抚育间伐对天然次生林养分循环特征及植被—土壤养分耦合协调关系的影响

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:liongliong589
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养分循环是森林生态系统的基本功能之一,是有机体赖以生存和发展的基础,对维持森林生态系统结构和功能稳定性、促进森林群落健康发展具有重要作用。抚育间伐措施通过调整林分密度,能够改变植被养分特征、凋落物化学质量、土壤理化性质、植被资源竞争格局、微生物群落特征等,从而深刻影响森林生态系统的养分循环过程。天然次生林是我国森林资源的主体,在生态系统服务和功能方面发挥巨大潜力,然而其演替过程中养分循环过程易受自然和人为因素扰动的影响,且目前对抚育间伐措施下次生林生态系统养分循环特征的变化及其影响机制缺乏系统研究。本文以抚育间伐5年后的秦岭天然次生林为研究对象,研究五种不同间伐强度(CK:0%,T1:16.3%,T2:30.8%,T3:44.4%,T4:57.6%)措施处理后森林生态系统组分养分化学计量、乔木养分重吸收变化、凋落物分解及养分释放动态、生态系统养分循环功能、植被-土壤养分库耦合协调关系,揭示间伐对次生林生态系统养分循环过程和功能的影响机制,明确间伐后植被-土壤养分库耦合协调的驱动因子。主要研究结果如下:(1)间伐对乔灌草和凋落物养分特征、乔木养分重吸收效率无显著影响,土壤养分含量随间伐强度增加而降低。间伐改变林分密度,显著影响林分蓄积量、林下植被生物量与群落多样性。然而,间伐对次生林生态系统乔灌草植物器官和凋落物的碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)含量及化学计量比无显著影响。通过计算乔木氮重吸收效率(NRE)、磷重吸收效率(PRE)和钾重吸收效率(KRE),发现间伐对乔木养分重吸收影响不显著;NRE与灌木多样性显著正相关,KRE与草本多样性和灌木生物量显著负相关。间伐显著降低了土壤养分含量,表现为土壤C、N、P含量和C:P、N:P比值随间伐强度增加而降低。冗余分析和皮尔逊相关性结果显示,间伐后土壤养分含量下降的主要原因是林分密度、蓄积量、凋落物生物量降低以及林下植被多样性、生物量和土壤p H升高。此外,乔木和林下植被新鲜叶、乔木衰老叶和凋落物的N:P比值小于14,NRE:PRE比值大于1,表明本研究区植被生长受N的限制。(2)间伐对凋落叶、细根分解速率及养分释放过程无显著影响;不同间伐强度的次生林,凋落叶分解速率明显快于不同径级细根,但凋落叶N、P、K养分残留质量显著高于细根,而细根C残留质量显著高于凋落叶。采用凋落物原位分解实验,通过分析不同间伐强度次生林凋落叶和细根分解过程中的生物量及C、N、P、K养分含量变化,计算凋落叶和细根分解速率及养分残留率,发现间伐对凋落叶、细根分解速率及养分释放过程无显著影响。不同间伐强度的次生林,凋落叶分解速率明显快于不同径级细根,凋落叶N、P、K养分残留质量显著高于不同径级细根,而不同径级细根C残留质量显著高于凋落叶。变差分解和偏最小二乘回归结果显示,林分属性和凋落物初始化学性质是凋落叶和细根分解的主要驱动因素。随机森林模型结果表明,凋落叶和细根N、P、K养分释放主要取决于凋落物初始化学性质;凋落叶C释放的驱动因子为凋落叶初始化学性质,细根C释放受林分、土壤、微生物特征和细根初始化学性质共同影响。(3)间伐显著提升生态系统N、P、K养分循环功能指数,促进了生态系统N、P、K养分循环功能,林下植被生产力、乔木和草本养分特征是该过程的关键影响因素。生态系统N、P、K养分吸收量、留存系数、植被养分周转时间随间伐强度增加而显著降低;N、P、K养分循环系数、再循环系数、盈余量、植被养分积累系数随间伐强度增加呈现显著增加趋势。生态系统N养分吸收系数、利用系数随间伐强度增加而显著升高,而生态系统P、K养分吸收系数、利用系数呈现相反趋势。生态系统P、K养分盈余率随间伐强度增加而呈现显著增加趋势,而N养分盈余率在30%间伐强度下显著低于其他四种处理。间伐对生态系统N、P、K养分循环功能指数均呈现出显著提升效应。结构方程模型结果显示,间伐通过直接调节植被生产力和凋落物生物量影响植被和土壤养分特征,从而对生态系统N、P、K养分循环功能产生间接调节作用。变差分解结果显示,林下植被生产力在生态系统N、P养分循环功能中发挥重要作用,乔木和草本养分特征对于生态系统K养分循环功能更重要。(4)间伐降低了植被-土壤养分库耦合协调性,生态系统N养分循环功能指数为该过程的关键驱动因子。间伐显著降低了植被养分库综合评价指数(f(x))和土壤养分库综合评价指数(g(x))。f(x)/g(x)比值随间伐强度增加显著增加,表明植被-土壤养分库发展模式随间伐强度增加表现为植被-土壤养分库协同发展—植被养分库滞后发展—土壤养分库滞后发展。植被-土壤养分库耦合度不受间伐的影响,取值均接近1,处于高耦合水平。植被-土壤养分库综合协调指数和耦合协调度随间伐强度增加呈现显著降低趋势,表明植被-土壤养分库耦合协调性随间伐强度增加由高质量协调水平逐步转为失调水平。变差分解结果显示,生物量属性、生产力属性及生态系统养分循环属性三者之间的共同效应,在植被-土壤养分库耦合协调度调控中起主导作用。随机森林模型结果表明,生态系统N养分循环功能指数为植被-土壤养分库耦合协调度最重要的驱动因子。综上所述,尽管间伐对土壤养分含量和植被-土壤养分库耦合协调性产生了负面效应,但能够提升生态系统养分循环功能,加快生态系统养分循环速率。研究结果对于科学制定森林生态系统可持续经营及养分管理有效措施具有指导意义,可为促进次生林生态恢复、提升森林生态系统生态服务和稳定性提供理论基础。
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