柳杉人工林皆伐后土壤呼吸和土壤有机碳对模拟氮沉降的响应

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全球变暖(特别是CO2浓度的升高)和氮沉降的增加诱发了一系列直接威胁到人类生存和发展的重大环境问题,成为了各国政府和科学家最为关注的全球性重大生态和环境科学问题。中国已成为世界第二大温室气体排放国,如果不能有效地解决《京都议定书》(Kyoto Protocol)中有关碳减排与增汇的科技问题,在未来的全球环境谈判中可能陷入很被动的局面。中国作为世界上人工林面积最大的国家,不仅对改善我国的生态环境状况起到重要作用,而且对固定大气中的CO2也发挥了积极作用。而人工林的碳汇作用被认为是减缓全球气候变化的一种可能机制和最有希望的选择之一,因而成为全球变化减缓研究的核心内容。因此,本文通过研究模拟氮沉降下华西雨屏区柳杉人工林在皆伐后土壤呼吸及土壤有机碳的变化特征,旨在为人工林碳汇功能研究提供基础数据,为人工林经营管理提供理论依据。研究结果表明:(1)柳杉人工林在皆伐后一年内,春、夏、秋、冬土壤有机碳储量差异不显著,分别为187.2±6.8tC/hm2、193.3±7.4 tC/hm2、177.4±8.6 tC/hm2和183.6±5.8 tC/hm2,与对照(CK1)也差异不显著;但皆伐一年内土壤总平均有机碳储量为185.4±6.6 tC/hm2,比对照减少了20.97 tC/hm2,差异显著(p<0.05);皆伐对柳杉人工林土壤有机碳储量的影响主要表现在0-20cm土层,与对照相比该土层有机碳储量差异显著(p<0.05),对20cm以下土层的有机碳储量影响并不明显。总体来看,皆伐导致柳杉人工林在经营初期土壤有机碳储量减少。(2)柳杉人工林在皆伐后一年内,四季土壤呼吸日变化均呈单峰曲线,最高值出现在正午12:00-14:00,最低值出现在早上8:00或傍晚18:00,且四季的土壤呼吸速率日变化值总体均大于对照(CK1)。单因素模型对皆伐林地(CK2)和对照(CK1)的土壤呼吸拟合表明,5cm土壤温度解释了皆伐林地和对照土壤呼吸速率四季变化的72%~86.6%;但土壤含水量与皆伐林地和对照四季土壤呼吸速率均无显著相关性。可见,皆伐促进了柳杉人工林土壤呼吸,且5cm土壤温度成为影响该区域柳杉人工林皆伐林地土壤呼吸速率的主导性因子。(3)不同水平氮沉降处理下(LN、MN、HN),柳杉人工林在皆伐后一年内土壤总平均有机碳储量差异显著(P<0.05),并随氮沉降水平的升高而逐渐降低。其中,LN:147.0±9.46 tC/hm2、MN:135.9±4.16 tC/hm2、HN:121.6±8.69 tC/hm2,分别比未施氮的皆伐林地(CK2)减少38.4 tC/hm2、49.5 tC/hm2和63.8 tC/hm2,且LN、MN和HN与CK2土壤总平均有机碳储量差异显著(P<0.05)。柳杉人工林皆伐林地四季土壤有机碳储量对三种水平氮沉降的响应表现为:LN处理的皆伐林地从春季到夏季逐渐降至最低,在秋季达到最高,在冬季降低到接近于施氮初期(春季)的水平;MN和HN处理的皆伐林地都在春季降低,随时间的推移,在夏季升高,在秋季转入冬季时重复由春至夏的变化。总体来看,氮沉降使柳杉人工林在皆伐后一年内出现了土壤碳库“损失”,而且在接受中高浓度的外援氮输入时出现了释放一富集的循环响应。(4)不同水平氮沉降处理下(LN、MN、HN),柳杉人工林在皆伐后一年内四季土壤呼吸日变化均呈单峰曲线,最高值出现在中午12:00-14:00,最低值出现在早上8:00或傍晚18:00。单因素模型对不同氮处理的皆伐林地土壤呼吸拟合表明,5cm土壤温度解释了CK2、LN、MN和HN一年内土壤呼吸速率季节变化的66%~90.4%,但土壤含水量与CK2、LN、MN和HN的四季土壤呼吸速率均无显著相关性。柳杉人工林皆伐林地土壤呼吸对三种水平氮沉降的响应表现为:氮沉降处理3-5个月后(春季)只有无机氮浓度≥100 Kg N/hm2·a的氮输入才能逐渐促进土壤呼吸,而LN输入在该阶段对土壤呼吸无明显影响:氮沉降处理6-8个月(夏季)至9个月(秋季)无机氮浓度≥50 Kg N/hm2·a的氮输入开始出现抑制土壤CO2排放的趋势,使土壤CO2排放接近于CK2的水平;经氮沉降处理11个月后(冬季)各样地土壤呼吸速率达到最低,且都低于CK2,对三种水平的氮输入均表现出减少土壤CO2排放的响应。总体来看,皆伐林地土壤呼吸对一年的氮沉降响应表为由初期促进土壤CO2的排放,到中期逐渐抑制土壤呼吸速率,最后降低土壤CO2排放。
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