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高寒沙地不同林龄乌柳人工防护林固碳功能

作　者: 于洋
导　师: 贾志清
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 乌柳高寒沙地土壤理化性质根系分布碳贮量生物量生态服务功能
分类号: S727.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

植被恢复与重建是防治土地荒漠化的有效方式。人工固沙植被具有多种生态服务功能。其中，固碳功能是生态系统的一个非常重要的服务功能。本研究以典型的高寒沙地生态系统为主要研究对象，对乌柳防护林的土壤理化性质、根系分布特征、生物量、生产力以及生态系统碳贮量等方面进行了研究，旨在探讨乌柳防护林的生物和土壤固碳功能及其影响因子，为全面评价高寒沙地生态系统的固碳功能提供科学依据。本研究可以为今后在共和盆地以及其他干旱、半干旱区退化生态系统开展植被恢复与重建，评价生态系统的服务功能提供参考。主要结果如下：（1）不同林龄乌柳林的土壤理化性质乌柳林土壤有机质含量随恢复时间的增长不断增加。恢复年限对不同林龄土壤有机质有显著影响（P<0.05），且同一林龄不同深度差异不同。土壤全氮含量随恢复时间的增加而增加，具体表现为21a>16a>11a>6a>ck。土壤表层与深层土壤有机质与全氮含量都发生了显著的变化，上层土壤（深度<100cm）高于下层。土壤铵态氮和硝态氮的含量在各林龄之间差异显著，土壤速效磷和土壤速效钾含量随恢复时间的增长逐渐增加，土壤pH值逐渐降低。因此，乌柳林的建设有利于土壤的固定和改良，随恢复时间的增长，植被对土壤的改良作用逐渐增强。不同林龄乌柳林林下土壤含水量变化总体差异显著（P<0.05），且同一林龄不同深度之间差异不同。各林龄10²0cm和20³0cm深度土壤含水量优于土壤表层。21a乌柳林生长发育较为成熟，土壤有机质含量较高，土壤孔隙度高，蓄水能力和持水能力较强，土壤水分状况最好。随恢复时间的增加，各林龄土壤容重逐渐减小，土壤孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤毛管持水量与最大持水量逐渐增加。乌柳林土壤结构和孔性得到了有效改善，根系与土壤之间的交互作用导致土壤容重的改变，进而导致土壤有机碳含量的变化。（2）不同林龄乌柳林的生物量与生产力各林龄乌柳林生物量逐渐增加，6a、11a、16a和21a分别为10.58t hm^-2、19.49t hm^-2、28.90t hm^-2和41.27t hm^-2。各组分生物量的分配表现各异，在数值上的大小关系可表示为：树干>树根>树枝>树叶>树皮。采用一元方程模型即以基径（B）为自变量进行生物量的推算是较为合理的方法。不同林龄乌柳林根系主要由直径小于5.0mm的中根和细根构成，以直径小于2.0mm的细根所占比例最高。各林龄乌柳根系在0⁵0cm分布较为集中，6a乌柳林根系分布在0¹30cm之间，21a乌柳林根系可达地下200cm，各林龄根系生物量随恢复时间的增长逐渐增加，比根长与根长密度显著增加。随林龄的增加，根系消根系数逐渐增加。乌柳表现出深根性的特点，体现出较强的生态可塑性。植被恢复对深层土壤有机质的变化影响亦显著（P<0.05）。比根长和根长密度的增加导致了土壤容重的变化。土壤有机质的变化与根系生长及分布有着极显著的相关性（P<0.01）。各林龄乌柳防护林平均净生产力依次为1.76、1.78、1.81和1.97t hm^-2 a^-1。草本层生物量占整个生态系统的比例逐渐降低。各组分年平均净生产力大小顺序均为树干>树根>树枝>树叶>树皮。（3）不同林龄乌柳林的碳密度和碳贮量随着林龄的增加，乌柳各组分碳密度变化规律并不显著。各林龄乌柳根系碳密度之间未达到显著水平。6a乌柳各器官碳密度变化范围为0.4105⁰.5087gC g^-1，11a乌柳各器官碳密度变化范围为0.4523⁰.5342gC g^-1，16a乌柳各器官碳密度变化范围为0.4514⁰.5485gC g^-1，21a乌柳各器官碳密度变化范围为0.4704⁰.5992gC g^-1。不同林龄乌柳的粗根、中根、细根的碳密度变化规律不一致。各林龄乌柳林碳贮量分别为4.95t hm^-2、9.93t hm^-2、14.67t hm^-2和21.99t hm^-2。不同林龄乌柳不同组分碳库的分配比例不一致，树干碳贮量占林分碳贮量的百分比最高。同一深度不同林龄乌柳土壤有机碳含量总体差异显著（P<0.05）。土壤碳库随植被恢复时间的增加而增加，较之6a，11a土壤碳库增加26.78%，16a较之11a提高24.16%，21a较16a提高9.82%。土壤有机碳含量与土壤容重之间呈极显著负相关关系（P<0.01），与土壤全氮呈极显著正相关关系（P<0.01）。以土壤有机碳为相应变量，分别建立三维模型以及线性归回方程，模拟土壤有机碳随林龄与容重、深度与容重、全氮与容重的空间变化，为区域甚至大尺度的土壤碳库模型的建立提供了思路。不同林龄乌柳防护林的生态系统碳库分别为14.76t hm^-2、23.25t hm^-2、32.18t hm^-2和41.48t hm^-2。