模拟氮沉降对杉木人工林土壤微生物性状及有机碳库的影响

摘要

土壤微生物是有机物分解的主要承担者，其种类组成与活性直接影响森林物质循环和养分供应;土壤微生物多样性能较早反映土壤环境质量和养分元素的变化过程以及微生物群落功能差异，可以作为敏感性生物指标之一。而森林生态系统作为陆地生物圈的主体，不仅本身维持着大量的碳库，同时也维持着巨大的土壤碳库，因此森林土壤碳库在碳循环中起着极其重要的作用。过量的氮改变了原有土壤结构与环境，可能会引起土壤微生物性状及土壤活性碳的变化，并影响到土壤有机碳库。中国现已成为全球第三大酸雨区。因此了解森林土壤微生物性状及有机碳库对氮沉降的响应，就显得尤为迫切。
　　本论文选择福建省三明市一片立地条件相似杉木人工林土壤作为研究对象，模拟氮沉降目前已进行到第10年，模拟氮沉降水平为N0(0kg·hm-2·a-1)、N1(60kg·hm-2·a-1)、N2(120kg·hm-2·a-1)、N3（240kg·hm-2·a-1），每处理重复3次。本研究的主要目标是:1）模拟氮沉降对土壤微生物量、活性，土壤微生物功能多样性和土壤酶活性的影响;2）氮沉降增加条件下土壤有机碳库及活性有机碳含量的可能变化;3)氮沉降增加条件下土壤微生物性状和土壤活性有机碳之间的关系。
　　研究结果表明:
　　低氮沉降(N1)使土壤微生物量碳和氮、土壤基础呼吸，土壤可矿化碳和氮、土壤速效氮和土壤速效磷均显著提高，而中-高氮沉降(N2、N3)则抑制;不同采样时间结果体现出明显的季节动态，在七月份微生物量及养分等含量最高。但总体上季节动态并未掩盖氮沉降的主导影响。
　　氮沉降能促进土壤纤维素酶和多酚氧化酶活性，而抑制土壤淀粉酶和过氧化物酶活性;中-低氮沉降(N1、N2)对土壤蔗糖酶活性无影响，而对β-葡糖苷酶和木聚糖酶具有促进作用，高氮沉降(N3)促进了蔗糖酶和木聚糖酶活性，但抑制了β-葡糖苷酶活性。
　　低氮处理(N1)增加了土壤微生物群落碳源利用能力和功能多样性指数与均匀度指数，而中-高氮处理(N2、N3)则呈抑制作用;土壤微生物群落利用的主要碳源为碳水化合物和羧酸，不同氮沉降处理土壤微生物群落的碳源利用类型存在较大差异。
　　随着氮沉降量的增加，各处理土壤PMC、MBC、POC和AEC含量先增加后下降，即低氮(N1)处理促进其增加，而中、高氮(N2、N3)则抑制;而DOC、ROC和LFOC含量随着氮沉降量的增加逐渐增加，HWEC逐渐降低;POC、ROC、HWEC和LFOC均可作为氮沉降影响条件下土壤有机碳长期变化的指示指标。
　　在凋落物分解660d后，N0、N1、N2、N3处理C平均含量分别为46.47％、46.35％、46.79％、46.6％，且随着时间的增加呈下降趋势。氮沉降促进凋落物N含量的增加，且随着沉降量的增加而增加。N0、N1、N2、N3处理凋落物C的周转期分别为4.26a、4.26a、3.46a、4.41a;而N的周转期为6.26a、5.44a、3.91a、5.20a。
　　不同直径细根的干物质残留率不同:5mm＞2-5mm＞＜2mm，即＜2mm细根残留率最低，而5mm的细根残留率最高。各处理中细根残留率不同:N3＞N0＞N2＞N1，即N3处理残留率最高，N1处理残留率最低。N0、N1、N2、N3处理的细根分解95％所需的时间分别为5.18年、4.20年、4.78年、6.21年。3种细根碳量均呈下降趋势，氮沉降促进细根分解过程中氮含量的增加。
　　土壤呼吸表现出明显的季节动态，各处理土壤呼吸的最大值为7月;与对照相比，N1、N、N3处理使森林土壤CO2的年释放量分别降低了10.46％、22.35％和29.80％。土壤呼吸日变化呈单峰型，呼吸速率的最大值在14:00-16:00。各处理土壤呼吸速率极显著正相关于土壤温度，随着氮沉降量的增加，土壤呼吸的Q10值减小，表明氮沉降降低了土壤呼吸的温度敏感性。各处理中，根呼吸对土壤总呼吸的贡献率为11％-51％，各处理根系呼吸占土壤总呼吸比率大小顺序为:N0＞N1＞N2＞N3。
　　土壤DOC含量具有明显的剖面变化特征，均表现为自土壤表层向下层土壤递减的趋势，即:0-20cm＞20-40cm＞40-60cm;土壤DOC含量的月动态为3月最大，随后7月下降，9月小幅上升，1月下降，即:3月＞9月＞7月＞1月;氮沉降处理、土层深度、采样时间对土壤可溶性有机碳有显著或极显著影响。土壤DOC含量随着氮沉降量的增加而增加。
　　土壤基础呼吸、可矿化碳氮、代谢商与PMC、DOC、ROC、HWEC、AEC、LFOC之间呈显著或极显著负相关，微生物量氮与ROC、LFOC之间呈显著正相关，微生物商与POC之间呈显著正相关。土壤多酚氧化酶、过氧化物酶、木聚糖酶活性与土壤活性有机碳之间呈显著或极显著相关，土壤微生物多样性指数和均匀度指数与MBC、DOC、ROC、LFOC之间呈显著或极显著相关。
　　土壤有机碳密度随着土壤深度的增加而降低，即:0-20cm＞20-40cm＞40-60cm。不同氮沉降水平土壤有机碳密度从高到低的顺序为:N0＜N3＜N2＜N1，即氮沉降使土壤有机碳密度（储量）有增加的趋势，但随着氮沉降量的增加有下降的趋势。
　　总之，氮沉降能促使土壤微生物量、活性及土壤酶、土壤微生物功能多样性发生变化，特别是低氮沉降(N1)能起促进作用，而中-高氮沉降(N2、N3)起抑制作用。由于土壤微生物量、活性及土壤酶、土壤微生物功能多样性的变化，因而影响到凋落物和细根的分解与周转、土壤呼吸动态及土壤可溶性有机碳动态;进而改变了土壤活性有机碳组分的含量，氮沉降能使土壤有机碳含量及有机碳密度有增加的趋势，但随着氮沉降量的增加有下降的趋势。因此，合理控制氮沉降可以提高森林土壤生物活性和多样性，并达到改变土壤活性有机碳库和增加土壤有机碳库的目的。

