不同碳輸入對土壤氮礦化的影響

1、不同碳輸入對土壤氮礦化的影響 氮素是植物需求量最大的營養(yǎng)元素，同樣也是植物生長發(fā)育必須的元素。在土壤中的氮素99%以上都以有機(jī)形式的氮存在，而這種形式的氮素不能直接被植物吸收，需要經(jīng)過微生物的礦化作用將其轉(zhuǎn)化為有效態(tài)的氮。氮礦化速率決定了土壤中用于植物生長的氮素的可利用性，是森林生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)最重要的過程之一。研究森林土壤中nh4+-n、no3-n的礦化速率及影響其礦化作用的因素對于了解森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、氮素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化具有重要的意義1。 近年來，國際和國內(nèi)對氮礦化的研究逐步深入，包括不同因素對土壤氮礦化的影響、土壤之間氮礦化的作用2-4、森林群落的氮礦化速率及其影響因子5-8、土壤氮礦化

2、對氣候變化的響應(yīng)9-10等。盡管已經(jīng)開展了大量研究，但到目前為止對土壤氮礦化動態(tài)仍然存在許多認(rèn)識上的不足，特別是不同生態(tài)系統(tǒng)中，對于氮礦化作用的影響因素還未形成一致的結(jié)論2,11-12。在中國，對土壤氮礦化也進(jìn)行了較為廣泛的研究，但對亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮礦化的研究還不多，尤其是對針闊葉混交林群落土壤的氮礦化作用鮮見報道。針闊葉混交林的生態(tài)功能較為豐富13，不僅能改善森林的生態(tài)環(huán)境，調(diào)節(jié)林內(nèi)溫度，還能夠降低蒸發(fā)強(qiáng)度，提高林內(nèi)的相對濕度，減小林內(nèi)風(fēng)速，改善土壤n、p及有機(jī)質(zhì)的含量14-15。因此，本研究以馬尾松樟樹混交林為研究對象，通過樹脂芯法16在原位測定氮礦化的速率，并且在測定結(jié)果的基礎(chǔ)上

3、分析關(guān)鍵的環(huán)境要素與土壤氮礦化速率的關(guān)系，揭示土壤氮素礦化特征，認(rèn)識針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮循環(huán)的機(jī)制，以期為亞熱帶不同森林生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)機(jī)制研究提供重要的參考資料。 1材料與方法 1.1研究地概況 試驗樣地位于湖南省森林植物園，113度02′113度01′e，28度06′28度07′n，海拔46114m，坡度5度25度，核心區(qū)面積約4356hm2。年平均氣溫17.2，1月最冷，平均4.7，極端最低溫度-11.3；7月最熱，平均氣溫29.4，極端最高氣溫40.6；無霜期為270300d，日照時數(shù)年均1677.1h

4、；雨量充沛，年平均降水量1422mm，屬典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。其地層主要是第四紀(jì)更新世的沖積性網(wǎng)紋紅土和砂礫，屬典型紅壤丘陵區(qū)。園內(nèi)植物種類多達(dá)2200余種，且小生境眾多，植被以人工次生林為主。 1.2試驗材料 選擇樹齡相同或相近的馬尾松和樟樹人工混交林作為研究對象，林內(nèi)8:00平均氣溫為27.64，地下5cm土壤平均溫度26.8，最高與最低5cm土壤溫度相差4，濕度變化幅度3%。試驗處于湖南雨熱同期的7、8月份，試驗樣地的土壤溫度和濕度是一年中最高的時期。林內(nèi)土壤理化性質(zhì)見表1。其主要成分為以馬尾松pinusmassonsiana和樟樹cinnamomumcamphora為主，林下植被有

5、青岡cyclobalanopsisglauca、大青cleredendrumcwtophyllum、白櫟quercusfabri、山礬symplocoscaudate、苦櫧castanopsissclerophylla、毛泡桐paulowwniatomentosa等；草本植物有淡竹葉lophatherumsinense、雞矢藤paederiascandens、酢漿草iculata、商陸phytolaccaacinosa和腎蕨nephrolepisauriculata等。 1.3研究方法 1.3.1樣地設(shè)置 2010年7月初，在森林植物園內(nèi)選取樟樹馬尾松人工混交林群落，分別設(shè)置添加凋落物(lar

