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模拟氮沉降对杉木人工林碳库及其化学机理的影响

作　者: 黄玉梓
导　师: 樊后保
学　校: 福建农林大学
专　业: 生态学
关键词: 氮沉降杉木人工林碳库化学生态机理
分类号: S791.27
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

碳是组成生物体最重要的元素之一,碳的循环是全球各种生命活动最重要的形式之一。森林是陆地生态系统的主体,蕴藏着陆地碳库总量的46.3%,森林植被所维持的碳库占到陆地植被碳库的比例高达77.0%,因此森林生态系统碳循环是全球最主要的碳循环,对于维护全球生态安全,进而维护人类社会的可持续发展具有十分重要的作用。人类影响全球碳循环的方式主要有三种:一是大肆砍伐森林使林地变成了农业用地及农业耕作方式的改变;二是人类社会大量使用化石燃料;三是人类生活、生产排放的一些化学物质。前两种方式直接导致了全球碳库的损失,成为碳源;第三种方式目前主要指的是酸沉降,酸沉降包括硫沉降和氮沉降;两者在全球碳循环中的作用,与酸沉降的程度、持续时间及其所在的地理生态环境有关联。随着人类社会的发展,不断增长的氮沉降量对全球碳循环的负面作用越来越大,受到了国际社会的关注,尤其是在欧洲和北美温带地区。我国有些地区也存在高氮沉降问题,有些学者甚至指出,我国已成为世界三大氮沉降集中区之一,有关氮沉降研究的项目已经开始启动。杉木是我国南方重要的用材树种之一,自然分布和人工栽培都很辽阔。杉木生长快,意味着对碳的吸收也快,因此对降低大气中的CO2浓度有十分明显的效果,从这个角度看,杉木栽培对减缓全球变化有十分重要的作用。研究氮沉降对杉木人工林生态系统的影响,既可以弥补我国该研究领域的不足,为杉木人工林的可持续经营提供理论指导,同时为人们进一步开展全球变化研究打下基础。本文对福建省三明市一片立地条件相似的12年生杉木人工人进行为期5年的模拟氮沉降,氮沉降水平分为N0、N1、N2和N3等4种水平,氮沉降量依次为0、60、120和240 kg·hm^-2·a-1,每处理重复三次,以期研究氮沉降对森林生态系统的碳库及其有关化学生态机理的影响,研究结果如下:1.氮沉降对森林生态系统碳库的影响1.1氮沉降对森林乔木层活立木生物量及碳储量的影响经过5年的模拟氮沉降试验,各处理样地林分乔木层活立木生物量增长量大小表现为N1>N0>N2>N3。N0、N1、N2和N3处理样地林分杉木活立木生物量增量分别为53.690、60.663、43.402和41.051 t·hm^-2,N1、N2和N3处理的样地林分杉木活立木生物量增量分别比对照处理增大了12.99%、-19.16%和^-23.54%;N1处理促进了林分乔木层杉木生物量的增加;N2、N3处理有不同程度地抑制样地林分杉木乔木层生物量的增加;氮沉降处理5年后,各处理样地林分乔木层碳储量增量大小顺序表现为N1>N0>N2>N3;N0、N1、N2和N3处理样地林分乔木层杉木碳储量分别增长了24.048、26.810、20.215和18.746 t·hm^-2,与对照处理相比,N1、N2和N3处理样地林分乔木层碳储量增长量提高了11.49%、-15.94%和^-22.05%。结果表明,与对照处理相比,N1处理促进了林分乔木层杉木碳储量的增长,N2、N3处理对林分杉木碳储量的增加有抑制作用。1.2氮沉降对杉木人工林均凋落物碳通量的影响经过N0、N1、N2和N3处理三年（2006.12）后的各林分凋落物碳储量比处理一年（2004.12）后的各林分凋落物碳储量分别增加了52.9、114.4、157.2和92.6 kg·hm^-2,分别增加了4.89%、11.53%、15.38%和8.46%;与对照相比,N1、N2和N3处理林分凋落物碳素量分别提高了6.64%、10.49%和3.57%,由此计算得,由于氮沉降而使得各林分的凋落物碳储量分别增加了65.9、107.2和39.0 kg·hm^-2。