华西雨屏区几种植被恢复模式凋落物的生态功能研究

论文摘要

凋落物分解是森林生态系统最为关键的生态过程之一,对森林的生物地球化学循环起着重要的作用。凋落物是植被—土壤之间的联系纽带,同时,凋落物也能通过分解过程改善森林生态系统的生态功能。华西雨屏区是为我国降雨量最丰富的区域之一,也是四川省实施退耕还林的重点区域,在退耕还林后形成了大面积的人工林。本文以位于华西雨屏区（洪雅县柳江镇）的5种植被恢复模式（慈竹林、光皮桦林、苦竹+光皮桦混交林、苦竹林、撑绿杂交竹林）为研究对象,针对其凋落物的特征及生态功能进行了研究。以期为该区域人工林的生物地球化学循环研究提供必要的基础数据,并从凋落物的生态功能的角度评价该区域退耕还林地的生态效益。主要研究内容包括几种植被恢复模式凋落物的凋落动态和分解动态,凋落物及表层土壤的水源涵养功能,凋落物对土壤理化性质、土壤微生物生物量和土壤酶活性、土壤碳库、土壤呼吸的影响等。主要研究结果如下:在几种植被恢复模式中,凋落物蓄积量和年凋落量的大小顺序均为撑绿杂交竹林＞苦竹+光皮桦混交林＞苦竹林＞慈竹林＞光皮桦林。光皮桦林凋落量月动态为单峰曲线,9月凋落量占年凋落量的48%。几种竹林的凋落量在5月最大,其后趋于平稳。凋落量主要还受自身生物节律的支配,与气温和降雨量没有明显的相关关系。运用凋落袋法研究了几种植被恢复模式凋落物的分解动态。结果表明,光皮桦林的分解速率最快;竹林分解速率的大小关系为:慈竹林＞苦竹林＞杂交竹林。几种林地凋落物在经过330 d的分解后,质量损失率均没有超过50%,光皮桦林达到了46.2%,而杂交竹林仅为30.6%。凋落物质量损失率与降雨量有明显的回归关系。几种林地凋落物的分解动态符合Olson模型,根据模型推算出几种植被恢复模式凋落物分解95%所需时间在4～7 a之间。光皮桦林和混交林的分解速率较快,可能是其凋落物中初始N浓度较高和初始C/N较小所致。几种林地凋落物C在分解40 d后基本都表现为净释放。不同林地凋落物的N浓度变化几乎均呈现出淋溶—累积—释放的规律。凋落物的P、Ca浓度波动都较小,而K、Mg浓度在系统中的流动性大。作为凋落物分解的预测指标,C/N优于木质素/N。对凋落物及表层土壤的水源涵养功能的研究结果表明:叶凋落物持水量的大小关系为:慈竹林＞混交林＞苦竹林＞杂交竹林,光皮桦林的持水量介于慈竹林和混交林之间。几种叶凋落物持水量与浸泡时间的关系符合指数函数的模型,持水速率与浸泡时间的关系符合幂函数的模型。通过野外原位实验和室内模拟实验相结合的方法,系统研究了凋落物对土壤理化性质、微生物生物量和土壤酶活性以及碳库的影响,野外实验采用凋落袋法,室内试验控制光照、温度、湿度等环境因子。研究结果表明,土壤的水分—物理性质的变化较小,可能原因是实验周期较短。5种林地土壤的pH值范围在4.12～5.42之间。3种竹林凋落物分解会造成pH值的降低,但并没有表现出随凋落袋放置时间（分解时间）加长,而pH值变化增大的趋势。总体而言,凋落物会提高土壤全N含量。NO3--N、NH4+-N、碱解N和水溶性N等有效态N是影响植物生长发育的关键因子。研究表明,野外实验和室内实验均证明了凋落物会增加土壤碱解N和水溶性N含量,因此,在研究区域,碱解N和水溶性N可能是更好地研究林地凋落物对土壤有效N影响的指标。凋落物分解会增加几种林地的土壤有效P含量。野外实验和室内实验均表明,慈竹林、光皮桦林、混交林和苦竹林的凋落物对土壤速效K含量有正效应。凋落物的存在均会增加几种林地土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤微生物生物量氮（MBN）和土壤酶活性。光皮桦林和混交林凋落物的C/N较小,分解速率较大,故凋落物对土壤微生物生物量影响也大。几种竹林凋落物对土壤酶活性的影响较大,在华西雨屏区的几种竹林中,凋落物对土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、脲酶活性的影响大小与凋落物的分解速率基本一致;而纤维素酶和酸性磷酸酶的活性同凋落物分解速率没有很好地吻合。竹林的有机碳总量和易氧化碳含量均高于光皮桦林和混交林。室内培养实验结果表明,添加凋落物会增加土壤有机碳、易氧化碳、水溶性碳和溶解性碳。将不同林地凋落物对土壤碳库的影响程度进行比较,混交林优于其它几种林地。采用动态密闭气室红外CO2分析法（IRGA）对几种植被恢复模式凋落物对土壤呼吸的影响进行了研究。结果表明,5种林地的土壤呼吸速率的日变化均表现为单峰曲线,在8:00-10:00的土壤呼吸速率最低,在14:00-16:00达到最大。5种林地土壤呼吸速率的观测值均在8月最大,到10月中旬急剧下降。从7月开始,5种林地均表现为凋落物增加了土壤呼吸速率。慈竹林凋落物对土壤呼吸的贡献最大,而苦竹林和杂交竹林凋落物的贡献较小。土壤呼吸与地表温度的关系基本为指数函数关系。土壤呼吸速率与土壤易氧化C有显著的正相关关系,而与土壤微生物生物量C、N没有明显的相关关系。通过本研究,对华西雨屏区（洪雅县柳江镇）的5种植被恢复模式凋落物的一些生态学过程有了初步的了解,为该区域人工林生态系统的生物地球化学循环积累了基础数据,并且证明凋落物对林地水源涵养功能及土壤质量的改善起着重要的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 森林凋落物研究进展
