【摘 要】
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草地生态系统是陆地生态系统重要组成部分,在碳(C)和氮(N)循环过程中起着重要作用。我国三峡地区次生草地由于气候变化和人类活动(森林砍伐)极大地影响了其生态系统功能,从而改变了短期土壤有机质(soil organic matter,SOM)的周转和氮的转化,以及长期的碳和氮的固存。同时,土壤CN动态和酶活性密切相关,并且受气候、生物和土壤条件等多因子的影响。但是在三峡地区次生草地,对SOM组分、N
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院武汉植物园)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院武汉植物园)
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草地生态系统是陆地生态系统重要组成部分,在碳(C)和氮(N)循环过程中起着重要作用。我国三峡地区次生草地由于气候变化和人类活动(森林砍伐)极大地影响了其生态系统功能,从而改变了短期土壤有机质(soil organic matter,SOM)的周转和氮的转化,以及长期的碳和氮的固存。同时,土壤CN动态和酶活性密切相关,并且受气候、生物和土壤条件等多因子的影响。但是在三峡地区次生草地,对SOM组分、N转化和酶活性及其驱动因素(降雨量、温度、植被和土壤性质)的关注则较少。我们的研究选取重庆市和湖北省20个典型的次生草地群落为研究对象,调查了三峡地区不同气候条件下土壤C和N的含量及其同位素值(δ13C和δ15N)与C3和C4植物功能群的关系。同时探究了土壤N的转化速率,包括潜在的氮矿化(potential N mineralization rate,PMR)、硝化(potential N nitrification rate,PNR)、氨化(potential N ammonification rate,PAR)和反硝化(potential N denitrification rate,PDR)速率及相关影响因素(气候,植被输入和土壤特性)。此外,还研究和分析了土壤酶活性,包括β-1、4-纤维二糖水解酶(CB)、β-1、4-葡萄糖苷酶(BG)、β-1、4-N-乙酰基-β-氨基葡萄糖苷酶(NAG),L-亮氨酸氨基肽酶(LAP)和磷酸酶(AP)以及土壤酶化学计量特征与相关驱动因子。主要结果如下:1)三峡地区次生草地土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量沿降水梯度先下降,然后增加,这主要是由于降水量较低地区的C4植物碳输入增加。相反,在较高降水量地区,土壤有机氮(soil organic nitrogen,SON)含量随C3植物氮输入的增加而增加。易变C和N(labile C and N)含量随降水增加而增加,而惰性C和N(recalcitrant C and N)含量则不随降水变化。易变C和N分别与植物的C和N含量以及年平均降水量相关。易变C和N的增加与受降水影响的植物C和N的输入增加密切相关,这表明与惰性C,N库相比,易变C,N库对不同功能群落植物输入和降水的敏感性更高。此外,惰性碳的δ13C值随降水量下降,而易变和惰性N的δ15N值随降水量增加而增加,进一步表明土壤易变和惰性C和N库与C3和C4植物功能群沿降雨梯度的变化密切相关。总体而言,研究结果表明,在预测土壤碳氮动态过程中,应在在不同降水梯度以及不同植物功能群条件下,同时考虑土壤碳氮的易变和惰性组分。2)土壤NH4+-N浓度与SOC和微生物量碳和氮呈正相关关系,这可能是由于凋落物输入的变化所致。土壤PNR和PDR随pH的升高而显著增加,而PMR和PAR随pH升高而降低。PMR与降水量呈显著正相关,而与温度呈负相关关系。结构方程模型进一步表明,土壤NH4+-N和pH是PMR,PNR和PAR的主要影响因子。我们的结果表明土壤NO3--N可利用性是PDR最主要影响因子,可解释PDR变化的43%,其次是土壤pH值(33%)和植物N输入(26%)。此外,我们的结果进一步表明,土壤氮动态直接受到土壤pH值、土壤氮有效性和植物氮输入的影响,同时受气候因子的影响。总体而言,结果表明土壤pH值、无机氮浓度以及底物质量和数量是影响区域尺度上的氮转化速率的重要因素。3)在整个研究区域内土壤酶活性较高,这可能是由于表土层中大量易利用的底物输入所致。除AP以外的所有酶活性和特定活性(g-1 SOC活性)均与土壤pH值显着相关。土壤AP,NAG和LAP活性与SON呈正相关关系,而BG活性与惰性C呈负相关关系,与总磷和微生物量C呈正相关关系。土壤LAP和AP活性与惰性C和N呈正相关关系,表明微生物能够增加酶的生产,进而分配到受限制资源的获取以及最大化C利用效率上。土壤的CB,BG和NAG活性与MAT呈负相关关系,而LAP活性与MAT呈正相关关系。相反,所有酶活性均与MAP无关。土壤酶的化学量特征与微生物生物量C和N,MAP呈正相关,与土壤C:N比率、MAT和土壤pH呈负相关。总体而言,我们的结果表明,在三峡地区次生草地,底物的质量和数量、土壤pH值和MAT是影响土壤酶活性和化学计量特征最重要的因素。总之,我们的研究表明气候,土壤性质和植被输入是影响土壤碳氮动态的重要因素。
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