【摘要】：细根(直径2 mm)的形态解剖特征对树木个体的资源吸收和和存活生长具有重要影响,而细根生物量、生产力和周转在森林生态系统的碳平衡和养分循环中扮演关键角色。因此,明确大尺度上细根形态和解剖特征以及林分尺度细根生物量动态的地理变异,对预测全球变化背景下树木和森林生态系统的响应与机制具有重要意义。为此,本研究在树木个体、林分和区域三个水平上考察树木细根形态解剖特征以及细根生物量动态在大空间尺度上变异,旨在探究未来气候变化对树木细根系统结构和功能的潜在影响。在个体水平上,研究了不同气候区(5个研究地点由南至北分别为广东省韶关市,河南省郑州市,山西省太原市,宁夏回族自治区银川市和辽宁省沈阳市)银杏(G/nkgo biloba)和杜仲(Eucommia ulmoides)叶和1级根形态解剖特征的地理变异;在林分水平上,比较了东北地区不同地点(3个研究地点分别为辽宁省抚顺市湾甸子、黑龙江省尚志市帽儿山和黑龙江省伊春市带岭)水曲柳(Fraxinus mandschurica)人工林吸收根(直径≤0.5 mm)和细根(直径≤2 mm)生物量、生产力和周转的地理变异;在区域水平上,基于以往研究数据,考察了中国不同森林类型(针叶树、阔叶树及总体)细根生物量、生产力和周转的空间变异格局和潜在影响因子。主要的研究结果如下:1、在树木个体水平上,不同气候区银杏和杜仲叶和1级根形态解剖特征表现出明显变异,这种变异主要受年均降水量的影响。两树种比叶面积、气孔和叶脉密度,以及1级根直径均与年均降水量显著正相关,而叶厚度和比根长随年均降水量增加而降低。银杏和杜仲比叶面积与比根长,叶厚度与1级根直径之间显著负相关,而叶和1级根木质部细胞数量间存在紧密正相关关系,说明两树种叶和1级根间存在协同变异。干旱地区叶厚度增加,气孔和叶脉密度降低有助于减少水分散失,而更细的1级根和更薄的皮层能够提高水分吸收能力;相反,湿润地区个体具有更高的比叶面积,气孔和叶脉密度,这有助于提高光合速率,叶和1级根更多的木质部细胞数量能提高水分纵向运输效率而确保蒸腾与光合作用的协调。这些发现显示了树木叶和根在水分吸收、运输和蒸散过程中的紧密联系,并能够对大尺度的环境变异做出结构和功能上的协调优化。2、在林分水平上,东北地区不同地点上水曲柳人工林吸收根和细根生物量和生产力差异显著,其中带岭水曲柳吸收根和细根生物量和生产力接近湾甸子的两倍,而吸收根和细根周转及形态特征(比根长和组织密度)变异较小。年均温度是驱动水曲柳吸收根和细根生物量和生产力变异的关键环境因子。水曲柳吸收根和细根生物量和生产力均随年均温度增加而显著降低,而吸收根和细根周转以及形态特征与气候因子间没有显著联系。这些结果说明水曲柳在在更寒冷地区可能倾向于通过提高吸收根细根生产力和生物量,而非改变细根形态和结构特征来满足地上生长对土壤资源的吸收需求。吸收根占细根生物量的比例与气候因子没有显著相关性(47-52%),但这一比例随土层深度增加而显著降低(26-56%),可能暗示了土壤理化性质而非气候因子才是影响吸收根和细根生物量比例的关键因子。3、在区域水平上,中国森林细根生物量、生产力和周转具有明显的地理变异,这种变异主要受年均降水量的影响。中国针、阔叶林和森林总体细根生物量分别为224.3 g m-2,317.2 g m-2和 278.3 g m-2,生产力分别为 320.5 g m-2a-1,387.2 g m-2a-1 和 366.8 g m-2a-1.,周转分别为1.30a-1 1.11a-1和1.19a-1。我们估计的中国森林生物量低于其他地区和全球水平的估计值,生产力和周转则高于全球森林的平均值。这可能是因为中国森林林分年龄普遍较小(平均为40.1a),并且生长于比其他区域更干旱的环境中。中国森林细根生物量、生产力和周转均随着降水量增加而增加,可能的原因是在生长季(5月-9月)中平均温度的变异(14%)小于累计降水量的变异(41%)。这些结果意味着在未来降水量时空分布格局的改变会对中国森林细根动态及生态系统碳和养分循环过程产生重要影响。年均降水量对中国森林细根生物量、生产力和周转的变异格局的强烈影响,与年均温度对东北地区水曲柳林分细根变量有重要影响不同,显示了相对寒冷地区温度而非水分才是影响树木细根生长的关键因子。综上,从树木个体水平上的细根形态解剖特征到区域水平上中国森林细根生物量动态均表现出明显的地理变异,这种变异与气候因子间具有紧密联系。但是,在不同区域和研究尺度上,影响树木细根结构和功能特征空间变异的的关键气候因子有所不同,体现了树木细根系统对环境变化所采取适应策略的多样性。这些发现对于理解和预测树木个体生长发育和森林生态系统物质循环过程对未来环境变化的响应具有重要意义。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S718.4
【参考文献】
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2700421
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