如果把这一数据折算成CO2,则N1、N2、N3处理使得林分每年以凋落物的形式分别额外储存了CO2120.8、196.6和71.6 kg·hm^-2。1.3氮沉降对林下植被碳储量的影响通过四年的模拟氮沉降试验后, N1、N2和N3处理林分林下草本植物碳储量分别比对照处理（N0处理）降低了0.072、0.136和0.167 t·hm^-2;而N1、N2和N3处理林分林下灌木碳储量分别比对照处理降低了0.092、0.237和0.314 t·hm^-2;综合来看,经过四年氮沉降试验后,各处理林分林下植被碳储量大小表现为N0>N1>N2>N3,与对照相比,N1、N2、N3处理林分林下植被碳储量分别降低了0.164、0.373和0.482 t·hm^-2,平均每年减少0.041、0.093和0.120 t·hm^-2,换算成CO2的量,相当N1、N2和N3处理的林分林下植被每年吸存的二氧化碳量减少了0.151、0.342和0.441 t·hm^-2。结果表明,氮沉降水平越高,所处理样地林分林下植被碳储量就越少.1.4氮沉降对森林土壤碳库的影响土壤表层的碳含量受到氮沉降的影响最大,而且随着氮沉降的持续,表层土壤碳含量不断降低,但降低的速度渐趋缓慢;氮沉降水平越高,表层土壤碳含量降低越多;中层和底层土壤碳含量在氮沉降的前两年逐渐降低,但在随后的两年里,却有不断升高。综合起来,整个土壤层的碳含量在氮沉降试验的前两年,有降低的趋势,随后逐渐升高。经过四年的试验后发现,N1、N2和N3处理林分土壤碳含量略有降低,N2处理的降低幅度最大,其次是N3处理,N1处理降低最小。从氮沉降的高低水平来看,似乎没有规律性,说明氮沉降量对土壤碳库影响的非线性关系。虽然氮沉降降低了土壤的碳含量,但由于氮沉降同时增加了土壤的密度,所以综合起来,氮沉降反而提高了土壤碳库的碳储量。经过四年的氮沉降处理,N0、N1、N2、N3处理的林分样地土壤的碳储量分别增加了5.97、7.33、6.42和14.89 t·hm^-2,与对照处理比较,四年的N1、N2和N3处理分别使林分样地土壤碳储量增加了1.36、0.45和4.84 t·hm^-2。结果表明,不同的氮沉降处理会显著影响林分土壤碳储量,各氮沉降水平处理之间没有明显的规律性。如果换算成CO2的量,经过N1、N2和N3处理,与对照处理相比,在本研究四年期间,各林分土壤每年分别吸收了1.25、0.41和4.44 t·hm^-2的CO2。2.氮沉降对森林化学生态过程的影响2.1氮沉降对森林土壤pH值的影响氮沉降对森林各层土壤pH的影响呈现以下特点:0～20cm土层较20～40cm、40～60cm土层敏感,上层土壤比下层土壤越容易引起酸化;pH值的下降程度与氮沉降量呈正相关,氮沉降时间越长,土壤pH值下降程度越大,土壤酸化也就越明显。在氮沉降试验过程中,各处理样地pH值都出现了降低的现象,但模拟氮沉降试验初期土壤pH值的下降幅度要明显低于氮沉降两年后的土壤pH的下降幅度,尤其是N1处理下的20～60cm土壤层,在氮沉降初期,变化极不明显。2.2氮沉降对森林土壤有效养分含量的影响在整个氮沉降过程中,与对照相比,各处理样地有效氮含量（氨态氮和硝态氮）都呈增长趋势,且氮沉降水平越高,其增长程度越大。各处理样地土壤有效氮含量随着时间的推进,与对照的差距越来越大,由此可以说明氮沉降对土壤有效氮的影响存在累积性效应;氮沉降对杉木人工林土壤中的速效磷含量的影响如下:氮沉降造成土壤中的速效磷的衰减;在氮沉降初期,氮沉降水平越高,土壤速效磷的衰减程度更大;但土壤中的速效磷并不随氮沉降量的增大而加速衰减;氮沉降导致0—20cm土层速效钾更大程度的淋失,而20—40cm、40—60cm土层出现了速效钾含量低于对照的变化,土层的速效钾含量随氮沉降量的增加而上升。