模拟增温对杉木幼树生长和光合特性的影响

为阐明杉木生长特征及光合能力对未来全球变暖的响应方式,通过在福建省三明市森林生态系统与全球变化研究站陈大观测点内开展的土壤增温(电缆加热,+4℃)实验,研究了增温条件下杉木幼树生长(树高、地径)特征及光合作用参数的变化,并对土壤有效氮(N)、叶片N含量、叶绿素含量(Chl)及非结构性碳水化合物(NSC)指标进行了测定。结果表明:1)在增温条件下,杉木幼树净光合速率(P_n)和水分利用效率(WUE)显著增加,分别增加了71.4%、51.3%,增温后杉木叶片能维持较高的气孔导度(G_s)、蒸腾速率(T_r)和胞间二氧化碳浓度(C_i)。2)增温促进土壤有机氮矿化作用,使土壤中可供植物吸收利用的有效N含量显著增加,从而引起杉木叶片N含量显著提高。而N作为叶绿素的重要组成物质,增温后,叶片N含量显著提高,最终导致杉木幼树叶片Chl a、Chl b及Chl总量显著增加,增加比例分别为76.3%、55.8%、68.7%,Chl a/b值亦呈增加趋势。3)增温对杉木幼树生长及叶片NSC含量并无显著影响。综上所述,增温通过改变杉木叶片气孔导度敏感性以及促进杉木叶片Chl含量合成,增加叶片对CO_2的吸收以及光能捕获能力,进而提高光合效率。同时,增温引起的根系高温可能大幅度提高杉木呼吸强度,加剧对杉木叶片碳水化合物的消耗过程,使其NSC含量无显著变化,从而导致杉木幼树生长无显著差异。     

模拟降水减少对中亚热带杉木人工林土壤甲烷吸收的影响

森林土壤是大气中甲烷重要的汇,降水变化是影响森林土壤甲烷吸收速率(V_(CH_4))的重要因子。以中亚热带地区不同降水减少程度的杉木林土壤为研究对象,采用静态箱-气相色谱法来测定不同模拟降水减少处理样地的土壤甲烷吸收速率。结果表明:模拟降水减少后显著改变了土壤中的含水量,降水减少60%、降水减少20%和对照样地的年均土壤含水量分别为18.87%、23.89%和28.33%。杉木人工林土壤甲烷吸收速率在月变化上存在较大幅度的波动,其中土壤甲烷吸收速率在8月份达到一年中的最大值(对照75μg m~(-2) h~(-1)),2月份达到一年中的最小值(对照10.93μg m~(-2) h~(-1))。3种处理样地的土壤全年均为甲烷汇,与对照样地的甲烷年通量(2.48 kg hm~(-2) a~(-1))相比,降水减少60%和20%样地的甲烷年通量分别增加44%和19%。在对照样地中,土壤甲烷吸收速率与土壤含水量呈现负相关(P=0.001),与温度相关性不显著(P0.05);而模拟降水减少后,土壤甲烷吸收速率与土壤温度呈正相关关系(P=0.006和P=0.034),与土壤含水量相关性不显著(P0.05)。总之,模拟降水减少后不仅提高了杉木人工林土壤甲烷吸收的能力,同时也可能改变影响土壤甲烷吸收的环境因子;在模拟降水减少前土壤甲烷吸收速率与土壤水分相关性更为密切,而模拟降水减少后土壤甲烷吸收速率可能主要受土壤温度的影响。     

中亚热带常绿阔叶林不同演替阶段土壤活性有机碳含量及季节动态

为探明不同演替阶段土壤碳吸存潜力,选取演替时间为15a(演替初期)、47a(演替中期)、110a(演替后期)3个中亚热带常绿阔叶林,分析了各演替阶段的土壤有机碳(SOC)含量以及土壤微生物量碳(MBC)、可溶性碳(DOC)和微生物熵(SMQ)的季节变化。结果表明:演替中、后期不同土层的土壤SOC、MBC、DOC含量和SMQ均显著高于演替初期(P<0.05);与演替中期相比,演替后期土壤MBC、DOC含量有所降低,SOC含量和SMQ无显著差异。土壤SOC、MBC和DOC含量随土层加深而显著性降低(演替初、中期DOC除外),并随演替进行逐渐向腐殖质层富集。不同演替阶段MBC、DOC和SMQ均有显著季节变化,最低值出现在秋季,最高值随演替进程由冬季逐步转向夏季。相关分析表明,不同演替阶段土壤活性有机碳含量与土壤有机碳含量极显著相关(P<0.01),且土壤活性有机碳(MBC、DOC)和SMQ对土壤碳库变化更为敏感。     

温度对亚热带地区常见树种叶片甲烷排放的影响

以亚热带常见树种米槠、木荷、浙江桂、罗浮栲、杉木和柑橘为对象,利用控制试验研究了温度对树木叶片甲烷(CH4)排放的影响.结果表明:当温度在10℃时,供试的6种树木中,仅木荷、柑橘和罗浮栲的叶片排放CH4;温度高于20℃时,所有树木叶片均可排放CH4.温度高于30℃时,叶片排放CH4的平均排放速率(1.010ngCH4·g-1DM·h-1)是10～30℃时平均排放速率(0.255ngCH4·g-1DM·h-1)的3.96倍.增温对柑橘和杉木CH4排放速率的影响显著高于其他4种树木.培养时间对叶片排放CH4速率有显著影响,温度胁迫对树木排放CH4的影响受植物活性的控制.在低温或高温条件下,树木干叶均不能排放CH4.高温胁迫对树木叶片排放CH4有重要影响,全球变暖可能增加植物的CH4排放.     

