2016-2019年氮磷添加下亚热带人工林凋落物分解剩余量及养分含量动态数据集

由于人类活动和自然因素改变而导致的大气氮磷沉降增加,显著影响着生态系统养分循环过程。我国南方亚热带人工林占全国人工林面积的40%以上,已成为养分沉降集中区。因此,科学认知人工林养分循环过程是应对全球气候变化、保障国家生态文明建设的基础。本研究按照中国生态系统研究网络的统一规范,通过对江西省千烟洲红壤丘陵综合开发试验站(简称千烟洲站)野外控制固定样地的长期观测,整理了2016–2019年我国亚热带马尾松和木荷人工林叶片与吸收根在氮磷添加不同处理下(对照、低氮添加、高氮添加、磷添加、高氮磷共同添加)分解剩余量及养分含量动态数据。本数据集的建立和共享,为全球变化背景下凋落物分解的动态研究及森林土壤碳库的变化规律提供基础数据支撑,推动亚热带人工林科学合理经营发展。

改变碳输入对亚热带人工林土壤微生物生物量和群落组成的影响

通过在亚热带杉木(Cunninghamia lanceolata)和米老排(Mytilaria laosensis)人工林中设置互换凋落物、去除凋落物、去除凋落物+去除根系和对照处理来分析改变地上、地下碳输入对人工林土壤微生物生物量和群落组成的影响。结果显示,改变地上、地下碳输入对土壤微生物生物量碳、氮的影响因树种而异。在米老排林中,土壤微生物生物量不受碳源的限制。而在杉木林中,加入米老排凋落物、去除凋落物和去除凋落物+去除根系3种处理中土壤微生物生物量碳、氮具有明显增加的趋势。磷脂脂肪酸分析结果显示,杉木林中,添加高质量的米老排凋落物后,革兰氏阳性细菌、阴性细菌、丛枝菌根真菌、放线菌和真菌群落生物量分别显著增加了24%、24%、53%、25%、28%,革兰氏阴性细菌和丛枝菌根真菌的相对丰度均有显著增加。与对照相比,杉木林中去除凋落物后革兰氏阳性细菌、阴性细菌、丛枝菌根真菌、放线菌和真菌群落生物量分别显著增加了22%、29%、44%、25%、52%,真菌与细菌比值显著增加了21%。但是,去除凋落物+去除根系处理对两个树种人工林土壤微生物群落组成均无显著影响。米老排和杉木林土壤微生物生物量碳、氮的季节变化格局不同,土壤养分有效性可能是驱动土壤微生物生物量季节变化的主要因子。未来研究需要关注凋落物和根系在不同树种人工林中对土壤微生物群落的相对贡献。

外源性NH4^＋和NO3^-输入对亚热带人工林土壤N2O排放的影响

中国亚热带人工林处于全球氮沉降高值区,土壤氮素相对富集,土壤氧化亚氮(N_2O)产生与排放对外源性氮素输入响应敏感。然而,现有氮沉降模拟控制实验多采用单一氮肥类型,没有原位区分氧化态氮与还原态氮素影响的差异。以千烟洲亚热带湿地松林为研究对象,增氮控制实验采用随机区组设计,包括2种形态(NO_3^-、NH_4^+)和3个施氮水平(0、40、120 kg hm^(-2) a^(-1))。利用静态箱—气相色谱法高频(8次月^(-1))测定土壤N_2O净交换通量以及温度、水分、溶解性氮含量等相关环境变量,分析土壤N_2O通量对外源性氮素输入的响应特征及主控因子。结果表明:施氮不影响亚热带人工林土壤温度和水分,显著增加了土壤NO_3^--N、NH_4^+-N和总溶解性氮(TDN)的含量,对溶解性有机氮(DON)含量无显著影响。施氮显著促进亚热带人工林土壤N_2O排放,增幅为378%~847%,施加NH4Cl的促进效应显著高于Na NO_3。土壤N_2O通量与10 cm土壤温度、10 cm土壤体积含水量呈正相关,土壤N_2O通量的变化量与土壤无机氮含量的变化量呈正相关。上述研究结果表明,虽然水热因子驱动着亚热带人工林土壤N_2O的排放,但是氮素富集条件下土壤N_2O的增加主要由底物可利用性的变化所致,并且还原态NH_4^+的促进效应显著高于氧化态NO_3^-。