总体来说,越大程度的氮沉降引起表层土壤更大程度的速效钾淋失;氮沉降加剧土壤速效钾向更深一层土壤运移;土壤速效钾的淋失随氮沉降的持续而加强;同层土壤中交换性Ca²⁺、Mg²⁺含量因不同氮沉降水平而异,不同氮沉降水平土壤交换性Ca²⁺、Mg²⁺含量从高到低的顺序为:N0>N1>N3>N2,且N0、N1、N3与N2处理水平之间差异显著（p<0.05）,说明各土层对N2水平氮沉降反应更为敏感。同氮沉降水平同层土壤交换性Ca²⁺、Mg²⁺含量随着时间的变化有下降的趋势:氮沉降初期是交换性Ca²⁺、Mg²⁺快速淋失阶段,但随着氮沉降的继续,土壤酸化的同时,也会导致土壤中的一些矿物释放出盐基离子,从而在氮沉降近两年后土壤交换性Ca²⁺、Mg²⁺的淋失程度降低。2.3氮沉降对林木营养状态的影响经过四年的模拟氮沉降试验,相对于N0处理,N1、N2、N3处理在一定程度上提高了杉木针叶氮素含量,各处理林分杉木针叶氮素含量比对照处理高出18.25%、11.68%和13.14%,但其作用随时间推移有减弱的趋势,在本试验的第三年,增加氮的输入,林分杉木针叶的氮增加率不能继续提高;在本研究试验中,虽然经N1、N2、N3处理的林分杉木针叶中磷的含量呈现出上升的趋势,但N1、N3处理增长幅度明显低于对照处理,表明N1、N3对针叶磷元素的提高有一定的抑制作用,N2有明显的促进作用;在四年的大部分时间里,氮沉降表现出一定抑制针叶中K、Mg含量增加的作用;氮沉降对林分杉木针叶中N含量与C、K、P、Mg含量的比值的影响,表现出相似的规律,即先升高后降低的特性,但在本研究的四年时间里,各林分的比值均处在杉木生长所需的最适值范围之内,说明经过四年的处理,杉木还没有表现出营养失衡的问题;氮沉降对林分杉木针叶中的微量元素的影响特点:中长期的氮沉降抑制了杉木针叶中锰含量的提高,且氮沉降水平越高,这一作用就越明显;N1、N2处理林分杉木针叶锌含量先降低后升高;N3处理林分杉木针叶锌含量表现出逐年增加的趋势;氮沉降抑制了处理林分杉木针叶中的铁含量的提高,但随时间推进,其抑制作用越来越不明显。2.4氮沉降对森林土壤呼吸及土壤酶活性的影响氮沉降抑制了林地表层土壤的呼吸作用,但明显促进了中层和底层土壤的呼吸作用。土壤呼吸速率在N1、N2和N3处理下,表层分别降低了28.34%、2.04%和15.31%,而中层土壤分别增加了53.44%、62.22%和20.20%,底层分别增加了117.46%、42.72%和72.86%。氮沉降在初始的2年内使森林土壤纤维素酶活性提高,而在第3年,N1和N2处理对土壤纤维素酶活性的促进作用减弱,而高氮沉降（N3）则显著降低了土壤纤维素酶活性。总体上看,经中、低氮处理（N1、N2）后,土壤呼吸速率与土壤纤维素酶活性存在正相关性,但高氮沉降（N3）下两者的关系不显著;在本试验监测的四年时间里,N0处理林分土壤过氧化氢酶活性波动很小,N1、N2处理的林分土壤过氧化氢酶活性逐年升高,N3处理林分土壤过氧化氢活性在处理一年后,升高了32.58%,但随后三年时间里,逐年降低。经过四年的模拟氮沉降处理,2007年12月测得N0、N1、N2和N3处理林分土壤过氧化氢酶活性分别比2003年提高了4.34%、41.21%、55.56%和-20.13%;与对照处理相比,N1、N2、N3处理分别提高了33.38%、53.13%和-20.31%,方差分析表明,各处理之间差异显著（p<0.05）,显然N1、N2处理提高了土壤过氧化氢酶活性,而N3处理降低了土壤过氧化氢酶活性。在本试验监测的三年时间里,N0处理林分土壤脲酶活性波动很小,N1、N2处理的林分土壤脲酶活性逐年升高,N3处理林分土壤脲酶活性在处理一年后,升高了32.58%,但随后两年时间里,逐年降低。经过三年的模拟氮沉降处理,2006年12月测得N0、N1、N2和N3处理林分土壤脲酶活性分别比2003年提高了6.01%、99.82%、86.08%和-14.29%;与对照处理相比,N1、N2处理大大提高了土壤脲酶酶活性,而N3处理降低了土壤脲酶活性。2.5氮沉降对凋落物有关化学成分及其分解过程的影响氮沉降使林分杉木落叶中的氮含量显著增加。