模拟氮沉降对东北地区兴安落叶松人工林生态系统呼吸主要组分影响研究

【摘要】森林生态系统的碳积累主要取决于生态系统总生产力和生态系统总呼吸之间的平衡。因此,探索森林生态系统各个组分的呼吸特征及对环境因子的响应对于构建森林生态系统模型和准确评估森林在全球碳循环中的作用至关重要。土壤呼吸和树干呼吸是森林生态系统呼吸的主要组成部分,伴随着全球大气氮沉降量的持续增加,研究氮沉降对这两个过程的影响,并探讨其影响机理,对于深入理解森林生态系统碳平衡和林木碳平衡都具有非常重要的意义。但是由于其生态系统本身的复杂性及受多种因素制约,氮沉降增加对森林土壤呼吸和树干呼吸的影响仍然存在很大的不确定性。本研究以东北典型造林树种兴安落叶松为研究对象,2011年5月至2013年10月,对帽儿山地区落叶松人工林进行了模拟氮沉降试验,氮沉降水平分别为对照(0gN·m-2a-1)、低氮(5gN.m-2矿1)、中氮(10gN·m-2a-1)和高氮(15gN·m-2a1)处理,每个处理设置3个重复样地。所施氮肥为NH4NO3,以溶液方式在生长季内每月喷施一次。采用红外气体分析法对土壤表面C02通量和树干表面C02通量进行了连续3年的测定,研究结果表明：(1)2011年帽儿山地区生长季内大气氮湿沉降量为19.16kgNhm-2。(2)模拟氮沉降试验初期(2011年)结果表明,氮沉降增加显著促进了落叶松林土壤呼吸速率和生长季内土壤表面CO2通量(P<0.05)。对照、低氮、中氮和高氮处理样地平均土壤呼吸速率分别为2.35、2.43、2.57和2.70μmol·m-2·s-1,生长季内土壤表面C02通量分别为365.1、370.8、381.5和397.6gC·m-2。模拟氮沉降试验初期亦显著提高了土壤呼吸Q1o值(P<0.05)。其中,对照、低氮、中氮和高氮处理下土壤呼吸Q1o值分别为3.10、3.22、3.25和3.32。(3)模拟氮沉降试验中期和后期(2012和2013年)结果表明,氮沉降增加显著抑制了落叶松林土壤呼吸速率和生长季内土壤表面CO2通量(P<0.05)。2012和2013年,对照、低氮、中氮和高氮处理样地平均土壤呼吸速率分别为2.67和2.90μmol·m-2.s-1,2.83和2.65μmol·m-2·sl,2.39μmol·m-2·s-1和2.50μmol·m-2·s-1,2.43和2.21μmol·m-2·s-1;生长季内土壤表面C02通量分别为395.3和378.5gC·m-2,405.5和362.6gC·m-2,375.2和346.7gC.m-2,362.4和325.8gC-m-2。模拟氮沉降试验中期和后期显著降低了土壤呼吸Q1o值(P<0.05),2012和2013年,对照、低氮、中氮和高氮处理下土壤呼吸Q1o值分别为3.53和3.49,3.16和3.25,3.35和3.07,3.10和2.92。模拟氮沉降试验中期,通过对无根土壤进行室内培养结果表明,氮沉降增加显著降低了土壤微生物呼吸速率(P<0.05),对照、低氮、中氮和高氮处理下土壤表层(0-10cm)微生物呼吸分别为10.8、8.6、8.2和7.0mgCkg·soil-1h-1。氮沉降处理同样降低了土壤微生物生物量碳和氮(P<0.05),且土壤表层(0-10cm)土壤微生物生物量碳能够解释不同氮沉降处理水平下土壤表面CO2通量77%的变化。(4)极差值法、平衡转移法和内生长法计算得到的细根产量和周转率差异较大。平衡转移法和内生长法结果均表明氮沉降增加显著降低了细根产量和周转率(P<0.05),极差值法结果表明不同氮处理水平下细根产量和周转差异不显著(P>0.05)。另外,细根(<2mm)生物量能够解释不同氮沉降处理水平下土壤表面C02通量82%的变化。(5)无论初期(2011年)还是中后期(2012和2013年)模拟氮沉降试验,研究结果都表明氮沉降增加均促进了生长季内树干表面CO2通量(P<0.05),但促进程度有所差异。2011年生长季内,对照、低氮、中氮和高氮处理样地树干表面CO2通量分别为63.7gC·m-2、60.2gC·m-2、72.5gC·m-2和79.0gC·m-2；2012年生长季内,分别为67.8gC·m-2、72.3gC·m-2、78.1gC·m-2和86.5gC.m-2；2013年生长季内,分别为73.6gC·m-2、81.1gC·m-2、82.9gC·m-2和95.2gC·m-2。模拟氮沉降试验亦显著促进了生长季内树干呼吸Q10(P<0.05),2011年生长季内,对照、低氮、中氮和高氮处理样地树干呼吸Q1o分别为1.97、1.95、1.97和2.05；2012年生长季内,分别为1.67、1.80、2.01和2.54；2013年生长季内,分别为1.72、1.54、1.88和2.20。另外,氮沉降增加显著增加了树干氮含量(P<0.05),低氮、中氮、和高氮处理下氮元素的含量分别为1.00、1.32、2.02和2.35gkg-1。树干氮含量解释了生长季内树干呼吸速率38.3%的变化。综合分析,本研究主要表明,伴随着大气氮沉降量的持续升高,氮沉降可能会抑制该区落叶松林土壤表面向大气释放的C02通量,但是促进了树干表面向大气释放的C02通量。同时本研究结果亦强度在研究模拟氮沉降对土壤表面CO2通量影响的同时,应考虑模拟氮沉降时间长短对研究结论的影响。因此,本研究对于深入理解温带森林生态系统碳平衡和林木碳平衡具有重要意义。
【作者】孙涛；
【导师】毛子军；
【作者基本信息】东北林业大学，植物学，2014，博士
【关键词】兴安落叶松；氮沉降；土壤呼吸；微生物呼吸；细根产量；细根周转率；树干呼吸；Q10；土壤温度；树干温度；

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