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森林生态系统是陆地生态系统的主体,它贮存了陆地生态系统76%-98%的有机碳,而森林土壤又是森林生态系统中最大的碳库,森林土壤在陆地生态系统碳循环研究中占有十分重要的地位。森林植被的恢复演替是一个普遍存在的自然过程,我国现有森林面积的68%为中幼龄次生林,在全球碳固定上起着举足轻重的作用。探讨森林植被恢复演替过程中土壤有机碳与参与有机碳矿化作用的土壤微生物和土壤酶的耦合关系,对于揭示与植被演替相联系的土壤碳累积速率与潜力,具有非常重要的意义。
本项研究选取了温带森林(以长白山为代表,项级群落为原始阔叶红松林,128°28′E、42°24′N)、暖温带和北亚热带森林(以秦岭宝天曼为代表,顶级群落为锐齿栎,110°53′~112°E、33°25′~33°33′N)和亚热带森林(以鼎湖山为代表,顶级群落为季风常绿阔叶林,23°10′N、112°34′E)三个气候带森林的不同演替系列土壤作为研究对象,开展了以下研究:
1、不同演替序列土壤有机碳浓度变化规律。
2、不同演替序列土壤微生物量碳、氮、磷及土壤微生物熵变化规律。
3、不同演替序列参与碳素循环的土壤酶活性变化规律。
研究结果表明:
1.长白山原始阔叶红松林及其次生演替序列土壤有机碳含量存在显著差异,原始林的成熟林和过熟林有机碳含量低于白桦次生林的成熟林;白桦中龄林及白桦成熟林土壤有机碳处于较强的积累过程;白桦中龄林和成熟林的土壤碳、氮、磷元素周转速率较快。相关分析表明,土壤微生物量碳与土壤有机碳、全氮和可利用磷含量之间呈极显著正相关(相关系数分别为0.943,0.963和0.953,P<0.01)。
2.宝天曼暖温带和北亚热带森林不同演替序列土壤有机碳随着演替进行逐渐升高,锐齿栎老龄林土壤碳素积累最高,参与碳素循环的土壤水解酶活性也最高,该阶段碳素周转最快。丽锐齿栎中龄林的微生物量碳和微生物熵最高,说明该时期处于有机碳积累较强烈的过程中。相关分析表明土壤有机碳与三种水解酶呈极显著正相关(相关系数分别为0.914、0.864和0.920,P<0.01)。
3.鼎湖山亚热带森林不同演替序列中顶级群落季风常绿阔叶林土壤有机碳、微生物量碳达到最高。季风常绿阔叶林土壤水解酶活性同样最高,说明其土壤中碳周转速率最快。经过相关分析表明土壤有机碳和微生物量碳与土壤水解酶呈显著正相关(P<0.01)。而马尾松针叶林土壤微生物熵显著高于其他演替阶段,因此该阶段碳积累较强烈。