土壤增温、隔离降水及其交互作用对杉木幼苗细根生产的影响

为了揭示我国最重要的人工林树种杉木对全球变暖和降水格局改变的地下响应及其适应性,在福建省三明市陈大国有林场开展杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温和隔离降水双因子试验,包括对照(CK)、土壤增温5℃(W)、隔离降水50%(P)和土壤增温+隔离降水(WP)4个处理,用微根管法探讨试验1a期间土壤增温、隔离降水及其交互作用对杉木幼苗细根生产量(以细根出生数量表征)的影响。双因素方差分析发现,土壤增温和隔离降水对细根总出生数量没有影响,但两者的交互作用则极显著。与CK相比,W细根总出生数量显著增加,而WP处理细根总出生数量则显著低于W处理和P处理。土壤增温、隔离降水与季节的重复测量方差分析发现,土壤增温×季节、隔离降水×季节对细根出生数量均有显著影响;与CK相比,W处理春季细根出生数量显著增加,P处理秋季细根出生数量显著增加,而WP处理夏季和冬季细根出生数量显著下降。土壤增温、隔离降水与径级的三因素方差分析表明,土壤增温×隔离降水×径级存在显著影响;0—1 mm径级细根出生数量W处理显著高于CK,但WP处理则显著低于W处理和P处理。土壤增温、隔离降水与土层的3因素方差分析表明,土壤增温、隔离降水与土层之间不存在显著的交互作用;仅在20—40 cm土层发现P处理细根出生数量显著高于CK。研究结果表明,土壤增温和隔离降水对杉木幼苗细根生产的影响存在显著的交互作用,这种交互作用还因不同的季节和径级而异。     

福建三明米槠次生林在不同更新方式下的初期细根产量

福建三明米槠次生林皆伐后形成人促更新幼林(AR)与米槠人工幼林(CC)、杉木人工幼林(CL),以保留的米槠次生林(CK)为对照,利用微根管法比较不同更新方式初期细根(直径≤2 mm)生物量和生产力的差异.结果表明： 1年内,AR、CC、CL和CK细根的年均生物量分别为422.5、253.1、197.2和162.8 g·m^-2.4种林分细根总生产力大小为：AR (284.0 g·m^-2·a^-1)＞CC (182.6 g·m^-2·a^-1)＞CL (136.7 g·m^-2·a^-1)＞CK (15.4 g·m^-2·a^-1).AR和CC春季生产力最大,CL秋季最大,CK冬季最大.CC表现为其他植物细根生产力多于目标树种,CL表现为目标树种细根生产力多于其他植物.AR和CC总细根的月生产力与各月降水量呈显著正相关,CL的其他植物细根月生产力与月均气温呈显著正相关.3种更新方式下幼林细根的年生产力和年均生物量都以20～40 cm土层最大,且以0～1 mm细根占主体.采用人促更新方式的幼林细根生物量和生产力大于人工更新方式的幼林,人促更新方式更有利于增加林地有机物归还、提高土壤肥力、维持较高生产力和降低更新初期林地碳源.     

中亚热带不同演替阶段的马尾松和米槠人工林的细根生产量研究

对不同演替阶段的树种细根生产动态及其对环境因子响应的差异目前仍缺乏了解。为此, 在福建省三明市选择了中亚热带演替前期的马尾松(Pinus massoniana)和演替后期的米槠(Castanopsis carlesii)两种人工林为研究对象, 采用微根管法对两种人工林的细根根长生产量及其动态进行了为期2年的观测, 并分析了细根生产量的径级和土层分布, 及月生产量动态与气温、降水、土壤温度、土壤含水率等环境因子间的关系。结果表明: 1)两种林分的细根生产量有显著差异, 马尾松人工林细根年根长生产量约为米槠人工林细根年根长生产量的4倍; 两种林分的细根生产量呈现显著的月变化, 峰值均出现在夏季, 且2年内总细根生产量以夏季的细根生产量最大。2)两林分均是直径0-0.3 mm的细根所占细根生产量比例最大; 土层分布上, 马尾松人工林0-10 cm土层细根所占生产量的比例最大, 米槠人工林30-40 cm土层细根所占生产量比例最大。3)偏相关分析表明, 两林分细根月生产量均与气温、土壤温度极显著相关或显著正偏相关, 与降水、土壤含水率的偏相关均不显著; 一元线性回归分析表明, 演替早期马尾松人工林细根月生产量与气温、土壤温度的相关性明显高于米槠人工林。该研究表明, 与演替后期的米槠人工林相比, 中亚热带演替早期的马尾松人工林细根生产量大, 且与温度间的相关性更高。     

中亚热带6种不同更新方式森林0-5mm根系直径频率分布

运用土芯法研究福建省三明市6种不同更新方式林分(米槠天然林、米槠天然更新林、米槠人促更新林、米槠人工林、马尾松人工林、杉木人工林)根系的(直径≤5 mm)根长随直径分布特点。结果表明:0—5 mm直径根系的根长87%—98%集中于0—2 mm直径范围内,65%—88%集中于0—1 mm直径范围内。6种不同更新方式林分的根长直径分布均呈单峰型分布,且均可用对数正态分布累积函数进行较好的拟合,R~2均达0.99以上。函数中拟合参数μ值和σ值的变化代表了不同林分细根在资源获取策略中的差异。拟合参数μ值和σ值之间具有很好的负相关,表明这两个参数呈现协同性变化,反映了细根资源获取策略中的权衡关系。随树种多样性的增加,μ值趋于更小而σ值更大,可能体现了树种间根系对养分和水分竞争的加剧;不同树种人工林μ值、σ值亦存在明显分异,反映了不同树种土壤资源利用策略的差异。结论表明对数正态分布累积函数可以很好地反映林分尺度的根系直径频率分布特点及根系资源利用策略。     

