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《四川农业大学》 2014年
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台湾桤木—黑麦草复合模式凋落物分解对模拟氮沉降的初期响应

陈栎霖  
【摘要】:氮沉降持续增加作为当前全球环境变化最为突出问题之一,已经对森林生态系统产生了重要的影响,同时也深刻地影响着凋落物的分解过程。凋落物分解作为森林生态系统物质循环和能量流动的重要环节之一,其分解的快慢对森林土壤肥力的维持以及生态系统稳定有重要作用。由于不同的生态环境、不同树种,凋落物性质的差异和分解阶段不同等原因,外源氮的输入对凋落物分解过程的影响颇具争议,其作用机理还有待进一步深入研究。林草复合模式的构建是人工林可持续发展的有效措施,台湾桤木作为我国退耕还林的重要树种,具有较高的生态价值和经济价值。但是,目前台湾桤木林草凋落物分解对氮沉降的响应鲜见报道。通过定位模拟氮沉降试验的方式,研究台湾桤木-黑麦草复合模式凋落物分解对模拟氮沉降的初期响应。将台湾桤木-黑麦草复合模式(A模式)及其对照(未种植黑麦草,B模式)凋落物组成分成了地上凋落物(叶、枝、果及其混合物)和地下凋落物(桤木细根、草根及混合根),分别放置于2种模式中进行不同梯度(0、5、10、20、g·N·m-2·a-1)的模拟氮沉降处理,以揭示林草复合模式单一种类凋落物及其混合的分解过程对外源N添加的响应过程与机制。经过对凋落物分解1a的模拟氮沉降处理,主要结果如下:(1)在1a的研究期间内,台湾桤木退耕地内几种凋落物分解速率符合Olson负指数分解模型。不同类别的凋落物分解速率有差异,草根分解最为迅速,叶和细根次之,枝和果分解最为缓慢,不同类别凋落物组分混合分解存在正交互作用,显著促进凋落物基质的分解。台湾桤木-黑麦草复合模式的构建显著加快了叶、枝以及细根的分解(p0.05)。模拟氮沉降促进了分解前期凋落物质量损失,抑制了B模式凋落物的后期分解,氮沉降水平的大小对凋落物分解的抑制作用因凋落物种类而异;促进了A模式凋落物的分解,对地上凋落物的促进作用达到显著水平,其中以凋落物叶的促进作用最为显著(p0.05),而对地下凋落物的促进作用有限,只有在前40d达到显著水平。黑麦草的植入显著降低了台湾桤木.黑麦草复合模式各凋落物组分的半衰期(T50%)和周转期(T95%),提高了生态系统内物质的周转速率。在整个研究期内,各凋落物组分分解速率与凋落物C、N、P、纤维素、木质素、C/N、木质素/N等质量指标中2个或以上存在着显著相关,其中C含量能解释凋落物分解速率的82.6%。在模拟氮沉降环境中,外源N的添加,使凋落物质量指标的高低对凋落物分解速率的影响被打乱。(2)台湾桤木退耕地各凋落物在1a的分解过程中均表现为C元素净矿化,C质量残留率符合负指数模型。模拟氮沉降显著降低了B模式地上凋落物叶、果、枝及其混合物的C矿化,对地下凋落物C分解释放影响不显著。台湾桤木-黑麦草复合生态系统的构建,显著促进了凋落物分解过程中C的矿化,能有效缓解氮沉降对凋落物分解过程中C矿化的抑制。各凋落物组分在1a的分解时间内均有1-2次的N富集过程,在实验后期均为净氮释放;凋落物P动态表现为,地上凋落物为释放-富集-释放,地下凋落物表现为净释放;K为净释放。不同氮沉降水平显著影响凋落物N、P、K的释放,前期表现为促进,后期表现为抑制;黑麦草的植入进一步促进了N、P、K的释放。(3)在la的研究期内,台湾桤木退耕地中6种土壤酶兼有明显的季节变化,其中,多酚氧化酶、过氧化物酶及脲酶活性高峰期出现在春季,纤维素酶活性高峰期在夏季,酸性磷酸酶活性高峰期在秋季,蔗糖酶活性高峰期在冬季。施加外源氮改变了台湾桤木退耕地土壤酶活性,不同氮沉降处理对土壤酶的活性影响差异较大。氮沉降对土壤酶活性的影响具有积累效应,在模拟氮沉降环境中,外源氮的输入增加了土壤纤维素酶和蔗糖酶活性,氮水平越高酶活性越强,在研究后期高氮沉降环境中蔗糖酶活性明显被抑制;脲酶和酸性磷酸酶在模拟氮沉降环境中表现为低氮水平增加酶活性,高氮水平抑制:外源氮的输入抑制了多酚氧化酶和过氧化物酶活性,且氮水平越高作用时间越久,抑制程度越大。在1a的研究期内,模拟氮沉降环境中,不同的N添加水平6种土壤酶积累活性与凋落物分解速率均呈现正相关关系。种植多年生黑麦草后,土壤酶活性提高,有利于土壤养分利用与循环。(4)凋落物分解养分释放是土壤养分的重要来源,模拟氮沉降增加了土壤有机碳(TOC)、全氮(TN)、有效氮(AN)、全磷(TP)和有效磷(AP)含量,同时降低了土壤C/N。土壤TOC、N和P对模拟氮沉降呈正响应,氮沉降的增加可能会提高土壤肥力并促进植被的生长,进而促进生态系统对碳的固定。经过1a的模拟氮沉降试验,台湾桤木-黑麦草林草复合模式土壤TN、TP含量比对照林地含量低,但土壤TOC、AN及AP含量较对照林高。尽管多年生黑麦草种植造成对土壤中氮、磷等土壤养分吸收量的增加,但是其凋落物(主要是地下根系)的快速周转提高了土壤酶活性,使其N、P的有效性提高,更易于土壤养分的利用与循环,有利于系统碳吸存。综上所述,模拟氮沉降对未种植人工牧草的台湾桤木退耕地各凋落物分解表现为前期促进、后期抑制,氮沉降水平的大小对凋落物分解的抑制作用因凋落物种类而异,主要是因为抑制了后期分解酶活性。种植人工牧草的台湾桤木退耕地,由于多年生黑麦草的植入显著提升了土壤酶活性,改善了土壤微环境,促进了对外源添加N的吸收,有效缓解氮沉降对凋落物分解的抑制作用,显著促进各凋落物的分解速率。因此,在高氮沉降区合理构建林草复合生态系统,能有效缓解氮沉降对凋落物分解的抑制,促进生态系统内物质周转,提高系统的碳吸存,对于人工林地力维护以及持续增加的大气氮沉降对人工林生态系统的影响具有重要的理论和实践意义。
【学位授予单位】:四川农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S714

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