收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

模拟氮沉降对杉木人工林碳库及其化学机理的影响

黄玉梓  
【摘要】: 碳是组成生物体最重要的元素之一,碳的循环是全球各种生命活动最重要的形式之一。森林是陆地生态系统的主体,蕴藏着陆地碳库总量的46.3%,森林植被所维持的碳库占到陆地植被碳库的比例高达77.0%,因此森林生态系统碳循环是全球最主要的碳循环,对于维护全球生态安全,进而维护人类社会的可持续发展具有十分重要的作用。 人类影响全球碳循环的方式主要有三种:一是大肆砍伐森林使林地变成了农业用地及农业耕作方式的改变;二是人类社会大量使用化石燃料;三是人类生活、生产排放的一些化学物质。前两种方式直接导致了全球碳库的损失,成为碳源;第三种方式目前主要指的是酸沉降,酸沉降包括硫沉降和氮沉降;两者在全球碳循环中的作用,与酸沉降的程度、持续时间及其所在的地理生态环境有关联。随着人类社会的发展,不断增长的氮沉降量对全球碳循环的负面作用越来越大,受到了国际社会的关注,尤其是在欧洲和北美温带地区。我国有些地区也存在高氮沉降问题,有些学者甚至指出,我国已成为世界三大氮沉降集中区之一,有关氮沉降研究的项目已经开始启动。 杉木是我国南方重要的用材树种之一,自然分布和人工栽培都很辽阔。杉木生长快,意味着对碳的吸收也快,因此对降低大气中的CO2浓度有十分明显的效果,从这个角度看,杉木栽培对减缓全球变化有十分重要的作用。研究氮沉降对杉木人工林生态系统的影响,既可以弥补我国该研究领域的不足,为杉木人工林的可持续经营提供理论指导,同时为人们进一步开展全球变化研究打下基础。本文对福建省三明市一片立地条件相似的12年生杉木人工人进行为期5年的模拟氮沉降,氮沉降水平分为N0、N1、N2和N3等4种水平,氮沉降量依次为0、60、120和240 kg·hm~(-2)·a-1,每处理重复三次,以期研究氮沉降对森林生态系统的碳库及其有关化学生态机理的影响,研究结果如下: 1.氮沉降对森林生态系统碳库的影响 1.1氮沉降对森林乔木层活立木生物量及碳储量的影响 经过5年的模拟氮沉降试验,各处理样地林分乔木层活立木生物量增长量大小表现为N1N0N2N3。N0、N1、N2和N3处理样地林分杉木活立木生物量增量分别为53.690、60.663、43.402和41.051 t·hm~(-2),N1、N2和N3处理的样地林分杉木活立木生物量增量分别比对照处理增大了12.99%、-19.16%和~(-2)3.54%;N1处理促进了林分乔木层杉木生物量的增加;N2、N3处理有不同程度地抑制样地林分杉木乔木层生物量的增加;氮沉降处理5年后,各处理样地林分乔木层碳储量增量大小顺序表现为N1N0N2N3;N0、N1、N2和N3处理样地林分乔木层杉木碳储量分别增长了24.048、26.810、20.215和18.746 t·hm~(-2),与对照处理相比,N1、N2和N3处理样地林分乔木层碳储量增长量提高了11.49%、-15.94%和~(-2)2.05%。结果表明,与对照处理相比,N1处理促进了林分乔木层杉木碳储量的增长,N2、N3处理对林分杉木碳储量的增加有抑制作用。 1.2氮沉降对杉木人工林均凋落物碳通量的影响 经过N0、N1、N2和N3处理三年(2006.12)后的各林分凋落物碳储量比处理一年(2004.12)后的各林分凋落物碳储量分别增加了52.9、114.4、157.2和92.6 kg·hm~(-2),分别增加了4.89%、11.53%、15.38%和8.46%;与对照相比,N1、N2和N3处理林分凋落物碳素量分别提高了6.64%、10.49%和3.57%,由此计算得,由于氮沉降而使得各林分的凋落物碳储量分别增加了65.9、107.2和39.0 kg·hm~(-2)。