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滩地杨树林土壤呼吸对模拟氮沉降与淹水的响应

张蕊  
【摘要】:在20世纪末,中国已经成为全球三大氮沉降区之一。活性氮的生成和沉降速率的增加强烈影响了生态系统的碳循环,因此森林生态系统碳循环对氮沉降的响应成为了极为重要的科学问题。土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组成部分,也是土壤碳库向大气输出碳的唯一途径和大气CO2重要的源。研究土壤呼吸对于确定陆地生态系统中碳源与汇的关系对全球气候变化有重要意义。本文以长江中下游滩地杨树人工林为对象,通过定位模拟氮沉降实验的方法,研究滩地杨树人工林生态系统土壤呼吸的变化特征和土壤呼吸各组分对几种氮沉降量浓度的短期响应,揭示碳氮循环过程间的相互联系和影响,为预测在氮沉降量增加的情况下滩地杨树人工林生态系统土壤碳通量的变化提供理论依据和参考,为杨树生态系统可持续发展和科学经营管理提供依据。模拟氮沉降水平分别为对照(0kgN·hm-2·a-1)、低氮(5kgN·hm-2·a-1)、中氮(10kgN·hm-2·a-1)和高氮(20kgN·hm-2·a-1)。本文的主要研究结果如下: (1)长江中下游滩地杨树人工林土壤呼吸有明显的日变化特征,呈现单峰变化趋势,土壤呼吸速率在13:00-15:00间达到最大值,2:00-5:00间达到最小值。氮添加增强了土壤呼吸的昼夜变化。 (2)土壤呼吸及其各组分均有明显的季节变化特征,由于试验地发生淹水现象而呈现双峰曲线特征。6月和7月由于地下水位的上升而呈现下降趋势,8月土壤呼吸达到最大值,在2012年12月-2013年1月间达到最小值。杨树人工林年均土壤呼吸速率为3.21μmol·m-2·s-1,土壤呼吸量为11.47tC·hm-2·a-1,相当于每年排放出CO2的量为42.06t·hm-2。土壤微生物呼吸占土壤总呼吸的比例平均为65.23%,根系呼吸所占比例为34.77%。 (3)各处理土壤总呼吸季节变化与各层次土壤温度都呈显著正相关关系,土壤根呼吸与各层次土壤温度的相关性明显低于土壤总呼吸与土壤微生物呼吸。5cm深处土壤温度和土壤呼吸及其各组分相关性最大,其可以解释土壤总呼吸、土壤微生物呼吸和根系呼吸季节变化的比例分别为50.5%~71.0%、51.5%~73.9%、35.7%~63.2%。 (4)对照组土壤总呼吸、土壤微生物呼吸与根呼吸的Q1o值分别为2.54、2.72和1.94。中氮处理促进了土壤总呼吸、土壤微生物呼吸和植物根呼吸的温度敏感性。高氮水平降低了土壤呼吸及其各组分的温度敏感性,低氮水平降低了土壤总呼吸和土壤微生物呼吸的温度敏感性,促进了根呼吸的敏感性。 (5)对照组、低氮水平处理组、中氮水平处理组和高氮水平处理组的土壤总呼吸速率的年均值分别为3.21μmol·m-2·s-1、2.82μmol·m-2·s-1、2.82μmol·m-2·s-1、2.72μmol·m-2、s-1,相当于每年排放出的C02的量分别为42.06t·hm-2、37.06t·hm-2、36.20t·hm-2、35.69t·hm-2。低氮、中氮和高氮处理每年排放的C02量减少的幅度分别为12.35%,14.45%和15.73%。模拟氮沉降显著抑制了杨树人工林土壤呼吸作用。 (6)对照组、低氮水平处理组、中氮水平处理组和高氮水平处理组的土壤微生物呼吸的年均值分别为2.12μmol·m-2·s-1,2.05μmol·-2s·-1,19.96μmol·m-2·s-1,1.99μmol·m-2·s-1。相当于每年排放出C02的量分别为27.85t·hm-2、26.98t·hm-2、25.24t·hm-2、25.95t·hm-2。低氮、中氮和高氮处理每年排放的C02量减少的幅度分别为3.23%,9.70%,7.07%,减少的幅度明显小于土壤总呼吸。模拟氮沉降抑制了土壤微生物呼吸作用,模拟氮沉降对土壤微生物呼吸的影响不显著。 (7)对照组、低氮水平处理组、中氮水平处理组和高氮水平处理组的根呼吸的年平均值分别为1.09μmol·m-2·s-1、0.77μmol·m-2·s-1、0.75μmol·m-2·s-1。相当于每年排放的C02的量分别为14.22t·m-2、10.08t·hm-2、10.96t·hm-2、9.97t·hm-2。低氮、中氮和高氮处理每年排放的CO2量减少幅度分别为30.31%、23.81%、31.07%,减少幅度明显高于土壤呼吸与土壤微生物呼吸。模拟氮沉降对根系呼吸有显著的抑制作用。 (8)淹水对土壤总呼吸、土壤微生物呼吸和根系呼吸的影响一致。在丰水季节,水位持续上涨,土壤呼吸明显减弱。到滩地完全淹没在水中后,土壤呼吸几乎停止。土壤湿度成为胁迫条件时,土壤湿度成为影响土壤总呼吸、土壤微生物呼吸和根系呼吸的主导因素。土壤呼吸及各组分与地下水位均呈负相关关系,土壤微生物呼吸与地下水位的相关性最大,根系呼吸与地下水位的相关性最小。


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