模擬氮沉降和降雨量改變對華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤碳氮特征的影響.pdf

1、18世紀后期到20世紀后期，人類實現(xiàn)了氮元素從發(fā)現(xiàn)到可以控制全球固氮速率的轉(zhuǎn)變過程。目前，中國已成為三大氮沉降區(qū)域之一，僅次于歐洲和北美。就目前來說，氮沉降問題在全球氣候變化中是一個非常嚴重的問題。各種生態(tài)系統(tǒng)的特征和過程均由于氮沉降的增加而產(chǎn)生了深刻影響。在全球氣候變化的背景下，全球和區(qū)域尺度的降水格局產(chǎn)生了巨大的變化，引起降雨量增加或減少的不平衡，且季節(jié)變化大，導(dǎo)致北半球中緯度地區(qū)降雨量增大，亞熱帶地區(qū)降水量下降，南半球的降水量均增

2、大。降雨是土壤水分最主要的來源，它能改變土壤通氣條件，增加土壤濕度，對地表凋落物和土壤有機質(zhì)分解、土壤酶活性、植物根系、微生物和植被群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響，對地下物理生物化學過程具有重要的調(diào)控作用。氮沉降的持續(xù)增加和降水格局的改變勢必會對森林生態(tài)系統(tǒng)過程造成影響。本研究以華西雨屏區(qū)常綠闊葉林為研究對象，通過定位模擬氮沉降和降雨量改變，研究了華西雨屏區(qū)常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)關(guān)鍵過程和特征對模擬氮沉降和降雨的響應(yīng)，試驗設(shè)置氮沉降和降雨2

3、個因素，共6種處理，即對照(CK:Comparison)、氮沉降15 g N m-2·a-1(N:Nitrogen deposition)、減雨10％(R:Water reduction)、增雨10％(A:Water addition)、氮沉降15 g N m-2·a-1+減雨10％(NR:Nitrogen deposition and water reduction)、氮沉降15 g N m-2·a-1+增雨10％(NA:Nitrog

4、en deposition and water addition)，每種處理重復(fù)3次，共18個處理。主要結(jié)果如下:
　　1.華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤各土層有機碳含量表現(xiàn)為夏季較高，春冬季較低，0-10cm土層有機碳含量高于10-20cm土層。從各處理土壤有機碳含量的平均值來看，0-10cm土層土壤有機碳含量高低順序表現(xiàn)為:R＜NR＜CK＜A＜N＜NA;10-20cm土層表現(xiàn)為:R＜NR＜A＜CK＜NA＜N。模擬氮沉降和增雨促進了華

5、西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤有機碳的累積，模擬減雨抑制了土壤有機碳的累積。常綠闊葉林0-10cm土層土壤C/N值顯著高于10-20cm，土壤C/N值隨土層加深而呈現(xiàn)出增加的趨勢。降雨使土壤C/N降低，增雨使土壤C/N增高。同一氮沉降條件下，增雨處理增加了土壤TOC的含量，減雨處理減少了土壤TOC的含量;同一降雨條件下，氮沉降增加土壤TOC的含量。氮沉降和降雨對DOC和MBC含量產(chǎn)生顯著影響(P＜0.05），對LC含量影響不顯著(P＞0.05)

6、;其交互作用對TOC、DOC、MBC和LC含量影響不顯著(P＞0.05)。
　　2.華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤無機氮的變化范圍介于14.66-18.37 mg·kg-1之間。各處理0-10cm土層的NH4+-N和NO3--N含量均高于10-20cm土層。模擬氮沉降促進了華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤無機氮的累積，并使土壤pH值降低;增雨抑制了土壤無機氮的累積。氮沉降處理的土壤NH4+-N與NO3--N相關(guān)性顯著。各處理的土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮

7、與全氮、有機質(zhì)、含水量之間均存在顯著相關(guān)性。同一氮沉降條件下，增雨處理降低了各土層NH4+-N和NO3--N的含量;同一降雨條件下，氮沉降增加了各土層NH4+-N和NO3--N的含量。氮沉降和降雨對NH4+-N和NO3--N含影響顯著(P＜0.05）。其交互作用對土壤NH4+-N和NO3--N含量的影響不顯著（P＞0.05）。
　　3.氮沉降和增雨抑制了華西雨屏區(qū)常綠闊葉林土壤呼吸速率，減雨促進了土壤呼吸速率。減雨使華西雨屏區(qū)常綠

8、闊葉林土壤呼吸年通量增加了576 g·m-2，而模擬氮沉降和增雨使土壤呼吸年通量分別減少了726和803 g·m-2。CK、N、R、A、NR和NA處理的土壤呼吸速率的Q10值分別為2.77、2.44、3.18、2.39、2.58和2.22，表明減雨增加了土壤呼吸的溫度敏感性，模擬氮沉降和增雨降低了土壤呼吸的溫度敏感性。模擬溫度和濕度與土壤呼吸速率間回歸方程分析表明，土壤水分對土壤呼吸速率的影響較小。模擬氮沉降和增雨處理減少了土壤微生物生

9、物量碳、氮的含量，減雨處理增加了土壤微生物生物量碳、氮的含量。模擬氮沉降和降雨對土壤CO2釋放的影響未表現(xiàn)出明顯的交互作用。
　　4.華西雨屏區(qū)常綠闊葉林各土層微生物總量季節(jié)變化明顯，表現(xiàn)為秋冬季較高，春夏季較低。0-10cm土層的土壤細菌、真菌、放線菌數(shù)量均高于10-20cm土層。各土層中細菌占有絕對優(yōu)勢，放線菌次之，真菌所占微生物數(shù)量比例最小。在0-20cm土層，CK、R、A、N、NR和NA處理的土壤微生物總量平均值分別為6.