广东鹤山三种南亚热带人工林的生态系统服务价值动态

在鹤山国家森林生态系统定位研究站长期定位研究的基础上,参照和修订了我国LY/T 1721—2008《森林生态系统服务功能评估规范》给出的生态系统服务价值量化方法与服务价格,分析揭示了三种人工林生态系统0~22龄间的服务价值结构特点及其动态规律。结果显示：南亚热带人工林各生态系统服务呈现非线性、不同步的动态发展特征：涵养水源和总服务价值动态特征为先大幅上涨,然后上升速度减缓,最终维持在一定价值高度出现小幅波动;固碳释氧和林木积累营养物质价值动态特征为迅速增长,然后趋于缓慢下降;生物保育价值和保育土壤价值动态特征为一直处于上升态势,但上升过程中变幅较大。0~22龄间,涵养水源始终是三种人工林生态系统服务价值组成中的最大组分,其次是固碳释氧和生物保育。三种人工林相比,在12龄以前马占相思林生态系统服务总价值最高,之后三者生态系统服务总值差异明显变小,乡土混交林生态系统服务功能总价值逐渐超越马占相思林。

南亚热带人工林近自然高效可持续经营模式

介绍近自然森林经营的基本概念,及其以乡土树种营建当地森林、针阔混交经营、复层异龄经营、目标树经营等近自然经营的基本原则。基于地处广西的中国林业科学研究院热带林业实验中心人工林经营中存在的主要问题,如以马尾松和杉木为主的针叶纯林面积比重过大,树种单一,林分质量不高,林地生产力较低等问题,自2002的起,采用降香黄檀—桉复层混交林、西南桦—红椎异龄混交林、马尾松(或杉木)针叶林阔叶化等近自然林经营模式,通过对林分高强度间伐、促进优良树种天然更新,以及在林冠下种植土沉香、红椎、紫檀、擎天树等较耐荫的长寿先锋树种,使群落树种组成、年龄结构趋于合理,形成了异龄复层混交林,使森林天然更新机制得到恢复,促进了人工林近自然经营高效可持续发展。

亚热带同质园不同人工林的生物量和林下植被多样性差异

【目的】探究不同林分的生物量及林下植被多样性差异,为营建亚热带人工林筛选适生的珍贵乡土阔叶树种。【方法】以四川农业大学崇州基地同质园试验中大叶樟Cinnamomum platyphyllum、油樟C.longepaniculatum、天竺桂C.japonicum、樟树C.camphora、桤木Alnus cremastogyne、香椿Toona sinensis、红椿T.ciliata等7个阔叶树种林分为研究对象,通过测定各树种平均树高、平均胸径、林下植被多样性等指标,量化树种对生物量及林下植被多样性的影响。【结果】不同树种全株生物量存在显著差异(P<0.05),大叶樟的生物量最高,其次是桤木和红椿,天竺桂最低。树种各器官生物量存在显著差异(P<0.05),整体表现为干>根、枝>叶,并且大叶樟各器官生物量均最高,天竺桂各器官生物量均最低。各器官生物量占全株生物量比例在树种间存在显著差异(P<0.05),但树种大小排序无一致性规律。不同功能群之间的全株、叶、枝及干生物量无显著差异,但常绿树种的根生物量、根生物量占比和根冠比显著高于落叶树种(P<0.05),枝和干生物量占比则相反。落叶树种林分林下草本多样性显著高于常绿树种林分(P<0.05),并且红椿、桤木和香椿林分林下草本的Simpson指数显著高于天竺桂、樟树、大叶樟和油樟林分,红椿林分的林下草本Shannon-Wiener指数显著高于其他6个林分(P<0.05)。【结论】研究区培育落叶树种有利于人工林的物质循环和生物多样性保育,并且相较于其他乡土树种,选择桤木和红椿作为培育树种更有利于亚热带人工林的可持续经营与管理。图6表2参37。

