微根管和根箱法在亚热带细根寿命研究中的应用

由于研究方法的限制,植物细根寿命的准确估算仍较为困难,因此寻求一种准确的研究方法对细根寿命进行研究显得十分重要。微根管法和根箱法能够在不干扰细根生命过程的前提下连续观测植物细根动态,是一种非破坏性观测方法,被较多地应用于野外观测。结合课题组多年来运用微根管技术和根箱技术研究中亚热带代表性植物细根寿命的实例,对微根管法和根箱法的具体应用进行了介绍和分析,主要包括两种方法的具体实验设计、图片采集及分析、数据处理等,以期为促进对森林生产力和碳源汇控制机理的理解提供借鉴。

种植不同树种对土壤可溶性有机质渗滤液组成和光谱特征的影响

可溶性有机质(DOM)是森林生态系统重要的活性碳库和养分库,其性质受到植物种类、土壤性质、水文状况等因素影响。为探究树种对土壤可溶性有机质(DOM)渗滤液组成和光谱性质的影响,在根箱中间种植1年生米槠(CC)、杉木(CL)、花榈木(OP)幼苗,并设置不种植对照(NT)处理。于2021年8月的一场暴雨后收集根箱土壤(0~60 cm)渗滤液DOM,测定其理化性质及光谱特征。结果表明:(1)种植杉木幼苗土壤渗滤液中溶解性有机碳(DOC)含量显著高于种植花榈木和米槠幼苗(p<0.05)。(2)米槠土壤渗滤液DOM芳香化指数(SUVA254)最高,杉木土壤渗滤液DOM疏水指数(SUVA260)最低,各树种土壤渗滤液DOM相对分子量大小(SUVA280)无显著差异。(3)三种树种和未种树根箱土壤渗滤液DOM荧光指数(FluI)、新鲜度指数(Frl)、生物源指数(BIX)均无显著性差异,各处理渗滤液DOM腐殖化指数(HIX)均小于1,且种植米槠、花榈木的土壤渗滤液DOM的HIX显著高于未种树对照处理(p<0.05)。本研究土壤渗滤液DOM主要由类富里酸和类腐殖酸物质(C1),类腐殖酸物质(C2)和溶解性类微生物产物(C3)三种成分组成。相比于花榈木和杉木土壤渗滤液DOM,米槠土壤渗滤液DOM中C1、C2组分的贡献率较高,C3组分贡献率较低。(4)Pearson相关分析表明,DOC浓度与紫外指数(SUVA254、SUVA260、SUVA280)、二维荧光指数FluI及三维荧光组分C2呈负相关,与C3呈正相关关系(p<0.05)。本研究结果对亚热带树种土壤养分流动和生物地化循环研究提供一定的参考。

增温对亚热带杉木人工林土壤微生物呼吸及熵值的影响

增温通过改变微生物生物量和微生物代谢状况影响土壤微生物呼吸。然而,有关亚热带地区土壤微生物呼吸如何响应长期土壤增温尚不清楚。以增温7年后的杉木人工林为研究对象,比较增温对杉木人工林土壤微生物呼吸和微生物代谢熵的影响。结果表明:(1)增温后,微生物生物量碳在8月份和12月份分别降低了32.1%和59.8%(P<0.05)。(2)增温后土壤基础呼吸与底物诱导呼吸与对照相比均无显著差异;水分添加后,与基础呼吸相比,增温和对照的土壤呼吸在8月显著增加了38.3%和104.8%;葡萄糖添加后,增温和对照的底物诱导呼吸在8月份分别显著增加了113.1%和152.9%,在12月份分别显著增加了118.0%和160.9%(P<0.05)。(3)增温后,微生物代谢熵在12月显著增加了127.7%,8月无显著变化(P<0.05)。(4)在增温和对照处理中,微生物代谢熵与可溶性有机碳和微生物生物量碳含量呈负相关,与土壤含水率正相关(P<0.05)。研究结果表明,土壤增温7年后碳的可利用性和水分的降低是影响杉木人工林土壤微生物呼吸的重要因素。

