施氮对樟树人工林土壤呼吸的影响

摘要

工业革命以来，氮肥施用、燃料消耗及生物质燃烧等人类活动导致了活性氮的大量排放，引起通过大气干、湿沉降途径至陆地生态系统氮输入的显著增加。20世纪以来，人类活动在全球范围引发的陆地生态系统的氮输入增加了3～5倍，严重影响到全球氮循环。然而更严峻的现实是在未来长时间内，人类活动引起的活性氮排放将继续增加，对全球碳循环过程产生重要影响。我国华南亚热带地区陆地生态系统的大气氮输入量处于极高水平，因此对高氮输入背景下亚热带森林土壤呼吸等碳循环过程的研究显得十分迫切。樟树是我国亚热带地区典型常绿阔叶树种，在我国南方地区分布广泛。本研究通过定位施氮试验方法，设置对照（CK，不施氮）、低氮(LN，50kgN·hm-2·yr-1)、中氮(MN，150kgN·hm-2·yr-1)、高氮（HN，300kgN·hm-2·yr-1）4种施氮水平样地，研究了亚热带樟树人工林的土壤呼吸及其控制因素的响应特征。主要结果如下:
　　 (1)对照及施氮处理样地总凋落物及各组分的月凋落量均存在明显的季节变化，施氮未改变凋落物量的季节动态，但可显著改变凋落物的月凋落量。施氮处理样地中，樟树林总凋落物的年凋落量均小于对照处理，其中低、中浓度施氮显著抑制了凋落物产量。各施氮处理的凋落枝分解残留率均低于对照，差异均不显著，表明施氮处理对樟树林凋落枝的分解存在一定程度的抑制作用。随着施氮水平的增加，凋落叶的分解残留率逐渐减小，但各施氮水平凋落叶的残留率无显著差异，表明施氮在一定程度抑制了樟树林凋落叶的分解。施氮处理可明显的刺激樟树林凋落枝中氮含量的增大，但对碳含量影响不大。低、中水平施氮处理可显著促进凋落叶中的氮含量，但高氮表现出轻微抑制作用。施氮对凋落叶中碳含量的影响表现与氮含量相似，但各处理间无显著差异。施氮可显著抑制凋落物枝中的C/N，但对凋落物叶影响不大。施氮处理通过改变凋落物量和凋落物中的元素含量影响了其元素归还量，其中，施氮降低了碳的归还量，增加了氮的归还量。
　　 (2)施氮初期表现出对土壤微生物生物量碳(Soilmicrobialbiomasscarbon，SMBC)的抑制作用，此时抑制作用还仅体现在低氮水平，中氮水平抑制作用轻微，但随后施氮均表现出对樟树林SMBC明显的抑制作用。施氮处理的土壤微生物量氮(Soilmicrobialbiomassnitrogen，SMBN)含量较对照处理均有显著升高，但第2年的施氮处理对SMBN的抑制较第1年显著降低。施氮处理会显著抑制樟树林土壤微生物生物量碳氮比。低、中水平的施氮会增加土壤微生物的多样性。施氮样地细根生物量均低于对照样地，但差异不显著。
　　 (3)施氮显著减少了樟树林土壤中铵态氮的含量，高氮水平处理中土壤铵态氮含量一般高于低氮、中氮水平处理，随着施氮量的增加，铵态氮的含量会随之增加。施氮显著增加了樟树林土壤中硝态氮的含量，且施氮水平的增加土壤硝态氮的含量也随之增加。施氮处理后，樟树林的土壤有效氮含量存在减少的趋势。施氮处理可以在年度水平上增加樟树林土壤硝化速率和氨化速率，且增加幅度随施氮水平的升高而增大。各施氮水平下，添加、去除凋落物均能促进土壤中铵态氮、硝态氮和有效氮的含量，且促进作用随施氮水平的升高而增大。在各施氮水平，添加凋落物处理土壤铵态氮均高于去除凋落物处理。
　　 (4)樟树林土壤呼吸存在明显的季节变化特征，表现为夏季高、冬季低，施氮样地土壤呼吸季节动态与对照样地相似。施氮处理会显著抑制土壤呼吸，樟树林CO2的年释放量为4.09×104kg·hm-2。LN、MN、HN处理的土壤呼吸年累积量为2.55×104kg·hm-2、2.84×104kg·hm-2和2.50×104kg·hm-2，分别较对照处理降低37.66％、30.62％和38.95％，各施氮处理的土壤呼吸年累积量无显著差异。通过2个生长季的对比可知施氮对土壤呼吸的抑制作用呈减弱趋势。土壤温度表现出明显的季节动态，施氮样地间5cm处土壤温度无显著差异。土壤湿度变化主要由降雨所主导，其主要波动由降雨引起。土壤呼吸和5cm处土壤温度间存在显著性指数关系，5cm处土壤温度解释了土壤呼吸速率的49.39％～51.98％。土壤湿度对土壤呼吸未产生明显的影响。低、高浓度施氮对土壤Q10值影响不大，但中氮处理显著抑制了土壤呼吸Q10值。
　　 (5)去除、添加凋落物处理的土壤温度存在显著的季节性变化，凋落物处理对土壤温度无显著影响。在各施氮水平，添加凋落物均增加土壤湿度，去除凋落物降低土壤湿度，随施氮水平升高，土壤湿度呈增大趋势。凋落物处理的土壤呼吸均存在显著的季节动态。添加凋落物处理后，土壤呼吸速率依然受到施氮的抑制作用，但这种抑制作用随施氮水平的增加而减小。自然状态下去除凋落物处理会显著降低土壤呼吸速率，但施氮处理中则会促进土壤呼吸作用，促进作用随施氮梯度的升高而增大。添加、去除凋落物处理所引起的土壤呼吸差异主要体现在植物生长旺盛期，此时施氮下3种凋落物处理间土壤呼吸差异显著。去除凋落物、加倍凋落物处理的土壤呼吸速率与5cm土壤温度间存在显著相关性，土壤温度可解释土壤呼吸变异的47.76％～72.61％。在各施氮水平下，添加凋落物处理的土壤呼吸Q10均高于相应的去除凋落物处理及对照。添加凋落物会增加凋落物对土壤呼吸的贡献率，随着施氮水平的升高，添加凋落物处理对土壤呼吸贡献率也随之增大。
　　 (6)去除根系处理对樟树人工林林土壤温度影响不大，但能显著降低5cm处土壤湿度。去根处理的土壤呼吸存在明显季节变化，去除根系后，施氮对土壤呼吸依然存在抑制作用，且随施氮水平的增加而减少。去根处理的土壤呼吸速率与5cm处土壤温度间存在显著指数关系，土壤温度可解释去根处理土壤呼吸变异的47.76％～58.54％。各施氮水平下，去根处理的土壤湿度与土壤呼吸均不存在显著相关性。施氮处理下，去根处理均显著抑制了土壤呼吸，随着施氮水平的升高，根系呼吸对土壤呼吸的贡献呈下降趋势。
　　 (7)樟树林的凋落物呼吸、根系呼吸和土壤微生物呼吸均存在一定的季节动态变化特征。凋落物量与凋落物呼吸间不存在显著相关性，细根生物量、土壤微生物碳与总呼吸间存在显著相关关系。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 施氮下的土壤呼吸控制因子