亚热带4种典型人工林幼树光合特征和生物量对土壤水肥因子的响应

以亚热带4种典型树种(杉木、马尾松、尾巨桉、闽楠)人工林2年生幼树为研究对象,比较不同土壤水分(40%、55%和70%饱和田间持水量)和土壤养分(未施肥和施肥)处理对叶净光合速率、叶绿素荧光特性、总生物量和各器官生物量分配的影响.结果显示,4种典型树种人工林幼树的叶净光合速率、叶绿素荧光特性、总生物量和各器官生物量分配存在显著的树种差异性.土壤水分处理能够显著影响幼树的叶净光合速率、总生物量和分配比例,且存在树种和水分交互性.随土壤水分增加,闽楠、杉木幼树的叶净光合速率呈增加趋势,但尾巨桉和马尾松幼树的叶净光合速率在不同水分处理间差异不显著.幼树总生物量、叶生物量的比例,随土壤水分的增加呈增加趋势,而根生物量所占比例呈下降趋势.回归分析结果表明,树种自身特性是决定植物光合速率、叶绿素荧光的关键因素,土壤水分是幼树总生物量的关键解释因子,而土壤养分因子并不能解释幼树的叶光合速率、叶绿素荧光特征和生物量.研究表明,树种、土壤水分是影响树木叶光合作用和生物量的关键因子,而土壤养分对幼树叶片的光合特性和生物量影响较小.因此,在亚热带人工林培育过程中应重视树种选择,并基于树种差异性进行合理的水肥管理.

杉木人工林杉木绿叶与凋落叶分解速率对比

以亚热带杉木人工林绿叶和杉木凋落叶为对象,研究其理化性质和分解速率的变化。结果表明,杉木绿叶和凋落物分解和养分释放动态特征相似,但杉木凋落叶的分解速率和养分释放均快于绿叶。2年分解期内,两种叶含水率显著降低,分解速率也都有降低,且杉木凋落叶处理间差异显著,2年分解期结束,两种叶的质量残留率在23%~38%之间。2年分解期内,两种叶分解速率呈现快-慢的变化。杉木凋落叶的分解速率快于绿叶。相关分析表明C∶N和木质素∶N与凋落叶分解速率的相关性较高,说明凋落叶分解速率主要受C∶N和木质素∶N的影响。

增温对亚热带杉木人工林土壤氮转化过程的影响

氮素是森林生产力的重要限制因子.气候变暖会改变森林生态系统氮循环过程,进而影响森林生态系统生产力.然而,目前关于森林土壤氮循环如何响应气候变暖的认识仍存在不足,尤其缺乏来自亚热带森林生态系统的证据.为此,依托亚热带杉木林野外增温试验平台,原位监测杉木幼林和成熟林0-20 cm土层土壤净氮矿化速率、净硝化速率、土壤氧化亚氮(N_(2)O)排放速率以及无机氮淋溶量,探究增温对亚热带杉木林土壤氮转化过程的影响.结果表明:林分类型未显著影响土壤原位土壤N_(2)O排放速率和铵态氮淋溶量,但杉木成熟林的土壤净氮矿化速率、净硝化速率显著高于杉木幼林的.与对照相比,增温4℃未显著改变原位土壤净氮矿化速率和净硝化速率,也未显著影响原位土壤N_(2)O排放速率.同时,增温使幼林土壤硝态氮淋溶量显著降低了38.7%,但未显著影响杉木幼林和成熟林土壤铵态氮淋溶量以及成熟林土壤硝态氮淋溶量.总的来说,增温处理未改变原位土壤净氮转化速率、N_(2)O排放速率以及杉木成熟林无机氮淋溶量,说明土壤增温并未增加亚热带森林土壤无机氮净输入量和土壤氮损失量.这一研究促进了我们对气候变暖条件下亚热带森林土壤氮循环的理解.

