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土壤有机质的分解和积累是生态系统碳循环研究中的一个重要内容。土壤有机质的分解可能受到凋落物输入,根际调节,以及土壤矿质氮水平的显著影响,但这些因素如何调控不同性质土壤有机质的分解尚不明确。本研究选取鼎湖山国家保护区亚热带针阔叶混交林,于2010年6月至12月间通过全因子控制实验,测定不同类型的凋落物添加,氮处理,以及根际作用对表层(0-10cm)和下层(20-30cm)土壤有机质分解(呼吸)的影响。凋落物使用的是针叶和阔叶两个类型,调整土壤可利用氮通过施加350KgN·ha-1·yr-1的硝酸铵增加氮和使用树脂膜提取氮。根际效应分为隔根处理和对照组。
主要结果如下:
(1)在实验进行的7月到12月间,土壤呼吸有明显的季节变化。体现出夏季高、冬季低,由于鼎湖山地区水热同期,也可以解释为雨季高、旱季低的格局。最高月均温出现在7月,为30.48±0.09℃,最低月均温在12月,为14.46±0.13℃;最高月均土壤湿度出现在7月,为35.74±0.07%,最低月均土壤湿度在12月,为11.25±0.08%。月均呼吸通量的最高值出现在8月,为2.82±0.12μ mol CO2·m-2·s-1,呼吸通量的最低值出现在12月,值为1.43±0.08μ mol CO2·m-2·s-1,土壤温度和土壤湿度都能很好的解释呼吸的季节变化。
(2)针叶和阔叶凋落物的添加处理对土壤呼吸有促进作用,但阔叶的促进作用在最后两次采样时消失。针叶凋落物对土壤呼吸的促进作用从当年8月持续到12月,阔叶凋落物只在7月到10月对土壤呼吸有显著影响,在11月和12月对土壤呼吸的影响不显著,这与11月以后地表基本没有可观察到阔叶凋落物残体的情况相吻合。这些结果可能说明阔叶凋落物残体在地表基本完全分解,对土壤碳的贡献有限。而针叶由于分解较慢,且其分解残体更容易被整合为较稳定的土壤有机质,因此持续促进整个系统的土壤呼吸。此外,虽然阔叶凋落物的添加量显著高于针叶凋落物,但对土壤呼吸的促进作用却显著低于针叶凋落物,这说明针叶和阔叶分解过程的不同,阔叶分解中的淋溶过程对生物量损失很重要,而针叶的生物量损失主要靠微生物的分解作用。
(3)加氮处理总体对土壤呼吸未产生显著影响,但减氮处理促进了土壤呼吸。氮处理对土壤呼吸的影响与是通过其他因素的生理过程共同实现的,它与根际效应、凋落物类型都有交互作用。加氮显著地增加了针叶凋落物的分解,对阔叶凋落物却没有影响,可能因为针叶凋落物本身的可利用氮较少。相比之下,减氮对两种类型凋落物处理的土壤C02通量均有促进,可能因为减氮降低了凋落物处理中的土壤矿质氮含量,减轻了矿质氮对分解的抑制作用。此外,凋落物类型与氮处理类型有正交互作用,添加叶凋落物和减氮的交互作用对土壤呼吸的促进最为显著。
(4)通常认为根际效应对土壤碳周转速率有促进的影响,但是本实验的结果显示隔根处理对土壤呼吸有促进作用。土壤水分和温度与隔根处理有显著的相关关系,隔根处理的水分和温度都大于未隔根的处理。可能是处理方法最终导致了呼吸的差异。此外,隔根处理增加了减氮对呼吸的促进作用。根与凋落物分解之间还有交互的作用,有根的条件下凋落物分解反而受到一定的抑制。
(5)下层土的土壤呼吸通量显著地低于表层土壤,这主要是由于下层土壤碳浓度显著低于表层土。然而,下层土壤单位质量碳呼吸强度(QCO2)却高于表层土,可能由于下层被分解的土壤碳主要是较易分解的小分子碳。这说明两个土壤类型间的差异不仅仅来源于浓度稀释效应,可能还有土壤碳性质的贡献。
上述结果表明:研究地点凋落物分解速度快,叶凋落物短期内就在地表完全分解,对土壤碳分解和积累可能不产生长期影响,因此可能不是稳定土壤有机质的主要来源。减氮可以促进土壤呼吸。根际效应在该地区作用不强。单纯的土壤碳浓度稀释效应并不是造成表层和下层土壤碳分解速率差异的原因。