火烧强度对中亚热带人工造林初期土壤呼吸的影响

在热带和亚热带森林中,火烧是一种清理采伐迹地的有效管理措施。尽管许多研究表明,火烧刺激了土壤的碳排放,但对亚热带火强度对土壤呼吸的影响还缺乏了解。在中亚热带米槠常绿阔叶次生林采伐迹地上,设置高火烧强度（HF）、低火烧强度（LF）炼山造林处理,利用LI-8100对造林初期（2012年3月-2012年12月）土壤呼吸进行测定,同时监测观测期土壤温度、含水量以及降雨量等气象因子,分析不同火烧强度对中亚热带造林初期土壤呼吸及排放量的影响,同时探讨影响土壤呼吸变化的主要因素。结果表明：（1）观测期间不同火烧强度对土壤呼吸的影响呈现出明显的时间变化特征：与对照（CT）相比,土壤呼吸在火烧后2个月以内显著增加（P<0.05）,HF和LF分别增加76.3%和55.3%;在火烧后2-5个月内三种处理间没有显著差异（P>0.05）;但之后,火烧处理土壤呼吸显著低于CT （P<0.05）,HF和LF分别降低40%和32.6%;在观测期间火烧处理没有导致土壤CO₂累计排放量的增加。（2）火烧处理下,仅HF处理中土壤呼吸与土壤温度显著相关（P<0.05）,但拟合决定系数较低。（3）单次降水事件会导致火烧处理下土壤呼吸的增加,而对照无明显增加;但连续性降水事件中,降雨早期促进土壤呼吸,而后期呈现出抑制作用。     

增温及隔离降水对杉木幼树细根生物量、形态及养分特征的影响

为揭示全球变暖和降水格局改变对我国中亚热带地区森林生态系统地下生态过程的影响,在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站内开展杉木(Cunninghamia lanceolata)幼树土壤增温和隔离降水双因子试验,研究增温和隔离降水在夏季对杉木幼树细根生物量、形态及养分特征的影响。结果表明,增温(+5℃,W)、隔离降水(–50%,P)和增温+隔离降水(WP)处理的细根总生物量分别比对照(CT)显著降低35.7%、51.7%和59.1%,P和WP处理的细根总生物量分别比W处理显著降低24.9%和36.4%;W、P和WP处理的0~1 mm细根比根长(specific root length,SRL)比对照均显著增加,而0~1和1~2 mm细根比表面积(specific root area,SRA)均无显著变化;与对照相比,W处理的细根N含量、C/N和δ¹⁵N均无显著变化,P处理的细根N含量和C/N分别显著增加和下降,WP处理的细根N含量和δ¹⁵N显著增加,而C/N显著降低。因此,未来在全球变暖和降水减少的双重环境胁迫下,调整表层细根形态特征可能不是杉木幼树的主要应对策略;而相较于温度升高,降水减少可能是影响杉木幼树细根生物量及表层化学元素分配的主要环境因子。     

中亚热带天然林土壤CH_4吸收速率对模拟N沉降的响应

陆地森林土壤是重要的大气甲烷(CH4)汇,大气氮(N)沉降增加对森林土壤CH4吸收速率影响突出。运用静态箱-气相色谱法对中亚热带天然林土壤CH4吸收速率对模拟N沉降的响应进行连续3a的观测;试验作3种N处理,分别为对照(CK,0 kg N·hm-2·a-1)、低氮(LN,50 kg N·hm-2·a-1)和高氮(HN,100 kg N·hm-2·a-1),每种处理重复3次,每个月采集气体1次,同时测定0—5 cm土壤温度和0—12 cm土壤含水量;分析不同N沉降水平土壤CH4吸收速率的差异、动态变化以及对土壤含水量和土壤温度响应,并探讨N沉降对土壤理化性质的影响。结果显示:天然林土壤(CK)平均CH4吸收速率为(-62.78±14.39)μg·m-2·h-1,LN和HN土壤平均CH4吸收速率分别下降了30.21%、7.24%,CK、LN和HN处理土壤CH4吸收速率季节变化趋势相似;观测期间土壤CH4吸收速率对LN响应达到显著水平(P0.05),对HN响应则不显著(P0.05);LN、HN处理前两年对土壤CH4吸收速率抑制作用均不显著(P0.05),但在第3年LN极显著降低了土壤CH4吸收速率(P0.01),HN处理对土壤CH4吸收速率的影响则在第3年表现为显著抑制作用(P0.05),表明土壤CH4吸收速率对N沉降的响应随着N沉降时间的持续呈抑制效应加剧的趋势。相关分析表明:CK与HN土壤CH4吸收速率与土壤温度和土壤含水量均有显著相关性(P0.05),但LN土壤CH4吸收速率仅与土壤含水量显著相关(P0.05),表明土壤含水量是控制各N沉降处理土壤CH4吸收速率动态的主要环境因子。此外,LN、HN处理下土壤pH均极显著降低(P0.01),但LN土壤pH极显著低于HN(P0.01);LN处理极显著提高了土壤C/N比(P0.01),HN处理则相反;LN和HN处理对土壤NH+4-N、NO-3-N、可溶性总N(TDN)、可溶性有机碳(DOC)、地面凋落物量、地下0—10 cm细根生物量影响均不显著(P0.05),表明一定时期内N沉降首先引起了土壤pH和土壤C/N比的显著变化。     

