【摘 要】
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土壤活性有机碳氮作为土壤肥力的重要指标,被认为是森林碳氮养分循环的关键组成部分,其对于调节生物地球化学过程和土壤微环境等方面具有相当大的潜力。城市化进程深刻影响着城市或城市附近的森林生态系统,其改变了森林生态系统的再生能力和土壤质量,并对于高度不稳定的土壤活性碳氮具有重要影响。近年来,城市负荷带来的高氮沉降现象对于环境干扰极为严重,目前尚不清楚氮沉降对城市森林土壤活性碳氮储量的净效应。从城市中心向
【基金项目】
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国家自然科学基金(31700631); 安徽省自然科学基金(1808085MC90);
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土壤活性有机碳氮作为土壤肥力的重要指标,被认为是森林碳氮养分循环的关键组成部分,其对于调节生物地球化学过程和土壤微环境等方面具有相当大的潜力。城市化进程深刻影响着城市或城市附近的森林生态系统,其改变了森林生态系统的再生能力和土壤质量,并对于高度不稳定的土壤活性碳氮具有重要影响。近年来,城市负荷带来的高氮沉降现象对于环境干扰极为严重,目前尚不清楚氮沉降对城市森林土壤活性碳氮储量的净效应。从城市中心向外的环境梯度方法在生态学领域上已成为一个完善的研究范式,然而由于现阶段仍缺少关于城-乡梯度森林土壤碳氮特征的模拟氮沉降操纵性实验,因此沿城-乡环境梯度进行森林土壤活性碳氮的研究显得尤为迫切。为了探讨城-乡环境梯度下氮沉降对森林土壤活性碳氮的影响,我们以合肥市(31°52′N,117°17′E)为研究中心,沿城市中心向外线性辐射建立典型的城-乡梯度森林,并进行了不同氮沉降水平(0,50和100 kg N·ha-1·yr-1)的田间试验。同时测定了氮添加下土壤温度和土壤含水率、土壤理化性质指标和微生物群落特性指标,以探究这些关键土壤环境因子如何控制城-乡森林土壤活性碳氮对氮沉降的响应机制。研究结果如下:(1)城-乡森林土壤溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机氮(DON)总体上表现出城市热点的空间分布模式。城-乡森林土壤DOC和DON表现出显著的季节性变化特征,在城市森林和郊区森林中夏季观察到的DOC和DON含量明显高于冬季和春季。而乡村森林土壤DOC和DON含量冬季高于夏季。垂直分布特征上,城-乡森林中的土壤DOC和DON含量均具有随着土层加深而逐渐降低趋势。模拟氮沉降处理对城市森林和郊区森林的土壤DOC和DON含量主要表现为抑制作用,而对乡村森林的土壤DOC和DON含量起显著的促进作用。(2)空间分布上,城市森林的土壤微生物量碳(MBC)最高而郊区森林最低。土壤微生物量氮(MBN)含量在非城市影响区下的乡村森林高于城市和郊区森林。土壤中的MBC和MBN在季节性动态变化上主要表现为夏季高于冬季。城-乡森林的土壤MBC和MBN含量也具有随着土壤深度的增加而逐渐降低的垂直分布模式。我们观测到土壤MBC/MBN在城-乡梯度上呈逐渐下降趋势。模拟氮沉降下,城市森林和乡村森林土壤MBC和MBN含量均呈上升趋势,而在郊区森林中土壤MBC和MBN含量总体呈现下降趋势。(3)城-乡森林中的土壤温度表现出随城市距离的增加而降低的趋势。模拟氮沉降下土壤温度和土壤含水率与土壤活性碳氮具有较强的相关关系,是影响城-乡森林土壤活性碳氮的重要因素。(4)城-乡森林中不同区位、月份和土层条件对土壤各项理化性质指标均具有显著影响。模拟氮沉降总体上增加了城市森林和乡村森林中的土壤总溶解性氮(TDN)、全氮(TN)、全碳(TC)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3–-N)含量,而降低了郊区森林中的NO3–-N含量。氮沉降下许多土壤理化性质指标与土壤活性碳氮呈现出显著的相关关系,并且这些土壤理化性质指标在区位、月份和土层上的动态变化与土壤活性碳氮的分布具有一致性。(5)除城市森林中的Simpson指数(D)和Mc Intosh指数(U)以及郊区森林中土壤微生物对多酚类和多胺类碳源代谢类型外,模拟氮沉降对城-乡森林中土壤微生物群落活性AWCD值、Shannon指数(H)、Simpson指数和Mc Intosh指数以及碳源利用类型指标的影响均不显著。总的来说,区位和月份对城-乡森林土壤微生物群落指标的影响显著强于氮添加处理对于土壤微生物群落指标的影响。土壤微生物群落指标与土壤MBC和MBN的相关关系优于与土壤DOC和DON的相关关系。
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