如果把这一数据折算成CO2,则N1、N2、N3处理使得林分每年以凋落物的形式分别额外储存了CO2120.8、196.6和71.6 kg·hm~(-2)。 1.3氮沉降对林下植被碳储量的影响 通过四年的模拟氮沉降试验后, N1、N2和N3处理林分林下草本植物碳储量分别比对照处理(N0处理)降低了0.072、0.136和0.167 t·hm~(-2);而N1、N2和N3处理林分林下灌木碳储量分别比对照处理降低了0.092、0.237和0.314 t·hm~(-2);综合来看,经过四年氮沉降试验后,各处理林分林下植被碳储量大小表现为N0N1N2N3,与对照相比,N1、N2、N3处理林分林下植被碳储量分别降低了0.164、0.373和0.482 t·hm~(-2),平均每年减少0.041、0.093和0.120 t·hm~(-2),换算成CO2的量,相当N1、N2和N3处理的林分林下植被每年吸存的二氧化碳量减少了0.151、0.342和0.441 t·hm~(-2)。结果表明,氮沉降水平越高,所处理样地林分林下植被碳储量就越少. 1.4氮沉降对森林土壤碳库的影响 土壤表层的碳含量受到氮沉降的影响最大,而且随着氮沉降的持续,表层土壤碳含量不断降低,但降低的速度渐趋缓慢;氮沉降水平越高,表层土壤碳含量降低越多;中层和底层土壤碳含量在氮沉降的前两年逐渐降低,但在随后的两年里,却有不断升高。综合起来,整个土壤层的碳含量在氮沉降试验的前两年,有降低的趋势,随后逐渐升高。经过四年的试验后发现,N1、N2和N3处理林分土壤碳含量略有降低,N2处理的降低幅度最大,其次是N3处理,N1处理降低最小。从氮沉降的高低水平来看,似乎没有规律性,说明氮沉降量对土壤碳库影响的非线性关系。虽然氮沉降降低了土壤的碳含量,但由于氮沉降同时增加了土壤的密度,所以综合起来,氮沉降反而提高了土壤碳库的碳储量。经过四年的氮沉降处理,N0、N1、N2、N3处理的林分样地土壤的碳储量分别增加了5.97、7.33、6.42和14.89 t·hm~(-2),与对照处理比较,四年的N1、N2和N3处理分别使林分样地土壤碳储量增加了1.36、0.45和4.84 t·hm~(-2)。结果表明,不同的氮沉降处理会显著影响林分土壤碳储量,各氮沉降水平处理之间没有明显的规律性。如果换算成CO2的量,经过N1、N2和N3处理,与对照处理相比,在本研究四年期间,各林分土壤每年分别吸收了1.25、0.41和4.44 t·hm~(-2)的CO2。 2.氮沉降对森林化学生态过程的影响 2.1氮沉降对森林土壤pH值的影响 氮沉降对森林各层土壤pH的影响呈现以下特点:0~20cm土层较20~40cm、40~60cm土层敏感,上层土壤比下层土壤越容易引起酸化;pH值的下降程度与氮沉降量呈正相关,氮沉降时间越长,土壤pH值下降程度越大,土壤酸化也就越明显。在氮沉降试验过程中,各处理样地pH值都出现了降低的现象,但模拟氮沉降试验初期土壤pH值的下降幅度要明显低于氮沉降两年后的土壤pH的下降幅度,尤其是N1处理下的20~60cm土壤层,在氮沉降初期,变化极不明显。 2.2氮沉降对森林土壤有效养分含量的影响 在整个氮沉降过程中,与对照相比,各处理样地有效氮含量(氨态氮和硝态氮)都呈增长趋势,且氮沉降水平越高,其增长程度越大。