杉木和米槠人工林土壤可溶性碳组分动态及其对凋落叶输入的响应

可溶性碳组分是土壤有机碳库中最活跃的部分,作为土壤碳周转初期变化的敏感指标,其含量受到凋落叶等植物残体输入、森林类型及季节性水热变化的共同调节。采用土壤原位培养法,以亚热带米槠(Castanopsis carlesii)人工林与杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林为对象,分析生长季内土壤可溶性碳(DOC)与热水溶性碳(HWSC)含量动态变化及其对凋落叶输入的响应趋势。结果表明,凋落叶输入、森林类型和培养月份均极显著影响土壤可溶性碳组分含量(p<0.001)。杉木人工林土壤DOC与HWSC含量整体较高,分别高出米槠人工林15.09%和13.06%,但后者的土壤可溶性有机质芳香化程度更高。经过1个生长季的培养,2种人工林土壤DOC与HWSC含量均明显增加。凋落叶增加生长季米槠人工林土壤DOC与HWSC的含量,但对杉木人工林的影响具有季节差异。研究结果表明杉木人工林土壤DOC与HWSC含量更高,但凋落叶输入促进米槠人工林DOC与HWSC含量,更易于随淋溶过程流失。

离子树脂法测定森林穿透雨氮素湿沉降通量--以千烟洲人工针叶林为例

穿透雨是大气氮素输入森林生态系统的重要途径之一,穿透雨中氮素含量的定量评估在森林生态系统氮素循环研究中的作用不可忽视。穿透雨中氮沉降通量的空间异质性很强,传统降水收集法工作量大,且容易带来测定误差。分析了国产离子树脂测定大气氮素湿沉降的可行性,并以千烟洲人工针叶林为例探讨离子树脂法测定森林穿透雨的适用性。结果表明,离子交换树脂法和传统降水收集法测定值之间的相关性显著,离子交换树脂法可以很好的反映大气氮沉降通量和季节变化特征,并且在采样周期较长时也能准确测定氮沉降组分,是适用于野外站点林内穿透雨氮沉降通量的观测方法。千烟洲人工针叶林穿透雨的氮沉降通量为9.19 kgN.hm-2.a-1,夏季的5—7月份和冬季的1—2月份出现氮沉降通量高峰。夏季穿透雨氮沉降以铵态氮为主,而冬季以硝态氮为主。千烟洲人工针叶林的氮沉降通量与附近地区针叶林穿透雨氮沉降通量近似,低于临近区域阔叶林穿透雨的氮沉降通量水平,但已可能接近森林生态系统氮输出出现强烈反应的氮沉降临界值。

