南亚热带针阔叶混交林对气候变暖的生理生态响应

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由于人类活动所引起的地球大气层中温室气体的富集已导致地球表面平均温度在20世纪升高了0.6℃,并预计在本世纪将上升1.8-4.0℃。森林生态系统是陆地生物圈的主体,在调节全球碳平衡和减缓气候变暖方面发挥着不可替代的作用,因此探讨气候变暖对森林生态系统碳库/源汇效应的影响正逐步成为当前国际全球变化生态学研究的热点问题。受气候变暖影响,近年来在北方森林、温带森林、热带与亚热带森林中普遍观测到群落结构发生趋势性变化的现象,而探讨其中机理的研究多见于北美和欧洲等温带区域,针对热带与亚热带区域报道较少。  本研究在南亚热带鼎湖山自然保护区不同海拔(300 m和30 m a.s.l.)采用土壤移位结合移植6种南亚热带乡土植物木荷(Schima superba)、红椎(Castanopsishystrix)、马尾松(Pinus massoniana)、短序润楠(Machilus breviflora)、红枝蒲桃(Syzygium rehderianum)和山血丹(Ardisia lindleyana),以构建针阔叶混交林生态系统并利用低海拔与高海拔间的温差模拟气候变暖情景,研究在移位后植物生理生态和土壤呼吸及其相关生物与非生物因子,旨在从更新的角度探讨南亚热带针阔叶混交林生态系统不同树种对气候变暖的响应差异,并揭示其土壤呼吸作用及土壤有机碳累积对气候变暖的响应规律和机制。本文研究结果可在一定程度上为目前亚热带森林物种组成和群落结构变化提供机理参考,同时也为评估森林生态系统碳平衡对气候变暖的响应提供基础数据。主要研究结果如下:  1.与对照样地(300 m a.s.l.)相比,增温样地(30 m a.s.l.)环境因子发生了一些变化:(i)在实验期间,增温样地比对照样地月空气温度平均值、最小值、最大值分别比对照样地高0.90、1.29和0.90℃;(ii)增温样地空气相对湿度月平均值、月最大值分别比对照样地高4.57%和4.59%,而月最小值比对照样地低3.96%;(iii)增温样地饱和蒸汽压差(Vpd)月平均值比对照样地低0.24 kPa;(iiii)增温样地土壤表层(0-10 cm)温度月平均值比对照样地高0.93℃,而土壤表层体积含水量月平均值比对照样地低3.5%。  2.为验证气候变暖下亚热带针阔叶混交林植物光合作用关键过程的影响,我们比较了两个样地6种植物气体交换的季节和日动态。结果表明不同植物气体交换和生理表现有差异且有一定季节格局:增温样地木荷、马尾松、短序润楠与山血丹饱和光强下净光合速率(Asat)比对照高,且木荷、短序润楠和马尾松Asat与叶片温度变化正相关(p<0.05),而其他两种植物红枝蒲桃与红椎Asat在两样地间则没有显著差异。通过对影响光合速率的几个主要因素进行分析得出:增温样地Vpd比对照低,在干季或湿季木荷、红枝蒲桃、马尾松和山血丹较低的空气-叶片蒸汽压差(VpdL)使得其气孔导度增加,气体交换加速进而间接促进光合作用。另外,增温样地中木荷、马尾松和短序润楠中1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)梭化速率(Vcmax)和最大电子传输速率(Jmax)较高,直接促进了光合作用的进行。  3.为验证气候变暖是否对亚热带针阔叶混交林植物生长及相关植物功能性状有潜在影响,我们比较了两个样地6种植物生长以及相关植物功能性状。结果表明在群落水平上,增温样地植物生物量累积比对照高,然而在物种水平上,不同树种的响应具有种间差异。从实验进行第二年开始,增温样地木荷与马尾松的基径、树高和生物量累积显著高于对照(p<0.05),而其他树种在两个样地间则没有显著差异,主要源于光合速率的增加以及植物内碳水化合物的分配模式。增温样地植物叶片非结构性碳水化合物低于对照,且叶片淀粉含量与植物生物量显著负相关,意味着增温样地植物光合产物更多分配于生长。另外,木荷与马尾松树高反应比显著高于其他树种(p<0.05),使得增温样地群落垂直结构明显分化。  4.为预测气候变暖下南亚热带针阔叶混交林的土壤温室气体排放和有机碳累积,我们比较了两个样地土壤呼吸作用和土壤有机碳累积,结果表明土壤呼吸速率与土壤温度指数正相关,增温样地土壤呼吸速率与累积土壤呼吸通量显著高于对照(p<0.05),增温与对照样地的土壤呼吸速率的温度敏感性分别为1.67和2.20。主要源于根系生物量增加导致的自养呼吸增加,以及土壤微生物碳利用效率增加导致的异养呼吸增加。土壤呼吸速率与土壤体积含水量之间则没有显著相关性,说明在本研究中土壤温度对土壤呼吸更重要。土壤有机碳累积小于对照,意味着气候变暖可能会削弱其土壤碳汇功能。  总之,移位后针阔叶混交林生态系统中6种植物的生长和生理表现不同,此响应差异可能赋予了不同植物种类在气候变暖背景下不同的竞争和适应能力,从而对亚热带针阔叶混交林物种组成和群落结构产生潜在影响。另外,针阔叶混交林生态系统土壤碳累积在移位后减少,预示着未来气候变暖下亚热带针阔叶混交林土壤碳汇能力可能会削弱。
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