秦嶺山地森林和草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng).pdf

1、中國(guó)秦嶺地區(qū)既是氣候的轉(zhuǎn)換區(qū)域，也是氣候變化的敏感區(qū)。本研究通過(guò)室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)，研究秦嶺地區(qū)不同森林和草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤主要溫室氣體排放對(duì)不同溫度的響應(yīng)以及氣體之間的相互關(guān)系。鑒于低溫條件對(duì)山地生態(tài)系統(tǒng)分布格局的重要性，本文對(duì)該地區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)（松樹(shù)林、櫟樹(shù)林和草甸）的土壤碳排放以及對(duì)應(yīng)的土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)和土壤氮轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，探討了野外條件下的土壤溶解性有機(jī)碳和溶解性無(wú)機(jī)氮的季節(jié)和剖面變化以及相關(guān)的土壤特性。利用開(kāi)頂箱（Open-top cha

2、mbers，OTC）模擬增溫和利用減雨架模擬減雨，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置對(duì)照、增溫、減雨和增溫與減雨交互四種處理，研究了增溫和降水減少對(duì)不同季節(jié)和不同土層深度土壤的碳氮?jiǎng)討B(tài)的影響。本文的主要研究結(jié)果與結(jié)論如下:
　　(1)選擇三種培養(yǎng)溫度（8℃、18℃和28℃），研究了山地森林和草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤二氧化碳(CO2)和氧化亞氮(N2O)排放對(duì)不同溫度的響應(yīng)。研究結(jié)果顯示，土壤CO2的排放隨溫度的增加而增加，隨土層深度的增加而減小。其中櫟樹(shù)林土壤C

3、O2的排放量最高，其次為松樹(shù)林和草甸。土壤N2O排放在三種生態(tài)系統(tǒng)間無(wú)顯著性差異。CO2和N2O的溫度敏感性表現(xiàn)為森林大于草甸。三種生態(tài)系統(tǒng)CO2和N2O排放的溫度敏感系數(shù)(Q10)值的范圍分別為1.07-2.25和0.82-1.22。研究表明，土壤CO2和N2O的排放之間呈顯著的正相關(guān)性(P＜0.01)。此外，不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤特性對(duì)CO2和N2O的排放在不同溫度水平具有不同的影響。其中，土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)、紫外吸光度(SUV

4、A)以及硝態(tài)氮是CO2排放的重要控制因子，而銨態(tài)氮和pH值是N2O排放的主要控制因子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三種生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放對(duì)溫度的敏感性高于N2O，表明該地區(qū)土壤CO2和N2O排放對(duì)全球變暖具有不同的響應(yīng)。本研究對(duì)主要溫室氣體(CO2和N2O)以及土壤特性對(duì)氣候變暖的響應(yīng)具有一定的參考價(jià)值。
　　(2)溫度對(duì)土壤碳通量和氮轉(zhuǎn)化過(guò)程具有重要影響，然而，目前關(guān)于低溫條件下，氣候轉(zhuǎn)換區(qū)復(fù)合山地森林和草甸生態(tài)系統(tǒng)的碳釋放和氮轉(zhuǎn)化的研究

5、尚較少。通過(guò)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)松樹(shù)林、櫟樹(shù)林和草甸三種生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳通量和氮轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤溶解性有機(jī)碳和土壤的芳香性物質(zhì)含量隨土壤碳礦化的變化而變化。森林和草甸表現(xiàn)為甲烷(CH4)吸收，表明該地區(qū)在低溫條件下可能是大氣CH4的弱的碳匯。不同生態(tài)系統(tǒng)的CH4吸收量無(wú)顯著性差異，CO2排放量表現(xiàn)為森林高于草甸，其中櫟樹(shù)林高于松樹(shù)林。研究發(fā)現(xiàn)在有氧條件下不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤CO2和CH4之間具有極其顯著的正相關(guān)性（P