6、)、去除凋落物(lrr)、去根添加凋落物(lanr)、去根(cnr)、去根去除凋落物(lrnr)5種處理和對照(cr)，每種處理設(shè)置3個小區(qū)，共18個小區(qū)，每個小區(qū)大小為3mx4m，小區(qū)間距15m。（1）添加凋落物的處理：收集去除凋落物處理的網(wǎng)中枯落物均勻撒在12m2的范圍內(nèi)，以后每月將周圍凋落物收集網(wǎng)收集的凋落物等面積均勻撒在添加處理的范圍內(nèi)。（2）去除凋落物處理：取12m2的樣方，清除樣方內(nèi)的凋落物，并在上方設(shè)置3mx4m的網(wǎng)用來收集凋落物，為了防止凋落物進(jìn)入該處理的范圍內(nèi)，網(wǎng)距離地面的高度設(shè)為0.5m。（3）去根處理：在12m2的樣方周圍挖壕深至植物根系分布層以下（約0.5m），然后用厚

7、塑料膜插入壕溝內(nèi)隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進(jìn)入小樣方，再小心除去小樣方內(nèi)的所有活體植物，盡量保持原狀土壤表層。（4）去根添加凋落物處理：在12m2的樣方周圍挖壕深至植物根系分布層以下（約0.5m），然后用厚塑料膜插入壕溝內(nèi)隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進(jìn)入小樣方，再小心除去小樣方內(nèi)的所有活體植物，收集去根去除凋落物處理的網(wǎng)中的枯落物均勻撒在12m2樣方內(nèi)。之后，每月將周圍凋落物收集網(wǎng)收集的凋落物等面積均勻撒在去根添加處理的范圍內(nèi)。（5）去根去除凋落物處理：在12m2的樣方周圍挖壕深至植物根系分布層以下（約0.5m），然后用厚塑料膜插入壕溝內(nèi)隔離小樣方周圍的根系，以阻止根系進(jìn)入小樣方，再

8、小心除去小樣方內(nèi)的所有活體植物，清除樣方內(nèi)的凋落物，并在上方設(shè)置3mx4m的網(wǎng)用來收集凋落物。（6）有根處理：即為對照，不做處理。 1.3.2試驗方法 采用樹脂芯法原位測定土壤中的nh4+-n、no3-n含量及凈氮礦化速率和凈硝化速率。樹脂芯方法的試驗裝置包括：裝有3g陰離子交換樹脂（氯型，強(qiáng)堿性，上海匯脂樹脂廠717#樹脂）的尼龍網(wǎng)袋（70目）、pvc管（內(nèi)徑4.0cm，高15cm）、中部有小孔的石膏塞（厚度約0.4cm）和2張濾紙。在每1個樣方采樣時，首先去除地表凋落物，用2支pvc管，2只管子需同時打入地下土層，將其中的1支取出，裝入封口袋帶回實驗室，測定土壤含水率、nh4+-n和no3

9、-n，其結(jié)果作為初始值。將另1支pvc管取出，盡量不破壞土壤的結(jié)構(gòu)，用螺絲刀去除底部約2cm厚的土壤。在騰出的空間中放入1張濾紙，防止樹脂袋與土壤的直接接觸，然后放入陰離子交換樹脂袋，再放置1張濾紙，最后放置石膏墊，石膏墊被放置在樹脂袋下部是為了避免pvc管下方土壤溶液中的no3-n被樹脂交換吸附，并且石膏塞上的孔也能確保土壤溶液的及時排出。將pvc管裝有藥品的一頭向下，小心地放入原處進(jìn)行野外培養(yǎng)，共放置18個pvc管，培養(yǎng)30d。 1.3.3測試項目及方法#p#分頁標(biāo)題#e# 土壤nh4+-n用2mol/lkcl浸提-蒸餾法測定；土壤no3-n用酚二磺酸比色法,采用7220型分光光度計測定；

10、陰離子交換樹脂吸附的no3-n用1.5mol/l的硫酸提取，no3-n含量采用酚二磺酸比色法測定。野外試驗前對樹脂吸附no3-n能力的測定結(jié)果表明，該樹脂能夠吸附95%的no3-n。 1.3.4計算與分析 計算公式見式（1）和式（2）。cn=(ca銨+ca硝+ce硝)-(cb銨+cb硝)；(1)rn=(ca銨+ca硝+ce硝)-(cb銨+cb硝)/t。(2)式中：cn表示土壤凈氮礦化量；ca銨表示培養(yǎng)后銨態(tài)氮量；ca硝表示培養(yǎng)后的硝態(tài)氮量；ce硝表示樹脂吸附的硝態(tài)氮量；cb銨表示培養(yǎng)前銨態(tài)氮量；cb硝表示培養(yǎng)前的硝態(tài)氮量；rn表示土壤凈氮礦化速率；t表示培養(yǎng)時間。 1.3.5統(tǒng)計分析 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

