论文部分内容阅读
大兴安岭北部地区是我国唯一的高纬度寒温带林区,是国家重要的生态功能区和生态敏感区。白桦（Betula platyphylla）是大兴安岭地区分布面积最广的阔叶树种,同时也是该区森林天然更新的先锋树种,在该区域具有不可替代的生态地位。本研究以大兴安岭北部25 a、40 a与61 a白桦（Betula platyphylla）林生态系统为研究对象,研究其碳氮储量及分配特征、光合固碳过程碳氮耦合特征、凋落物分解过程碳氮耦合特征、土壤碳释放过程碳氮耦合特征、土壤氮矿化过程碳氮耦合特征,并通过模型模拟,预测未来气候变化背景下白桦林生态系统碳氮循环特征,为将来气候变化背景下白桦林的经营管理提供基础数据与科学参考。主要结果如下:（1）大兴安岭北部25 a、40 a与61 a白桦林生态系统碳储量分别为73.04、176.98和68.74 t·hm–2,随着林龄的增长白桦林生态系统碳储量表现出了显著的增加趋势。土壤层对森林生态系统碳储量贡献最大,达到了86.54%～89.60%,其次为乔木层,贡献率为8.61%～11.73%,林下地被物层对碳储量贡献率最小,仅为1.49%～3.12%。25 a、40 a与61 a白桦林生态系统氮储量分别为7.19、9.83和12.41 t·hm–2,其中土壤层贡献率达到了97.82%～98.74%,乔木层氮储量贡献率为0.70%～1.45%,林下地被物层对白桦林氮储量贡献率仅为0.56%～0.73%。（2）白桦叶片的净光合速率随着树龄的增加而增长,研究期间平均光合速率表现为:61 a(3.24±0.29μmol CO2·m-2·s-1)＞40 a(2.74±0.25μmol CO2·m-2·s-1)＞25 a(1.65±0.13μmol CO2·m-2·s-1);蒸腾速率表现为:40 a(1.71±0.17 mmol H2O·m-2·s-1)＞25 a(1.0±0.12 mmol H2O·m-2·s-1)＞61 a(0.72±0.12 mmol H2O·m-2·s-1);水分利用效率表现为:61 a(5.59±0.79μmol·mmol-1)＞40 a(2.09±0.46μmol·mmol-1)＞25 a(1.78±0.20μmol·mmol-1);光合氮利用效率表现为:61 a(0.16±0.02μmol·g-1·s-1)=40 a(0.16±0.02μmol·g-1·s-1)＞25 a(0.09±0.01μmol·g-1·s-1)。白桦的光合速率与叶片氮含量存在极显著正指数相关关系,25 a、40 a与61 a白桦林叶片光合速率与氮含量间的耦合方程结果分别为:Pn=0.001e0.375N;Pn=0.002e0.446N与Pn=0.004e0.340N。（3）研究期间大兴安岭北部白桦林凋落物输入量为100.07～220.81 g?m-2,凋落物的输入主要集中在8-9月。凋落物中叶片与枝条的分解速率与凋落物C/N间存在极显著负线性相关关系,叶片与枝条的分解速率与凋落物C/N间的相关系数r值分别为-0.901与-0.944。叶片、枝条的分解速率与凋落物C/N间的耦合方程结果分别为:y=1342.449-37.724x与y=1131.320-31.954x。叶片与枝条的分解系数分别为1.213和0.845,叶片的分解速率高于枝条。叶片、枝条的半分解时间分别为0.571年与0.820年,分解95%的时间分别为2.470年与3.545年,且凋落物分解过程中碳、氮释放均表现为富集-释放。（4）白桦林土壤呼吸速率表现为:40 a(4.64±0.50μmol·m-2·s-1)＞61 a(4.34±0.51μmol·m-2·s-1)＞25 a(2.45±0.19μmol·m-2·s-1)。土壤呼吸速率温度敏感性指数Q10值随着林龄的增加而降低,25 a、40 a与61 a白桦林Q10值分别为8.28、3.29和2.32。土壤温湿度可共同解释土壤呼吸速率变化的64.00%～84.20%。白桦林土壤呼吸速率与土壤有机碳含量间存在正线性相关关系,25 a、40 a与61 a白桦林土壤呼吸速率与土壤有机碳含量间的耦合方程结果分别为:Rs=1.459+0.039C;Rs=1.567+0.069C与Rs=0.013+0.077C;土壤呼吸速率与土壤氮含量间存在正指数相关关系,25 a、40 a与61a白桦林土壤呼吸速率与土壤全氮含量间的耦合方程结果分别为:Rs=0.308e1.357N,Rs=1.279e0.540N及Rs=-1.235e0.475N。移除掉落物处理白桦林土壤呼吸速率将减少15.23%～24.26%。凋落物加倍处理使得土壤呼吸速率增长23.58%～27.38%。因此,在未来的气候变暖、凋落物输入量增多、氮沉降增加的背景下,我国多年冻土区的白桦林的碳释放将会不可避免的增加。（5）白桦林土壤无机氮含量变化范围分别为2.57～12.91 mg·kg-1,且以NH4+-N形式存在为主。土壤无机氮含量存在明显的垂直空间变异,即0–10 cm土层土壤无机氮含量高于10–20 cm。随着白桦林龄的增加,土壤无机氮含量表现为61 a(8.08±0.34mg·kg-1)＞40 a(6.21±0.35 mg·kg-1)＞25 a(5.13±0.33 mg·kg-1)。观测期内土壤平均净氮矿化速率表现为61 a(0.67±0.07 mg·kg-1·d-1)＞40 a(0.46±0.05 mg·kg-1·d-1)＞25 a(0.10±0.03 mg·kg-1·d-1),土壤净氨矿化过程是土壤矿化过程的主要形式,贡献量占66.22%～77.87%。0-10 cm土层土壤氮矿化速率与土壤微生物量碳与微生物量氮含量间均存在显著正相关关系,25 a、40 a与61 a白桦林土壤氮矿化速率与土壤微生物量碳、氮含量间的耦合方程结果分别为:Rm=-0.817+0.003MBC+0.004MBN;Rm=-2.895+0.016MBC+0.009MBN与Rm=-9.678+0.018MBC+0.039MBN。（6）经参数率定后的Forest-DNDC模型RMSE%值小于30%,MAE%值均小于25%,可满足模型使用的精度要求。利用该模型对大兴安岭地区白桦林生态系统碳氮循环过程进行了耦合模拟,结果显示25 a、40 a和61 a白桦林生态系统年净初级生产力分别为4.82、5.06和7.67 t C?hm-2?y-1,其中41.00%～49.93%的碳通过呼吸释放进入大气。每年的氮矿化量分别为41.47、50.11和54.18 kg N?hm-2?y-1,每年通过NO,N2O和N2释放进入空气的氮为0.68～0.83 t N?hm-2?y-1。25 a、40 a与61 a白桦林土壤碳、氮释放通量间的拟合方程结果分别为:N=0.006C4.774+1.391;N=0.001C5.029+1.294与N=1.816C0.537-0.389。未来大气CO2浓度升高、温度增加、降水量增强的气候变化背景下,大兴安岭白桦林的净初级生产力将会随之增长,此外土壤碳、氮通量也将受气候变化的影响而随之增加。