氮添加對南亞熱帶不同樹種人工幼齡林土壤溫室氣體排放和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響.pdf

1、目前，大氣氮沉降的急劇增顯著影響了某些森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已成為共識。大量研究表明外源氮的輸入強(qiáng)烈地影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)過程與土壤微生物群落特征，對森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生消極影響。土壤微生物是土壤中最具活力的部分，與土壤肥力和土壤健康緊密相連，了解森林土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)的變化有助于對森林生態(tài)系統(tǒng)功能的變化做出解釋。森林土壤通過生成或消耗溫室氣體對氮素輸入變化產(chǎn)生響應(yīng)，這也是研究生態(tài)系統(tǒng)反饋過程的重要內(nèi)容。近年來，在我國

2、南亞熱帶地區(qū)人工林造林模式正在從大規(guī)模單一樹種造林向多樹種造林轉(zhuǎn)變，并且許多鄉(xiāng)土珍貴闊葉樹種（包括固氮樹種）逐漸被用于該地區(qū)人工林營建的生產(chǎn)實踐中。然而，人們對氮沉降增加背景下南亞熱帶不同樹種（固氮樹種與非固氮樹種）人工林生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識仍有限。為此，本論文以我國南亞熱帶固氮樹種格木(Erythrophleum fordii)和非固氮樹種紅椎(Castanopsis hystrix)人工幼齡林為研究對象，通過田間試驗，采用常規(guī)理

3、化分析法、氣相色譜技術(shù)和磷脂脂肪酸法(PLFA)研究了不同氮添加水平[硝酸銨:0kg N ha-1yr-1（對照）、50kg N ha-1yr-1(低氮)、100kg N ha-1yr-1(中氮)和150kg N ha-1yr-1(高氮)]對2種人工幼齡林土壤主要碳氮過程的影響，試驗周期為17個月。研究的主要內(nèi)容包括:(1)不同氮添加水平對2種人工林幼齡林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響;(2)2種人工幼齡林土壤溫室氣體排放對氮添加的響應(yīng)規(guī)律;(3)

4、2種人工幼齡林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對不同氮添加水平的響應(yīng)機(jī)制，主要目的在于以土壤微生物群落結(jié)構(gòu)作為生態(tài)學(xué)指標(biāo)評價氮輸入增加背景下南亞熱帶不同樹種人工幼齡林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以期為該地區(qū)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)參考和理論基礎(chǔ)。以往研究表明，在田間試驗中氮輸入增加可對土壤微生物群落產(chǎn)生直接影響，然而氮輸入增加也可通過改變植物向土壤的碳輸入過程對土壤微生物產(chǎn)生間接影響。為此，本研究也通過室內(nèi)土柱培養(yǎng)法研究無植物碳輸入影響下不同氮添加水

5、平[硝酸銨:0g N m-2(N0)、5gN m-2(N5)、10g N m-2(N10)、15g N m-2(N15)、25g N m-2(N25)]對紅椎和格木人工幼齡林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其呼吸活動的直接影響，并探討微生物群落結(jié)構(gòu)與微生物呼吸速率的動態(tài)關(guān)系。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)中氮和高氮添加處理顯著降低了2種林分0-10cm土壤的pH，但升高了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。3個氮添加水平對2種林分不同土層的有機(jī)碳含量均無

6、顯著影響，但中氮和高氮顯著升高了2種林分0-10cm土壤可浸提有機(jī)碳含量。此外，3個氮添加水平均未顯著改變2種林分不同土層的全氮、全磷、全鉀和有效磷含量。
　　(2)觀測期結(jié)束時，中氮和高氮處理導(dǎo)致紅椎幼齡林土壤CO2排放速率低了11％和15％，僅高氮處理使格木幼齡林土壤CO2排放速率降低了21％。低氮、中氮和高氮處理分別使紅椎幼齡林土壤N2O排放速率升高了285％、562％和835％，中氮和高氮處理使格木幼齡林土壤N2O排放速率

7、升高了252％和770％。中氮和高氮處理均導(dǎo)致紅椎幼齡林土壤CH4吸收速率降低了30％和69％，導(dǎo)致格木幼齡林土壤CH4吸收速率降低了67％和93％。觀測期內(nèi)，不同氮添加水平下2種林分土壤溫度與土壤呼吸速率的相關(guān)性較強(qiáng)。氮素輸入在一定程度上減弱了紅椎幼齡林土壤N2O和CH4排放與土壤水熱環(huán)境因子之間的關(guān)系，尤其是對土壤N2O排放速率和與土壤水熱環(huán)境因子之間關(guān)系的影響最為明顯，而在格木幼齡林中，這種趨勢并不明顯。
　　(3)中氮和高

8、氮處理導(dǎo)致紅椎幼齡林土壤微生物總生物量降低了23.5％和32.1％，然而僅高氮處理顯著降低了格木幼齡林土壤微生物總生物量。同時，2種林分土壤細(xì)菌和真菌生物量也受到了氮輸入的不同抑制，但中氮和高氮處理均顯著升高了2種林分土壤真菌細(xì)菌生物量比。非線性多維標(biāo)度和多響應(yīng)置換過程分析結(jié)果表明，自然（對照）條件下2種林分土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異(A=0.65，p＜0.05)，低氮、中氮和高氮處理均顯著影響了2種林分的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)(p＜0

9、.001)，但3個氮添加水平間的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異并不顯著（p＞0.05）。冗余分析結(jié)果表明，銨態(tài)氮、土壤pH、土壤微生物生物量碳與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化顯著相關(guān)(p＜0.05）。以上結(jié)果表明，中氮和高氮處理顯著影響了2種人工幼齡林土壤微生物群落的穩(wěn)定性，進(jìn)而可能對土壤健康和肥力差生消極影響。
　　(4)室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，觀測期內(nèi)(16d)，N10、N15和N25處理使紅椎幼齡林土壤微生物呼吸速率較對照平均升高了3

10、5％、69％和94％。然而，僅在N25處理下，格木幼齡林土壤微生物呼吸速率較對照平均升高了23％。2種林分土壤微生物生物量均受到了N15和N25處理的抑制，但發(fā)生時間不同。格木幼齡林土壤微生物群落可在短期內(nèi)使其生物量從N15和N25處理的抑制中恢復(fù)到對照水平，說明短期內(nèi)其微生物群落對氮添加造成的干擾具有恢復(fù)力。N10、N15和N25處理對2種林分土壤的微生物群落均產(chǎn)生了生理脅迫，相關(guān)分析表明氮添加下土壤微生物生理脅迫的增強(qiáng)主要是土壤pH

11、降低導(dǎo)致的。主成分分析結(jié)果表明，2種林分土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對氮添加造成的干擾較為敏感，所有氮處理均顯著影響了2種林分土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)。紅椎幼齡林土壤微生物呼吸速率與可浸提有機(jī)碳、真菌細(xì)菌比、微生物群落結(jié)構(gòu)和生理脅迫狀況均存在顯著的相關(guān)性，但這些因子對微生物呼吸速率的調(diào)控會隨時間而發(fā)生變化。然而，觀測期內(nèi)格木幼齡林土壤微生物呼吸速率與上述因子均無顯著相關(guān)性，造成這種現(xiàn)象的原因可能由于其特殊的微生物群落結(jié)構(gòu)（包括真菌細(xì)菌比），其機(jī)制有待