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。     

中亚热带杉木人工林细根生物量空间变异与取样数量估算

林木细根生物量具有一定的空间异质性,因此采用合理的细根取样策略对精确估算细根生物量十分重要。通过在福建省三明杉木人工林林内采用土钻法随机选取100个取样点,分析不同细根类型(杉木、林下植被、总细根)生物量的空间变异特征,并对细根生物量所需的取样数量进行估计。结果表明:不同细根类型单位面积生物量随径级(0—1、1—2 mm)及土层深度的增加变异增大,所需的取样数量也相应增加。Shapiro-Wilk检验表明,仅0—2 mm杉木细根和总细根单位面积生物量符合正态分布,其余各个细根类型不同径级不同土层单位面积生物量均不符合正态分布,均呈明显的右偏分布。蒙特卡罗统计模拟分析表明:在置信水平为95%、精度为80%的条件下,直径为0—1 mm、1—2 mm和0—2 mm的细根,杉木采集95、96、32个样品可以满足测定单位面积生物量的需要,林下植被分别采集98、98、63个样品可以满足测定单位面积生物量的需要,而总细根分别采集93、93、18个样品可以满足测定单位面积生物量的需要。     

亚热带常绿阔叶林89种木本植物一级根直径的变异

细根直径变异是根系形态变化的常见形式, 对细根变异研究具有重要意义。为了揭示亚热带天然常绿阔叶林一级根直径变异特征, 该研究选取福建省建瓯市万木林自然保护区天然常绿阔叶林的89种木本植物进行研究。每个树种选取胸径或地径相近的3株, 用完整土块法进行根系取样, 用根序法对根系进行分级。采用单因素方差分析分别检验叶片习性(常绿、落叶树种)、生长型(乔木、小乔木或灌木、灌木)和主要科之间一级根直径的差异; 通过计算Blomberg’s K值以检验系统发育信号; 利用线性回归方法, 分析科水平的分化时间与一级根直径的相关性。结果显示: 1)亚热带常绿阔叶林一级根直径变异系数为23%; 2)常绿树种与落叶树种一级根直径没有显著差异, 但灌木一级根直径显著小于小乔木或灌木、乔木; 3)一级根直径系统发育信号不显著, 科水平分化时间与一级根直径呈正相关关系。研究结果表明, 亚热带天然常绿阔叶林木本植物一级根直径变异受系统发育影响较小, 但受生长型影响, 表现为一定的趋同适应。     

亚热带6种树种细根序级结构和形态特征

以福建省建瓯市万木林自然保护区内占优势的6种天然林树种(沉水樟Cinnamomum micranthum,CIM;观光木Tsoongiodendron odorum Chun,TOC;浙江桂Cinnamomum chekiangense,CIC;罗浮栲Castanopsis fabri,CAF;细柄阿丁枫Altingiagracilipes,ALG;米槠Castanopsis carlesii,CAC)为研究对象,对其1—5级细根的结构,形态特征及生物量进行了分析。结果表明:沉水樟,细柄阿丁枫和米槠细根分支比表现出在1,2级(4倍以上)明显大于其它序级(3倍左右);其余3种树种则是在3,4级的细根分支比最大,其中浙江桂达到8.65倍,其它序级则大致为3倍左右。6种树种1,2级细根数量占到总数的70%—90%。6种树种细根直径,根长,组织密度随序级升高逐渐增大,比根长减小,生物量未表现出一致的变化规律,6种树种生物量主要集中在高级根部分。方差分析表明,树种对细根分支比例有显著影响(P<0.05),浙江桂和米槠细根分支水平对分支比例有极显著影响(P<0.01),其余4种树种分支水平对分支比例有显著影响(P<0.05),树种和分支水平的交互作用对6种树种细根分支比均有极显著的影响(P<0.01);树种对细根根长,直径以及生物量均有极显著影响(P<0.01),对比根长有显著影响(P<0.05),而对组织密度的影响则不显著(P>0.05);树种和序级的交互作用对细根根长,直径以及生物量均有极显著影响(P<0.01),对组织密度有显著影响(P<0.05),对比根长影响不显著(P>0.05)。序级对6种树种细根根长,直径,比根长以及生物量的影响并未达到一致,对6种树种细根组织密度有极显著影响(P<0.01)。树种间1—4级根的比根长变异主要由组织密度引起,而5级根的比根长变异则由直径引起,同时在1级根中组织密度与直径呈现出权衡的关系。6种树种细根数量,直径,根长,比根长,组织密度以及生物量与序级之间回归分析发现它们与序级之间具有指数函数,线性函数,二次函数,三次函数或者幂函数关系。     