10、44、7.27、4.98、5.42、5.43和4.81 cfu·g-1·106，表現(xiàn)為:R＞CK＞NR＞N＞A＞NA，R處理的土壤微生物總量比CK增加了12.89％;而A、N、NR和NA處理比CK減少了22.67％、15.84％、15.68％和25.31％。減水處理增加了土壤微生物總量，模擬氮沉降和增水處理使土壤微生物總量減少。同一降雨處理下，模擬氮沉降使土壤微生物總量減少。同一氮沉降處理下，減雨增加了土壤微生物總量，增雨減少了土壤微生

11、物總量。氮沉降和降雨對表層土壤微生物總量和細菌數(shù)量產(chǎn)生顯著影響(P＜0.05），其交互作用對微生物區(qū)系的影響不顯著（P＞0.05）。
　　5.華西雨屏區(qū)常綠闊葉林6種土壤酶活性均為上層土壤(0-10cm)大于下層土壤(10-20cm)，且具有明顯的季節(jié)變化，纖維素酶和酸性磷酸酶活性夏季較高;蔗糖酶和脲酶活性秋季較高;過氧化物酶和多酚氧化酶活性冬季較高。模擬氮沉降和降雨量改變未改變土壤酶活性原有的垂直分布格局?？傮w上看，模擬氮沉降抑

12、制了蔗糖酶、過氧化物酶、纖維素酶和多酚氧化酶的活性，促進了脲酶、酸性磷酸酶的活性。減雨使土壤多酚氧化酶和過氧化物酶活性降低，減雨使土壤中脲酶、酸性磷酸酶、壤蔗糖酶和纖維素酶活性增加，增雨使土壤中脲酶、酸性磷酸酶、壤蔗糖酶和纖維素酶活性降低。模擬氮沉降對土壤酶產(chǎn)生了顯著的影響(P＜0.05)。模擬氮沉降和降雨量改變對華西雨屏區(qū)土壤酶活性的影響未表現(xiàn)出明顯的交互作用。
　　6.華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落葉分解較快，凋落枝分解較慢;凋落物

13、夏季分解較快，其他季節(jié)分解較慢。經(jīng)過24個月的分解后，凋落葉和枝的質(zhì)量殘留率分別為38.03％和80.42％，凋落葉分解50％需要的時間為1.48a，比枝短5.58 a。各處理凋落物葉分解系數(shù)表現(xiàn)為:k(A)＞k(CK)＞k(NA)＞k(N)＞k(R)＞k(NR)，凋落枝質(zhì)量殘留率表現(xiàn)為:N＞NR＞R＞NA＞CK＞A。模擬氮沉降、減雨和增雨處理的凋落葉分解50％分別需要1.86、2.35和1.36 a，凋落枝分解50％分別需要8.97、

14、7.93和6.38 a。各處理凋落葉分解95％需要6.01～11.55 a，凋落枝分解95％需要26.93～38.04a。同一氮沉降條件下，增雨促進凋落葉分解，減雨抑制凋落葉分解;同一降雨條件下，氮沉降抑制凋落葉分解。氮沉降或降雨對凋落物的分解產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），其交互作用影響不顯著（P＞0.05）。可見，在氮沉降持續(xù)增加和降雨格局改變的背景下，增雨促進了華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落物的分解，氮沉降和減雨抑制了凋落物的分解，模擬氮

15、沉降和降雨對凋落物的分解交互作用表現(xiàn)不明顯。
　　7.試驗期間，華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落葉各處理C、N、P濃度分別在345.68-478.53 g·kg-1、5.86-9.56 g·kg-1、0.42-1.15 g·kg-1之間波動。模擬氮沉降和減雨處理使常綠闊葉林凋落葉C、N和P濃度增加，增雨使C、N和P濃度減少。華西雨屏區(qū)常綠闊葉林凋落葉各養(yǎng)分元素年釋放速率大小表現(xiàn)為:N＜C＜P。各處理C和N均為直接釋放模式，P表現(xiàn)為富集—釋

16、放模式。模擬氮沉降和減雨抑制了常綠闊葉林凋落葉C、N和P的釋放，增雨促進了常綠闊葉林凋落葉C、N和P的釋放。C、N和P元素殘留率與干物質(zhì)殘留率相關(guān)性顯著（P＜0.5）。經(jīng)24個月的分解后，各處理C/N值表現(xiàn)為:NA＜N＜CK＜R＜A＜NR;N處理使C/N值減少了4.25％， R和A處理使C/N值分別增加了1.13％和4.02％。氮沉降和降雨對凋落葉C、N和P元素的釋放產(chǎn)生顯著影響(P＜0.05）;其交互作用對凋落葉N和P元素的釋放產(chǎn)生顯