各处理样地土壤有效氮含量随着时间的推进,与对照的差距越来越大,由此可以说明氮沉降对土壤有效氮的影响存在累积性效应;氮沉降对杉木人工林土壤中的速效磷含量的影响如下:氮沉降造成土壤中的速效磷的衰减;在氮沉降初期,氮沉降水平越高,土壤速效磷的衰减程度更大;但土壤中的速效磷并不随氮沉降量的增大而加速衰减;氮沉降导致0—20cm土层速效钾更大程度的淋失,而20—40cm、40—60cm土层出现了速效钾含量低于对照的变化,土层的速效钾含量随氮沉降量的增加而上升。总体来说,越大程度的氮沉降引起表层土壤更大程度的速效钾淋失;氮沉降加剧土壤速效钾向更深一层土壤运移;土壤速效钾的淋失随氮沉降的持续而加强;同层土壤中交换性Ca~(2+)、Mg~(2+)含量因不同氮沉降水平而异,不同氮沉降水平土壤交换性Ca~(2+)、Mg~(2+)含量从高到低的顺序为:N0N1N3N2,且N0、N1、N3与N2处理水平之间差异显著(p0.05),说明各土层对N2水平氮沉降反应更为敏感。同氮沉降水平同层土壤交换性Ca~(2+)、Mg~(2+)含量随着时间的变化有下降的趋势:氮沉降初期是交换性Ca~(2+)、Mg~(2+)快速淋失阶段,但随着氮沉降的继续,土壤酸化的同时,也会导致土壤中的一些矿物释放出盐基离子,从而在氮沉降近两年后土壤交换性Ca~(2+)、Mg~(2+)的淋失程度降低。 2.3氮沉降对林木营养状态的影响 经过四年的模拟氮沉降试验,相对于N0处理,N1、N2、N3处理在一定程度上提高了杉木针叶氮素含量,各处理林分杉木针叶氮素含量比对照处理高出18.25%、11.68%和13.14%,但其作用随时间推移有减弱的趋势,在本试验的第三年,增加氮的输入,林分杉木针叶的氮增加率不能继续提高;在本研究试验中,虽然经N1、N2、N3处理的林分杉木针叶中磷的含量呈现出上升的趋势,但N1、N3处理增长幅度明显低于对照处理,表明N1、N3对针叶磷元素的提高有一定的抑制作用,N2有明显的促进作用;在四年的大部分时间里,氮沉降表现出一定抑制针叶中K、Mg含量增加的作用;氮沉降对林分杉木针叶中N含量与C、K、P、Mg含量的比值的影响,表现出相似的规律,即先升高后降低的特性,但在本研究的四年时间里,各林分的比值均处在杉木生长所需的最适值范围之内,说明经过四年的处理,杉木还没有表现出营养失衡的问题;氮沉降对林分杉木针叶中的微量元素的影响特点:中长期的氮沉降抑制了杉木针叶中锰含量的提高,且氮沉降水平越高,这一作用就越明显;N1、N2处理林分杉木针叶锌含量先降低后升高;N3处理林分杉木针叶锌含量表现出逐年增加的趋势;氮沉降抑制了处理林分杉木针叶中的铁含量的提高,但随时间推进,其抑制作用越来越不明显。 2.4氮沉降对森林土壤呼吸及土壤酶活性的影响 氮沉降抑制了林地表层土壤的呼吸作用,但明显促进了中层和底层土壤的呼吸作用。土壤呼吸速率在N1、N2和N3处理下,表层分别降低了28.34%、2.04%和15.31%,而中层土壤分别增加了53.44%、62.22%和20.20%,底层分别增加了117.46%、42.72%和72.86%。氮沉降在初始的2年内使森林土壤纤维素酶活性提高,而在第3年,N1和N2处理对土壤纤维素酶活性的促进作用减弱,而高氮沉降(N3)则显著降低了土壤纤维素酶活性。总体上看,经中、低氮处理(N1、N2)后,土壤呼吸速率与土壤纤维素酶活性存在正相关性,但高氮沉降(N3)下两者的关系不显著;在本试验监测的四年时间里,N0处理林分土壤过氧化氢酶活性波动很小,N1、N2处理的林分土壤过氧化氢酶活性逐年升高,N3处理林分土壤过氧化氢活性在处理一年后,升高了32.58%,但随后三年时间里,逐年降低。经过四年的模拟氮沉降处理,2007年12月测得N0、N1、N2和N3处理林分土壤过氧化氢酶活性分别比2003年提高了4.34%、41.21%、55.56%和-20.13%;与对照处理相比,N1、N2、N3处理分别提高了33.38%、53.13%和-20.31%,方差分析表明,各处理之间差异显著(p0.05),显然N1、N2处理提高了土壤过氧化氢酶活性,而N3处理降低了土壤过氧化氢酶活性。