土壤增溫及降雨隔離對杉木幼林林下植被生物量的影響

劉小飛，林廷武，熊德成，林偉盛，林成芳，楊玉盛

(1．福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，福州350007;2．福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福州350007)

據(jù)IPCC(2007)預(yù)計到21世紀末，全球平均溫度將增加1.1～6.4℃，氣候變暖導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)干旱頻繁，強降雨增多，降雨量、降雨強度和降雨格局改變，高緯度地區(qū)降雨增加而亞熱帶地區(qū)降雨將減少［1］。溫度和水分是驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)過程最關(guān)鍵的2個因素，全球變暖及降雨格局的改變將顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能［2-3］。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，其林下植被在維持森林生態(tài)系統(tǒng)多樣性、生態(tài)功能穩(wěn)定性、森林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素的積累和循環(huán)、水土涵養(yǎng)、持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及森林演替和發(fā)展、森林碳匯儲量等方面具有獨特的功能和作用［4］。

目前增溫、降雨單因子控制實驗在森林、草原、農(nóng)田及凍原生態(tài)系統(tǒng)中開展了大量研究，但近年來越來越多學(xué)者意識到開展多因子交互作用研究更能真實地揭示生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)［5-10］。如Luo等通過不同氣候帶森林、草原等生態(tài)系統(tǒng)模型分析發(fā)現(xiàn)增溫和降雨增加 (+100%)處理生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力持續(xù)增加，而增溫與降雨隔離 (－50%)處理凈初級生產(chǎn)力顯著降低［8］。Hoppner等發(fā)現(xiàn)增溫和降雨隔離單因子作用對草本植物生長無顯著影響，但兩者交互作用改變了群落結(jié)構(gòu)［9］。但迄今為止，在30°N以南的熱帶和亞熱帶地區(qū)野外增溫和降雨隔離多因子交互實驗鮮有報道。杉木人工林 (Cuninghamia Lanceolata)是中國南方集體林區(qū)的主要造林樹種，占人工林面積的30%［11］。因此，本研究采用土壤增溫與降雨隔離相結(jié)合探討杉木人工林林下植被生物量對增溫和降雨隔離響應(yīng)，為全球變暖背景下的森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

［12］。

1.2 實驗方法

1.2.1 土壤異質(zhì)性消除

實驗土壤在取回之前采用環(huán)刀法測定每層土壤的容重 (表1)，然后土壤分層 (0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm)取回，剔除粗根、石塊和其他雜物后，土壤分層混合均勻，按50～60 cm、40～50 cm、30～40 cm、20～30 cm、10～20 cm、0～10 cm重填回2 m×2 m實驗小區(qū)內(nèi)，同時采用壓實法調(diào)整土壤容重與原位土壤容重接近 (表1)。

1.2.2 實驗設(shè)計

實驗小區(qū)面積2 m×2 m，小區(qū)四周采4塊PVC板 (200 cm×70 cm深)焊接而成，與周圍土壤隔開，防止小區(qū)之間相互干擾。實驗設(shè)增溫 (W)、不增溫 (CK)、降雨隔離 (P)和增溫+降雨隔離(WP)4種處理 (土壤增溫5℃)，每個處理5個重復(fù)。于2013年10月安裝加熱電纜 (增溫和不增溫小區(qū)都布設(shè)相同電纜)，平行布設(shè)，深度為10 cm，間距20 cm，并在最外圍環(huán)繞一圈，保證樣地增溫的均勻性。電纜布設(shè)完成后5個月 (2014年3月)開始通電增溫。2013年11月，每個2 m×2 m小區(qū)種植4棵杉木，杉木位置均處于2條電纜線之間。

表1 不同深度土壤重填前后容重比較/(g·cm )Table 1 A comparison of soil bulk density after refilling at different depths

降雨隔離處理:在實驗小區(qū)離地面1.5 m處均勻地安放0.05 m×5 m透明U型管，每隔5 cm放置一個U型管，均勻鋪滿降雨隔離實驗小區(qū)，以隔離50%的自然降雨。