与对照相比,N3、N2和N1处理分别使落叶中的氮含量增加32.5%、19.3%和10.2%。凋落物其它组分中的N含量对氮处理的响应不尽相同,但都没有达到统计上的显著差异。氮沉降量水平与生态系统氮素归还量具有明显的相关性,即氮沉降量越高,凋落物中氮素的总归还量就越高。与对照（N0）相比,N2和N3处理分别使氮归还量增加10.9%和32.6%,而N1处理对氮素归还量的影响不显著;凋落物各组分中,微量元素含量大小顺序表现为Fe>Mn>Zn>Cu。各处理林分凋落物中铜元素含量高低顺序为N3>N0>N1>N2;各处理林分凋落物中Zn元素含量高低顺序为N0>N3>N2>N1;各处理林分凋落物中Mn元素含量高低顺序为N1>N2>N3≈N0;各处理林分凋落物中Fe元素含量高低顺序为N1>N2>N3>N0。N1、N2处理对凋落物分解有不同程度的促进作用。N2处理对凋落物的分解的促进作用最大,N3处理表现出轻微的抑制作用。N0、N1、N2和N3的周转期分别为3.99、3.95、3.06和4.11a。四种氮沉降水平处理凋落物,在各分解阶段的碳素释放率有较大差异。在初始阶段,N1处理的碳释放率最小,碳素释放率仅为6.78%,是对照组的61.94%;在分解试验中期,N2、N3处理的凋落物碳释放率明显小于对照组;在试验的后期,N1、N2、N3处理的碳释放率分别为16.11%、19.73%、16.30%,都明显大于对照的12.60%的释放率。从总体看,不同氮沉降水平处理凋落物,其碳释放率的大小顺序为:N2>N0>N1>N3。

全文目录

摘要  8-13
Abstract  13-20
第一章前言  20-40
  1.1 氮沉降概念、国内外现状、研究概况及问题  20-22
  1.2 森林在全球陆地生态系统碳循环中的重要性  22-24
  1.3 本课题国内外研究进展  24-37
    1.3.1 全球氮沉降对森林碳库的影响及其机理研究  24-25
    1.3.2 氮沉降对土壤呼吸的影响及其机理研究  25-28
    1.3.3 氮沉降对土壤DOM 的影响及其机理研究  28-30
    1.3.4 氮沉降对林木生长的影响及其机理研究  30-36
    1.3.5 热带地区开展氮沉降研究的展望  36-37
  1.4 本研究的主要内容及意义  37-40
    1.4.1 本研究的主要内容  37
    1.4.2 本研究的意义  37-40
第二章试验地概况和研究方法  40-47
  2.1 试验地概况与样地设置  40-42
  2.2 模拟氮沉降的方法  42
  2.3 研究材料与方法  42-47
    2.3.1 林木生物量的测定方法  42-43
    2.3.2 凋落物的收集、处理及其分解试验方法  43
    2.3.3 土壤样品的采集与处理  43
    2.3.4 林下植被生物量的测定  43-44
    2.3.5 样品化学测定及分析方法  44-47
第三章氮沉降对杉木人工林碳库的影响  47-78
  3.1 氮沉降对杉木人工林乔木层碳库的影响  47-67
    3.1.1 对杉木人工林生长的影响  47-51
    3.1.2 对杉木人工林乔木层生物量的影响  51-55
    3.1.3 对杉木人工林乔木层林木各器官碳含量的影响  55-59
    3.1.4 对杉木人工林乔木层碳库的影响  59-67
  3.2 氮沉降对杉木人工林年凋落物量及其碳通量的影响  67-70
    3.2.1 对森林凋落物量及组成的影响  67-68
    3.2.2 对凋落物中的平均碳素含量和碳通量的影响  68-70
    3.2.3 小结  70
  3.3 氮沉降对杉木人工林林下植被碳库的影响  70-72
    3.3.1 对林下植被生物量的影响  71
    3.3.2 对林下植被碳的质量分数的影响  71
    3.3.3 对林下植被碳库的影响  71-72
