中北亚热带3种人工林生态系统碳蓄积特征及土壤有机碳稳定性

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森林植被碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分，森林生态系统土壤碳库是森林植物碳库的2～3倍，是森林生态系统碳库的主要组成部分.人工林生态系统的碳蓄积对减缓全球气候变暖具有重要作用。本研究选择中亚热带地区四种典型树种：杉木林、湿地松、毛竹林人工林和次生阔叶林生态系统为研究对象，通过研究树种和恢复时间对植物碳库和土壤碳库的大小、土壤团聚体及其有机碳分布特征的影响，揭示中亚热带四种典型树种碳密度的时空动态，探讨了林地土壤有机碳的稳定性及其机理，估算了浙江省人工林生态系统的碳储量。主要结果如下：
　　 (1)有机碳含量在不同树种和恢复时间下各土壤层之间的差异主要表现在0～10cm和10～30cm土层。不同树种主要表现为次生林＞杉木林30a＞毛竹林＞湿地松30a(p＜0.05)；不同恢复时间下，杉木林土壤有机碳含量随恢复时间增加而增加，而湿地松林则表现为降低的趋势，杉木/湿地松10年林龄和30年林龄差异达显著水平(P＜0.05)。
　　除毛竹林外，有机碳密度在杉木、湿地松和次生林不同树种和不同恢复时间的土壤剖面层次上基本表现为随土层深度增加而下降的趋势，且土壤碳密度主要集中在土壤表层(0～30cm)。除湿地松20a和毛竹林土壤外，杉木不同恢复时间、湿地松不同恢复时间和次生林0～30cm土壤有机碳密度占土壤总贮量的50％以上。0～100cm土层有机碳密度大小表现为：湿地松10a＞杉木30a＞次生林＞湿地松20a＞毛竹林10a＞杉木20a＞杉木10a＞湿地松30a.
　　 (2)不同树种土壤水稳性团聚体分布差异主要集中在＞5mm和2～5mm，在其他粒径级别差异不明显；1～2mm土壤团聚体和0.25～0.5mm土壤团聚体有机碳的增加对土壤总有机碳积累的影响最为突出。＞0.25mm土壤水稳性团聚体含量和MWD值大小依次是次生林＞杉木林＞湿地松、毛竹林，说明土壤团聚体稳定性人工林比次生林低，人工林经营强度越大，土壤团聚体稳定性越差，不同树种和恢复时间下土壤水稳性团聚体有机碳含量都随粒径减小而增加。土壤团聚体有机碳的差异主要集中在0～10cm，不同树种各粒级团聚体有机碳从大到小依次是次生林＞杉木林30a＞湿地松30a＞毛竹林；杉木不同恢复时间下表现为杉木30a＞杉木10a＞杉木20a;湿地松不同恢复时间下表现为湿地松20a＞湿地松10a＞湿地松30a.
　　微生物量碳和易氧化有机碳在不同树种下分布大小与总有机碳的规律相似，在0～30cm土层，表现为次生林〉杉木林30a＞湿地松30a＞毛竹林，但各树种之间并无显著差异。各活性碳组分分配比例大小为毛竹林＞湿地松30a＞次生林＞杉木林30a，表明土壤活跃有机碳库稳定性由强到弱依次为：杉木林30a＞次生林＞湿地松30a＞毛竹林。轻组有机碳含量0～30cm土层表现为，毛竹林＞杉木林30a＞湿地松30a＞次生林，两两之间差异不显著。从土壤轻组有机碳分配比例来看，次生林和杉木林土壤轻组有机碳对土壤总有机碳的贡献较大，湿地松和毛竹林较小；不同树种土壤颗粒有机碳及分配比例都表现为次生林＞杉木林＞湿地松＞毛竹林，土壤颗粒有机碳占总有机碳的比例人工林约为23.4～37.0％，次生林则高达72.75％，表明人工林转变为人工经济林后，将会导致土壤颗粒有机碳含量急剧下降，土壤有机碳稳定性降低。研究表明，颗粒有机碳比轻组有机碳更能代表森林土壤碳库的中慢变库。