1.2.3 林下植被收獲

2014年5月27日，對2 m×2 m小區(qū)內(nèi)每株植被分地上和地下2部分全部收集，分別稱鮮重，并取樣測定含水量、換算為單位面積干質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0的單因素方差分析不同處理間生物量的差異顯著性，采用雙因素方差分析檢驗溫度、降雨及其交互作用對地上、地下和總生物量的影響，采用Excel2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤增溫對林下植被生物量的影響

土壤增溫3個月后，與對照相比，增溫處理顯著改變林下植被覆蓋度、生物量顯著增加 (圖1)。

圖1 不同處理增溫前 (不增溫CK:A，增溫W:B)、后 (不增溫CK:C，增溫W:D)林下植被的變化Figure 1 Variation of understory vegetation before and after different soil warming treatments

對照小區(qū) (CK)地上部分生物量為6.70 g·m－2。與CK相比，增溫 (W)處理地上部分生物量增加506%，兩者間差異顯著 (P＜0.05);而P處理與CK地上部分生物量無顯著差異，但WP處理地上部分生物量為CK的3.36倍，顯著高于CK和P處理，顯著低于W處理 (P＜0.05)(圖2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度、降雨及其交互作用均顯著影響地上部分的生物量 (表2)。

表2 溫度、降雨及其交互作用對林下植被生物量的影響Table 2 Effects of temperature，precipitation and their interactions on understory vegetation biomass

不同處理對地下部分生物量影響并不一致。W處理地下生物量為4.60 g·m－2，是CK的3.27倍;但與CK相比，P處理地下部分生物量比減少68%;而WP處理地下部分生物量為1.54 g·m－2，與CK處理無顯著差異 (P＞0.05)(圖2)。但雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度和降雨兩個因素均極顯著影響地下部分生物量，而兩者的交互作用對地下生物量具有顯著影響 (表2)。

CK處理林下植被總生物量8.11 g·m－2，W和WP處理總生物量分別增加458%和197%，均顯著高于CK處理;而P處理總生物量為7.18 g·m－2，與CK無顯著差異 (P＜0.05)(圖2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度、降雨及其交互作用對總生物量均有顯著影響 (表2)。

2.2 增溫對林下植被地上/地下生物量分配的影響

增溫不僅改變林下植被總生物量，而且地下、地上部分分配比例也發(fā)生改變 (圖3)。CK處理地下/地上部分生物量比值為0.21，W、P和WP處理顯著降低地下/地上比值 (圖3)，但不同處理間比值降低模式不同。W處理雖然地上和地下部分生物量都增加，但地上部分增加比重更大導(dǎo)致地下/地上比值降低 (圖2)，即W處理導(dǎo)致林下植被生物量更多的分配至地上部分，而P處理比值降低主要是通過減少地下部分生物量，即P處理導(dǎo)致分配至地下部分的生物量減少。但WP處理，生物量的增加主要來自地上部分，因此導(dǎo)致地下/地上比值降低 (圖2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度因素對地下/地上比值無顯著影響，但降雨和溫度與降雨交互作用顯著影響生物量的地上、地下分配比例 (表2)。

圖2 不同處理林下植被地上、地下部分生物量Figure 2 Aboveground and belowground biomass under difference treatments

圖3 地上、地下部分生物量分配比例Figure 3 Allocation proportion of aboveground and belowground biomass

3 小結(jié)

土壤增溫、降雨隔離及其交互作用顯著改變林下植被生物量及其地上、地下部分生物量的分配比例。CK處理地上、地下和總生物量分別為6.70 g·m－2、1.41 g·m－2和8.11 g·m－2，其中地上和地下部分分別占總生物量的83.29%和16.71%;W處理地上、地下和總生物量分別為CK處理的6.06倍、3.27倍和5.58倍，均顯著高于CK處理。P處理地上和總生物量與CK無顯著差異，但地下生物量比CK低68%;與CK相比，WP處理地上部分和總生物量分別增加236%和197%，而地下部分生物量無顯著變化，但地下部分生物量所占比例下降10.30%。雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度、降雨及其交互作用顯著影響林下植被地上、地下和總生物量。因此，增溫促進林下植被生物量增長有利于抵消部分土壤增溫導(dǎo)致土壤碳排放的增加，對未來氣候變暖具有一定緩解作用。

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