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大兴安岭北方森林土壤CH_4吸收对氮输入的响应研究

高文龙  
【摘要】:当前,森林土壤甲烷(CH4)吸收过程及其驱动机制已成为陆地生态系统碳循环研究的热点。森林土壤CH4吸收是CH4产生、传输和氧化过程综合作用的结果,除受环境因素如水热因子变化影响外,还受人为因素如土地利用变化和外源性氮(N)素输入干扰。研究显示,由人为活动引起的大气N沉降增加已经并将继续对森林土壤-大气界面的CH4净交换过程产生影响。森林土壤CH4吸收对N沉降的响应十分敏感,包括抑制、无显著性影响和促进三种效应,取决于土壤N格局,N输入剂量和类型,植物微生物组成、土壤属性和响应时间等。相应地,有关森林土壤CH4氧化的N素调控机制报道不一,且多围绕NH4+-N的调节机制展开。再者,相关研究主要集中在温带、亚热带和热带森林,对N限制的北方森林研究较少。在中国,有关北方森林土壤CH4吸收对大气N沉降增加的响应研究尚未系统地开展。 本研究以大兴安岭寒温带针叶林土壤作为研究对象,构建高频率,多形态(NH4Cl和KNO3),低剂量(Control,0kgN ha-1yr-1; Low-N,10kgN-1ha-1; High-N,40kgN ha-1yr-1)的大气N沉降模拟控制实验,研究了2010年6~10月生长季:(1)大兴安岭寒温带针叶林土壤CH4净吸收通量及其主控因子;(2)土壤CH4吸收通量及其驱动因子如土壤水分和温度、土壤NH4+-N和NO3--N、土壤pH对增N的初期响应;(3)土壤CH4吸收对增N响应的环境驱动机制。结果表明: (1)自然状态下,寒温带针叶林土壤表现为大气CH4的汇,土壤CH4平均吸收通量为51.5±4.7μg m-2h-1,主要由0~10cm层土壤水分驱动。 (2)N沉降试验结果显示,低水平N输入对寒温带针叶林生长季土壤CH4净交换通量影响不显著。然而,NO3--N (KNO3)处理和对照之间土壤CH4净吸收通量边缘差异显著(p=0.043),尤其低N处理情形。 (3)大兴安岭寒温带针叶林作为典型的N限制森林生态系统,有机层和0~10cm矿质土壤无机N含量均以NH4+-N为主,NO3--N含量较低。正常情形下,0~10cm矿质土壤pH值的变化范围为4.8~5.2。模拟N沉降结果显示:有机层和0~10cm矿质土壤NH4+-N含量随N输入增加而显著增加;有机层土壤NO3--N含量对N输入的响应不敏感,0~10cm矿质土壤NO3--N含量受NO3--N输入影响显著;N输入没有显著改变0~10cm矿质土壤pH值。此外,不同N处理下土壤10cm水分含量和温度差异不显著。 上述研究表明:短期内N03--N输入,而非NH4+-N输入,促进了N限制的大兴安岭北方森林土壤CH4氧化。N限制的北方森林土壤CH4吸收对增N响应的敏感程度可能与土壤CH4最大氧化活性区域、土壤NH4+-N和N03--N含量的空间分布格局以及相对比例有关。因此,在分析北方森林土壤CH4通量及其驱动因子对N沉降增加的响应时,除要考虑N沉降水平影响外,还应区分不同N沉降类型(NH4+-N和N03--N)的相对影响。


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