【摘 要】
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大气氮(N)沉降和土壤磷(P)限制是我国红壤丘陵区最主要的环境问题,N、P添加对杉木(Cunninghamia lanceolata)林生态过程及生产力的影响一直备受关注。微量元素虽然在植物体内含量较少,但对生态系统的结构和功能起着至关重要的作用,目前,微量元素对杉木生长和生产力的影响尚不清晰,杉木微量元素内循环对亚热带红壤丘陵区大气N沉降及土壤P限制的响应程度和机制也不明确。本研究依托中国科学院
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大气氮(N)沉降和土壤磷(P)限制是我国红壤丘陵区最主要的环境问题,N、P添加对杉木(Cunninghamia lanceolata)林生态过程及生产力的影响一直备受关注。微量元素虽然在植物体内含量较少,但对生态系统的结构和功能起着至关重要的作用,目前,微量元素对杉木生长和生产力的影响尚不清晰,杉木微量元素内循环对亚热带红壤丘陵区大气N沉降及土壤P限制的响应程度和机制也不明确。本研究依托中国科学院千烟洲试验站2011年设立的杉木人工林施肥野外试验平台,开展N1(50 kg N·hm-2·a-1)、N2(100 kg N·hm-2·a-1)、P(+50 kg P·hm-2·a-1)、N1+P(50 kg N·hm-2·a-1+50 kg P·hm-2·a-1)、N2+P(100 kg N·hm-2·a-1+50 kg P·hm-2·a-1)和CK(对照)共6种处理5次重复完全随机化区组试验。于2016年生长季和非生长季,采取土壤(根际和非根际)、根系(1-2级根、3-5级根)、新鲜枝条(1、2级枝)、新鲜叶片(1、2级叶)、凋落物(1、2级凋落枝、叶),测定其微量元素(Fe、Mn、Cu、Zn)含量,重点研究N、P添加对微量元素内循环过程各个环节的影响。研究结果在于探究N、P添加对杉木林微量元素内循环的影响及其机制,尝试揭示微量元素对杉木林生产力及稳定性的潜在调控机制,为微量元素生物地球化学循环理论发展、亚热带红壤丘陵区应对大气N沉降和减缓P限制提供科学依据。主要结果如下:(1)N、P添加对土壤微量元素有效性及根际效应的影响各异。N添加抑制了土壤Mn有效性;高N添加促进了非根际土Fe有效性、Mn根际效应,并抑制Fe根际效应;P添加提高土壤Mn有效性,抑制了Fe的根际效应;土壤Cu、Zn有效性及根际效应对N、P添加不敏感。(2)N、P添加对不同季节根系微量元素的影响各异。1-2级根中Mn、Zn在生长季中更易积累,各级根系中Fe、Cu在非生长季中更易积累。N添加阻碍了生长季中根系对Zn的吸收和运输,且相比3-5级根来说,1-2级根中Zn含量对N添加更敏感;P添加抑制了生长季1-2级对Fe的吸收;高N与P共同添加促进非生长季1-2级根对Fe的吸收,以及非生长季根系对Zn的吸收和运输。(3)N、P添加对不同季节枝条微量元素的影响各异。1级枝中Zn在生长季中更易积累,1级枝中Mn在非生长季中更易积累。低N添加阻碍生长季Fe、Cu、Zn向1级枝的迁移,以及生长季Mn向各级枝的迁移;P添加阻碍生长季Zn向各级枝的迁移;N、P单独和共同添加均阻碍非生长季Mn向各级枝迁移。(4)N、P添加对不同季节叶片微量元素的影响各异。2级叶中Fe、Mn、Cu、Zn在生长季中更易积累。P添加促进生长季Fe向2级叶的迁移,但阻碍Zn向各级叶迁移;高N与P共同添加促进非生长季Fe向各级叶迁移;叶片Mn、Cu对N、P添加不敏感。(5)N、P添加对枝叶微量元素回收效率和回收度的影响各异。枝条Mn、Zn回收效率比回收度对N、P添加的响应更敏感,而Fe、Cu回收度比回收效率更敏感。叶片Fe、Zn回收效率比回收度对N、P添加的响应更敏感,Cu回收度比回收效率更敏感,而叶片Mn回收效率和回收度对N、P添加响应格局相似。(6)不同微量元素内循环过程中耦合关系各异。Mn内循环过程土壤、根、枝、叶呈良好的内在关联,但Fe、Cu、Zn在不同源库中响应有别。杉木不同器官及组织中微量元素之间相关性各异,土壤、1-2级根、2级凋落枝中Fe和Zn之间有正向耦合效应;根际土、2级枝、2级凋落枝中Mn与Cu之间有正向耦合效应,2级叶中Mn和Cu之间有拮抗效应;1级枝中Fe与其他微量元素之间有正向耦合效应,Mn与Zn之间有拮抗效应。综上所述,N、P添加对土壤供给、根系吸收、枝叶分配、枝叶回收微量元素等内循环过程中各环节的影响程度是不同的,杉木林微量元素内循环既受外界供给的控制,又具自我调控的能力,应对大气N沉降和减缓土壤P限制背景下,微量元素对亚热带杉木林生产力及稳定性的潜在作用及其机制还有待深入研究。
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