基于生态(Eco-exergy)的鹤山红木荷人工林群落结构发展动态

能量是生态系统过程的趋动力,系统内的一切生命活动都伴随着能量转化与传递;因此,生态系统发展过程中的热力学普遍规律是生态学与生物物理学长期以来共同的研究焦点。源于热力学的生态(Eco-exergy)理论是当前生态系统自组织研究过程中较流行的目标函数,已被广泛用于湿地和水生生态系统等的研究中,森林生态系统研究中案例匮乏。本研究运用生态(Eco-exergy)理论方法,量化分析了鹤山红木荷Schima wallichii人工群落12～27龄间的结构发展动态,探讨了生态理论在森林研究中的应用。同时,为更好地表征物种的群落热力学地位,构建并使用了群落生态贡献率(PC)和冠层生态贡献率(PL)两个新指标,丰富了森林系统生态的计算方法。结果显示,15年间,红木荷群落生态和结构(SpecificEco-exergy)均波动上升,群落结构趋于有序;群落乔-灌-草层热力学结构发展不同步,但互有影响。拥有巨大生物量的乔木层和遗传信息较丰富的草本层分别在生态和结构中占据较大比重,两者在群落结构的稳定和复杂性的发展与维系中发挥着重要作用。先锋种红木荷的生长增加了林内荫庇度,促使林下结构向"耐阴种占优"的方向转变,但其自我更新受阻,而区域森林演替后期优势树种亦未能自然进驻,阻滞了群落的演替发展和结构健康水平的进一步提升;建议人为引入锥栗Castanopsis chinensis、荷木Schima superba、厚壳桂Cryptocarya chinensis、云南银柴Aporusa yunanensis等进行林份改造,加速系统演替与结构有序化进程。

增温对亚热带杉木枝和叶凋落物理化性质的影响

在区域尺度上,凋落物的底物性质是决定其分解速率的关键因素。本研究以亚热带杉木人工林为对象,通过埋设电缆进行土壤增温,分析气候变暖对杉木枝、叶凋落物理化性质的影响。结果表明:经过5年的土壤增温试验(4℃),杉木枝凋落物的氮(N)、磷(P)含量和可萃取物含量分别增加35.2%、40.8%、7.6%,叶凋落物分别增加41.2%、45.9%、5.9%;枝凋落物的碳(C)含量、纤维素含量和C/N分别降低5.1%、11.6%、28.8%,叶凋落物分别降低5.3%、11.3%、33.3%。土壤增温导致杉木叶凋落物的比叶面积提高29.8%,抗拉强度减小40.7%,但增温对杉木枝和叶凋落物木质素含量和pH值无显著影响。^(13)C NMR和红外光谱分析显示,增温后杉木凋落物中氨基酸、多糖、多酚和脂肪族化合物含量变化显著,而且在不同器官凋落物之间有所差别,表现为多糖类物质只在叶凋落物中显著增加,枝凋落物中氨基酸的增加量大于叶凋落物。土壤增温显著改变了杉木枝、叶凋落物的理化性质,N、P养分含量的提高以及抗拉强度减小等特征可能加速初期凋落物的分解速率,而由于复杂大分子化合物的增多,后期凋落物的分解速率可能较慢。

Comparative study on active soil organic matter in Chinese fir plantation and native broad-leaved forest in subtropical China

Active soil organic matter (ASOM) has a main effect on biochemical cycles of soil nutrient elements such as N, P and S, and the quality and quantity of ASOM reflect soil primary productivity. The changes of ASOM fractions and soil nutrients in the first rotation site and the second rotation site of Chinese fir plantation and the native broad-leaved forest were investigated and analyzed by soil sampling at the Huitong Experimental Station of Forestry Ecology (at latitude 26°48′N and longitude 109°30′E under a subtropical climate conditions), Chinese Academy of Sciences in March, 2004. The results showed that values of ASOM fractions for the Chinese fir plantations were lower than those for the broad-leaved forest. The contents of easily oxidisable carbon (EOC), microbial biomass carbon (MBC), water soluble carbohydrate (WSC) and water-soluble organic carbon (WSOC) for the first rotation of Chinese fir plantation were 35.9%, 13.7%, 87.8% and 50.9% higher than those for the second rotation of Chinese fir plantation, and were 15.8%, 47.3%, 38.1% and 30.2% separately lower than those for the broad-leaved forest. For the three investigated forest sites, the contents of MBC and WSOC had a larger decrease, followed by WSC, and the change of EOC was least. Moreover, soil physico-chemistry properties such as soil nutrients in Chinese fir plantation were lower than those in broad-leaved forest. It suggested that soil fertility declined after Chinese fir plantation replaced native broad-leaved forest through continuous artificial plantation.