• 1.1.1 森林凋落物特征研究进展
• 1.1.1.1 凋落量研究进展
• 1.1.1.2 凋落物分解研究进展
• 1.1.1.2.1 凋落物质量对分解的影响
• 1.1.1.2.2 气候对凋落物分解的影响
• 1.1.1.2.3 土壤状况对凋落物分解的影响
• 1.1.2 森林凋落物生态功能研究进展
• 1.1.2.1 凋落物对土壤理化性质的影响
• 1.1.2.2 凋落物对土壤生物学性质的影响
• 1.1.2.3 凋落物的水文生态功能
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 研究内容及研究特色
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.1.1 凋落物凋落动态
• 1.3.1.2 凋落物分解动态
• 1.3.1.3 凋落物的水源涵养功能
• 1.3.1.4 凋落物对土壤的影响
• 1.3.2 技术路线
• 1.3.3 研究特色
• 2 研究区域概况
• 3 凋落物凋落动态
• 3.1 研究方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 凋落物层蓄积量和年凋落量
• 3.2.2 凋落量月动态
• 3.2.3 凋落量与气候因子的关系
• 3.3 结论与讨论
• 4 凋落物分解动态
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 分解实验
• 4.1.2 化学分析
• 4.1.3 数据处理
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 凋落物分解速率
• 4.2.1.1 不同林地凋落物分解速率比较
• 4.2.1.2 凋落物分解速率模型
• 4.2.1.3 落物分解速率与气候因子的关系
• 4.2.2 凋落物养分释放
• 4.2.2.1 凋落物初始化学成分含量
• 4.2.2.2 凋落物化学成分的变化
• 4.2.2.2.1 凋落物主要化学成分的变化
• 4.2.2.2.2 凋落物主要化学成分比值的变化
• 4.3 结论与讨论
• 4.3.1 凋落物分解速率
• 4.3.2 凋落物养分释放
• 5 凋落物及表层土壤的水源涵养功能
• 5.1 研究方法
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 凋落物持水性能
• 5.2.1.1 凋落物持水量
• 5.2.1.2 凋落物持水量与浸泡时间关系
• 5.2.1.3 凋落物吸水速率与浸泡时间关系
• 5.2.2 表层土壤的持水性能
• 5.3 结论与讨论
• 6 凋落物对土壤理化性质的影响
• 6.1 研究方法
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 凋落物对土壤水分—物理性质的影响
• 6.2.1.1 凋落物对土壤容重和孔隙组成的影响
• 6.2.1.2 凋落物对土壤水分性质的影响
• 6.2.2 凋落物对土壤pH值的影响
• 6.2.3 凋落物对土壤氮素的影响
• 6.2.3.1 全氮
• 6.2.3.2 硝态氮
• 6.2.3.3 铵态氮
• 6.2.3.4 碱解氮
• 6.2.3.5 水溶性氮
• 6.2.4 凋落物对土壤有效磷的影响
• 6.2.5 凋落物对土壤速效钾的影响
• 6.3 结论与讨论
• 6.3.1 凋落物对土壤水分—物理性质的影响
• 6.3.2 凋落物对土壤化学性质的影响
• 7 凋落物对土壤微生物生物量和土壤酶活性的影响
• 7.1 研究方法
• 7.2 结果与分析
• 7.2.1 凋落物对土壤微生物生物量的影响
• 7.2.1.1 凋落物对土壤微生物生物量碳的影响
• 7.2.1.2 凋落物对土壤微生物生物量氮的影响
• 7.2.2 凋落物对土壤酶活性的影响
• 7.2.2.1 蔗糖酶
• 7.2.2.2 脲酶
• 7.2.2.3 纤维素酶
• 7.2.2.4 酸性磷酸酶
• 7.2.2.5 过氧化氢酶
• 7.2.2.6 多酚氧化酶
• 7.3 结论与讨论
• 7.3.1 土壤微生物生物量
• 7.3.2 土壤酶活性
• 8 凋落物对土壤碳库的影响
• 8.1 研究方法
• 8.2 结果与分析
• 8.2.1 凋落物对土壤总有机碳的影响
• 8.2.2 凋落物对土壤易氧化碳的影响
• 8.2.3 凋落物对土壤微生物生物量碳的影响
• 8.2.4 凋落物对土壤溶解性碳的影响
• 8.2.4.1 凋落物对土壤水溶性有机碳的影响
• 8.2.4.2 凋落物对土壤溶解性碳的影响
• 8.3 结论与讨论
• 9 凋落物对土壤呼吸的影响
• 9.1 研究方法
• 9.2 结果与分析
• 9.2.1 不同林地土壤呼吸的日变化
• 9.2.2 不同林地凋落物对土壤呼吸的影响
• 9.2.2.1 土壤呼吸的季节变化
• 9.2.2.2 凋落物对土壤呼吸的影响
• 9.2.3 土壤呼吸与土壤化学性质及微生物生物量的关系
• 9.3 结论与讨论
• 10 主要结论与研究展望
• 主要参考文献
• 在读期间论文发表情况
• 致谢