增温对亚热带常绿阔叶林凋落物溶解性有机质的影响

为了解增温对凋落物分解的影响,依托亚热带常绿阔叶林野外增温试验平台,收集林内凋落物分别布设于对照和增温(+4℃)小区中,对增温下凋落物分解过程中可溶性有机质数量和光谱特征的变化进行研究。结果表明,凋落物质量残留率随分解时间的增加显著下降,在0~60 d内快速下降了20.08%~23.32%,在60~210 d内缓慢下降了6.35%~10.98%。凋落物源可溶性有机碳含量随分解时间增加呈现先快后慢的下降趋势,整体降低了94.15%;可溶性有机氮含量则波动式降低了81.82%;可溶性有机质的光谱特征(SUVA254、SUVA260、SUVA280和SUVA370)呈增加-下降-增加的趋势。增温未显著影响凋落物质量残留率和可溶性有机质的光谱特征,但可溶性有机碳和有机氮的含量降低了16.72%和25.10%。凋落物分解降低了凋落物质量残留率和可溶性有机碳、有机氮含量,改变了可溶性有机质光谱特征;增温虽然降低了凋落物可溶性有机碳、有机氮含量,但未显著改变凋落物质量残留率和可溶性有机质光谱特征。

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。

亚热带六种天然林树种细根养分异质性

以福建省建瓯市万木林自然保护区常绿阔叶林6种优势树种为研究对象,分析其1—5级细根养分特征及其与细根形态特征和叶片养分的关系。结果发现:除沉水樟细根C含量表现为随序级升高而增加外,其余5种树种均没有明显变化规律;6种树种N、P含量基本表现为随序级升高而降低,C/N随序级升高而增加;但N/P随序级升高均没有明显变化规律。单因素方差分析发现:树种对C、N、P含量和C/N、N/P具有极显著影响(P<0.01),序级对6种树种N、P含量和C/N有极显著或显著影响(P<0.01,P<0.05),对C含量和N/P影响并不显著(P>0.05);双因素方差分析发现:树种和序级的交互作用对C、N、P含量和C/N有极显著或显著的影响(P<0.01,P<0.05),对N/P影响不显著(P>0.05)。相关性分析表明:在较高级根中C、N含量之间呈现相关性,在较低级根中N、P含量呈现相关性,同时C/N、N/P的变化均主要由N含量变化决定;6种树种细根比根长和N、P含量、C/N有极显著相关性(P<0.01),而与C含量和N/P相关性并不明显。一级根的N、P含量和N/P相比于整个细根更接近于叶片,但一级根与叶片N、P、N/P之间并没有显著的相关性(P>0.05)。

米槠天然更新林与人促更新林枯枝落叶层现存量及养分贮量

枯枝落叶层现存量及其养分特征研究对了解枯枝落叶层在森林生态系统碳和养分循环中的作用具有重要的意义。通过对中亚热带米槠天然更新林与人促更新林枯枝落叶层现存量和养分贮量进行研究发现:1)总现存量不受更新方式的影响,而叶现存量天然更新林显著高于人促更新林,天然更新林枝现存量显著小于人促更新林,其他组分不受更新方式影响。2)在未分解层,天然更新林的枝现存量显著高于人促更新林。在半分解层,天然更新林的叶现存量显著高于人促更新林,而人促更新林的枝现存量显著高于天然更新林。3)两个林分同一分解层叶的氮(N)、磷(P)浓度均显著高于枝,而碳(C)浓度则无显著差异。4)2个林分枯枝落叶层的碳氮磷贮量无显著差异。结果表明,天然更新林更有利于养分的维持和循环。因此在未来研究中应更加关注天然更新方式对生态系统养分循环的影响。

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。

土壤增温对杉木幼苗细根形态特征的影响

全球变暖已成为不争的事实,IPCC第四次评估报告中预测到本世纪末全球地表平均增温1.1-6.4℃。大量研究表明,温度升高可能直接或间接地影响森林生态系统的地上和地下生态过程,有关全球变暖对地上部分的影响在过去十几年已有许多报道,而到目前为止地下部分,包括根系、土壤等了解还十分有限。特别是在森林生态系统中,细根是植物吸收水分和养分,土壤碳输入以及土壤微生物活性的关键环节,对调控生态系统碳平衡以及对全球变化的响应发挥着重要的作用。

