氮沉降对针叶凋落叶分解过程中土壤NO及CO2通量的影响

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工业发展、化石燃料燃烧、施肥及畜牧业发展等使大气中活性氮含量越来越高,活性氮通过干湿沉降降落到地表。氮沉降大量增加将改变森林土壤氮转化速度及通量。森林土壤硝化过程和反硝化过程都会产生一氧化氮(NO),氮素以NO形式流失在氮素收支平衡中起着重要作用。土壤NO排放量仅次于化石燃料燃烧。NO具有很强光化学活性,在大气中发生一系列光化学反应,尤其是在对流层臭氧和羟基自由基的光化学反应过程中发挥重要作用。土壤呼吸作为生物地球化学循环重要组成部分,是陆地生态系统碳循环关键过程,是土壤碳素释放最重要组成部分。不同气候区、不同植被类型,土壤呼吸作用对氮沉降响应不同。二氧化碳(CO2)能够吸收地表反射的长波辐射将热量截留在大气层中,因此C02又被称作温室气体,是全球变暖主要驱动力。本研究选取马尾松(Pinus massoniana)和杉木(Cunninghamia lanceolaata)两种南亚热带典型针叶树种凋落叶和土壤为研究对象进行室内模拟氮沉降实验。共设置两个氮水平:分别为不施加氮、施加60 kgNha-1 a-1硝酸铵;三种不同处理:纯土壤处理、马尾松凋落叶加土壤处理、杉木凋落叶加土壤处理;两个不同进气浓度处理:分别为不含NO的零空气、NO浓度为5 ppb的空气。在人工气候箱中恒温(30℃)、恒湿(最大持水量的60%)培养,采用动态暗箱法测定土壤NO通量,静态暗箱法测定土壤CO2通量。研究氮沉降增加条件下,土壤NO及CO2通量随不同凋落叶分解过程的变化,并探讨其影响因素,为进一步了解氮沉降对森林土壤NO、CO2排放影响和机理及其如何引起NO和CO2变化提供基础。结果表明:(1)外源加氮条件下土壤理化性质随凋落叶分解变化。随着凋落物分解,土壤硝态氮不断累积,纯土壤处理硝态氮大于添加凋落叶处理;土壤铵态氮随凋落物分解先减小后增加再减小,氮水平对铵态氮影响显著;土壤pH不断降低,且添加凋落叶土壤pH大于纯土壤处理。土壤有机质随凋落物分解变化不大,凋落叶处理显著影响土壤有机质。土壤pH与铵态氮具有极显著正相关关系,与土壤硝态氮呈极显著负相关,可能是由于土壤发生硝化作用,将铵态氮氧化为硝态氮,伴随H+产生。(2)外源加氮条件下土壤微生物生物量随凋落叶分解变化。在凋落物分解过程中,土壤微生物生物量碳(MBC)先下降后增加。凋落物分解初期,加氮纯土壤处理MBC含量大于未加氮处理,凋落叶分解后期则相反。这说明适量添加氮将提高土壤MBC含量,但当氮添加超过一定阈值时,土壤MBC含量迅速降低。不同处理间,纯土壤处理MBC含量低于有凋落叶处理。土壤MBC与pH呈显著正相关,与硝态氮呈显著负相关。土壤微生物生物量氮(MBN)整体呈上升趋势,不同氮水平和不同处理间差异极显著;MBN与pH、铵态氮呈极显著负相关,与硝态氮呈极显著正相关。土壤MBC/MBN整体呈下降趋势,不同氮水平和不同处理间差异极显著,MBC/MBN与pH、铵态氮呈极显著正相关,与硝态氮呈极显著负相关。(3)外源加氮条件下土壤NO通量随凋落叶分解变化。随着凋落叶分解进行,不同处理土壤NO通量均经历先快速增加,后快速减小,最后保持相对稳定的趋势。对于通入零空气未施加氮纯土壤处理、马尾松凋落叶加土壤处理、杉木凋落叶加土壤处理均在第62天达到峰值,其值分别为 83.56±4.28、42.75±0.83、47.10±14.06ng N m2 s-1,加氮处理后峰值提前到第27、40、40天,其释放速率分别为99.99±12.13、58.22±22.61、46.23±11.60ng N m-2s-1;对于通入 5ppb NO标气的三种不同处理,加氮同样导致峰值提前。在整个培养期间,纯土壤处理、马尾松凋落叶加土壤处理、杉木凋落叶加土壤处理NO通量平均值分别在 32.63~39.69、30.51~33.32、19.68~21.95 ng N m-2 s-1之间。三种不同处理中,杉木凋落叶加土壤处理年累积排放速率显著小于纯土壤及马尾松凋落叶加土壤处理,意味着杉木凋落叶为NO的汇。在酸性条件下,杉木凋落叶分解能够通过促进土壤反硝化作用将NO还原为N2O,从而有效减小NO产生。大气NO浓度、氮水平对土壤NO通量无显著影响。土壤NO通量与MBC/MBN呈极显著负相关,与NO/MBN呈极显著正相关。本实验出现硝态氮累积现象,表明土壤NO产生主要是通过硝化作用,而不是反硝化作用。(4)外源加氮条件下土壤CO2通量随凋落叶分解变化。凋落叶分解初期,土壤CO2通量较高、碳累积释放快,分解后期CO2通量趋于稳定,通过呼吸碳累积释放变慢。可能是由于凋落叶分解初期易降解碳源较多,微生物比较容易利用。此外,随着氮沉降进行土壤逐渐酸化,不利于微生物生长繁殖,因此土壤呼吸速率降低。加氮降低土壤CO2年累积排放速率(除通入5 ppb NO标气,纯土壤及马尾松凋落叶加土壤处理之外)。可能是因为该森林土壤N不是限制微生物生长的因素,氮沉降抑制微生物分解有机物,从而促进碳固定。土壤CO2通量与pH、有机质、MBC/MBN呈极显著正相关,与硝态氮呈极显著负相关。不同氮水平、不同凋落叶处理、不同大气NO浓度均对土壤CO2通量有极显著影响。
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