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        土壤增溫及降雨隔離對杉木幼林林下植被生物量的影響

        2014-12-19 06:02:16劉小飛林廷武熊德成林偉盛林成芳楊玉盛
        關(guān)鍵詞:影響實(shí)驗(yàn)

        劉小飛,林廷武,熊德成,林偉盛,林成芳,楊玉盛

        (1.福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州350007;2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,福州350007)

        據(jù)IPCC(2007)預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末,全球平均溫度將增加1.1~6.4℃,氣候變暖導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)干旱頻繁,強(qiáng)降雨增多,降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨格局改變,高緯度地區(qū)降雨增加而亞熱帶地區(qū)降雨將減少[1]。溫度和水分是驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)過程最關(guān)鍵的2個因素,全球變暖及降雨格局的改變將顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[2-3]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分,其林下植被在維持森林生態(tài)系統(tǒng)多樣性、生態(tài)功能穩(wěn)定性、森林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素的積累和循環(huán)、水土涵養(yǎng)、持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及森林演替和發(fā)展、森林碳匯儲量等方面具有獨(dú)特的功能和作用[4]。

        目前增溫、降雨單因子控制實(shí)驗(yàn)在森林、草原、農(nóng)田及凍原生態(tài)系統(tǒng)中開展了大量研究,但近年來越來越多學(xué)者意識到開展多因子交互作用研究更能真實(shí)地揭示生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)[5-10]。如Luo等通過不同氣候帶森林、草原等生態(tài)系統(tǒng)模型分析發(fā)現(xiàn)增溫和降雨增加 (+100%)處理生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力持續(xù)增加,而增溫與降雨隔離 (-50%)處理凈初級生產(chǎn)力顯著降低[8]。Hoppner等發(fā)現(xiàn)增溫和降雨隔離單因子作用對草本植物生長無顯著影響,但兩者交互作用改變了群落結(jié)構(gòu)[9]。但迄今為止,在30°N以南的熱帶和亞熱帶地區(qū)野外增溫和降雨隔離多因子交互實(shí)驗(yàn)鮮有報道。杉木人工林 (Cuninghamia Lanceolata)是中國南方集體林區(qū)的主要造林樹種,占人工林面積的30%[11]。因此,本研究采用土壤增溫與降雨隔離相結(jié)合探討杉木人工林林下植被生物量對增溫和降雨隔離響應(yīng),為全球變暖背景下的森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        [12]。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 土壤異質(zhì)性消除

        實(shí)驗(yàn)土壤在取回之前采用環(huán)刀法測定每層土壤的容重 (表1),然后土壤分層 (0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm、50~60 cm)取回,剔除粗根、石塊和其他雜物后,土壤分層混合均勻,按50~60 cm、40~50 cm、30~40 cm、20~30 cm、10~20 cm、0~10 cm重填回2 m×2 m實(shí)驗(yàn)小區(qū)內(nèi),同時采用壓實(shí)法調(diào)整土壤容重與原位土壤容重接近 (表1)。

        1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        實(shí)驗(yàn)小區(qū)面積2 m×2 m,小區(qū)四周采4塊PVC板 (200 cm×70 cm深)焊接而成,與周圍土壤隔開,防止小區(qū)之間相互干擾。實(shí)驗(yàn)設(shè)增溫 (W)、不增溫 (CK)、降雨隔離 (P)和增溫+降雨隔離(WP)4種處理 (土壤增溫5℃),每個處理5個重復(fù)。于2013年10月安裝加熱電纜 (增溫和不增溫小區(qū)都布設(shè)相同電纜),平行布設(shè),深度為10 cm,間距20 cm,并在最外圍環(huán)繞一圈,保證樣地增溫的均勻性。電纜布設(shè)完成后5個月 (2014年3月)開始通電增溫。2013年11月,每個2 m×2 m小區(qū)種植4棵杉木,杉木位置均處于2條電纜線之間。

        表1 不同深度土壤重填前后容重比較/(g·cm )Table 1 A comparison of soil bulk density after refilling at different depths

        降雨隔離處理:在實(shí)驗(yàn)小區(qū)離地面1.5 m處均勻地安放0.05 m×5 m透明U型管,每隔5 cm放置一個U型管,均勻鋪滿降雨隔離實(shí)驗(yàn)小區(qū),以隔離50%的自然降雨。

        1.2.3 林下植被收獲

        2014年5月27日,對2 m×2 m小區(qū)內(nèi)每株植被分地上和地下2部分全部收集,分別稱鮮重,并取樣測定含水量、換算為單位面積干質(zhì)量。

        1.3 數(shù)據(jù)分析

        采用SPSS 22.0的單因素方差分析不同處理間生物量的差異顯著性,采用雙因素方差分析檢驗(yàn)溫度、降雨及其交互作用對地上、地下和總生物量的影響,采用Excel2013作圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 土壤增溫對林下植被生物量的影響