土壤碳库(0^-200cm)分别为9.54t hm^-2、13.03t hm^-2、17.18t hm^-2和19.05t hm^-2。较之恢复前（ck），各林龄碳库分别增加57.05%、36.52%、27.75%和22.42%。植被恢复区乌柳造林总面积为223.2hm^-2，按照各林龄碳贮量的平均值即12.795t hm^-2进行计算，则植被恢复区乌柳林固碳量为2855.844Mg C。建立乌柳林各组分生物量与碳贮量的回归方程，为今后通过实测生物量计算各组分碳贮量提供了依据。各林龄生态系统的净生产力分别为1.76t hm^-2 a^-1、1.78t hm^-2 a^-1、1.81t hm^-2 a^-1和1.97t hm^-2 a^-1。各林龄年均固碳量分别为0.83t hm^-2 a^-1、0.90t hm^-2 a^-1、0.92t hm^-2 a^-1和1.05t hm^-2 a^-1。不同林龄乌柳各器官的固碳量均以树干最高。各林龄乌柳林年净固碳量随林龄的增加逐渐增加。乌柳防护林具有“碳汇”功能。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-18
第一章绪论  18-42
  1.1 引言  18-21
    1.1.1 研究背景  18-20
    1.1.2 研究目的和意义  20-21
  1.2 国内外研究现状与评述  21-39
    1.2.1 生物量与生产力研究进展与趋势  21-35
    1.2.2 干旱区柳属灌木研究现状  35-37
    1.2.3 共和盆地相关研究进展  37-39
  1.3 研究目标和主要研究内容  39-40
    1.3.1 研究目标  39-40
    1.3.2 主要研究内容  40
  1.4 研究技术路线  40-42
第二章研究区概况和研究方法  42-51
  2.1 研究区自然概况  42-44
    2.1.1 研究区地貌特征  42-43
    2.1.2 研究区气候与水文特征  43
    2.1.3 研究区土壤与植被特征  43-44
  2.2 试验区沙化土地分布特点与社会经济概况  44-45
  2.3 研究对象与研究方法  45-51
    2.3.1 研究对象  45-46
    2.3.2 研究方法  46-49
    2.3.3 数据处理与统计分析  49-51
第三章不同林龄乌柳林土壤理化性质的研究  51-69
  3.1 引言  51-52
  3.2 研究方法  52
  3.3 结果与分析  52-65
    3.3.1 不同林龄乌柳林的土壤化学性质  52-59
    3.3.2 不同林龄乌柳林的土壤物理性质  59-65
  3.4 讨论与小结  65-69
第四章不同林龄乌柳林生物量和生产力的研究  69-88
  4.1 引言  69
  4.2 研究方法  69-70
  4.3 结果与分析  70-85
    4.3.1 不同林龄乌柳人工林各器官生物量及其分配  70-71
    4.3.2 不同林龄乌柳人工林生物量相对生长方程  71-72
    4.3.3 不同林龄乌柳人工林根系生物量及其分布特征  72-83
    4.3.4 生态系统生物量的分布特征  83-84
    4.3.5 不同林龄乌柳人工林林分净生产力  84-85
  4.4 讨论与小结  85-88
第五章不同林龄乌柳林碳密度碳贮量及其分配特征  88-103
  5.1 引言  88
  5.2 研究方法与数据统计和分析  88-90
    5.2.1 不同林龄乌柳各组分含碳率和碳密度计算公式  88-89
    5.2.2 不同林龄乌柳林土壤有机碳密度计算公式  89-90
  5.3 结果与分析  90-100
    5.3.1 不同林龄乌柳人工防护林碳密度及分配特征  90-93
    5.3.2 不同林龄乌柳人工防护林土壤碳密度垂直分布特征  93-95
    5.3.3 不同林龄乌柳林土壤碳密度与容重和全氮的相关关系  95-98
    5.3.4 不同林龄乌柳人工防护林碳库及分配特征  98-100
  5.4 讨论与小结  100-103
第六章结论与展望  103-109
  6.1 结论  103-107
    6.1.1 不同林龄乌柳人工防护林对土壤理化性质的影响  103-104
    6.1.2 不同林龄乌柳人工防护林生物量与生产力特征  104-105
    6.1.3 不同林龄乌柳人工防护林碳密度与碳贮量  105-107
  6.2 研究展望  107-109
    6.2.1 开展乌柳人工防护林土壤呼吸的研究  107
    6.2.2 开展乌柳人工防护林根系周转相关过程的研究  107-108
    6.2.3 开展乌柳人工防护林生态系统养分的积累与分布研究  108
    6.2.4 开展乌柳人工防护林生态系统生态水文过程研究  108-109
参考文献  109-128
在读期间学术研究  128-129
致谢  129

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