目录

声明

摘要

文献综述

1．氮沉降现状

2．氮沉降对土壤微生物性状的影响

3．氮沉降对土壤有机碳库的影响

4．氮沉降对土壤活性有机碳的影响

5．结语

第一章 材料与方法

1．主要研究内容

2．研究技术路线

3．供试样地与测定方法

第二章 模拟氮沉降对杉木人工林土壤微生物量及活性的影响

1．结果与分析

1．1 模拟氮沉降对土壤生物学和养分指标的影响

1．2 土壤生物学和养分指标之间相互关系

2．讨论

3．小结

第三章 模拟氮沉降对土壤微生物群落功能多样性的影响

1．结果与分析

1．1 模拟氮沉降对平均吸光值动态的影响

1．2 模拟氮沉降对六类碳源利用动态的影响

1．3 31孔碳源主成分分析

1．4 模拟氮沉降对土壤微生物群落功能多样性指数与均匀度指数的影响

2．讨论

3．小结

第四章 模拟氮沉降对杉木人工林土壤活性碳组分的影响

1．结果与分析

1．1 氮沉降对土壤有机碳的影响

1．2 氮沉降对土壤活性有机碳的影响

1．3 氮沉降对不同活性有机碳比例的影响

1．4 不同活性有机碳之间的相关分析

2．讨论

3．小结

第五章 模拟氮沉降对杉木人工林土壤有机碳库的影响

1．结果与分析

1．1 氮沉降对土壤有机碳库的影响

1．2 氮沉降对凋落物分解的影响

1．3 氮沉降对细根分解的影响

1．4 氮沉降对土壤呼吸的影响

1．5 氮沉降对土壤可溶性有机碳动态的影响

2．讨论

3．小结

第六章 模拟氮沉降条件下土壤活性碳与土壤微生物性状的关系

1．结果与分析

1．1 土壤活性碳与土壤微生物量和活性的关系

1．2 土壤活性碳与土壤酶活性的关系

1．3 土壤活性碳与土壤微生物群落功能多样性的关系

2．讨论

3．小结

全文结论及研究展望

1．全文结论

2．创新点

3．存在问题和研究展望

3．1 存在问题

3．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文