  3.4 氮沉降对杉木人工林土壤碳库的影响  72-78
    3.4.1 森林土壤碳含量对氮沉降增加的响应  72-73
    3.4.2 氮沉降对森林土壤碳含量空间分布的影响  73-75
    3.4.3 氮沉降对森林土壤碳库的影响  75-76
    3.4.4 小结  76-78
第四章氮沉降对杉木人工林有关化学机理的影响  78-117
  4.1 氮沉降对杉木养分状态的影响  78-88
    4.1.1 各处理样地杉木针叶的营养状态的本底值  79-80
    4.1.2 氮沉降对针叶氮素含量的影响  80-81
    4.1.3 氮沉降对针叶磷含量的影响  81-82
    4.1.4 氮沉降对针叶钾含量的影响  82-83
    4.1.5 氮沉降对针叶镁含量的影响  83-84
    4.1.6 氮沉降对针叶微量元素含量的影响  84-85
    4.1.7 氮沉降对针叶中 N/P、N/K、N/Mg、C/N 比值的影响  85-88
  4.2 氮沉降对土壤理化性质和有效养分的影响  88-99
    4.2.1 氮沉降对土壤密度和 pH 值的影响  88-92
    4.2.2 对土壤氨态氮/硝态氮的影响  92-93
    4.2.3 对土壤速效磷的影响  93-95
    4.2.4 对土壤速效钾的影响  95-96
    4.2.5 对土壤交换性 Ca~(2+)的影响  96-98
    4.2.6 对土壤交换性Mg~(2+)的影响  98-99
    4.2.7 小结  99
  4.3 氮沉降对土壤酶活性的影响  99-104
    4.3.1 氮沉降增加对土壤纤维素活性的影响  100-102
    4.3.2 氮沉降对土壤过氧化氢酶活力的影响  102-103
    4.3.3 氮沉降对土壤脲酶活性的影响  103-104
  4.4 氮沉降对杉木人工林土壤呼吸速率的影响  104-107
    4.4.1 氮沉降对不同深度土壤层呼吸速率的影响  104-106
    4.4.2 土壤呼吸速率对氮沉降响应的空间特点  106
    4.4.3 土壤呼吸速率对氮沉降响应的时间动态  106
    4.4.4 森林土壤呼吸与土壤纤维素酶活性的关系  106-107
    4.4.5 结论  107
  4.5 氮沉降对森林凋落物化学成分及其分解过程的影响  107-117
    4.5.1 氮沉降对森林凋落物氮素含量及归还量的影响  107-112
    4.5.2 氮沉降对森林凋落物微量元素含量及其归还量的影响  112-114
    4.5.3 氮沉降对森林凋落物分解过程的影响  114-117
第五章结论和讨论  117-127
  5.1 氮沉降对森林生态系统碳库的影响  117-121
    5.1.1 氮沉降对森林乔木层活立木生物量及碳储量的影响  117-119
    5.1.2 氮沉降对杉木人工林凋落物碳通量的影响  119-120
    5.1.3 氮沉降对杉木人工林林下植被碳库的影响  120
    5.1.4 氮沉降对森林土壤碳库的影响  120-121
  5.2 氮沉降对森林化学生态过程的影响  121-127
    5.2.1 对森林土壤pH 值的影响  121
    5.2.2 对森林土壤有效养分含量的影响  121-122
    5.2.3 对林木营养状态的影响  122-123
    5.2.4 对森林土壤呼吸的影响  123
    5.2.5 对森林主要土壤酶活性的影响  123-125
    5.2.6 对凋落物化学组成及其分解过程的影响  125-127
参考文献  127-137
致谢  137

模拟氮沉降对杉木人工林碳库及其化学机理的影响

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