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。

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。

短期增温对亚热带常绿阔叶林林下植被物种多样性的影响

为了解气候变暖对亚热带常绿阔叶林林下植被物种多样性的影响,采用土壤增温方式,研究短期4年增温(4℃)对亚热带常绿阔叶天然林林下植被物种多样性的影响。结果表明,短期增温对林下植被物种组成影响不显著(P>0.05),增温和对照样地林下植被共有植物38科59属77种,其中增温样地37科53属65种,对照样地36科52属63种。短期增温使乔木盖度增加了22.61%,草本和灌木盖度分别降低4.97%和21.75%;增温使草本、灌木和乔木的高度分别降低21.64%、3.37%和5.59%。草本植物中的蕨类重要值排名在增温后呈下降趋势,乔木重要值呈上升趋势(P>0.05)。虽然植物物种多样性指数在增温后差异不显著(P>0.05),但随温度增加均呈递减的趋势。因此,林下植被物种组成对短期增温响应不敏感,增温使草本植物中的蕨类重要值下降,对植物多样性指数产生一定负面影响,但这种响应并不敏感,预计长期增温将可能导致整个群落从草本向灌木和乔木方向演替。

氮沉降对杉木幼树生物量及其分配的影响

为了探索氮沉降对中亚热带常绿针叶树种的影响,在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站开展模拟大气氮沉降试验,以杉木幼树为研究对象,设置了对照(CK,0 kg·hm^(-2)·a^(-1))、低氮(LN,40 kg·hm^(-2)·a^(-1))和高氮(HN,80 kg·hm^(-2)·a^(-1))3种氮浓度处理,分析植物生物量及其分配对氮沉降的响应。结果表明:(1)在不同浓度氮沉降处理下,叶、皮、干、枝、地上部分和总生物量与CK均无显著差异(P>0.05),而根生物量则在HN处理后显著升高(P<0.05)。(2)在LN处理下,叶质量比、枝质量比、皮质量比和干质量比与CK均无显著差异(P>0.05);而根质量比、根叶比和根冠比则显著增大(P<0.05),地上部分质量比显著减小(P<0.05)。在HN处理下,叶质量比、枝质量比、皮质量比、干质量比、根质量比、根冠比和地上部分质量比与CK均无显著差异(P>0.05);而根叶比则显著增大(P<0.05)。(3)在不同氮沉降处理下,叶生物量与枝生物量,叶、枝和干生物量与地上生物量均呈现极显著正相关关系(P<0.01)。枝生物量与干生物量在CK和HN处理下呈现极显著正相关关系(P<0.01),在LN处理下呈现极显著负相关关系(P<0.01)。地上生物量与根生物量在CK处理下呈现极显著正相关关系(P<0.01),在LN和HN处理下呈现极显著负相关关系(P<0.01)。氮沉降总体上促进了杉木幼树的生长,增加了生物量的积累,同时通过把更多生物量分配给根系来维持杉木幼树的正常生长。

增温和氮添加对中亚热带杉木人工林土壤氮矿化和N_(2)O排放的影响

[目的]研究增温和氮沉降对中亚热带森林土壤氮矿化和氧化亚氮(N_(2)O)排放的影响,以期深入认识全球变化背景下中亚热带森林土壤氮循环过程。[方法]选取经过野外增温和氮添加处理的中亚热带杉木人工林土壤,将野外非增温处理和增温处理的土壤置于不同温度(20、25℃)培养箱中,同时对野外氮添加处理的土壤继续添加不同梯度的氮素(0.1、0.2 g·kg^(−1),以干土计),进行为期28 d的室内培养,研究增温和氮添加对土壤氮矿化和N_(2)O排放的影响。[结果]与对照相比,增温和氮添加及二者交互处理增加了土壤铵态氮、硝态氮和矿质氮含量,且氮添加水平越高增加越明显,增温处理增加不显著。与对照相比,培养28 d后增温处理的土壤净铵化速率、净硝化速率和净氮矿化速率变化不显著,低氮、增温+低氮显著增加土壤净硝化速率,而高氮、增温+高氮显著降低土壤净氮矿化速率。与对照相比,增温和氮添加及二者交互处理总体降低土壤N_(2)O排放速率,土壤N_(2)O累积排放量也显著降低(P<0.05),其中,单独增温、低氮、高氮、增温+低氮和增温+高氮处理土壤N_(2)O累积排放量显著低于对照50%、21%、29%、62%和31%。增温和氮添加及二者交互处理显著降低土壤pH值。相关性分析表明:土壤N_(2)O排放速率与土壤pH值呈显著正相关,与硝化速率呈显著负相关,而与土壤铵化速率无显著相关。[结论]增温和氮添加降低土壤pH值,同时抑制土壤N_(2)O排放,因此,全球变化背景下中亚热带森林土壤中存留的硝态氮可能以淋溶方式损失。

