阔叶红松林土壤氮流失及其关键过程研究

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氮素是森林生态系统主要限制因子,而森林土壤氮流失是一个普遍现象,即使在氮限制的生态系统中,植物和微生物也无法完全阻止氮的流失。大气氮沉降增加和降水减少等全球环境变化势必影响森林土壤氮循环过程,从而影响土壤氮流失,量化土壤氮流失对于评估森林生态系统氮状态及氮平衡有重要意义。本研究以长白山阔叶红松林控水施氮样地和杨桦林不同施氮水平样地为研究对象,通过野外观测土壤N2O排放和淋溶氮流失,估算土壤氮流失量及其比例组成,并采集对照和施氮处理土壤,利用15N同位素示踪技术开展氮淋溶流失模拟实验,确定添加氮去向和淋溶流失氮来源,利用15N同位素稀释技术,结合全过程氮转化模型(Müller et al.2007,2014),进行土壤氮转化模拟实验,确定土壤氮初级转化速率。主要结论如下:  1)阔叶红松林和杨桦林土壤N2O年排放量分别为1.25±0.22kg N2O-N ha-1a-1和0.79±0.07kg N2O-N ha-1a-1;阔叶红松林土壤50kgN ha-1a-1的氮添加使N2O年排放量增加了1.4倍,减少30%降水使土壤N2O年排放量降低了12.9%,然而氮添加和减少降水相结合趋向于促进土壤N2O排放,并且促进作用比单独施氮处理更强,这可能是由于减少降水降低了土壤氮淋溶流失,导致更多的土壤氮通过N2O形式释放;杨桦林土壤N2O排放随施氮水平升高而增加。  2)阔叶红松林和杨桦林土壤氮淋溶流失量分别为4.95±0.40kg N ha-1a-1和3.48±0.62kg N ha-1a-1;阔叶红松林土壤有机氮淋溶流失比例高48%,施氮处理显著促进了土壤氮淋溶流失,降低了有机氮的淋溶比例,减少降水降低了土壤氮淋溶流失,但基本不影响淋溶氮中各组分比例。杨桦林土壤氮淋溶流失量随施氮水平增加而升高,有机氮淋溶流失比例为45%,这一比例随施氮水平增加而降低。总之,持续大气氮沉降增加将会促进土壤氮淋溶流失,尤其促进无机氮淋溶,而降水的减少会降低土壤氮淋溶,但基本不影响淋溶氮中无机氮和有机氮比例。  3)添加氮进入土壤后,大部分硝态氮都被淋溶流失,但流失比例随培养时间延长而降低,两种林型土壤硝态氮七天平均淋溶流失比例基本一致,在70%左右,铵态氮淋溶量较低,但淋溶流失比例随着培养时间延长而增加,阔叶红松林土壤铵态氮七天平均淋溶流失比例(9.48%)显著低于杨桦林(22.19%);阔叶红松林土壤淋溶液中的铵态氮只有大约10%来自于添加氮,而杨桦林这一比例接近60%;两种林型淋溶液中的硝态氮来自添加氮的比例较为接近,在35%左右。  4)两种林型长期施氮处理促进了土壤初级氮矿化速率和自养硝化速率,而降低了硝态氮异化还原速率(DNRA);杨桦林土壤氮初级矿化速率和铵态氮同化速率都显著高于阔叶红松林;杨桦林土壤N2O排放速率高于阔叶红松林,这与野外观测结果不一致,可能与凋落物层N2O排放有关,需要进一步实验验证。
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