在本试验监测的三年时间里,N0处理林分土壤脲酶活性波动很小,N1、N2处理的林分土壤脲酶活性逐年升高,N3处理林分土壤脲酶活性在处理一年后,升高了32.58%,但随后两年时间里,逐年降低。经过三年的模拟氮沉降处理,2006年12月测得N0、N1、N2和N3处理林分土壤脲酶活性分别比2003年提高了6.01%、99.82%、86.08%和-14.29%;与对照处理相比,N1、N2处理大大提高了土壤脲酶酶活性,而N3处理降低了土壤脲酶活性。 2.5氮沉降对凋落物有关化学成分及其分解过程的影响 氮沉降使林分杉木落叶中的氮含量显著增加。与对照相比,N3、N2和N1处理分别使落叶中的氮含量增加32.5%、19.3%和10.2%。凋落物其它组分中的N含量对氮处理的响应不尽相同,但都没有达到统计上的显著差异。氮沉降量水平与生态系统氮素归还量具有明显的相关性,即氮沉降量越高,凋落物中氮素的总归还量就越高。与对照(N0)相比,N2和N3处理分别使氮归还量增加10.9%和32.6%,而N1处理对氮素归还量的影响不显著;凋落物各组分中,微量元素含量大小顺序表现为FeMnZnCu。各处理林分凋落物中铜元素含量高低顺序为N3N0N1N2;各处理林分凋落物中Zn元素含量高低顺序为N0N3N2N1;各处理林分凋落物中Mn元素含量高低顺序为N1N2N3≈N0;各处理林分凋落物中Fe元素含量高低顺序为N1N2N3N0。 N1、N2处理对凋落物分解有不同程度的促进作用。N2处理对凋落物的分解的促进作用最大,N3处理表现出轻微的抑制作用。N0、N1、N2和N3的周转期分别为3.99、3.95、3.06和4.11a。四种氮沉降水平处理凋落物,在各分解阶段的碳素释放率有较大差异。在初始阶段,N1处理的碳释放率最小,碳素释放率仅为6.78%,是对照组的61.94%;在分解试验中期,N2、N3处理的凋落物碳释放率明显小于对照组;在试验的后期,N1、N2、N3处理的碳释放率分别为16.11%、19.73%、16.30%,都明显大于对照的12.60%的释放率。从总体看,不同氮沉降水平处理凋落物,其碳释放率的大小顺序为:N2N0N1N3。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 朱少华;;杉木人工林抚育间伐强度试验研究[J];山东林业科技;2011年03期
2 张莉;吕广林;朱洪如;乔牡丹;邹吉虎;;邓恩桉幼龄林土壤有机质和全氮含量对模拟氮沉降的响应[J];林业勘察设计;2011年01期
3 陈江海;;间伐强度对杉木胸径生长的影响[J];安徽农学通报(下半月刊);2011年16期
4 郭景恒;张逸;何骞;相秀娟;;氮沉降影响下酸性森林土壤中水溶性有机氮的分布特征[J];环境化学;2011年06期
5 王丹;王兵;戴伟;李萍;;杉木人工林土壤系统有机碳相关变量的通径分析[J];土壤通报;2011年04期
6 荣蓉;;杉木人工林套种竹子的技术与经济问题分析[J];沿海企业与科技;2011年05期
7 王志勇;朱凡;宿少锋;张明明;多祎帆;傅强;;氮沉降对森林土壤微生物特性影响的研究进展[J];中南林业科技大学学报;2011年05期
8 范仁志;;杉木人工林树根生物量模型的研究[J];林业勘察设计;2011年01期
9 杨鹏;;抚育间伐对杉木人工林生长的影响[J];湖南林业科技;2011年04期
10 王祖华;李瑞霞;郝俊鹏;关庆伟;;间伐对杉木人工林不同根序细根形态的影响[J];东北林业大学学报;2011年06期
