大兴安岭北方森林土壤CH4吸收对氮输入的响应研究

摘要

当前，森林土壤甲烷(CH4)吸收过程及其驱动机制已成为陆地生态系统碳循环研究的热点。森林土壤CH4吸收是CH4产生、传输和氧化过程综合作用的结果，除受环境因素如水热因子变化影响外，还受人为因素如土地利用变化和外源性氮(N)素输入干扰。研究显示，由人为活动引起的大气N沉降增加已经并将继续对森林土壤-大气界面的CH4净交换过程产生影响。森林土壤CH4吸收对N沉降的响应十分敏感，包括抑制、无显著性影响和促进三种效应，取决于土壤N格局，N输入剂量和类型，植物微生物组成、土壤属性和响应时间等。相应地，有关森林土壤CH4氧化的N素调控机制报道不一，且多围绕NH4+-N的调节机制展开。再者，相关研究主要集中在温带、亚热带和热带森林，对N限制的北方森林研究较少。在中国，有关北方森林土壤CH4吸收对大气N沉降增加的响应研究尚未系统地开展。
　　 本研究以大兴安岭寒温带针叶林土壤作为研究对象，构建高频率，多形态（NH4Cl和KNO3），低剂量（Control，0kgNha1yr-1;Low-N，10kgNha-1yr-1;High-N，40kgNha-1yr-1）的大气N沉降模拟控制实验，研究了2010年6～10月生长季:(1)大兴安岭寒温带针叶林土壤CH4净吸收通量及其主控因子;(2)土壤CH4吸收通量及其驱动因子如土壤水分和温度、土壤NH4+-N和NO3--N、土壤pH对增N的初期响应;(3)土壤CH4吸收对增N响应的环境驱动机制。
　　 结果表明:
　　 (1)自然状态下，寒温带针叶林土壤表现为大气CH4的汇，土壤CH4平均吸收通量为51.5+4.7μgm2h-1，主要由0～10cm层土壤水分驱动。
　　 (2)N沉降试验结果显示，低水平N输入对寒温带针叶林生长季土壤CH4净交换通量影响不显著。然而，NO3-N(KNO3)处理和对照之间土壤CH4净吸收通量边缘差异显著(p=0.043)，尤其低N处理情形。
　　 (3)大兴安岭寒温带针叶林作为典型的N限制森林生态系统，有机层和0～10cm矿质土壤无机N含量均以NH4+-N为主，NO3--N含量较低。正常情形下，0～10cm矿质土壤pH值的变化范围为4.8～5.2。模拟N沉降结果显示:有机层和0～10cm矿质土壤NH4+-N含量随N输入增加而显著增加;有机层土壤NO3--N含量对N输入的响应不敏感，0～10cm矿质土壤NO3--N含量受NO3--N输入影响显著;N输入没有显著改变0～10cm矿质土壤pH值。此外，不同N处理下土壤10cm水分含量和温度差异不显著。
　　 上述研究表明:短期内NO3--N输入，而非NH4+-N输入，促进了N限制的大兴安岭北方森林土壤CH4氧化。N限制的北方森林土壤CH4吸收对增N响应的敏感程度可能与土壤CH4最大氧化活性区域、土壤NH4+-N和NO3--N含量的空间分布格局以及相对比例有关。因此，在分析北方森林土壤CH4通量及其驱动因子对N沉降增加的响应时，除要考虑N沉降水平影响外，还应区分不同N沉降类型(NH4+-N和NO3--N)的相对影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．1．1 森林土壤CH4吸收

1．1．2 全球大气N沉降增加

1．1．3 N沉降增加对森林土壤CH4吸收的影响

1．1．4 我国森林土壤CH4吸收对N沉降响应的研究现状

1．2 国内外研究进展

1．2．1 森林土壤CH4吸收对增N的响应特征

1．2．2 森林土壤CH4吸收对增N响应的物理性调节机制

1．2．3 森林土壤CH4吸收对增N响应的生物化学机制

1．2．4 森林土壤CH4吸收对增N响应的微生物学机制

1．3 研究目标、内容和技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容和拟解决的关键问题

1．3．3 技术路线

1．3．4 研究的创新点

第二章 实验区域和实验设置

2．1 研究区概况

2．2 实验设置及分析方法

2．2．1 高频率、多形态、低剂量增N控制实验设置

2．2．2 采样频率

2．2．3 主要项目的分析方法

2．3 数据处理

第三章 土壤CH4吸收通量对N输入的响应

3．1 土壤CH4吸收通量的季节性变化特征

3．2 施N剂量对土壤CH4吸收通量的影响

3．3 施N类型对土壤CH4吸收通量的影响

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 土壤CH4吸收驱动因子对N输入的响应

4．1 土壤水分和温度对N输入的响应

4．2 土壤无机N对N输入的响应

4．2．1 有机层土壤无机N对N输入的响应

4．2．2 矿质层土壤无机N对N输入的响应

4．3 矿质土壤pH对N输入的响应

4．4 土壤CH4吸收通量和相关环境变量之间的相关关系

4．5 小结

第五章 土壤CH4吸收对N输入响应的环境驱动机制

5．1 影响森林土壤CH4吸收的主要环境因子

5．1．1 土壤水分和温度

5．1．2 土壤无机N

5．1．3 土壤pH

5．2 大兴安岭北方森林土壤CH4吸收对增N响应的环境驱动机制

5．3 大兴安岭北方森林土壤CH4吸收对未来大气N沉降增加的响应

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 研究结论

6．1．1 土壤CH4吸收通量及其主控因子

6．1．2 N输入对土壤CH4吸收通量的影响

6．1．3 N输入对土壤CH4吸收驱动因子的影响

6．1．4 土壤CH4吸收对增N响应的环境驱动机制

6．2 研究不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间撰写和录用学术论文

致谢