模拟氮沉降对瓦屋山次生常绿阔叶林地下碳循环过程和土壤生化特性的影响

摘要

大气氮沉降(Nitrogen deposition)是指人类活动所产生的活性氮(Reactive N)进入大气后，通过降水等一系列途径从大气中又沉降回到陆地或海洋生态系统的过程，是N素循环的重要环节。由于全球农业和工业的快速发展及全球人口膨胀，人类活动排放到大气中的活性N迅速增加，导致了全球大气N沉降急剧增加，并对各种生态系统过程和特征产生了影响。近年来，由于人类需求的不断增加，我国大部分地区原始常绿阔叶林受到严重破坏，取而代之的是不断增加的次生林，且大面积的次生林已成为我国森林资源的主体。在全球尺度上来说，次生林是一个重要的碳(C)汇，并受到N沉降增加的影响。为揭示大气N沉降增加对亚热带次生常绿阔叶林地下碳循环过程和土壤生化特性的影响方式和作用机制，为更加深入地理解大气N沉降增加对次生林碳收支和土壤养分的潜在影响提供理论基础和数据支撑，从2013年4月开始，在瓦屋山次生常绿阔叶林内开展模拟N沉降试验，设置3个N沉降水平:对照(CK，0 kg N hm-2 a-1)、低N(LN，50 kgNhm-2 a-1)和高N(HN，150 kg N hm-2 a-1)，研究了该次生常绿阔叶林地下碳循环过程和土壤生化特性对N沉降增加的响应。得出以下主要研究结果:
　　1、该次生林土壤呼吸速率具有明显的季节变化，表现为1月份最低(0.48±0.03μmolCO2·m-2· s-1)，7月份最高（3.32±0.30μmol CO2·m-2·s-1），年均土壤碳排放量为610.0±60.7 gC·m-2·a-1。土壤呼吸与土壤温度极显著正指数相关(P＜0.001，R2=0.783)，与土壤湿度显著负相关(P=0.016，R2=0.080)。基于温度的土壤呼吸温度敏感系数Q10值为3.06±0.26。N沉降显著抑制了该次生林的土壤呼吸速率，提高其Q10值。高浓度N沉降处理下该次生林土壤CO2排放显著降低了36.6％，而Q10值增加13.4％。
　　2、分解2a后，对照样方硬壳柯和华木荷两个树种凋落叶的质量残留率分别为41.1％和38.7％，二者的分解系数k分别为0.43±0.04和0.41±0.03，HN处理下硬壳柯和华木荷分解系数k分别下降12.8％和19.8％。模拟N沉降抑制了硬壳柯和华木荷凋落叶木质素的降解，而促进纤维素分解。两种凋落叶C、N、P、K、Mg和Mn元素在分解过程中基本表现为净释放，Ca元素分解前期有所富集，之后为净释放。分解2a后，硬壳柯凋落叶C、N、P、K、Ca、Mg和Mn元素残留率分别为34.5％、44.6％、67.1％、61.1％、16.7％、9.9％和25.0％，N沉降在一定程度上抑制了其C、N、K的释放，促进Mg和Mn释放，对P和Ca释放的影响较小;华木荷凋落叶C、N、P、K、Ca、Mg和Mn元素残留率分别为34.5％、37.7％、77.2％、45.9％、18.2％、6.3％和19.7％，N沉降在一定程度上抑制了其C、N、K的释放，促进Mn释放，对P、Ca和Mg释放的影响较小。
　　3、扁刺栲在0-10 cm土层＜2 mm和＞2 mm的根系生物量分别为1305.9±137.1 g·m-3和2222.0±321.7 g·m-3，随N沉降的增加呈降低趋势，HN处理下＜2mm和＞2mm的根系生物量分别下降19.7％和37.4％。扁刺栲根系的根长密度、根系表面积和根系体积均随土层深度的增加而下降。HN处理下0-15 cm土层扁刺栲的根长密度、根系表面积和根系体积分别增加10.1％、8.4％和13.3％，15-30 cm土层分别增加11.9％、44.6％和58.3％，而N沉降对30-45 cm土层根系形态的影响较小。
　　4、该次生林有机质层土壤总有机碳(TOC)、可溶性有机碳(DOC)、全氮(TN)、可溶性有机氮(DON)、微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量分别为107.06±6.63、0.84±0.08、5.93±0.36、0.10±0.01、5.40±0.97和0.23±0.01 g·kg-1，硝态氮(NO3-N)、铵态氮(NH4+-N)、有效磷(AP)和速效钾(AK)含量分别为31.67±4.29、20.41±4.00、2.04±0.07和142.16±8.70 mg·kg-1。N沉降处理总体上增加了该次生林有机质层土壤TOC、DOC、TN、DON、NO3--N、NH4+-N和AP含量，降低了土壤MBC和MBN含量，对土壤AK含量的影响较小。该次生林有机质层土壤的pH和C/N分别为3.91±0.01和18.29±0.24，N沉降显著降低了土壤pH值，对土壤C/N无影响。
　　5、该次生林土壤脲酶、硝酸还原酶、蛋白酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性分别为2.97±0.20、0.68±0.04、1.04±0.04、14.24±0.81和3.85±0.26μmol·g-1·h-1，HN处理下土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性分别增加20.2％和17.8％，脲酶和蔗糖酶变化较小(＜7％)，LN处理土壤硝酸还原酶活性显著降低13.6％，而HN处理的影响不显著。
　　上述研究结果表明，N沉降通过抑制木质素的降解，在一定程度上抑制了该次生林凋落叶的分解;通过影响植物向根系的C分配而降低扁刺栲根系生物量，同时由于微生物活动也受到抑制，导致土壤C排放速率降低，从而增加了该次生林土壤C储存。