11 胡红玲;张健;刘洋;涂利华;向元彬;;模拟氮沉降对华西雨屏区巨桉林凋落叶分解的影响[J];林业科学;2011年08期
12 陈立新;段文标;;模拟氮沉降对温带典型森林土壤有效氮形态和含量的影响*[J];应用生态学报;2011年08期
13 袁颖红;樊后保;李燕燕;刘文飞;廖迎春;沈芳芳;黄荣珍;;模拟氮沉降对土壤酸化和土壤盐基离子含量的影响[J];应用与环境生物学报;2011年04期
14 李春明;;随机截距效应在模拟杉木人工林单木胸径生长量中的应用[J];北京林业大学学报;2011年04期
15 赵亮;周国逸;张德强;段洪浪;刘菊秀;;CO_2浓度升高和氮沉降对南亚热带主要乡土树种及群落生物量的影响[J];应用生态学报;2011年08期
16 郭晓瑞;汪红玲;王化楠;段喜华;;增强UV-B辐射及氮水平对长春花生长和生理代谢的影响[J];植物研究;2011年05期
17 吴鹏飞;马祥庆;侯晓龙;林霜霜;蔡丽平;任晶晶;;缺磷条件不同钙浓度水培杉木营养液酸度的比较[J];中国农学通报;2011年16期
18 李晓萍;;乐昌含笑人工林培肥土壤与涵养水源功能分析[J];林业科技开发;2011年04期
19 唐洁丽;;杉木炭疽病的防治[J];林业与生态;2011年09期
20 张瑞琪;;提升公益林生态保护功能质量的技术措施[J];安徽农学通报(上半月刊);2011年15期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘乐中;;杉木人工林皆伐前后土壤呼吸动态[A];中国地理学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
2 苏成国;尹斌;朱兆良;沈其荣;;农田生态系统的氨挥发与大气湿沉降及其环境污染研究(摘要)[A];中国地壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会文集(面向农业与环境的土壤科学专题篇)[C];2004年
3 尹云锋;杨玉盛;高人;郭剑芬;马红亮;;黑碳在杉木人工林土壤不同组分中的分配规律研究[A];地理学与生态文明建设——中国地理学会2008年学术年会论文摘要集[C];2008年
4 李涵茂;胡正华;杨燕萍;李岑子;;模拟氮沉降对北亚热带落叶阔叶林土壤呼吸的影响[A];第二届中国林业学术大会——S10 林业与气候变化论文集[C];2009年
5 肖复明;范少辉;汪思龙;官凤英;于小军;申正其;;毛竹、杉木人工林生态系统碳平衡的估算[A];第二届中国林业学术大会——S10 林业与气候变化论文集[C];2009年
6 涂利华;胡庭兴;张健;何远洋;田祥宇;肖银龙;景建飞;;模拟氮沉降对华西雨屏区慈竹林土壤活性有机碳库和根生物量的影响[A];第二届中国林业学术大会——S10 林业与气候变化论文集[C];2009年
7 高玉春;高人;杨智杰;盛浩;张彪;马书国;;中龄和老龄杉木人工林凋落物数量、组成及动态比较[A];中国地理学会百年庆典学术论文摘要集[C];2009年
8 曹裕松;李志安;傅声雷;;模拟氮沉降对华南荷木林土壤呼吸的影响[A];第三届全国植物生态学前沿论坛第三届全国克隆植物生态学研讨会论文摘要汇编[C];2009年
9 夏志超;董红云;孔垂华;王朋;陈龙池;汪思龙;;湖南省会同地区森林植被转变对土壤微生物群落结构的影响[A];中国第五届植物化感作用学术研讨会论文摘要集[C];2011年
