氮磷及其交互作用对南亚热带森林土壤CH4和N2O通量的影响
近几十年来,人类活动向大气中排放的含氮化合物激增,并引起大气氮沉降也成比例增加.前期的研究表明大气氮沉降对森林土壤主要温室气体(CO2、CH4和N2O)通量已经产生了影响.相比大多数温带森林,很多高度风化的热带森林生态系统的初级生产力受到磷(P)限制而不是氮(N)限制,持续加剧的氮沉降会不断提高森林土壤的氮磷比(N∶P)更进一步的加剧P的限制作用.多数施P相关的研究都是农业生态系统中开展,而在森林生态系统尤其是热带森林中还很少有相关的研究报道.研究施氮磷对南亚热带森林土壤CH4和N2O通量的影响将对未来应对氮沉降对生态系统的影响具有重要意义.
本研究以南亚热带(鼎湖山自然保护区)季风常绿阔叶林(成熟林)、马尾松针叶和阔叶混交林(混交林)和马尾松林为研究对象,用静态箱-气相色谱法对3种森林类型土壤CH4和N2O通量进行了近3年的定位观测,较系统地研究了土壤CH4和N2O通量对施氮磷的响应规律及机理.2006年11月在鼎湖山3种典型森林(成熟林、混交林和马尾松林)中建立氮磷添加样地.每个林型设置随机分布的20个样方(Plot),各样方面积5m*5m,样方之间留有5m宽的间隔地带,以防止不同样方处理之间相互干扰.本实验氮磷处理4个处理,分别为对照C(Control)、加氮处理N(N-addition)、加磷处理P(P-addition)和氮磷处理NP(NP-addition),分别按0kgNha-1yr-1、150kgNha-1yr-1、150kgPha-1yr-1和150kgNha-1yr-1加150kgPha-1yr-1进行人工氮磷添加处理,每个处理5个重复.
通过从2007年1月至2009年10月的观测研究.主要结果如下:
1、鼎湖山成熟林、混交林和马尾松林土壤是CH4的有效汇,成熟林作为CH4汇的功能最强,混交林其次,马尾松林最弱.三种林型的土壤CH4吸收都具有明显的季节变化规律,在夏季和秋季高,在冬季较低.三种林型中,土壤CH4的通量都与土壤WFPS有显著的负线性相关关系,而和温度相关性不明显.
经过33个月的施肥处理,成熟林中施P样方中的总平均土壤CH4吸收比对照样方高24.4%;而在施N样方中比对照样方低了24.4%;施NP样方中比对照样方高7.7%.成熟林中施P显著增加了土壤对大气CH4的吸收而施N显著降低了CH4的吸收,同时,施NP增加了土壤CH4吸收但是统计差异不显著,也就是说施P缓解了施N对CH4吸收的抑制作用.在混交林中,在施N、P和NP样方中CH4总平均吸收速率分别比对照样方低了39.7%,27.7%和37.6%,差异统计均显著,显示了混交林土壤对于高浓度外源物质的敏感性,氮磷交互作用表现为P对N效应的拮抗作用.在马尾松林中,在施N、P和NP样方中土壤CH4总平均吸收速率分别比对照样方低11.6%,高15.6%和低27.1%,只有施NP显著降低了土壤CH4吸收,氮磷交互作用表现为P对N效应的协同作用.
2、成熟林、混交林和马尾松林土壤都是N2O的源,成熟林对照样方的土壤N2O排放显著的高于混交林和马尾松林,而混交林和马尾松林对照样方之间没有显著差异.成熟林、混交林和马尾松林土壤N2O排放都有比较明显的季节变化趋势,在湿润温暖的生长季及其前期出现N2O排放的最高值,在干旱的冬季出现最低值.在研究期间,三个林型的N2O排放与土壤WFPS都显示出显著的正相关关系,和土壤温度也显示了显著的正相关关系.
施N在成熟林中显著增加了土壤N2O的排放,比对照样方高24.7%;而在混交林和马尾松林中,施N没有影响土壤N2O的排放.在成熟林、混交林和马尾松林中,施P对土壤N2O排放均未产生显著影响.施NP增加了三个林型土壤N2O的排放,在成熟林、混交林和马尾松林中施NP样方土壤总平均N2O排放分别为比各自林型中的对照样方分别高出了13.90%,3.94%和14.57%,但是重复测量的方差分析显示,施NP所增加的土壤N2O排放和对照样方相比,差异都不显著.三个林型中N2O的排放和土壤的硝化作用强度保持一致,说明N2O主要来源于土壤硝化反应过程,施P没有对土壤硝化作用产生明显影响.
结果表明,施N、P和NP对于我国南亚热带森林土壤的CH4和N2O通量的影响主要取决于森林类型、养分状态(主要是N和P状态)和土地利用史等.
- 作者：
- 张涛
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 生态学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 莫江明
- 关键词：
- 森林土壤；甲烷；氧化亚氮；气体通量；静态箱-气相色谱法；硝化反应
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