模拟氮沉降和改变碳输入对亚热带木荷林土壤呼吸的短期影响

发布时间：2020-07-20 17:24

【摘要】：自从工业革命以来,由于工业排放,以及农业活动造成的氮沉降急剧增加,氮的有效性问题在热带和亚热带地区正在迅速增加,并且在未来仍会持续增加,对全球碳循环将产生重要影响。同时,包括氮沉降在内的全球变化可以很大程度改变输入到土壤的有机碳量,对地下碳循环和土壤呼吸带来持续影响。由于森林类型、土壤氮状况、氮沉降量等不同,氮沉降对森林土壤呼吸的影响存在差异,主要表现为促进、抑制和不显著3种结果。然而,以往大多数相关研究主要在温带地区开展,而氮沉降和不同碳输入如何影响热带亚热带森林生态系统土壤呼吸却了解甚少。为此,我们在浙江天童典型亚热带常绿阔叶林,选取受氮限制的木荷(Schima superba)林,设计了模拟氮沉降和改变碳输入对土壤呼吸影响的控制试验,为更好地了解土壤呼吸机理以及在全球变化背景下的响应奠定基础。试验除了对照(OkgNha-1yr-1),设置了2种氮处理：低氮(50kg N ha-1yr1)和高氮(100kg N ha-1yr-1)。对土壤温度、土壤含水量、凋落物量、细根量、细根氮含量、土壤有机质、微生物量等指标进行了测定。研究的主要结果为： (1)试验周期内,凋落物总量、土壤细根生物量在各氮处理间无显著差异,湿季凋落物总量显著高于干季。细根氮含量在对照、低氮和高氮处理内分别为6.67±0.08、9.244±0.20和8.77±0.30mg g-1,低氮、高氮处理分别显著提高了38.53和31.48%的细根氮含量。土壤微生物量碳随着氮处理水平的提高有减少的趋势,但各氮处理之间没有显著差异。不同氮处理的土壤有机质含量均在0-10cm最高,但各氮处理间的差异不显著。同种氮处理下0-10cm的土壤有机质含量均显著高于其他土层,各氮处理都没有改变土壤有机质的垂直分布趋势。 (2)对照、低氮和高氮处理的土壤呼吸速率平均值分别为2.52±0.31、3.244±0.32和3.08±0.28μmol CO2m-2s-1。短期的氮沉降显著促进了土壤呼吸速率,但这种显著影响是非线性的,其影响程度取决于施氮量的多少,低氮处理显著促进了土壤呼吸速率,而高氮处理对土壤呼吸速率没有显著影响。氮处理没有改变土壤呼吸速率的季节动态,湿季土壤呼吸速率显著大于干季。湿季内低氮处理显著提高了土壤呼吸速率,干季内氮处理对土壤呼吸速率都没有显著影响。土壤温度分别解释了对照、低氮和高氮处理下89.53、65.51和73.18%的土壤呼吸速率变异。土壤呼吸温度敏感性系数Q10在对照、低氮和高氮处理分别为2.42、2.02和2.00,氮处理降低了Q10。不同氮处理土壤含水量与土壤呼吸速率之间均没有显著相关性,土壤含水量并不是土壤呼吸速率变化的主要决定因素。 (3)凋落物处理以及凋落物和氮处理的交互效应对土壤含水量均有显著影响。氮处理对照内去除凋落物显著降低了土壤呼吸速率,去除凋落物对土壤呼吸的贡献率为-25.32%,而加倍凋落物对土壤呼吸速率没有显著影响。不同氮处理对去除凋落物的土壤呼吸速率没有显著影响,低氮处理显著提高了加倍凋落物的土壤呼吸速率。除高氮处理外,其他氮处理下去除和加倍凋落物的土壤呼吸速率在干季和湿季间都有显著差异。干季和湿季内,低氮和高氮处理对去除凋落物的土壤呼吸速率都有显著影响,只有高氮处理对加倍凋落物的土壤呼吸速率有显著影响。 随着氮沉降水平的提高,氮处理逐渐扩大了去除和加倍凋落物对土壤呼吸贡献率的抑制作用。随着氮沉降水平的提高,氮处理+去除凋落物处理逐渐促进了土壤呼吸贡献率,并且主要发生在湿季；低氮处理+加倍凋落物处理促进了土壤呼吸贡献率,主要发生在干季,而高氮处理+加倍凋落物处理抑制了土壤呼吸贡献率,主要发生在湿季。不同氮处理下去除和加倍凋落物的土壤温度与土壤呼吸速率都存在显著关系,而与土壤含水量的关系均不显著。 (4)切根处理对土壤温度没有显著影响,而对土壤含水量有显著影响。氮处理下切根处理没有改变土壤温度的季节动态。氮处理对切根处理的土壤温度和含水量没有显著影响,并且不同氮处理下切根处理的土壤温度和含水量在干季和湿季都没有显著差异。各氮处理内切根处理都显著降低了土壤呼吸速率,与湿季内情况相同。氮处理对照下,切根处理对土壤呼吸的贡献率为-11.28%。随着氮处理水平的提高,切根处理对土壤呼吸贡献率的抑制作用不断增强,并且这种抑制作用在干季大于湿季。随着氮处理水平的增高,氮处理+切根处理逐渐促进了土壤呼吸的贡献率,氮处理缓解了因切根处理对土壤呼吸的降低,这种促进作用主要发生在干季。氮处理降低了切根处理后的土壤呼吸温度敏感性系数。不同氮处理下切根处理的土壤呼吸速率与土壤温度均有显著关系,而与土壤含水量关系不显著。 (5)总体而言,根呼吸和凋落物呼吸在氮处理下显著增加,土壤微生物呼吸显著减少,显著响应都主要在湿季。湿季各组分土壤呼吸在不同氮处理有显著差异,干季各组分呼吸低于湿季,但干季内各组分土壤呼吸在不同氮处理间的差异不显著。氮处理对根呼吸贡献率的影响主要是低氮处理在湿季的显著提高；氮处理对凋落物呼吸贡献率的显著影响主要是低氮处理,干季和湿季均有；氮处理对微生物呼吸贡献率的显著影响主要来自干季的低氮处理。另外,低氮处理对根呼吸贡献率和土壤微生物呼吸贡献率的影响在干季和湿季之间有显著差异。 以上结果表明,短期模拟氮沉降显著促进了亚热带木荷林的土壤呼吸,并且这种显著影响因氮沉降水平、季节差异等因素而不同。未来持续氮沉降背景下,亚热带木荷林土壤呼吸对氮沉降的长期响应值得今后进一步深入研究。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S714
【图文】：

