亚高山森林凋落物输入对土壤氮磷动态的影响

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hhxxff2009
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氮和磷是陆地生态系统中限制植物生长最重要的养分因子。作为森林生态系统土壤氮和磷的重要输入途径,植物凋落物可通过分解转化将养分迁移到土壤中,影响土壤氮磷动态及其有效性。一方面,凋落物是土壤氮磷的重要来源,可以直接增加土壤氮磷含量,贡献于土壤养分的积累和周转。另一方面,新鲜凋落物中易降解组分和有效养分的输入可以刺激土壤微生物生长繁育或提高酶活性,促进土壤中已有氮磷的矿化。更为重要的是,天然森林生态系统中凋落物的生产往往具有明显的节律性,不同季节不同森林中凋落物质和量均具有明显的差异,作用于土壤氮磷动态的过程也可能不同。同时,季节性冻融是高山亚高山区域影响凋落物分解和土壤生态过程最为重要的气候环境因子,使得高寒森林凋落物和土壤氮磷养分的关系更加复杂。因此,依托研究团队前期基础,以川西亚高山典型针叶林、阔叶林和混交林为研究对象,采用野外原位培养法,结合季节性冻融不同关键时期的温湿度变化,在2017-2019年研究了凋落物节律性输入对土壤氮磷含量、氮磷矿化速率以及氮磷化学计量比等的作用规律。结果表明:(1)凋落物输入显著增加了土壤可溶性有机氮、微生物生物量氮、铵态氮、硝态氮和总无机氮含量,而对土壤全氮和总有机氮含量无显著性影响。不同活性氮组分显著增加的时期集中在冬季和生长季前期,且土壤可溶性有机氮含量仅在凋落物累积输入时差异显著。同时,在凋落物节律性输入2年过程中,土壤不同氮组分含量并没有随着培养时间的增加而递增,反而呈现出明显的季节动态。此外,尽管不同氮组分与环境因子的关系具有明显差异,但土壤冻融循环次数、土壤平均温度、凋落物碳氮比、凋落物氮含量、土壤含水量和凋落物产量是影响土壤氮含量总体变化的显著因子,且对其变化的解释率依次降低。(2)凋落物输入对不同森林土壤氮矿化的影响存在显著差异。总体上,凋落物输入显著增加3种森林类型土壤净氨化、净硝化和净氮矿化速率,且主要是在冬季和生长季前期,但第一年冬季,阔叶林土壤净氮矿化速率在凋落物输入处理时显著降低。同时,在凋落物节律性输入2年过程中,土壤净氨化速率随着培养时间的增加而增加,但土壤净硝化速率和净氮矿化速率在不同培养时间差别较大。此外,凋落物产量、凋落物全氮含量、土壤平均温度、土壤冻融循环次数和土壤含水量直接或间接作用于土壤净氮矿化速率,表明凋落物输入数量和质量以及土壤环境因子综合调控着土壤氮转化过程。(3)凋落物累积输入对土壤全磷、总有机磷和有效磷含量无显著性影响,但在生长季节,针叶林土壤总无机磷含量和混交林土壤可溶性有机磷含量显著降低,而在冬季,针叶林土壤微生物生物量磷含量和混交林土壤可溶性有机磷含量显著增加;不同关键时期凋落输入对土壤磷含量均无显著性影响。同时,在凋落物节律性输入2年过程中,土壤不同磷组分含量并没有随着培养时间的增加而递增,而是在不同培养时间波动变化。此外,尽管不同磷组分与环境因子的关系具有明显差异,但凋落物碳磷比、土壤冻融循环次数、凋落物磷含量、凋落物产量和凋落物磷素归还量是影响土壤磷含量总体变化的显著因子,且对其变化的解释率依次降低。(4)凋落物累积输入显著提高了阔叶林土壤总磷矿化速率,对针叶林和混交林土壤总磷矿化速率无显著性影响,且3种森林类型土壤总磷矿化速率在不同关键时期凋落物输入时均无显著变化。同时,在凋落物节律性输入2年过程中,3种森林类型土壤总磷矿化速率随着培养时间的增加总体呈下降的趋势,培养前期表现为土壤总有机磷含量的减少,而培养后期表现为土壤总有机磷含量的累积。此外,凋落物产量、凋落物全磷含量、土壤平均温度、土壤冻融循环次数和土壤含水量直接或间接作用于土壤总磷矿化速率,这表明凋落物输入数量和质量以及土壤环境因子综合调控着土壤磷转化过程。(5)凋落物累积输入对土壤全氮/全磷和总有机氮/总有机磷的比值无显著性影响,但却显著增加了混交林土壤可溶性有机氮/可溶性有机磷、针叶林和混交林土壤微生物生物量氮/微生物生物量磷以及针叶林土壤总无机氮/有效磷的比值;不同关键时期凋落物输入对三种森林类型土壤氮磷化学计量比均无显著性影响。此外,尽管不同氮磷组分化学计量比与环境因子的关系具有明显差异,但土壤平均温度、凋落物氮磷比、凋落物碳氮比、凋落物碳磷比、凋落物氮含量、土壤冻融循环次数、凋落物磷含量、凋落物产量、凋落物氮素归还量、凋落物磷素归还量和土壤含水量是影响亚高山森林土壤氮磷化学计量比总体变化的显著因子,且对其变化的解释率依次降低。综上所述,尽管两年的研究过程中,亚高山森林凋落物节律性输入对土壤全氮全磷含量及其比例并没有显著影响,但凋落物输入可通过增加土壤可溶性有机氮和微生物生物生物量氮含量,促进土壤氮矿化,提高土壤无机氮含量,尤其是在冬季和生长季前期。尽管凋落物输入也促进土壤磷矿化,但仅针叶林土壤微生物生物量磷含量和混交林土壤可溶性有机磷含量显著增加,三种森林类型土壤有效磷含量并没有发生明显变化,这可能与矿化出的无机磷被土壤迅速吸附和植物吸收利用有关。同时,凋落物长期输入也更有利于提高土壤有效氮素的相对比例,从而缓解亚高山森林植物生长对氮素的限制,尤其是在针叶林和混交林中。此外,土壤温度和冻融循环等环境因子显著调控了凋落物输入与土壤氮磷动态的关系,表明气候变暖驱动的土壤温度和冻融循环格局变化将深刻影响亚高山森林土壤氮磷循环。这些结果揭示了亚高山森林地上凋落物输入对土壤氮磷变化的作用规律,为深入认识亚高山森林生态系统氮磷养分循环提供了一定科学依据。
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