　　 (3)对土壤有机碳与其他化学质量指标的分析表明，杉木、湿地松人工林生态系统土壤有机碳与全量氮、磷，以及速效态氮、磷、钾都具有显著的相关关系。毛竹林生态系统中有机碳与全氮、全磷的相关性为显著水平，但由于毛竹人工经营强度大，施肥，翻耕等管理措施，直接改变土壤速效态养分构成，使得毛竹林土壤有机碳与速效态氮、磷、钾的相关性不显著。相比杉木、湿地松和毛竹林生态系统而言，次生林受外界的干扰最小，为自然恢复演替过程，土壤养分主要来源于自生生态系统的循环次生林土壤有机碳与全氮、速氮、速磷和速钾的相关系数在所有林分类型中最高，相关性也最好。
　　 (4)对不同树种和恢复时间下植物碳密度的研究表明，杉木林和湿地松林乔木层碳密度显著大于毛竹林和次生林，在各器官中，湿地松林树干、树枝和树根均显著大于毛竹林和次生林，杉木林树干也显著大于毛竹林和次生林；次生林各器官中除地下树根碳密度显著大于毛竹林地下部分外，其他差异均不显著。同时发现，湿地松林和次生林乔木层地下碳密度相对较大，均在25％以上，而杉木林和毛竹林则相对较低，均在15％以下。在杉木林和湿地松林中发现，随着恢复时间的增加，林下灌草层、枯落物层的生物量及碳密度逐渐增加。
　　对有机碳的不同分库而言，枯落层有机碳密度最低，为1.95～8.82 t·hm-2。植物层和1m土层土壤有机碳密度分别为40.78～120.43t·hm-2和53.0～138.4 t.hm-2，其碳密度要明显高于枯落物层，土壤碳库具有更大的固碳潜力，1m土层有机碳密度总体高于植物层和枯落层碳密度之总和。对不同林分而言，地上层碳密度（植物层+枯落物层）从高到低分别为湿地松30a，湿地松20a，杉木30a，杉木20a，次生林，湿地松10a,毛竹林和杉木10a，1m土层有机碳密度表现为湿地松10a＞杉木30a＞次生林＞湿地松20a＞毛竹林＞杉木20a＞杉木10a＞湿地松30a。林分总碳密度（地上部分+lm土层）表现为：杉木30a＞湿地松20a＞次生林＞湿地松10a＞杉木20a＞湿地松30a＞毛竹林＞杉木10a.
　　杉木各土层碳密度与植物层和枯落物层碳密度呈正相关关系，且1m土层碳密度与植物层和枯落物层碳密度相关关系达到显著性水平；而湿地松林则表现为相反的趋势。毛竹林1m土层有机碳密度与植物层和枯落层碳密度呈负相关关系，但都没有达到显著性水平。次生林各土层有机碳密度与植物碳密度的关系则更为复杂。
　　 (5)根据浙江省森林资源清查资料，估计了浙江省杉木、毛竹、湿地松林3种人工林生态系统和对照次生林的总碳储量。结果表明，不同类型生态系统总碳储量大小表现为，次生林＞杉木林＞毛竹林＞湿地松林，不同恢复时间杉木林碳储量表现为成熟林＞中龄林＞幼龄林。4种生态系统总碳储量1.0457 PgC，各层碳储量大小排序为土壤层＞乔木层＞枯落层＞灌草层，分别占总碳储量的60.7％、35.5％、3.43％、0.36％.进一步讨论分析也表明，浙江省人工林土壤固碳潜力巨大。如浙江省由于人工林中以幼、中龄林为主，随着幼龄林、中龄林碳的增长，碳储量将进一步扩大，人工林碳汇功能将显著增强。同时，通过植树造林等活动可增加人工林面积，极大地促进土壤碳储量的提高。此外，通过加强人工林的经营和管理，也可以进一步提高人工林生产力水平，增强其系统的碳储存能力.

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作者
吴明;
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作者单位

南京农业大学;

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授予单位南京农业大学;
学科土壤学
授予学位博士
导师姓名胡锋;
年度 2009
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正文语种中文
中图分类森林与非生物环境;
关键词
生态系统; 人工林; 碳蓄积特征; 土壤有机碳; 稳定性;

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