森林残体跨区域长期观测与试验研究-周国逸

1、中国科学院鼎湖山森林生态系统定位研究站中国科学院鼎湖山森林生态系统定位研究站中国科学院华南植物园中国科学院华南植物园2007年年10月月20日日周国逸 Decomposition is central to the normal functioning of ecosystems; it is estimated that 80-90% of all net primary production in terrestrial ecosystems is recycled by decomposers (Odum，1971)A 森林残体的分解是森林生态系统内部能量流动与物质循环的关键过程森林残体

2、的分解是森林生态系统内部能量流动与物质循环的关键过程在养分转移、水分平衡、物种更新、生物多样性保育乃至系统稳定性等方面起着无在养分转移、水分平衡、物种更新、生物多样性保育乃至系统稳定性等方面起着无可替代的作用可替代的作用成熟森林(特别是成熟森林的稳定性问题) 逐步成为热点研究对象对成熟森林研究的切入点森林残体形成与分解过程表现在大量的文章和国际会议成熟森林的精细平衡，有赖于残体的归还、分解与吸收 Decline of forest productivity, particularly in old-growth forests occurs in many world forest ecosy

3、stems. Several hypotheses have been proposed to explain the decline, including photosynthesis-respiration imbalance, stomatal constraint and nutrient limitation. Wardle et al. (2004) suggested that old-growth forest decline was often associated with reductions in litter decomposition rate, P release

4、 from litter, and biomass and activity of decomposer microbes. This conclusion was supported by the study (Zhou et al 2006) which demonstrated that old-growth forests can accumulate carbon in soils 可见，森林残体的分解过程可能直接涉及到成熟森林的稳定，由此，影响分解过程的所有因素都可能成为森林稳定性的制约因素1.1 成熟森林的稳定性问题 Wardle et al. (2004)所涉及的实际上是在没有

5、人为N沉降的情况下，森林养分每循环一次，就要损失掉一部分有效P，使得森林生态系统中有效P缺乏，导致N/P比上升，最后的结果是森林衰退，但这个过程可能延续几千年到几万年。 如果是存在人为N沉降的情况呢？森林养分每循环一次，即算不会损失掉更多的有效P，但由于环境中N的增多，也必然是N/P比上升，最后的结果也是森林衰退，这个过程可能会是很快的。 可见，如果成熟森林衰退的基本原因是系统中缺乏有效P的结论是对的话，那么导致正确结论的关键点是我们承认有机物分解不完全，也就是森林残体的分解问题1.2 物种多样性的变迁问题 群落中物种的变迁被很多人用数学方法进行了描述，但为什么会变迁的问题却没有得到解决。 传

6、统上一般都喜欢用物种的需光性来解释物种在群落演替中的消长，这个解释对于未成熟森林内的物种消长也许是可以部分接受的，但用于解释成熟森林内的物种消长机理，则显然不合适。因为成熟森林特别是地带性森林稳定环境形成的时间远远早于物种个体在这个群落内发生的时间。 因此，应该从生物地球化学循环的角度来解释成熟森林内的物种消长机制而这又与森林残体的分解相关联1.3 全球碳平衡问题 森林生态系统中土壤C库的重要性不仅仅在于其量的大小是活体部分的3-4倍，更在于土壤C库的总体周转时间远远长于活体部分C库的周转时间。而土壤C库的绝大部分直接来源于森林残体的分解 因此，研究不同成熟度森林生态系统中，森林残体分解过程中

7、进入矿质土壤及其不同深度的有机物量是绝对有意义的。我预计随着森林成熟度的不同，进入不同土壤深度的有机物的比例是不同的。1.4 森林生态系统对全球变化的响应问题 这实际上是森林残体跨区域交互分解试验的最初目的，利用环境因子的自然梯度变化模拟在全球变化下，环境因子的改变对森林生态系统关键过程物质归还、释放与再利用的影响，从而预测整个系统对全球变化的响应。起着天然试验场的作用。 由于环境因子间相互耦合以及复杂的关系，人工模拟难于实现，因此，森林残体跨区域交互分解试验被认为是研究物质循环过程对全球变化响应的重要手段。1.5 森林残体跨区域分解试验可以获得一些重要的机制 Science, Vol. 31

8、5. 2007.1.19长期分解过程中N释放格局在全球尺度的一致性2.1 US LIDET（Longterm Intersite Decomposition Experiment ）纬度跨度：纬度跨度：55个纬度，从个纬度，从6445N(Alaska)910N(Panama)；研究站点：研究站点：28个，其中有个，其中有17个个LTER的站点参与；的站点参与；凋落物种类：凋落物种类：Leaf、Wood、Fine Root，并涉及多种生态系统类型，并涉及多种生态系统类型实验起始时间：实验起始时间：1990年年9月，持续月，持续10年。年。方法：分解袋法，地表、掩埋方法：分解袋法，地表、掩埋样品分