        土壤增溫3個月后,與對照相比,增溫處理顯著改變林下植被覆蓋度、生物量顯著增加 (圖1)。

        圖1 不同處理增溫前 (不增溫CK:A,增溫W:B)、后 (不增溫CK:C,增溫W:D)林下植被的變化Figure 1 Variation of understory vegetation before and after different soil warming treatments

        對照小區(qū) (CK)地上部分生物量為6.70 g·m-2。與CK相比,增溫 (W)處理地上部分生物量增加506%,兩者間差異顯著 (P<0.05);而P處理與CK地上部分生物量無顯著差異,但WP處理地上部分生物量為CK的3.36倍,顯著高于CK和P處理,顯著低于W處理 (P<0.05)(圖2)。雙因素方差分析結(jié)果表明,溫度、降雨及其交互作用均顯著影響地上部分的生物量 (表2)。

        表2 溫度、降雨及其交互作用對林下植被生物量的影響Table 2 Effects of temperature,precipitation and their interactions on understory vegetation biomass

        不同處理對地下部分生物量影響并不一致。W處理地下生物量為4.60 g·m-2,是CK的3.27倍;但與CK相比,P處理地下部分生物量比減少68%;而WP處理地下部分生物量為1.54 g·m-2,與CK處理無顯著差異 (P>0.05)(圖2)。但雙因素方差分析結(jié)果表明,溫度和降雨兩個因素均極顯著影響地下部分生物量,而兩者的交互作用對地下生物量具有顯著影響 (表2)。

        CK處理林下植被總生物量8.11 g·m-2,W和WP處理總生物量分別增加458%和197%,均顯著高于CK處理;而P處理總生物量為7.18 g·m-2,與CK無顯著差異 (P<0.05)(圖2)。雙因素方差分析結(jié)果表明,溫度、降雨及其交互作用對總生物量均有顯著影響 (表2)。

        2.2 增溫對林下植被地上/地下生物量分配的影響

        增溫不僅改變林下植被總生物量,而且地下、地上部分分配比例也發(fā)生改變 (圖3)。CK處理地下/地上部分生物量比值為0.21,W、P和WP處理顯著降低地下/地上比值 (圖3),但不同處理間比值降低模式不同。W處理雖然地上和地下部分生物量都增加,但地上部分增加比重更大導(dǎo)致地下/地上比值降低 (圖2),即W處理導(dǎo)致林下植被生物量更多的分配至地上部分,而P處理比值降低主要是通過減少地下部分生物量,即P處理導(dǎo)致分配至地下部分的生物量減少。但WP處理,生物量的增加主要來自地上部分,因此導(dǎo)致地下/地上比值降低 (圖2)。雙因素方差分析結(jié)果表明,溫度因素對地下/地上比值無顯著影響,但降雨和溫度與降雨交互作用顯著影響生物量的地上、地下分配比例 (表2)。

        圖2 不同處理林下植被地上、地下部分生物量Figure 2 Aboveground and belowground biomass under difference treatments

        圖3 地上、地下部分生物量分配比例Figure 3 Allocation proportion of aboveground and belowground biomass

        3 小結(jié)

        土壤增溫、降雨隔離及其交互作用顯著改變林下植被生物量及其地上、地下部分生物量的分配比例。CK處理地上、地下和總生物量分別為6.70 g·m-2、1.41 g·m-2和8.11 g·m-2,其中地上和地下部分分別占總生物量的83.29%和16.71%;W處理地上、地下和總生物量分別為CK處理的6.06倍、3.27倍和5.58倍,均顯著高于CK處理。P處理地上和總生物量與CK無顯著差異,但地下生物量比CK低68%;與CK相比,WP處理地上部分和總生物量分別增加236%和197%,而地下部分生物量無顯著變化,但地下部分生物量所占比例下降10.30%。雙因素方差分析結(jié)果表明,溫度、降雨及其交互作用顯著影響林下植被地上、地下和總生物量。因此,增溫促進(jìn)林下植被生物量增長有利于抵消部分土壤增溫導(dǎo)致土壤碳排放的增加,對未來氣候變暖具有一定緩解作用。

        參考文獻(xiàn) (References):

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        [11]Lei Jia-fu.Forest Resources of China[M].Beijing:China Forestry Publishing,2005:172.[雷加富.中國森林資源[M].北京:中國林業(yè)出版社,2005:172]

        [12]Liu Xiao-fei,Chen Shi-dong,Xiong De-cheng,et al.High-frequency analysis of the diel patterns of soil heterotrophic respiration[J].Journal of Subtropical Resources and Environment,2014,9(1):92-94.[劉小飛,陳仕東,熊德成,等.高頻觀測的土壤異養(yǎng)呼吸晝夜變化 [J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報,2014,9(1):92-94.]

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