树种多样性对亚热带米槠林细根生物量和形态特征的影响

采用土芯法获取福建省三明市米槠人工林、米槠人促更新林和米槠天然更新林的细根(直径2 mm),研究树种多样性对细根生物量、垂直分布及形态特征的影响.结果表明:米槠人工林、米槠人促更新林和米槠天然更新林0~80 cm土层的细根生物量分别为(182.46±10.81)、(242.73±17.85)和(353.11±16.46)g·m-2,细根生物量随树种多样性的增加呈增加趋势.3种米槠林分0~10 cm土层细根生物量占细根总生物量的35%以上,各林分细根生物量均随土层变化显著.林分类型和土层深度对细根分布没有显著的交互作用,表明树种多样性的增加没有引起米槠林细根空间上的生态位分化.3种米槠林细根的根表面积密度和根长密度均以米槠天然更新林最高,米槠人工林最低.比根长的大小顺序为米槠人促更新林米槠人工林米槠天然更新林,比表面积的大小顺序为米槠天然更新林米槠人工林米槠人促更新林,林分类型和土层的交互作用对二者均无显著影响,表明林分水平的细根形态可塑性对树种多样性响应不显著.     

闽楠人工林细根寿命及其影响因素

采用微根管技术对闽楠(Phoebe bournei (Hemsl.) Yang)人工林细根生长动态进行了连续2a的观测,通过Kaplan-Meier方法估计细根寿命,使用对数秩检验(Log-rank test)比较单一因素(细根直径、序级、出生季节和土层)对细根寿命的影响;并分析细根化学性质对细根寿命的影响.结果表明:出生季节极显著影响闽楠细根寿命(P＜0.01),细根主要在春季出生(82.36％),夏季出生的细根平均寿命和中值寿命皆最长,分别为(218±23)d和(175±65)d;土层对闽楠细根寿命的影响不显著(P＞0.05),下层(20-40 cm)细根平均寿命为(126±4)d高于表层(0-20cm)的(116±5)d;细根平均寿命随直径增大而极显著增大(P＜0.01),0-0.3 mm的细根平均寿命为(109±4)d,0.3-0.6 mm的为(123±5)d,0.6-1 mm的为(139±11)d,1-2 mm的为(185±25)d.随着径级增大,闽楠细根碳含量极显著增大(P＜0.01),氮含量极显著减小(P＜0.01),碳氮比极显著增大(P＜0.01),磷含量极显著减小(P＜0.01).细根平均寿命随序级增大亦显著增大(P＜0.05),其中一级根平均寿命和中值寿命分别为(120±4)d和(89±1)d,高级根的则为(137±7)d和(123±1)d.以上结果表明闽楠细根寿命受到细根形态结构(直径和序级)、出生季节以及细根化学性质的影响.     

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.     