土壤增温对杉木幼苗细根生理生态性质的影响

为了揭示我国最重要人工林树种杉木对全球变暖的地下响应及其适应性,通过在福建省三明市陈大国有林场设置杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温实验(增温+5℃和不增温两个处理,各5个重复),用土钻法和内生长环法探讨土壤增温约1年后的杉木幼苗细根生物量和形态特征(比根长,SRL;比表面积,SRA),化学计量学特征(C、N、P)和代谢特征(包括呼吸和非结构性碳水化合物,NSC)的变化。结果表明:1)与对照相比,土壤增温处理0—1 mm细根生物量显著下降,1—2 mm细根生物量没有变化,细根形态亦未有显著变化;2)土壤增温处理细根N浓度显著增加,细根P浓度没有显著变化,细根C/N显著降低而N/P显著增加;3)土壤增温处理细根呼吸没有出现驯化现象,细根NSC显著下降。可见,土壤增温改变了杉木细根生物量分配格局,并引起一定的营养失衡和代谢失衡现象,从而对杉木生长和生产力产生影响。     

模拟氮沉降对杉木幼苗细根的生理生态影响

细根对氮沉降的生理生态响应将显著影响森林生态系统的生产力和碳吸存。为了揭示氮沉降对杉木细根的生理生态影响,对一年生杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗进行了模拟氮沉降试验,并测定施氮1年后杉木幼苗细根生物量、细根形态学特征(比根长、比表面积)、元素化学计量学指标(C、N、P、C/N、C/P、N/P)、细根代谢特征(细根比呼吸速率、非结构性碳水化合物)。结果表明:(1)杉木细根生物量随氮添加水平的升高而显著降低,尤其是0—1 mm细根生物量;细根比根长和比表面积随氮添加水平升高而显著增大。(2)氮添加后杉木细根C含量、C/N、C/P显著降低,高氮添加导致1—2 mm细根N含量和N/P显著升高,而低氮添加导致1—2 mm细根P含量显著升高、N/P显著降低,而0—1 mm细根的N、P含量则保持相对稳定。(3)氮添加后杉木细根比呼吸速率无显著变化,细根可溶性糖含量随氮添加增加而显著增加,而淀粉含量和NSC显著降低。综合以上结果表明:氮添加后用于细根形态构建的碳分配减少,这可能会减少土壤中有机碳的保留,0—1 mm细根的形态更易发生变化,但是其内部N、P养分含量相对更稳定以维持生理活动,细根NSC对氮添加的响应表明施氮可能导致细根受光合产物的限制。     

杉木幼苗和伴生植物细根对土壤增温的生理生态响应

为揭示全球变暖背景下杉木人工林幼苗与其伴生的其它植物间的对土壤养分的竞争关系和适应性,本研究采用埋设加热电缆进行土壤增温(+5℃)技术,在福建省三明市陈大国有采育场内建立杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗试验小区,包括对照(NW)与增温(WNW)处理(均不除草)。采用内生长环法与土钻法相结合,测定增温对杉木幼苗及伴生的其他植物(主要为山油麻Helicteres angustifolia、东南野桐Mallotus lianus)等细根生物量、呼吸、形态、及根组织氮浓度的短期影响。结果表明,(1)增温显著降低了杉木1mm细根生物量,而显著增加了其他植物1mm细根生物量。增温显著提高了其他植物1mm细根的氮浓度,显著降低了其比根长(SRL)和比表面积(SRA);同时降低了比根呼吸(参比温度18℃,SRR_(18)),表明细根呼吸对增温产生了驯化现象。而增温对杉木细根的氮浓度没有显著影响,却显著提高了1mm细根比表面积;同时增温对杉木SRR_(18)没有显著影响,表明杉木细根呼吸没有产生驯化现象。(2)SRR_(18)与比根长间的关系受到增温的显著影响,但树种以及增温×树种的交互作用没有显著影响,表明杉木和其他植物细根竞争能力与维持成本间的平衡关系均受到增温的共同影响。综上结果显示,相较于杉木,伴生的其他植物在增温环境中对地下资源的竞争具有更强的优势,能通过增加细根生物量迅速抢夺吸收因增温而加速矿化的土壤养分,同时通过生理和形态的调整,减少根系单位质量的维持成本,从而提高其对全球变暖的适应性;而杉木在增温条件下面临其他植物的强烈竞争,细根生物量降低,处于不利地位,为了满足生长所需,需增大比根长和比根表面积,且因细根呼吸没有产生驯化现象,从而增加了细根单位质量的维持成本,说明杉木对全球变暖的适应性低于其他植物。该研究结果对于全球变暖下杉木人工林的管理具有重要意义。     

隔离降水对杉木幼苗细根生物量和功能特征的影响

在福建三明陈大国有采育场杉木幼苗小区,采用土钻法和内生长环法,以非隔离降水为对照,对隔离降水50%处理一年的杉木幼苗细根生物量和形态、化学计量学、比根呼吸、非结构性碳水化合物等功能特征进行研究.结果表明: 与对照相比,隔离降水处理0～1 mm细根生物量显著降低,1～2 mm细根生物量差异不显著;隔离降水导致细根在形态上发生了适应性变化,0～1 mm和1～2 mm细根比根长分别增加21.1%和30.5%,0～1 mm细根组织密度显著降低,而比表面积显著增加.隔离降水导致细根氮的富集,但限制了对磷的吸收,氮磷比升高,导致营养失衡;隔离降水没有显著改变细根比根呼吸和非结构性碳水化合物含量,但导致1～2 mm细根可溶性糖、糖淀比显著降低,淀粉含量增加33.3%,表明其通过增加非结构性碳水化合物贮存比例以应对降水减少.