1．1．1 土壤呼吸概述

1．1．2 森林凋落物

1．1．3 生态系统有效氮动态

1．1．4 植物光合作用

1．1．5 细根

1．1．6 土壤微生物

1．2 施氮下的土壤呼吸响应

1．2．1 土壤呼吸正响应

1．2．2 土壤呼吸负响应

1．2．3 土壤呼吸响应机理

1．3 研究的目的和意义

1．4 研究内容

2 研究区概况、实验设计和研究方法

2．1 研究区概况

2．2 实验设计

2．2．1 施氮处理

2．2．2 凋落物处理

2．2．3 去除根系处理

2．3 测定方法

2．3．1 土壤呼吸测定

2．3．2 土壤呼吸各组分的测定

2．3．3 土壤细根生物量

2．3．4 凋落物量及其碳、氮含量

2．3．5 土壤微生物碳、氮测定

2．3．6 土壤碳、氮含量及理化性质测定

2．3．7 土壤氮淋失速率

2．4 数据统计分析

3 樟树人工林凋落物特征

3．1 凋落物量

3．1．1 季节动态

3．1．2 年凋落量

3．2 凋落物分解及养分归还

3．2．1 凋落物分解

3．2．2 凋落物化学特性

3．2．3 凋落物养分归还

3．3 讨论

3．3．1 凋落物量

3．3．2 凋落物分解及养分归还

3．4 小结

4 樟树林土壤微生物生物量及细根特征

4．1 土壤微生物量特征

4．1．1 微生物生物量碳

4．1．2 微生物生物量氮

4．1．3 微生物生物量碳氮比

4．1．4 微生物多样性

4．2 土壤细根特征

4．2．1 细根生物量

4．2．2 细根碳、氮含量

4．3 讨论

4．3．1 土壤微生物量、多样性

4．3．2 细根生物量

4．4 小结

5 樟树人工林土壤有效氮特征

5．1 土壤有效氮含量

5．2 土壤有效氮矿化速率

5．3 凋落物处理的土壤有效氮

5．4 讨论

5．5 小结

6 樟树林土壤呼吸特征

6．1 土壤温度、湿度特征

6．2 土壤呼吸动态

6．3 施氮的抑制作用

6．4 土壤温度、湿度与土壤呼吸的关系

6．5 土壤呼吸Q10值

6．6 讨论

6．6．1 土壤呼吸特征

6．6．2 施氮的抑制作用

6．6．3 土壤呼吸与温湿度的关系

6．6．4 土壤呼吸敏感性

6．7 小结

7 凋落物处理对土壤呼吸的影响

7．1 土壤温度和土壤湿度

7．2 土壤呼吸特征

7．3 土壤温度、土壤湿度与土壤呼吸的关系

7．4 土壤呼吸的Q10

7．5 凋落物处理对土壤呼吸的贡献

7．6 施氮和凋落物双因素对土壤呼吸贡献的影响

7．7 讨论

7．8 小结

8 去除根系处理土壤呼吸特征

8．1 土壤壤温度和土壤湿度特征

8．2 土壤呼吸特征

8．3 土壤温度、湿度与土壤呼吸的关系

8．4 去根处理对土壤呼吸的贡献

8．5 施氮和去除根系双因素对土壤呼吸贡献的影响

8．6 讨论

8．7 小结

9 施氮对樟树人工林土壤呼吸影响的机理探讨

9．1 凋落物呼吸

9．1．1 季节动态

9．1．2 与凋落物量的关系

9．2 根系呼吸

9．2．1 季节特征

9．2．2 与细根生物量关系

9．3 土壤微生物呼吸

9．3．1 季节动态

9．3．2 与微生物生物量碳的关系

9．4 讨论

9．5 小结

10 结论与创新点

10．1 结论

10．2 创新点

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