氮沉降对杉木和枫香林土壤和植物体养分动态的影响

摘要

氮(N)沉降是全球性的重大环境问题之一，其对森林生态系统的潜在影响是森林生态学的研究热点。中亚热带丘陵红壤区是我国大气N沉降的集中分布区和土壤磷(P)限制区，分布于该区域内N相对富余而P相对缺乏的森林生态系统如何响应和反馈N沉降值得关注。目前，N沉降如何影响森林不同植物根际N、P转化和植物体养分含量及其机制尚不明确。本研究选取典型丘陵红壤区15a杉木（Cunninghamialanceolata）和枫香（Liquidamba formosana）为对象，2011年底选取8块20m×20m样地，采用单因素两水平4次重复完全随机试验设计，野外原位布设N沉降(100 kgN hm-2 a-1，分季节4次拌细沙撒施)长期试验（N沉降处理和对照样地各4块），于2014年生长旺季（8月）收集杉木和枫香根际土壤和非根际土壤和新鲜枝、叶和根样品，非生长季（12月）再次采集新鲜枝、叶、根及地上凋落枝、叶;2015年生长旺季采集人工林4种重要林下植物根际土壤和植株样品，重点测定土壤有效养分含量、有机碳(C)矿化速率、主要酶活性、植物体养分含量、非结构性碳水化合物等，计算土壤主要变量的根际效应、植物组织中生态化学计量比和枝、叶养分回收效率等。揭示杉木、枫香和人工林主要林下植物对N沉降响应的异同机制，探讨地下和地下生态过程及不同植物组织对N沉降响应的分异格局，得出以下主要结果和结论:
　　(1)N沉降显著降低了杉木和枫香的土壤pH值和杉木根际土壤有效P含量;提高了枫香非根际土壤NO3--N含量和杉木非根际土壤水溶性有机碳的含量。同时，N沉降显著提高了杉木土壤有机碳矿化速率，根际和非根际的增幅分别达71.2％和41.2％，降低枫香土壤有机碳矿化速率，根际和非根际的降幅分别为10.6％和44.1％。此外，N沉降显著降低枫香土壤NO3--N和有机碳前期矿化速率的根际效应，增强后期矿化速率的根际效应，而对杉木不同变量根际效应的影响均不显著。
　　(2)N沉降整体上提高了杉木和枫香叶片全N含量，显著提高杉木非生长季一级叶全P含量，但对枫香叶片P含量无显著影响。同时发现N沉降显著提高了杉木一级枝和生长季二级枝N、P的含量，仅显著提高了杉木和枫香生长季＞3级根的N含量。值得注意的是，从叶片养分的N/P来看，杉木一级叶对照和N沉降的N/P分别为16.2和18.9，二级叶对照和N沉降的N/P分别为15.4和17.0，而枫香叶片对照和N沉降的N/P分别为19.1和24.6。并且N沉降总体上降低了杉木枝叶的N、P回收效率，对枫香叶片的N、P回收效率影响不显著。此外，N沉降还显著降低了杉木生长季、非生长季一级叶和生长季二级叶片可溶性碳水化合物消耗率，降幅分别为10.5％、8.2％及9.4％。
　　(3)N沉降对林下植物土壤养分的影响主要表现为:N沉降显著提高了芒萁（Dicranopteris dichotoma）、淡竹叶（Lophatherum gracile）和地菍（Melastomadodecandrum）根际土壤和非根际土壤中NH4+-N和NO3--N含量。从狗脊蕨（Woodwardia japonica）土壤养分含量来看，N沉降显著降低了其根际土壤NO3--N和有效P含量，降幅分别高达29.9％和30.0％。同时，N沉降整体上提高了土壤β-1，4葡萄糖昔酶和酸性磷酸酶活性，降低了亮氨酸氨基肽酶活性。
　　(4)从林下植物体养分来看，N沉降显著提高了芒萁、淡竹叶、地菍植物体地上部分和地下部分的N含量。N沉降显著降低了狗脊蕨地上部分和地下部分的P含量，降幅分别为7.6％和11.5％。而对淡竹叶和地菍的来说，N沉降显著提高了其地上部分的P含量，增幅高达23.5％和98.7％。
　　不同树木和林下植物对N沉降的响应模式均不一样，N沉降可显著改变树木和林下植物土壤的养分吸收。N沉降显著改变两种树种的土壤N、P养分，促进了杉木根际和非根际土壤呼吸作用，抑制枫香根际和非根际土壤呼吸作用;N沉降对杉木表现为促进了N、P养分的吸收，而加剧了枫香在生态系统中对P养分的限制性。N沉降对狗脊蕨、淡竹叶和地菍植株的生长具有促进作用，而对芒萁生长的促进作为则不显著。在持续N沉降条件下，不同物种生长的差异响应有可能导致亚热带森林物种组成发生变化。本文揭示了氮沉降对不同树种和林下植物影响，为全球变化背景下亚热带地区森林经营和管理提供科学依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 相关的研究现状

1．2．1 氮沉降对森林生态系统影响

1．2．2 根际效应的研究进展

1．2．3 植物-土壤生态过程关联性

1．3 目的与意义

1．4 拟解决的科学问题

1．5 技术路线

2 研究区概况与研究方法

2．1 研究区概况

2．2 试验设计

2．3 样品采集

2．3．1 杉木和枫香土壤样品采集

2．3．2 杉木和枫香植物体样品采集

2．3．3 林下植物样品采集

2．4 土壤和植物养分测定

2．4．1 土壤养分测定

2．4．2 植物养分测定

2．4．3 植物非结构碳水化合物测定

3 氮沉降对杉木和枫香土壤氮磷养分及碳矿化的影响

3．1 引言

3．2 数据处理

3．3 结果与分析

3．3．1 氮沉降对土壤氮磷供应的影响

3．3．2 氮沉降对不同树种土壤有机碳矿化的影响

3．3．3 两个树种各变量根际效应对氮沉降的响应格局

3．4 讨论

3．5 本章小结

4 氮沉降对杉木和枫香植物体养分动态的影响

4．1 引言

4．2 数据处理

4．3 结果与分析

4．3．1 不同树种氮磷养分动态对氮沉降的响应格局

4．3．2 氮沉降对枝叶氮磷比及养分回收效率的影响

4．3．3 氮沉降对杉木和枫香非结构碳水化合物含量的影响

4．3．4 不同树种可溶性碳水化合物消耗率对氮沉降的响应

4．3．5 土壤-植物体养分的相关分析

4．4 讨论

4．5 本章小结

5 氮沉降对林下植物土壤及植物体养分含量的影响

5．1 引言

5．2 数据处理

5．3 结果与分析

5．3．1 氮沉降对林下植物土壤养分和酶活性的影响

5．3．2 氮沉降对林下植物体养分及非结构碳水化合物的变异格局

5．3．3 林下植物体化学计量比对氮沉降的响应格局

5．3．4 林下植物根际和非根际土壤与植物体养分的冗余分析

5．4 讨论

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 讨论与展望

参考文献

读研期间的研究成果

致谢

作者简介