9、析中心：所有样品统一送往样品分析中心：所有样品统一送往Oregon State University分析分析实验目的：实验目的：to test the effect of substrate quality and macroclimate on long-term decomposition and nutrient dynamics. 该实验侧重大尺度规律性的研究该实验侧重大尺度规律性的研究主要研究论文主要研究论文Bryant, D.M., Holland, E.A., Seastedt, T.R., Walker, M.D. 1998. Analysis of litter decomp

10、osition in an alpine tundra. Canadian Journal of Botany 76:1295-1304Currie, W. S. and J. D. Aber. 1997. Modeling leaching as a decomposition process in humid, montane forests. Ecology 78(6): 1844-1860.Currie, W. S., K. J. Nadelhoffer and J. D. Aber. 1999. Soil detrital processes controlling the move

11、ment of 15N tracers to forest vegetation. Ecological Applications 9:87-102.Gholz, H. L, D. A. Wedin, S. M. Smitherman, M. E. Harmon, and W. J. Parton. 2000. Long-term dynamics of pine and hardwood litter in contrasting environments: Toward a global model of decomposition. Global Change Biology 6:751

12、-765. Moorhead, D. L., W. S. Currie, E. B. Rastetter, W. J. Parton, and M. E. Harmon. 1999. Climate and litter quality controls on decomposition: an analysis of modeling approaches. Global Climate Change 13:575-589. OLear, H. A., T. R. Seastedt, J. M. Briggs, J. M. Blair, and R. A. Ramundo. 1996. Fi

13、re and topographic effects on decomposition rates and N dynamics of buried wood in tallgrass prairie. Soil Biol. Biochem. 28:323-329. Parton, W. J., D. S. Ojima, C. V. Cole, and D. S. Shimel. 1994. A general model for soil organic matter dynamics: sensitivity to litter chemistry, texture, and manage

14、ment. Soil Science Society of America Special Publication 39:147-167.Bolster, K. L., M. E. Martin, and J. D. Aber. 1996. Determination of carbon fraction and nitrogen concentration in tree foliage by near infrared reflectance: a comparison of statistical methods. Canadian Journal of Forest Research

15、26:590-600.Parton W, Silver W. L, Burke I. B. , et al, 2007. Global-scale similarities in Nitrogen release patterns during long-term decomposition. Science. 315 (19), 20072.2 CIDET (Canadian Intersite Decomposition Experiment)纬度跨度：纬度跨度：21个纬度，从个纬度，从68N47N；研究站点：研究站点：21个；个；凋落物种类：凋落物种类：Leaf、Wood方法：分解袋法方

16、法：分解袋法实验起始时间：实验起始时间：1992年，持续年，持续10年。年。11000个分解袋分析项目：失重率、分析项目：失重率、C、N、P含量含量实验目的实验目的： 1) 探讨不同生态气候区凋落物长期分解速率和养分矿化速率探讨不同生态气候区凋落物长期分解速率和养分矿化速率 2) 试验凋落物化学性质和气候环境对凋落物长期分解速率的影响试验凋落物化学性质和气候环境对凋落物长期分解速率的影响 3）样地条件和小气候环境对分解速率的重要性）样地条件和小气候环境对分解速率的重要性 4）水分条件对分解速率的影响）水分条件对分解速率的影响 5）大尺度凋落物分解格局的探讨）大尺度凋落物分解格局的探讨2.3 北

17、欧北欧Climate transect （Sweden）纬度跨度：纬度跨度：10个纬度（个纬度（56-66N）实验点：实验点：14个个实验材料：针叶实验材料：针叶Norway spruce (Picea abies (L.) 试验时间：试验时间：1992年年主要研究内容：主要研究内容： 1）环境因素（）环境因素（AET）与凋落物分解速率的关系；）与凋落物分解速率的关系； 2）凋落物初始质量与凋落物分解速率的关系；）凋落物初始质量与凋落物分解速率的关系； 3）矿质元素动态变化与凋落物分解速率的关系）矿质元素动态变化与凋落物分解速率的关系该实验更侧重机理的研究该实验更侧重机理的研究主要结论：主要结

18、论： 1）凋落物第一年分解速率与环境因子（）凋落物第一年分解速率与环境因子（AET）并没有很好的相关）并没有很好的相关关系，而与凋落物初始质量紧密相关；关系，而与凋落物初始质量紧密相关； 2）Mn的是影响凋落物分解速率的重要因子，因为，凋落物在分解的是影响凋落物分解速率的重要因子，因为，凋落物在分解过程中过程中Mn的含量与的含量与lignin含量始终紧密相关；含量始终紧密相关； 3）在这个气候带，环境因素不是控制凋落物分解速率的主要因素）在这个气候带，环境因素不是控制凋落物分解速率的主要因素或者说影响较小。或者说影响较小。2.4 LIDET-China纬度跨度：约纬度跨度：约27个纬度个纬度 (尖峰岭冒儿山）尖峰岭冒儿