中龄和老龄杉木人工林细根序级形态和呼吸特征

以福建省南平市王台镇溪后村安曹下19年生和91年生杉木人工林为研究对象，对其1—5级细根的形态及呼吸特征进行了比较研究。结果表明：2个林分细根直径、根长、组织密度随序级升高逐渐增大，比根长及比根呼吸随序级升高则减小；2个林分细根仅在4级根之间和5级根之间的直径以及5级根之间的比根呼吸具有显著差异（P〈0．05）。方差分析表明林龄仅对细根直径有极显著影响（P〈0．01），对根长、比根长、组织密度及比根呼吸的影响均不显著；林龄和序级的交互作用对细根直径，比根长及比根呼吸有显著影响（P〈0．05，P〈0．01），对根长和组织密度的影响不显著；序级对两个林分细根直径、根长、比根长、组织密度及比根呼吸的影响均达到极显著水平（P〈0．01）。回归分析表明2个林分细根直径、根长、比根长、组织密度及比根呼吸与序级之间具有三次函数，指数函数，或者幂函数关系。

增温对土壤有机碳矿化的影响研究综述

全球变暖的大背景下,土壤作为陆地生态系统中最大碳汇的载体,其微小变化都会引起大气CO2浓度显著的改变。土壤有机碳对气候变化的响应和适应对于预测未来气候变化具有十分重要的作用。然而,目前增温对土壤有机碳的影响及其影响机制仍存诸多未解决的问题。综述了目前土壤有机碳矿化的研究方式及增温对土壤有机碳矿化影响的国内外研究进展。结果发现增温往往会促进土壤有机碳排放,主要源于土壤微生物代谢活性或群落组成的改变。同时该排放强度因生态系统类型、增温方式和幅度以及增温季节和持续时间的不同而存在巨大差异,且长期增温反而使土壤微生物产生适应及驯化现象,从而降低或缓解陆地生态系统对全球变暖的正反馈效应。但这些结果大都基于温带实验,而原位增温实验对高生产力、多样性丰富的热带亚热带地区的影响是否与温带一致仍待进一步考证。室内模拟实验虽可深入研究温度对土壤有机碳矿化的影响机制,却无法真实反映野外自然环境。同时,野外增温方式及室内研究方式的多样均降低不同研究之间的可比性,进而难以预估由实验方法本身差异引起的结果变异。

土壤增温对杉木幼苗细根生理生态性质的影响

为了揭示我国最重要人工林树种杉木对全球变暖的地下响应及其适应性,通过在福建省三明市陈大国有林场设置杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温实验(增温+5℃和不增温两个处理,各5个重复),用土钻法和内生长环法探讨土壤增温约1年后的杉木幼苗细根生物量和形态特征(比根长,SRL;比表面积,SRA),化学计量学特征(C、N、P)和代谢特征(包括呼吸和非结构性碳水化合物,NSC)的变化。结果表明:1)与对照相比,土壤增温处理0—1 mm细根生物量显著下降,1—2 mm细根生物量没有变化,细根形态亦未有显著变化;2)土壤增温处理细根N浓度显著增加,细根P浓度没有显著变化,细根C/N显著降低而N/P显著增加;3)土壤增温处理细根呼吸没有出现驯化现象,细根NSC显著下降。可见,土壤增温改变了杉木细根生物量分配格局,并引起一定的营养失衡和代谢失衡现象,从而对杉木生长和生产力产生影响。