目录

声明

论文说明

摘要

前言

1 文献综述

1．1 氮沉降概述

1．2 森林生态系统对氮沉降响应的研究概况

1．3 氮沉降对森林地下碳循环的影响

1．3．1 氮沉降对森林土壤呼吸的影响

1．3．2 氮沉降对森林凋落物分解的影响

1．3．3 氮沉降对森林细根周转的影响

1．4 氮沉降对森林土壤生化特性的影响

1．4．1 氮沉降对森林土壤养分的影响

1．4．2 氮沉降对森林土壤酶活性的影响

2 研究的目的与意义

3 研究内容与方法

3．1 试验地概况

3．2 研究内容

3．3 试验设计

3．3．1 样地设置

3．3．2 土壤呼吸

3．3．3 凋落物分解

3．3．4 细根动态

3．3．5 土壤生化特性的测定

3．4 数据处理和统计分析

4 结果与分析

4．1 模拟氮沉降对瓦屋山次生林土壤呼吸的影响

4．1．1 土壤温度与湿度

4．1．2 土壤呼吸速率对模拟氮沉降的响应

4．1．3 土壤呼吸速率与土壤温度及湿度的关系

4．1．4 土壤呼吸速率与土壤生化特性及根系生物量的关系

4．2 氮沉降增加对凋落物分解的影响

4．2．1 两种凋落叶初始化学性质

4．2．2 两种凋落叶质量损失对模拟氮沉降的响应

4．2．3 两种凋落叶木质素和纤维素分解对模拟氮沉降的响应

4．2．4 两种凋落叶养分释放对模拟氮沉降的响应

4．3 氮沉降增加对扁剌栲根系的影响

4．3．1 扁刺栲根系生物量对模拟氮沉降的响应

4．3．2 扁刺栲根系生物量形态对模拟氮沉降的响应

4．4 氮沉降增加对土壤有机碳和养分的影响

4．4．1 模拟氮沉降对瓦屋山次生林土壤有机碳的影响

4．4．2 模拟氮沉降对瓦屋山次生林土壤养分及微生物生物量的影响

4．4．3 模拟氮沉降对瓦屋山次生林土壤pH和MBC／MBN的影响

4．4．4 瓦屋山次生常绿阔叶林土壤碳及养分之间的相关性

4．5 氮沉降增加对土壤酶活性的影响

4．5．1 模拟氮沉降对瓦屋山次生林土壤酶活性的影响

4．5．2 瓦屋山次生林土壤酶活性与土壤化学特性的关系

5 讨论

5．1 土壤呼吸对氮沉降增加的响应

5．2 凋落物分解对氮沉降增加的响应

5．3 扁刺栲根系对氮沉降增加的响应

5．4 土壤有机碳和养分对氮沉降增加的响应

5．5 土壤酶活性对氮沉降增加的响应

6 结论

7 展望

参考文献

致谢

研究生期间发表文章列表