6、＜0.01）。每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)土壤的氮礦化和硝化速率均隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而降低。研究顯示，森林對(duì)土壤氮?jiǎng)討B(tài)的影響大于草甸，并且松樹(shù)林具有更高的土壤氮轉(zhuǎn)化速率。土壤碳（CO2和CH4）通量速率與土壤DOC、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間具有弱的相關(guān)性。本研究表明，不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤可溶性無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤CO2和CH4具有一定的促進(jìn)或抑制效應(yīng)。
　　(3)植被類型對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)發(fā)揮著重要作用。通過(guò)對(duì)不同森林（松樹(shù)林和櫟樹(shù)林）和草甸生態(tài)系統(tǒng)的溶解

7、性有機(jī)碳和無(wú)機(jī)氮的研究，我們發(fā)現(xiàn)三種生態(tài)系統(tǒng)的DOC和溶解性無(wú)機(jī)氮（包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）具有明顯的季節(jié)變化，而且都隨土層深度的增加而減小。每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)土層之間的DOC濃度具有明顯的差異性（P＜0.05）。在生長(zhǎng)季不同土層的DOC和溶解性無(wú)機(jī)氮濃度均是草甸高于森林，且松樹(shù)林高于櫟樹(shù)林。此外，松樹(shù)林中的土壤有機(jī)碳(SOC)和總氮(TN)含量以及pH值高于草甸和櫟樹(shù)林。不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳氮比則是草甸最低，松樹(shù)林最高。土壤表層溫度和土壤含

8、水量與土壤DOC和溶解性無(wú)機(jī)氮之間均具有顯著的相關(guān)性(P＜0.01)。研究顯示，土壤SOC、TN和C/N(SOC/TN)是控制DOC和溶解性無(wú)機(jī)氮濃度的主要因子，且土壤pH值與DOC濃度之間也具有顯著的負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。土壤DOC與溶解性無(wú)機(jī)氮濃度之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性（P＜0.01）。
　　(4)增溫與降雨減少對(duì)土壤DOC和溶解性無(wú)機(jī)氮(DIN)含量的影響均隨季節(jié)發(fā)生不同的變化，而且土壤DOC和DIN含量的最高值均出現(xiàn)在草

9、甸，櫟樹(shù)林土壤出現(xiàn)最低值。其中，不同森林和草甸0-10 cm土層的土壤DOC含量變化范圍為471.53-731.48mg/kg，10-20 cm土層的土壤DOC含量變化范圍為435.92-694.94 mg/kg。對(duì)于土壤DIN而言，不同植被類型0-10 cm和10-20 cm土壤DIN含量的變化范圍分別為22.79-55.30mg/kg和13.29-34.71 mg/kg。土壤DOC和DIN含量均隨土層深度的增加而下降。增溫和減雨對(duì)不

10、同植被類型土壤SOC和TN的影響隨季節(jié)和土壤剖面的變化也有所不同。經(jīng)分析，增溫與減雨各處理下土壤DOC與DIN、土壤含水量、地表溫度和TN的相關(guān)性顯著(P＜0.05)，土壤DOC與SOC和pH值的相關(guān)性不顯著。
　　(5)三種植被類型的土壤微生物量碳(MBC)含量具有一定的季節(jié)變化趨勢(shì)，且隨土層深度的增加，均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中，對(duì)照條件下，兩種森林類型土壤MBC含量的季節(jié)變化趨勢(shì)一致為春季＞夏季＞秋季＞冬季。增溫與對(duì)照條件下草甸

11、土壤MBC含量不同季節(jié)的變化為春季＞夏季＞秋季。增溫條件下，松樹(shù)林土壤MBC含量的季節(jié)變化為夏季最高，秋季最低;而櫟樹(shù)林土壤MBC含量的季節(jié)變化為春季＞秋季＞夏季＞冬季。增溫與對(duì)照兩種處理下，不同植被類型和土壤深度的土壤MBC含量均存在顯著性差異(P＜0.05)。不同森林和草甸土壤微生物量碳的總體表現(xiàn)為草甸最高，其次為松樹(shù)林和櫟樹(shù)林。相關(guān)分析顯示，土壤DOC、SOC、DIN、TN以及土壤溫度和含水量與土壤MBC含量之間存在一定的正相關(guān)性