林冠和林下模拟氮沉降对森林土壤碳、氮、磷动态和微生物的影响

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氮(N)是生命活动必需的重要元素,也是陆地和水体初级生产力及其它关键生态过程(比如分解过程)的重要限制因子。但是,自从工业革命以来,人类活动急剧地改变了地球系统的N循环过程,使大气N沉降成为严重的全球环境问题。已有的研究表明严重的大气N沉降会对生态系统的结构和功能造成许多负面影响,比如导致土壤酸化,水体富营养化,生物多样性减损和温室气体排放增加,甚至威胁到人类的健康。在此背景下,科研工作者在全球各地的森林生态系统开展了诸多模拟氮沉降实验,但是这些模拟N沉降研究大都采用直接的林下N肥喷施方式,而忽略了重要的林冠过程。在森林生态系统,大气沉降的活性N素首先要经过林冠层,在此过程中部分N素会被林冠截留、吸收和转化,从而减少进入土壤的活性N素,改变进入土壤N素的形态,进而不可避免的改变大气N沉降对土壤微生物和养分动态的影响。因此,传统的林下模拟N沉降实验因为忽视林冠过程可能对N沉降如何影响土壤特性造成不正确的评价。  鉴于此,本研究以鸡公山温带森林和石门台亚热带森林的模拟林冠和林下N沉降实验平台为基础,研究林冠和林下两种模拟N沉降处理方式对土壤微生物、碳(C)、氮(N)和磷(P)动态的影响有何异同。获得如下主要结果:  一)、无论是林冠还是林下N沉降处理方式,对土壤有机C均没有显著的影响;但是土壤可溶性总C和微生物生物量C对林冠和林下N沉降处理方式表现出不同的响应模式,且受到森林类型的影响。对于与C循环密切相关的土壤β-葡萄糖苷酶(BG)、酚氧化酶(POX)和过氧化物酶(PER)活性,对两种N处理方式也表现出不同的响应模式。在鸡公山温带森林和石门台亚热带森林,林冠N沉降对以上三种酶活性没有显著的影响,但是林下N沉降却显著地抑制了鸡公山BG、POX,以及石门台POX和PER的活性。尽管土壤微生物群落结构在两个研究地区以及随采样时间发生显著变化,但是在两个地区林冠和林下N沉降处理都没有显著影响土壤微生物群落结构。  二)、林冠N添加对土壤NO3-、NH4+和DON含量的影响显著不同于林下N添加处理方式。林冠N添加对土壤NO3-含量没有影响,而降低了土壤NH4+和增加了土壤DON的含量;林下N添加增加了土壤NO3-含量,但却没有影响土壤NH4+和DON的含量。两种处理方式对土壤N库影响的差异也直接影响了土壤微生物N过程,特别是在鸡公山温带森林,林冠N添加因为增加土壤DON含量而促进了土壤NAG酶活性和微生物的矿化速率。说明,林冠过程在大气N沉降如何影响土壤N库和微生物N过程方面起着重要的作用,在森林生态系开展大气N沉降实验,应该充分考虑林冠的影响。  三)、在鸡公山温带森林,N沉降通过土壤酸化促进Ca的风化淋溶而驱动土壤Ca结合态P的溶解释放;同时,土壤交换性Al离子的增加导致部分Ca结合态P溶解释放的P转化为土壤Fe/Al结合态无机P;而另一部分释放的有效P通过土壤微生物的固持作用而转化为土壤Fe/Al结合态有机P。在石门台亚热带森林,N沉降主要通过促进磷酸酶活性来驱动土壤有机P的矿化分解。在此过程中,矿化分解释放的有效P除了被植物和微生物利用之外,大部分通过化学过程与Al离子结合转化为Fe/Al结合态P。林冠过程在N沉降对土壤P转化的影响方面起着重要的作用,这尤其表现在土壤有效P和微生物P过程方面。相对于传统的林下N添加处理,林冠N沉降处理条件下土壤溶液态P和易分解有机P的含量更低,而磷酸酶活性却偏高。说明林冠N沉降带来的叶面施肥效应可能促进了植物对P的获取能力。
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