氮添加對(duì)南亞熱帶不同樹種人工幼齡林土壤溫室氣體排放和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響.pdf

1、目前，大氣氮沉降的急劇增顯著影響了某些森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已成為共識(shí)。大量研究表明外源氮的輸入強(qiáng)烈地影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)過程與土壤微生物群落特征，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生消極影響。土壤微生物是土壤中最具活力的部分，與土壤肥力和土壤健康緊密相連，了解森林土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的變化有助于對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)功能的變化做出解釋。森林土壤通過生成或消耗溫室氣體對(duì)氮素輸入變化產(chǎn)生響應(yīng)，這也是研究生態(tài)系統(tǒng)反饋過程的重要內(nèi)容。近年來，在我國

2、南亞熱帶地區(qū)人工林造林模式正在從大規(guī)模單一樹種造林向多樹種造林轉(zhuǎn)變，并且許多鄉(xiāng)土珍貴闊葉樹種（包括固氮樹種）逐漸被用于該地區(qū)人工林營建的生產(chǎn)實(shí)踐中。然而，人們對(duì)氮沉降增加背景下南亞熱帶不同樹種（固氮樹種與非固氮樹種）人工林生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍有限。為此，本論文以我國南亞熱帶固氮樹種格木(Erythrophleum fordii)和非固氮樹種紅椎(Castanopsis hystrix)人工幼齡林為研究對(duì)象，通過田間試驗(yàn)，采用常規(guī)理

3、化分析法、氣相色譜技術(shù)和磷脂脂肪酸法(PLFA)研究了不同氮添加水平[硝酸銨:0kg N ha-1yr-1（對(duì)照）、50kg N ha-1yr-1(低氮)、100kg N ha-1yr-1(中氮)和150kg N ha-1yr-1(高氮)]對(duì)2種人工幼齡林土壤主要碳氮過程的影響，試驗(yàn)周期為17個(gè)月。研究的主要內(nèi)容包括:(1)不同氮添加水平對(duì)2種人工林幼齡林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響;(2)2種人工幼齡林土壤溫室氣體排放對(duì)氮添加的響應(yīng)規(guī)律;(3)

4、2種人工幼齡林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)不同氮添加水平的響應(yīng)機(jī)制，主要目的在于以土壤微生物群落結(jié)構(gòu)作為生態(tài)學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)氮輸入增加背景下南亞熱帶不同樹種人工幼齡林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以期為該地區(qū)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)參考和理論基礎(chǔ)。以往研究表明，在田間試驗(yàn)中氮輸入增加可對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生直接影響，然而氮輸入增加也可通過改變植物向土壤的碳輸入過程對(duì)土壤微生物產(chǎn)生間接影響。為此，本研究也通過室內(nèi)土柱培養(yǎng)法研究無植物碳輸入影響下不同氮添加水

5、平[硝酸銨:0g N m-2(N0)、5gN m-2(N5)、10g N m-2(N10)、15g N m-2(N15)、25g N m-2(N25)]對(duì)紅椎和格木人工幼齡林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其呼吸活動(dòng)的直接影響，并探討微生物群落結(jié)構(gòu)與微生物呼吸速率的動(dòng)態(tài)關(guān)系。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)中氮和高氮添加處理顯著降低了2種林分0-10cm土壤的pH，但升高了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。3個(gè)氮添加水平對(duì)2種林分不同土層的有機(jī)碳含量均無

6、顯著影響，但中氮和高氮顯著升高了2種林分0-10cm土壤可浸提有機(jī)碳含量。此外，3個(gè)氮添加水平均未顯著改變2種林分不同土層的全氮、全磷、全鉀和有效磷含量。
　　(2)觀測期結(jié)束時(shí)，中氮和高氮處理導(dǎo)致紅椎幼齡林土壤CO2排放速率低了11％和15％，僅高氮處理使格木幼齡林土壤CO2排放速率降低了21％。低氮、中氮和高氮處理分別使紅椎幼齡林土壤N2O排放速率升高了285％、562％和835％，中氮和高氮處理使格木幼齡林土壤N2O排放速率

7、升高了252％和770％。中氮和高氮處理均導(dǎo)致紅椎幼齡林土壤CH4吸收速率降低了30％和69％，導(dǎo)致格木幼齡林土壤CH4吸收速率降低了67％和93％。觀測期內(nèi)，不同氮添加水平下2種林分土壤溫度與土壤呼吸速率的相關(guān)性較強(qiáng)。氮素輸入在一定程度上減弱了紅椎幼齡林土壤N2O和CH4排放與土壤水熱環(huán)境因子之間的關(guān)系，尤其是對(duì)土壤N2O排放速率和與土壤水熱環(huán)境因子之間關(guān)系的影響最為明顯，而在格木幼齡林中，這種趨勢(shì)并不明顯。
　　(3)中氮和高

8、氮處理導(dǎo)致紅椎幼齡林土壤微生物總生物量降低了23.5％和32.1％，然而僅高氮處理顯著降低了格木幼齡林土壤微生物總生物量。同時(shí)，2種林分土壤細(xì)菌和真菌生物量也受到了氮輸入的不同抑制，但中氮和高氮處理均顯著升高了2種林分土壤真菌細(xì)菌生物量比。非線性多維標(biāo)度和多響應(yīng)置換過程分析結(jié)果表明，自然（對(duì)照）條件下2種林分土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異(A=0.65，p＜0.05)，低氮、中氮和高氮處理均顯著影響了2種林分的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)(p＜0

9、.001)，但3個(gè)氮添加水平間的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異并不顯著（p＞0.05）。冗余分析結(jié)果表明，銨態(tài)氮、土壤pH、土壤微生物生物量碳與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化顯著相關(guān)(p＜0.05）。以上結(jié)果表明，中氮和高氮處理顯著影響了2種人工幼齡林土壤微生物群落的穩(wěn)定性，進(jìn)而可能對(duì)土壤健康和肥力差生消極影響。
　　(4)室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，觀測期內(nèi)(16d)，N10、N15和N25處理使紅椎幼齡林土壤微生物呼吸速率較對(duì)照平均升高了3

10、5％、69％和94％。然而，僅在N25處理下，格木幼齡林土壤微生物呼吸速率較對(duì)照平均升高了23％。2種林分土壤微生物生物量均受到了N15和N25處理的抑制，但發(fā)生時(shí)間不同。格木幼齡林土壤微生物群落可在短期內(nèi)使其生物量從N15和N25處理的抑制中恢復(fù)到對(duì)照水平，說明短期內(nèi)其微生物群落對(duì)氮添加造成的干擾具有恢復(fù)力。N10、N15和N25處理對(duì)2種林分土壤的微生物群落均產(chǎn)生了生理脅迫，相關(guān)分析表明氮添加下土壤微生物生理脅迫的增強(qiáng)主要是土壤pH

11、降低導(dǎo)致的。主成分分析結(jié)果表明，2種林分土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)氮添加造成的干擾較為敏感，所有氮處理均顯著影響了2種林分土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)。紅椎幼齡林土壤微生物呼吸速率與可浸提有機(jī)碳、真菌細(xì)菌比、微生物群落結(jié)構(gòu)和生理脅迫狀況均存在顯著的相關(guān)性，但這些因子對(duì)微生物呼吸速率的調(diào)控會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化。然而，觀測期內(nèi)格木幼齡林土壤微生物呼吸速率與上述因子均無顯著相關(guān)性，造成這種現(xiàn)象的原因可能由于其特殊的微生物群落結(jié)構(gòu)（包括真菌細(xì)菌比），其機(jī)制有待