降雨隔离和温度增加对杉木幼林土壤可溶性碳氮的影响

土壤可溶性碳氮在森林土壤碳循环和养分循环中起到重要作用,因其对气候变化高度敏感且可被微生物直接利用.本研究通过在2年生杉木人工林内设置隔离50%降雨处理(P)、增温5 ℃+隔离50%降雨处理(WP),利用张力测渗计野外原位收集土壤溶液,研究降雨和温度变化对不同深度土壤可溶性碳氮浓度的影响.结果表明: 降雨和温度变化没有改变土壤可溶性有机碳(DOC)浓度的季节变化,土壤溶液DOC浓度在10月最高.降雨和温度变化增加了不同土层土壤溶液DOC浓度,60 cm处增加量最大,与对照相比,P和WP处理土壤溶液DOC浓度的增加幅度分别为30.4%～88.7%和32.8%～137.6%,10 月的差异值最大,对照土壤溶液DOC浓度随土壤深度增加而降低,但降雨和温度变化后各土层间土壤溶液DOC浓度没有显著差异.WP处理土壤溶液NO₃^--N浓度大幅增加,增加幅度为221.1%～931.0%.在未来全球变化背景下,亚热带地区降雨减少将增加土壤通透性和细根向深层土壤的生长,促进土壤微生物活性和有机质分解,可能增加本地区土壤有机碳氮淋溶流失,而温度增高将加剧碳氮流失风险.     

大气增温对杉木幼树根系生物量的影响

为揭示亚热带杉木人工林地下生物量对全球变暖的响应,本研究以杉木幼树为研究对象,在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站利用开顶式(OTC)大气增温模拟气候变暖,研究增温对杉木幼树根系生物量的空间分布和不同径级分配的影响。结果表明：增温处理后总根系生物量、总细根生物量及总粗根生物量较对照均无显著差异;与对照相比,增温处理显著降低20～50 cm土层的细根生物量占比与0～10 cm土层的粗根生物量占比,但显著提高20～50 cm土层的粗根生物量占比;其余土层细根生物量和粗根生物量较对照均无显著差异;与对照相比,增温处理后0～2、2～5、5～10、10～20和>20 mm径级根系生物量均无显著变化。因此,增温处理下杉木幼树通过降低表层粗根生物量的占比,提高深层粗根生物量的占比以固定和支撑杉木生长,同时通过降低深层细根生物量的占比来维持表层细根生物量以保证水分和养分的吸收;大气增温影响根系生物量的垂直分布和不同径级的分配,在一定程度上影响地下碳分配,可能导致碳循环过程发生改变。     

杉木林年龄序列地下碳分配变化

  森林地下碳分配在森林碳平衡和碳吸存中具有重要作用, 而揭示人工林生长过程中地下碳分配变化对于人工林碳汇估算和碳汇管理等有重要意义。通过采用年龄序列方法研究了杉木(Cunninghamia lanceolata)林生长过程中地下碳分配变化特点。年龄序列为福建省南平7 a生(幼龄林)、16 a生(中龄林)、21 a生(近熟林)、41 a生(成熟林)和88 a生(老龄林)的杉木林。细根净生产力测定采用连续土芯法, 根系呼吸测定采用壕沟法, 生物量增量测定采用异速生长方程, 地上年凋落物量采用凋落物收集框测定。结果表明: 杉木林细根净生产力在中龄林前没有显著差异, 维持在较高水平; 但此后则显著下降。细根净生产力/地上凋落物量比值随林龄增加而显著下降。老龄林的根系呼吸显著低于其它林龄林分, 根系呼吸与细根生物量间呈显著线性相关。中龄林和近成熟林的地下碳分配(Total belouground carbon allocation, TBCA)显著高于幼龄林和成熟林, 而老龄林的则最低。中龄林、近成熟林和成熟林的地上部分净生产力/TBCA比值显著高于幼龄林和老龄林, 而杉木林的根系碳利用效率(RCUE)则呈现出随林龄增加而降低的趋势。