數(shù)量可約束32.89%土壤有機(jī)碳庫特征的總慣量,總比為土壤微生物生物量碳氮和土壤酶活性可約束比例的53.2096和48.23%,其總比的58.04%為與土壤微生物生物量碳氮和土壤酶活性的共享,其單獨(dú)效益僅為0.85%。相對(GMTT處理的而言,柏木純林(對照林分)0-5 cm土層水溶性活性碳庫的所處土壤環(huán)境中具有較多的放線菌數(shù)量,較高的淀粉酶、蔗糖酶和β-葡糖苷酶活性,較低的脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性：0-5cm土層非水溶性活性碳庫的土壤環(huán)境則具有較高全氮和速效鉀含量,較低的全磷含量。其中,在整個(gè)土壤環(huán)境中,土壤放線菌在整個(gè)微生物功能體系中扮演的角色最為全面,與土壤微生物生物量和功能關(guān)系密切,細(xì)菌則主要涉及與微生物生物量碳相關(guān)的生化過程,真菌則主要涉及與微生物生物量氮相關(guān)的生化過程。而這些生化過程皆只與微生物功能的強(qiáng)度密切相關(guān),與微生物功能的多樣性無顯著的相關(guān)性。(6)由結(jié)構(gòu)方程模擬可知,在林窗更新階段,GMTT對土壤有機(jī)碳的影響途徑包括直接途徑和間接途徑兩種。直接途徑是指GMTT對水溶性活性碳組分的直接影響。間接途徑是指土壤有機(jī)碳通過影響微生物數(shù)量和土壤氮循環(huán)來影響土壤水溶性活性碳組分。此外,GMTT主要通過間接地改變土壤微生物呼吸來調(diào)控土壤呼吸。GMTT對土壤微生物呼吸的改變主要通過調(diào)控土壤氮循環(huán)、土壤水溶性活性碳組分、土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性來實(shí)現(xiàn)。(7)在林窗更新階段,利用香椿替換柏木可增加表層40 cm內(nèi)土壤有機(jī)碳密度。對照林分表層40 cm內(nèi)土壤有機(jī)碳儲量密度為90.73 Mg·hm-2,從上到下分別為30.21 (0-10 cm)、47.54 (10-30 cm)和12.98 (30-40 cm) Mg·hm-2。當(dāng)柏木更換為香椿之后,表層40 cm內(nèi)土壤有機(jī)碳密度所增加其增加量(INEQSOCD)與香椿斑塊的大小(XCA)呈正相關(guān),基本滿足公式INEQSOCD=XCA*1.9 (Mg·hm-2)。對比相關(guān)研究結(jié)果可知,在未來香椿混交階段,GMTT處理下林分土壤有機(jī)碳儲量還有較高的提升空間。綜上可知,人工更新林窗對土壤有機(jī)碳組分的早期效應(yīng)主要是林窗效應(yīng),即隨著林窗面積的增加,林地土壤碳庫的生物降解能力也在不斷的增加。該效應(yīng)對土壤有機(jī)碳組分的影響從主要影響植物來源的有機(jī)碳組分,擴(kuò)展到微生物來源的有機(jī)碳組分,直至改變土壤原有的惰性有機(jī)碳組分。因此,在評估GMTT對土壤有機(jī)碳組分的林窗效應(yīng)時(shí)需綜合考慮微生物生物量碳與水溶性有機(jī)碳之比、水溶性己糖和戊糖之比和水溶性芳香族化合物含量這三個(gè)指標(biāo)。
【學(xué)位授予單位】：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S714.2

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本文編號：2791266