中亚热带细柄阿丁枫和米槠群落细根的生产和死亡动态

采用微根管技术与挖掘法相结合的方式对福建省万木林自然保护区细柄阿丁枫和米槠天然林细根生产和死亡动态进行了为期两年多的观测,分析细根生产和死亡的季节变化、垂直分布及径级和序级分配,并估计细根的年生产量和年死亡量。结果表明:细柄阿丁枫细根年生产量和年死亡量分别为(230.1±162.8)g.m-.2a-1和(188.8±75.5)g.m-.2a-1,均略大于米槠的(214.5±185.8)g.m-.2a-1和(178.8±26.5)g.m-.2a-1,但两种森林群落的细根年生产量和年死亡量均无显著差异(P>0.05)。两森林群落细根生产均在春季达到高峰,其中米槠细根生产与月降水量呈极显著相关(P<0.01,r=0.566);细根死亡则呈现季节性地波动,米槠细根死亡峰值主要发生于夏季和秋季,而细柄阿丁枫则出现在秋季。两森林群落细根生产和死亡皆主要集中于土壤表层0—40 cm中,而且不同径级细根生产和死亡集中于0—1 mm细根中,其中0.3—0.6 mm细根的生产和死亡在两森林群落中均最大。两森林群落一级根的生产和死亡均大于高级根。

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。

类水滑石［Cd_xMg_（6－x）Al_2（OH）_（16）］^（2＋）［S·2

用中温水热法合成了类水滑石［Ｃｄ_ｘＭｇ_（６－ｘ）Ａｌ_２（ＯＨ）_（１６）］^（２＋）［Ｓ·２Ｈ_２Ｏ］^（２－），探讨了ｐＨ值、投入Ｃｄ^（２＋）离子的量以及硫化时间等条件对合成的影响，并用ＸＲＤ、ＦＴ－ＩＲ、ＤＴＡ－ＴＧ等手段进行了表征，找出了合成层间嵌入Ｓ^（２－）离子的含Ｃｄ类水滑石的最佳条件．

亚热带不同演替树种米槠和马尾松细根性状对比研究

选择福建省三明市中亚热带演替前期树种马尾松和演替后期树种米槠两种人工林为研究对象,采用土芯法研究两个树种细根(直径<2mm)的生物量及其垂直分布、形态以及分支结构等细根性状特征。结果表明:(1)0—80cm土层米槠的细根生物量密度(0.21±0.06)kg/m3、根表面积密度(3.15±1.25)m2/m3和根长密度(2202.84±517.03)m/m3分别为马尾松的1.6、1.2倍和2.2倍,并且3个指标均随土层深度增加而降低,但演替前期树种马尾松细根在土层间分布更均匀,而演替后期树种米槠细根更富集于表层。(2)马尾松细根的直径(0.86±0.04)mm、比表面积(191±32)cm2/g分别是米槠的1.4倍和1.3倍;米槠细根的比根长(10.73±0.46)m/g、组织密度(0.49±0.06)g/cm3分别是马尾松的1.4倍和2.0倍,马尾松细根的较大直径和低组织密度的形态结构能够迅速生长占领土壤空间和适应干旱环境,而米槠细根的较小直径、高比根长和较高的组织密度使其具有较强养分竞争能力和应对取食压力;(3)米槠的比根尖密度(4288±63)个/g、比分叉密度(1164±155)个/g均为马尾松的2.2倍,米槠细根的高分支系统能够迅速利用富养斑块。结论表明处于不同演替阶段的树种细根性状具有明显差异,可能反映了不同的资源获取策略。