11、采用單因子方差分析，進(jìn)行不同處理條件下凈氮礦化量和凈氮礦化速率的比較，分析軟件和作圖工具分別采用spss13.0和excel2003。 2結(jié)果與分析 2.1土壤有效氮含量 添加和去除凋落物處理土壤中有效氮含量（見圖1）的差異顯著(p對照>去除凋落物。在對照、添加凋落物的情況下有效氮含量表現(xiàn)為：有根處理>去根處理，但是在去除凋落物的情況下則相反，表現(xiàn)為去根處理>有根處理，這可能是因為去根處理的土壤中仍然殘留了部分未分解的細(xì)根，增加了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，且有根處理樣地植物根系增加了有效氮的消耗。 2.2培養(yǎng)前后nh4+-n、no3-n含量的變化 樟樹馬尾松混交林中，培養(yǎng)前后添加凋落

12、物、去根添加凋落物和對照的no3-n含量差異顯著（p添加凋落物(2.73mg/kg)>去根添加凋落物(1.30mg/kg)>去根(0.96mg/kg)>去除凋落物(0.75mg/kg)>去根去除凋落物(-0.05mg/kg)；no3-n含量增加，增加量分別為添加凋落物(14.83mg/kg)>去根添加凋落物(7.32mg/kg)>對照(4.96mg/kg)>去根(1.93mg/kg)>去除凋落物(0.28mg/kg)>去根去除凋落物(-0.68mg/kg)。nh4+-n、no3-n含量添加凋落物處理變化較大，說明碳輸入對土壤氮礦化有促進(jìn)作用

13、，硝化作用加強(qiáng)。去除凋落物處理后變化趨勢較小，且去根去除掉落物與另外4種處理變化趨勢相反，可能是由于除去碳輸入，微生物養(yǎng)分缺失，使微生物數(shù)量減少，氮礦化作用不明顯。培養(yǎng)結(jié)束后，土壤nh4+-n含量大于no3-n含量，仍然是無機(jī)氮的主要存在形式。 2.3凈氮礦化量和凈氮礦化速率 添加凋落物、去根添加凋落物、去根、去除凋落物、去根去除凋落物5種處理和對照的累計凈氮礦化量分別為12.10、6.03、0.96、-0.46、-0.63、0.89mg/kg。去除凋落物和去根去除凋落物2種情況出現(xiàn)負(fù)值說明部分無機(jī)氮以氣體形式散失，由反硝化作用引起的氮損失可能是導(dǎo)致凈氮礦化量和凈氮礦化速率出現(xiàn)負(fù)值的主要原因。

14、經(jīng)過30d的培養(yǎng)累計凈氮礦化速率為添加凋落物(0.403mgkg-1d-1)>去根添加凋落物(0.201mgkg-1d-1)>去根(0.032mgkg-1d-1)>對照(0.030mgkg-1d-1)>去除凋落物(-0.015mgkg-1d-1)>去根去除凋落(-0.021mgkg-1d-1)。 3結(jié)論與討論 培養(yǎng)前后土壤中的nh4+-n含量除添加凋落物處理外均大于no3-n含量，說明nh4+-n仍然是無機(jī)氮的重要存在形式。有凋落物的4種情況均表現(xiàn)出硝化作用，nh4+-n向no3-n轉(zhuǎn)化，但不同處理方式轉(zhuǎn)化的速率不同，有根和去根的情況下均表現(xiàn)為添加凋落物>對

15、照。這主要是因為對凋落物的不同處理影響了分解凋落物向土壤中的養(yǎng)分釋放，進(jìn)而改變土壤養(yǎng)分的可利用性。添加凋落物可以增加凋落物層的細(xì)菌和真菌的總生物量，去除凋落物可以減少真菌總生物量17。微生物的數(shù)量直接決定了硝化作用的強(qiáng)度。添加和去除凋落物能夠改變凋落物層，影響土壤微生物群落，進(jìn)而影響土壤中的氮含量。 3種凋落物處理的情況下凈銨化量和凈硝化量均表現(xiàn)為：有根土壤>去根土壤，表明根對土壤氮礦化作用有一定影響，這可能是由根際碳沉積對土壤微生物的影響造成的。根際沉積18在植物根際碳消耗中占有相當(dāng)大的比重，根分泌物作為信號物質(zhì)，能夠在微生物與植物根系之間建立一種均衡關(guān)系，同時，也是根際微生物有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源。研究表明不同植物種類或同種植物在不同發(fā)育階段，其根系分泌物在組分和量上均有一定差異，且不同組分對根際微生物的生態(tài)效應(yīng)亦不同19。許多微生物的數(shù)量與根際分泌物的積累呈正相關(guān)。例如，在小麥的生長發(fā)育過程中，隨著根系分泌物的增加，根