川西亚高山岷江冷杉林土壤有机碳海拔分布格局及影响因素

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:renrenxiaonei
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岷江冷杉林,作为川西亚高山主要的森林类型之一,其较高的土壤有机碳含量及密度,具有较高的碳库功能;同时该森林类型物种丰富,生态功能多样,具有很高的生态学价值。但是,由于高海拔地区土壤碳的不稳定性及川西亚高山地区的生态脆弱性,土壤碳极易受到气候变化和人为活动的影响。论文从土壤碳库的角度出发,以川西米亚罗林区阴坡和半阴坡样带为研究对象,通过调查相关植被群落因子,测定土壤有机碳及土壤理化性质,探讨不同坡向上土壤有机碳沿海拔变化规律及影响因素的差异;以卧龙地区岷江冷杉林样带为研究对象,通过测定土壤有机碳物理组分、稳定性组分、可溶性组分和微生物生物量碳等土壤有机碳的相关指标,同时测定土壤温湿度、土壤理化性质,并调查样带内物种组成,生产力特征及植物资源异质性因素,全面研究土壤有机碳与有机碳活性组分,土壤理化因子,群落因子,生产力因子的相关关系;利用冗余分析、层次聚类分析植被因素和土壤因素影响表层土壤有机碳的主要指标和解释量;最后结构方程模型模拟出海拔影响土壤碳库的途径,为亚高山土壤碳库沿海拔变化规律及影响因素的研究提供参考依据。  海拔对土壤碳库的影响因素主要包括水热条件、植被生产力及异质性、土壤环境理化性质。论文从这三个方面出发,综合探讨岷江冷杉林土壤有机碳沿海拔的分布规律及影响因素。得到以下结论:  1)米亚罗地区表层土壤有机碳(SOC)含量在植被类型变化处发生改变,表现为0-10cm层土壤有机碳含量沿海拔升高总体表现为先降低后升高;深层SOC含量未发生改变,表现为10-20cm及20-40cm阴坡SOC含量随海拔上升而升高,而半阴坡则随海拔上升而降低;在岷江冷杉林分布区域,低海拔(3300m-3700m)有机碳含量与温度显著正相关,高海拔(3700-4100m)与温度显著负相关;生产力因子(凋落物层厚度,碳含量)是影响半阴坡岷江冷杉林土壤有机碳影响因子之一,与表层有机碳含量表现显著正相关关系;土壤因子pH是影响深层土壤有机碳变化规律的主要因子,土壤有机碳含量与pH显著负相关,与总氮(TN)显著正相关,半阴坡SOC与微生物量氮(MBN)显著正相关,通过逐步回归,pH、TN及MBN是米亚罗地区岷江冷杉林下SOC主要解释因子。  卧龙地区岷江冷杉林不同土层SOC沿海拔变化规律存在显著差异,腐殖层有机碳含量沿海拔上升有机碳含量逐渐升高;0-10cm沿海拔无显著特征,10-20cm土壤有机碳含量表现为先降低后升高,而20-40cm有机碳含量则表现为先升高再降低;不同土层中土壤碳组分随海拔变化规律表现为:腐殖质层轻组/重组有机碳,颗粒/非颗粒有机碳及惰性态有机碳含量随海拔上升逐渐增加,而微生物量碳,易氧化性碳及水溶性有机碳随海拔变化规律不显著;0-10 cm土壤中轻组有机碳、颗粒态碳、易氧化性碳、水溶性碳沿海拔和惰性有机碳升高变化规律与总有机碳变化规律一致,和重组有机碳含量则表现相反趋势土壤中有机碳惰性和活性组分沿海拔升高均无显著规律;10-20 cm和20-40 cm土壤中水溶性碳含量沿海拔上升逐渐降低,易氧化性碳含量随海拔上升逐渐增加,有机碳其他活性组分有机碳含量随海拔上升变化不显著,惰性组分中非颗粒有机碳在10-20 cm土层沿海拔先降低后增加,在20-40 cm先增加后降低,是这两层土壤有机碳海拔分布格局的表征组分;腐殖质层有机碳因素主要为水热条件,与生产力因素,群落变化及土壤理化性质无显著关系;群落变化和水热条件是0-10 cm土壤有机碳沿海拔无明显梯度变化主要原因;随土层深度的增加,土壤理化性质替代水热条件和群落生产力因子,成为影响有机碳含量的主要因素。通过逐步回归,土壤水分,pH、TN及MBN是卧龙地区岷江冷杉林下解释量达到85%以上。腐殖质层有机碳因素主要为水热条件,与生产力因素及土壤理化性质无显著关系;群落变化改变0-10cm土壤有机碳沿温度梯度的分布格局,使其沿海拔无显著规律;随土层深度的增加,土壤理化性质替代环境因子和群落生产力因子,成为影响有机碳含量的主要因素,pH值的大小显著土壤有机碳活性和惰性比例。卧龙地区土壤有机碳含量沿海拔的变异规律的解释因子为pH值,全N及MBN,三者与土壤水分共同对有机碳的解释量达到85%以上。  3)卧龙样带物种总丰富度随海拔上升逐渐降低,根据岷江冷杉林植物物种和数量的海拔变化分布格局,可以沿海拔分为4个群落类型(岷江冷杉+糙皮桦+华西箭竹群落;岷江冷杉+糙皮桦+无柄杜鹃+绒毛杜鹃群落;岷江冷杉+无柄杜鹃+绒毛杜鹃群落;岷江冷杉+大叶金顶杜鹃),植被对表层土壤有机碳的影响可以分为生产力因子,植物异质性因子:生产力因子中凋落物,苔藓层及腐殖质层厚度与表层土壤有机碳表现为显著正相关,是解释表层土壤有机碳含量的主要因子;植物异质性因子中,群落类型的差异改变通过改变轻组有机碳,颗粒态碳的含量来改变有机碳的海拔分布格局。植物异质性因子中,乔木层物物种数和α多样性指数与表层土壤有机碳在低海拔表现为显著正相关(2900-3200m),中高海拔为显著负相关(3200-3500m),灌木层和草本层物种数及α多样性指数在整个海拔带上与土壤有机碳为显著负相关。中海拔区域异质性和物种替代率高的群落类型具有较高的表层土壤有机碳含量源于较低的土壤养分含量。  4)土壤水热条件、土壤理化性质、土壤微生物量、土壤氮循环、植物生产力因素及植物异质性对表层土壤有机碳库特征总惯量的约束比例分为29.7%、77.6%、41.5%、67.2%、67.4%和48.6%。土壤氮循环约束土壤有机碳库特征的比例大多包含在土壤理化性质之中。乔灌草三层植物异质性对土壤有机碳的约束惯量小于植物生产力因素,草本层在约束惯量的单独效应及和灌木层,乔木层的交互效应上均<6%,表明植被对土壤有机碳碳库影响主要由乔木和灌木物种的植物生产力和异质性决定。由结构方程模拟可知,海拔对岷江冷杉林土壤有机碳的影响通过直接和间接途径,直接途径通过水热条件影响活性组分中的DOC和ROC,对总有机碳含量影响不显著,更多通过改变土壤理化性质和植被类型等间接途径影响土壤有机碳。其中,土壤理化性质和植物生产力因素主要改变活性碳库大小,而植物异质性则是海拔梯度上响应惰性碳库变化的主要因子。  综上所述:海拔对土壤有机碳库的影响可以通过水热的差异来改变土壤有机碳中活跃的组分(ROC和DOC),扩展到影响微生物来源的有机碳组分和微生物活性,但更多是改变有机碳的植物来源和土壤理化性质来改变有机碳中含量较高的POC和IOC。
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