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桤木(Alnus sibirica)扩张对大兴安岭泥炭地土壤有机碳的影响

陈慧敏  
【摘要】:北方泥炭地,特指分布于北半球中高纬度地区的泥炭沼泽生态系统,以占不到全球3%的陆地地表面积,储存了全球约30%的土壤有机碳库,在全球碳循环中发挥着极为重要的作用。近几十年来,随着气候变暖及其引起的土壤干化,北方泥炭地中固氮树种(主要是桤木属,Alnus spp.)的数量越来越多,呈不断扩张趋势。由于北方泥炭地养分有效性极为贫瘠,对养分有效性的变化极为敏感。因此,固氮树种扩张引起的活性氮输入量增加将可能会影响到北方泥炭地土壤有机碳的稳定性和碳汇功能,对全球碳循环乃至气候系统产生巨大的反馈效应。鉴于此,本研究在大兴安岭北部选取典型泥炭地,以辽东桤木(A.sibirica)树岛作为研究对象,以毗邻的开阔泥炭地作为对照,基于野外调查与室内培养试验,明确了桤木扩张后植物群落组成和生物量的变化、土壤有机碳矿化速率和化学结构稳定性特征以及土壤碳库的变化趋势,主要取得以下结论:(1)桤木扩张虽然显著提高了植物生物量,但降低了群落物种多样性。桤木树岛中植物群落总的地上部分生物量高于对照样地,而根系生物量没有显著差异。在植物功能群水平上,桤木树岛与对照样地之间常绿灌木地上部分生物量没有显著差异,但桤木树岛落叶灌木地上部分生物量高于对照样地,而草本植物、苔藓植物和地衣的地上部分生物量低于对照样地。而且,由于桤木较大的生物量,树岛中落叶灌木、常绿灌木、草本植物、苔藓植物和地衣的优势度均显著低于对照样地。桤木扩张到泥炭地后,苔藓植物和地衣等均呈现出消失的变化趋势,这导致群落物种丰富度减少了约40%,Simpson优势度指数、Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数也呈现显著下降的趋势。(2)桤木扩张提高土壤氮素有效性,促进了土壤有机碳矿化速率,并降低土壤有机碳的稳定性。桤木树岛土壤含水量、20-40cm土层土壤的多酚浓度和土壤微生物量C:N比均显著低于对照样地,土壤无机氮(NH4+-N和NO3–-N)浓度、净氮矿化速率、微生物量碳和氮、土壤有机碳矿化速率则显著高于对照样地。而且,桤木树岛10-20 cm土壤有机碳中芳香碳和羰基碳的比例、芳香度和疏水碳/亲水碳的比值均低于对照样地,而土壤脂族碳/芳香碳的比值和烷基碳比例均高于对照样地,这意味着桤木扩张使得土壤有机碳分子结构趋于简单化,土壤有机碳稳定性降低。(3)桤木扩张降低北方泥炭地土壤有机碳库,并改变土壤碳氮磷化学计量学特征。桤木树岛土壤碳库和磷库均显著低于对照样地,而且主要出现在深层土壤(20-40 cm),这可能主要是由于桤木根系对深层土壤碳分解的激发效应引起的。桤木树岛氮库显著高于对照样地,这使得桤木树岛土壤C:N比低于对照样地,而土壤N:P比高于对照样地。而且,桤木扩张显著提高了植物凋落物中的δ13C和δ15N含量,土壤中的δ13C和δ15N含量虽然也有一定程度的提高,但并未达到显著水平。由于北方泥炭地土壤碳库极大,桤木扩张引起的这种土壤碳丢失现象可能会对全球碳循环和大气化学组成产生深远的影响。


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