Jobbagy & Jackson, 2000，Sedjo，1993)。森林的净碳平衡，是由光合作用吸收的碳与呼吸、分解、砍伐所造成的碳分解之间的平衡（如图1.1所示)，并且净碳平衡是由气候（Raich & Schlesinger，1992), 土壤类型（Howard，1993)和管理方式(Fernandez era/., 1993, Jandl et al., 2007)等因素决定的。土壤碳库！Cr存着大量碳，其le存量至少大气层蓄存量的两倍（Tamocaiefa/.，2009)。有研究认为土壤碳It存量的平均值为76.6 Pg C yr_i (Raich & Potter,1995)，但同时也有报道说平均值大概为68 Pg C yr_i(Raich& Schlesinger, 1992)。土壤有机碳库，特别是森林土壤有机碳，作为重要的陆地生态系统碳库之一，影响着碳平衡和森林立地条件（Lal^ 2004)。森林土壤有机碳的来源主要是森林的地表调落物和植物根系。调落物对土壤有机碳的输入主要表现在其自身的分解作用

本研究的样地选为浙江省宁波市天童森林生态系统国家野外科学观测站(29°52'N, 121°39'E, 200 ma.s.l.)(图2.1)。该区域位于中亚热带北缘，具有典型的亚热带季风气候，年均气温为16.2。C，年均降雨量为1374.7 mm (宋永昌和王祥荣，1995)。该野外科学观测站地处中国东部地区，根据其季风的特点和规律，每年通常有两个降水相对集中的湿季（4-6月和9-11月）。\ i J "angzhmi f .一VUgfnd ? \ )* — v ^ / ^—一 ，被， X V 1\L ,逸=一丨 ‘▲ Tiantong ‘ FajianLZJ ZN— 。懌“。

2010年12月初，在木荷林内，选择坡度较平坦，土壤养分和林分密度比较均句一致的位置，随机选择并建成9块20x20 m2处理（图2.2)，将PVC板置于在土壤深度为50 cm左右位置将各个处理隔离，且处理与处理之间留有10 m缓冲带，防止处理之间由于施氮梯度及降雨等因素造成干扰。Z] I 1 V

本文编号：2763729