亚热带6种天然林树种细根呼吸异质性

以福建省建瓯市万木林自然保护区6个优势树种为研究对象,使用Li-6400便携式光合测定仪离体测定6个树种1—5级细根呼吸速率。单因素和双因素方差分析表明:树种、序级及其交互作用对6种树种细根比根呼吸均有极显著影响(P<0.01);6种树种细根比根呼吸均随序级的升高呈极显著下降(P<0.01),这种变化可分别用二次函数,三次函数,指数函数或幂函数来拟合。相关性分析表明比根长和氮浓度可以很好地表征同一树种不同序级细根的比根呼吸,但两者不能有效表征不同树种同一序级的比根呼吸。协方差分析表明:细根比根呼吸与比根长的相关性在不同树种间具有显著差异,但在不同序级间则表现一致;细根比根呼吸与氮浓度的相关性则在不同树种和序级间均表现不一致。结果表明细根内部存在明显的功能异质性,而比根长可反映特定树种细根的这种功能异质性。     

基于土芯法的亚热带常绿阔叶林细根空间变异与取样数量估计

树木细根具有高度空间异质性,确定合理的细根取样策略是林木细根研究的前提。通过在福建省三明米槠天然常绿阔叶林内随机钻取96个土芯,分析细根生物量和形态特征的空间变异特征,并估计各指标所需的取样数量。结果表明:(1)随着径级增加,细根各指标变异系数增大,相应的取样数量增加;(2)随着土壤深度增加,单位面积细根生物量变异程度和相应的取样数量均增加。在置信水平为95%、精度为80%的条件下,直径为0-1 mm和1-2 mm的细根,分别采集16和42个样品可以满足测定单位面积细根生物量,采集17和31个样品可以满足测定单位面积细根长度,采集25和33个样品可以满足测定单位面积细根表面积。Shapiro-Wilk检验表明,除表层土壤0-1 mm细根单位面积生物量符合正态分布外,其余细根生物量和形态指标数据均不符合正态分布。研究结果为亚热带常绿阔叶林细根的合理取样提供了科学依据。     

杉木人工林细根寿命的影响因素

利用微根管技术探讨细根径级、序级、出生季节、土层和林龄对福建南平18年生和90年生杉木人工林细根寿命的影响。杉木林细根中值寿命随径级增大而延长,18年生杉木人工林直径d≤0.3 mm、0.3<d≤0.6 mm、0.6<d≤1.0 mm和d>1.0 mm的细根中值寿命分别为(125±47) d、(158±16) d、(248±18) d和(272±53)d;90年生杉木人工林直径d≤0.3 mm和0.3<d≤0.6 mm的中值寿命分别为(95±20) d和(200±17) d,而0.6<d≤1.0 mm和d>1.0 mm的细根在观测期结束时,其累积存活率仍高于50%。18年生和90年生杉木高序级细根累积存活率都显著高于一级根,一级细根中值寿命分别为(180±13) d和(200±18) d,而高级根在观测期结束时,其累积存活率仍大于50%。18年生杉木秋季出生的细根累积存活率显著高于夏季,90年生杉木冬季和秋季出生的细根累积存活率均极显著高于春季和夏季。18年生杉木冬季、秋季、春季、夏季出生细根的中值寿命分别为(216±16) d、(248±12) d、(172±6) d和125 d;90年生杉木秋季、春季、夏季出生细根中值寿命分别为383 d、(127±23) d和(106±19) d,而冬季出生的细根在观测期结束时累积存活率仍在50%以上。90年生杉木细根累积存活率随土壤深度增加而显著增加,土层深度0< D≤20 cm和20<D≤40 cm细根中值寿命分别为(156±14) d和(241±24) d,而40<D≤60 cm土层细根寿命在观测期结束时累积存活率仍在50%以上;18年生不同土层细根累积存活率则均无显著差异,中值寿命分别为(187±19) d、(216±28) d和(120±47) d。不同林龄相同径级或序级细根的存活曲线均无显著差异;除了夏季外,不同季节出生的同生根群存活率曲线在不同林龄之间均具有显著差异;0<D≤20cm、20<D≤40cm土层细根存活曲线在不同林龄间无显著差异,但40<D≤60cm土层的细根存活曲线在不同林龄间则存在显著差异。