外源碳输入对常绿阔叶林土壤碳排放的影响

为研究外源葡萄糖输入量对土壤CO_(2)排放动态过程的影响及机理,以中亚热带常绿阔叶林土壤为研究对象,在培养温度为恒温20℃,土壤田间持水量60%的条件下,输入不同浓度的葡萄糖(碳含量分别为0、50、150、450μg·g^(-1),分别标记为CK、C_(1)、C_(2)、C_(3)处理)进行室内培养试验,测定不同浓度葡萄糖输入下不同时间的土壤CO_(2)排放。结果表明:C_(2)、C_(3)处理的土壤CO_(2)排放速率和土壤CO_(2)累积排放量均显著升高(P<0.05);C_(2)、C_(3)处理28 h后,土壤CO_(2)排放速率随培养时间的延长显著升高(P<0.01),土壤CO_(2)累积排放量随培养时间的延长显著升高(P<0.01);当培养时间超过65 h后,C_(1)处理的土壤CO_(2)排放速率随培养时间的延长有显著降低的趋势(P<0.01),C_(3)处理的土壤C/N、DOC变化量较CK显著增大(P<0.05),土壤CO_(2)排放速率与C/N、DOC含量呈显著正相关关系(P<0.05)。不同浓度葡萄糖输入对土壤CO_(2)排放的影响存在异质性,在中亚热带常绿阔叶林土壤中,根系分泌物葡萄糖的输入增加可能会改变土壤C、N含量,提高CO_(2)排放量,从而进一步加速土壤碳损失。

隔离降水对杉木幼树细根生理特征的影响

为揭示亚热带地区杉木(Cunninghamia lanceolata)对干旱的响应机制,在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站,对隔离降水环境下杉木幼树细根生理特征进行研究。结果表明,隔离降水处理的土壤湿度显著下降(P<0.05),但杉木细根超氧阴离子自由基、丙二醛含量变化不显著(P>0.05),表明其细根保持着低水平的膜脂氧化损伤;脯氨酸和谷胱甘肽含量较对照显著增加(P<0.05),并且过氧化氢含量也显著增加(P<0.05),意味着杉木受到一定程度的干旱胁迫并且进行自我调节;长期降水隔离导致的过氧化氢积累一定程度上促使谷胱甘肽显著提高,二者呈极显著正相关(P<0.01);内源激素中细胞分裂素、吲哚乙酸含量显著下降,与杉木生长调控未表现出明显相关性;超氧化物歧化酶活性较对照显著下降21.5%,过氧化物酶活性较对照显著提高16.7%,但抗氧化酶系统对杉木细根的水分缺失适应调控无显著影响。因此,50%降水减少条件下杉木能通过其细根的渗透物质和内源激素等非酶促物质进行综合调节,以有效适应土壤湿度的显著降低。

增温对林木细根呼吸及非结构性碳水化合物的影响研究综述

植物细根是地下根系最敏感、活跃的部分,也是植物重要的吸收器官,全球变化背景下细根的代谢过程在陆地生态系统生物地球化学循环中起着关键的作用。本研究在收集整理国内外相关文献的基础上,综述增温对林木细根重要代谢特征,即对呼吸和非结构性碳水化合物(Non-Structural Carbohydrates,NSC)的影响,进一步探讨该研究方向亟待解决的关键问题并展望未来研究。未来的研究有待从以下几个方面进一步深入:1)结合多种增温方式,开展更大物种范围、更长时间尺度的地上、地下同时增温试验;2)加强野外原位增温试验研究,以更准确地探索增温对细根呼吸和NSC浓度的影响;3)深入研究细根呼吸适应及其与NSC浓度的关系;4)考虑增温与其他气候因子的交互作用对细根呼吸和NSC浓度的影响,以深入分析植物细根代谢机制对全球变化的响应。本研究结果有助于深化对生态系统地下C分配、全球变暖与土壤CO_(2)排放之间反馈的理解,并可为全球变暖背景下植物地下生态学研究提供一定理论参考。

增温和氮添加对亚热带杉木林土壤氮转化速率的影响

温度和氮供应水平是影响森林土壤氮转化过程的重要驱动因子,因此增温和外源氮输入势必会改变土壤氮转化过程的速率和方向,而且二者的交互作用会使氮转化过程的响应更加复杂。为此,本研究依托亚热带杉木幼林增温×氮沉降模拟实验平台,设置了对照、增温、氮添加、增温×氮添加4种处理,以揭示增温和氮沉降及其交互作用对土壤氮矿化速率、硝化速率及氨化速率的影响。结果显示,土壤净氮矿化速率、净硝化速率及净氨化速率具有显著的季节变化特征。同时,增温整体上显著提高土壤净氮矿化速率、净硝化速率和净氨化速率,但是氮转化速率对增温的响应呈现明显季节性。氮添加整体上也显著提高土壤净氮矿化速率和净氨化速率,未显著影响净硝化速率,且氮转化速率对氮添加的响应也呈现明显的季节性。此外,增温×氮添加处理显著提高了净氮矿化和净硝化速率,但是未呈现协同效应;未显著影响土壤净氨化速率。上述结果表明,增温、氮添加及增温×氮添加处理促进土壤氮矿化和硝化作用,但是增温×氮添加未呈现协同效应,说明增温和氮添加处理会加速微生物氮循环,一方面可能会缓解亚热带森林生态系统植物氮限制,另一方面可能会加速森林土壤氮损失。

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)。

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。