长白山苔原凋落物变化对土壤有机碳矿化及组分影响的室内模拟研究

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长白山苔原带是我国最为典型的苔原景观,苔原土壤碳储量大,在调节全球碳平衡中有着重要作用。近年来,随着长白山苔原带气温升高、氮沉降增加,以小叶章(Deyeuxia angustifolia)为代表的来自低海拔的草本植物不断上侵,牛皮杜鹃(Rhododendron aureum)等优势度下降,这促使长白山灌木苔原向灌草苔原变化,改变了输入土壤碳库的凋落物种类和数量。凋落物组成的变化将进一步影响苔原土壤碳库的稳定性。因此,本研究采用室内培养实验,选取苔原带土壤,分别添加不同灌草比(牛皮杜鹃与小叶章)的凋落物,对比培养期间不同凋落物组成下的土壤有机碳矿化、土壤养分、土壤有机碳(SOC)及各土壤有机碳组分,探讨草本植物上侵下凋落物的变化对苔原土壤有机碳库稳定性的影响,主要结论如下:1.不同凋落物组成对土壤有机碳的输入与输出有着显著影响。随着草本凋落物比例的增加,土壤碳输入由单一灌木凋落物向灌草混合凋落物(高、中、低),再到单一草本凋落物变化,其向土壤中输入的碳含量逐渐减少。当单一灌木凋落物变为灌草混合凋落物时,土壤有机碳矿化速率、累积矿化量及土壤速效氮(AN)、速效磷(AP)显著增加,在低灌草比下最大,但当灌草混合凋落物变为单一草本凋落物时则分别减少;且五种凋落物组成下的土壤有机碳矿化均集中在培养前期,在第5 d土壤有机碳矿化速率显著升高并达峰值,随着培养时间的进行,矿化速率缓慢下降并逐步趋于稳定。培养结束时,中低灌草比及单一草本凋落物下的土壤有机碳矿化量与对照处理下矿化量的差值大于其培养前所添加的碳量,说明草本凋落物的输入对土壤原有有机碳有一定的激发作用。2.不同凋落物组成对土壤有机碳库及养分周转有着显著影响。培养过程中当单一灌木凋落物向灌草混合凋落物变化时,其对应的SOC含量、土壤碳氮比(C/N)均显著减少,SOC变化量增加,当灌草混合凋落物变为单一草本凋落物时,对应的SOC含量、土壤C/N继续减少,SOC变化量也在减少;土壤全氮(TN)全磷(TP)含量在培养前期随着草本凋落物比例的增加而显著增加,在培养后期随着草本凋落物比例的增加而减少。3.不同凋落物组成对土壤有机碳稳定性有着显著影响。随着草本凋落物比例的增加,土壤活性有机碳组分所占比重及含量显著增加,而培养后期,在灌草混合凋落物变为单一草本凋落物时活性有机碳含量减少;土壤惰性有机碳组分含量及比例在单一灌木凋落物变为灌草混合凋落物时减少,在低灌草比下最小,但在灌草混合凋落物变为单一草本凋落物时则增加,并且在培养后期灌草混合凋落物下土壤惰性有机碳含量低于对照土壤,说明草本增加后形成的混合凋落物在一定程度上提高了土壤有机碳库的活性。4.凋落物的化学性质显著影响了土壤有机碳矿化及有机碳库的稳定性。随着草本凋落物比例的增加,凋落物氮(N)含量显著增加,碳(C)、木质素含量、C/N及木质素/N显著减小,虽然降低了SOC与惰性有机碳的含量,但增加了土壤有机碳的矿化速率与活性有机碳含量,土壤有机碳库的不稳定性增加;其中,木质素含量、C/N及木质素/N的下降显著促进了土壤有机碳矿化和活性有机碳含量,降低了土壤惰性有机碳含量;除此之外,土壤惰性有机碳含量的下降还与凋落物C含量的下降,N含量的上升显著相关。综上,小叶章上侵后,变单一灌木凋落物为灌草混合凋落物,促进了土壤有机碳矿化及碳库的活性,加快了长白山苔原土壤有机碳的周转速率,土壤有机碳库变得不稳定;但当草本凋落物取代灌草混合凋落物时,土壤微生物活动受到限制,土壤有机碳矿化速率及碳库活性开始下降,土壤有机碳库变得相对稳定。
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