10 刘学军;;大气氮素沉降及其对我国农田生态系统养分输入的影响[A];第九届中国青年土壤科学工作者学术讨论会暨第四届中国青年植物营养与肥料科学工作者学术讨论会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄玉梓;模拟氮沉降对杉木人工林碳库及其化学机理的影响[D];福建农林大学;2009年
2 涂利华;模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹人工林生态系统碳循环过程和特征的影响[D];四川农业大学;2011年
3 谭骏珊;会同杉木人工林连栽生物量动态变化研究[D];中南林业科技大学;2010年
4 车少辉;基于神经网络方法的杉木人工林林分生长模拟研究[D];中国林业科学研究院;2012年
5 丁文娟;氮沉降对麻栎和刺槐的生理生态特征及种间关系的影响[D];山东大学;2012年
6 俞元春;杉木林土壤肥力变化和长期生产力维持研究[D];南京林业大学;1999年
7 王华;亚热带区域几种典型人工林生态系统服务功能研究[D];湖南农业大学;2007年
8 方晰;杉木人工林生态系统碳贮量与碳平衡的研究[D];中南林学院;2004年
9 冯明磊;三峡地区小流域氮循环及其对水体氮含量的影响[D];华中农业大学;2010年
10 郑伟;植物幼苗生长对策研究[D];东北师范大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 沈芳芳;模拟氮沉降对杉木人工林土壤有机碳库的影响[D];江西农业大学;2011年
2 蔡祖凯;氮沉降对杉木人工林土壤有机质含量及纤维素酶活性的影响[D];福建农林大学;2010年
3 徐雷;氮沉降对杉木人工林土壤理化性质和酶活性的影响[D];福建农林大学;2007年
4 刘文飞;氮沉降对亚热带人工林针叶及凋落物养分动态的影响[D];福建农林大学;2007年
5 荣海;模拟氮沉降对温郁金生态系统的影响[D];福建农林大学;2010年
6 李凯;模拟氮沉降对亚热带森林演替代表树种光合生理和光谱反射的影响[D];西南大学;2012年
7 刘勤;模拟增温和氮沉降对几种菊科入侵植物生长及形态属性的影响[D];成都理工大学;2012年
8 谢小赞;亚热带典型植物对酸雨和氮沉降胁迫的高光谱响应研究[D];浙江农林大学;2010年
9 刘仁燕;模拟氮沉降对三峡库区两种土壤碳、氮和盐基离子淋失的影响[D];华中农业大学;2010年
10 由美娜;氮沉降对中亚热带树种木荷和香樟光合与土壤呼吸的影响[D];浙江农林大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 童岱;莫江明:氮沉降消灭植物种类[N];北京科技报;2010年
2 周飞;森林的植物多样性与氮沉降有关[N];广东科技报;2010年
3 洪流 学红;氮排放增加威胁生物多样性热点地区[N];中国绿色时报;2006年
4 记者 林琳;京津冀长三角地区硫氮沉降量较大[N];中国气象报;2007年
5 周飞 方运霆;森林生态系统对氮沉降有新发现[N];广东科技报;2009年
6 记者 郭姜宁;惠刚盈获国际林联杰出博士研究奖[N];科技日报;2000年
7 中国农业大学 副教授 巨晓棠 博士生 寇长林;正确认识化肥的负面生态影响[N];农资导报;2004年
8 秦亚洲;我国科学家揭开湖水突然变臭之谜[N];新华每日电讯;2005年
9 谭松山;秀美的张家界国家森林公园[N];中国绿色时报;2000年
10 张红梅;保护森林生物多样性应遵循持续利用原理[N];中国绿色时报;2004年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978