森林转换对地表径流可溶性有机碳输出浓度和通量的影响

米槠次生林转换成米槠人工幼林和米槠人工促进天然更新幼林(以下简称"人促幼林")后,以这三种森林类型为研究对象,连续监测每次降雨后地表径流量及径流水中可溶性有机碳(DOC)的含量及通量,比较不同森林类型观测结果的差异,并分析降雨对实验结果的影响。结果表明:米槠人工幼林单次产流量是米槠次生林的1.5—19.0倍,观测期间总径流量为5.9倍;米槠人促幼林单次径流量和总径流量均与米槠次生林无显著差异(P>0.05)。观测期间米槠次生林、人工幼林、人促幼林径流水DOC浓度值范围为5.9—18.4 mg/L,4.3—13.5 mg/L和3.2—9.9 mg/L,米槠次生林径流水浓度均值(12.6 mg/L)分别是米槠人促幼林(7.6 mg/L)和米槠人工幼林(5.3 mg/L)的1.6和2.4倍。回归分析表明,径流水中DOC浓度与降雨前土壤含水率呈显著相关;降雨前土壤含水率20.8%是一个临界值,含水率低于20.8%时,径流水DOC浓度与降雨前含水率呈显著正相关(P<0.05);高于20.8%时,径流水DOC浓度与降雨前土壤含水率呈显著负相关(P<0.05)。米槠人工幼林地表径流DOC输出通量是米槠次生林的0.7—5.4倍,观测期间总输出通量为2.1倍;米槠人促林DOC单次通量和观测期间总通量均与米槠次生林差异不显著(P>0.05)。三种森林类型DOC输出通量均与降雨量呈显著相关(P<0.05)。可见,米槠次生林转变成米槠人工幼林后DOC输出浓度降低,但径流量显著增加,导致DOC输出通量增加;而转变成米槠人促幼林后DOC输出浓度也降低,但径流量并未增加,因而并未增加DOC输出通量。

土壤增温调节中亚热带森林更新初期植物生物量分配格局

全球变暖提高了温带森林生态系统植物的生产力,但对亚热带森林生产力的影响仍然不清楚。由于亚热带森林植物的碳储量巨大,因此了解全球变暖对亚热带森林植物生长的影响至关重要。采用加热电缆模拟土壤增温(+5℃),探讨中亚热带森林几种主要草本植物和木本植物的生长及其生物量分配格局对温度升高的响应。结果表明:增温显著增加五节芒(Miscanthus floridulus)、山油麻(Trema dielsiana)和东南野桐(Mallotus lianus)的高度,但黑莎草(Gahnia tristis)高度显著降低。增温显著增加木本植物的地上、地下和总生物量,而草本植物的地上、地下和总生物量均显著降低。增温对整个群落的地上和地下部分生物量分配模式无显著影响,但木本植物总生物量在各器官之间分配随温度发生改变,增温显著提高木本植物枝生物量比(BMR),降低干生物量比(SMR),而叶生物量比(LMR)和根生物量比(RMR)无显著影响,但显著降低了细根占总根系生物量比率。结果表明木本植物能够通过调节生物量分配模式应对未来全球气候变暖。

应用小波多尺度分析亚热带森林土壤异养呼吸特征

土壤异养呼吸是森林生态系统碳循环的重要组成部分,其时间变化规律和影响因子一直是碳循环研究的难点和重点。利用全自动连续观测系统对亚热带米槠常绿阔叶次生林土壤异养呼吸进行高频率观测,采用连续小波变换技术对高频率实测值与模型估测值间的差值进行分析,探讨亚热带森林土壤异养呼吸的变化机制。结果发现,土壤异养呼吸速率年变化范围在0.82—7.11μmol CO_2 m^(-2)s^(-1)之间,全年平均值为2.66μmol CO_2 m^(-2)s^(-1),在7月份达到全年最高值。虽然土壤温度和水分双因素模型能够较好地解释土壤异养呼吸的年变化,但土壤温度和土壤异养呼吸速率在时间序列上未出现同步变化模式,同时双因素模型估测值与高频率实测值年均值相差18%,其中4—7月模型值低估12%,而8—9月模型值高估15%。进一步利用连续小波变换对模型误差分析发现,模型值与实测值差异在4—7月主要分布在短周期(32—64 h)和长周期(≥85 d),这可能与生长季节土壤底物有效性提高,大量的易变化碳输入激发原有土壤有机碳分解有关。8—9月差异主要分布在长周期(≥85 d),这可能是干旱造成底物有效性降低,微生物只能利用原有难分解有机碳进行维持代谢。因此亚热带森林土壤异养呼吸会不仅受到温度、土壤水分等环境因素影响,而且底物有效性变化也可能是影响亚热带常绿阔叶林土壤异养呼吸变化的重要因素。