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大气CO2浓度上升、全球氮素生物地球化学循环的变化以及土地利用或覆盖方式的改变被称为“全球三大主要变化”,正深刻地影响生态系统的元素循环和能量交换过程。近几十年来,由于人类的频繁活动与土地的高强度利用造成了我国大量土地的退化,在全球变化因素的作用下,我国陆地生态系统的生产力更受到了前所未有的胁迫。针对我国南方大量退化丘陵坡地,过去20年间进行了不同方式的恢复和利用,其中最典型、面积最大的恢复类型是果园和人工林,本文探讨这两类恢复模式与管理方式下土壤养分循环特征,以及碳氮磷添加对人工林生态系统的影响,为南方坡地生态系统管理提供科学依据。主要结果如下: 一、果园不同管理方式和人工林恢复模式下土壤氮磷有效性特征 果园内进行生草栽培影响土壤氮素转化,但呈显著的季节性差异;单种百喜草对湿季和干季的土壤净氮矿化速率分别提高了45.3%和10.7%,而单种柱花草则分别提高了35.3%和28.5%。生草栽培显著提高果园表层土壤磷酸酶活性,单种百喜草对湿季和干季的酸性磷酸酶活性分别提高了33.5%和48.7%,而单种柱花草则分别提高了18.3%和28.5%。土壤有效磷含量呈季节性特征,干季大于湿季。这是因为在湿季,百喜草或柱花草均处于快速生长阶段,对养分需求较大,干季则相反。因此,退化红壤坡地重建果园初期,生草栽培虽然在一定程度上与果树生长形成养分的竞争,但能有效地改善土壤的氮素转化及磷的供应,提高果园的土壤肥力。 树种组成和季节显著影响人工林土壤氮素转化。厚荚相思纯林、10种混交林和30种混交林的净氮矿化速率相当,分别为5.08、5.07和5.14 mg N kg-1 month-1。厚荚相思纯林由于自身固氮属性,其硝态氮、可溶性氮含量和硝化速率一般比尾叶桉和红椎纯林及混交林高;然而,混交林的可溶性碳、微生物碳氮、有效磷含量及酸性磷酸酶活性要高于其它纯林。该地区降雨的季节性与树种的交互作用,显著影响人工林土壤地下生态学过程。混交林由于其物种组成配比及林内资源利用互补性,群落结构复杂多样,在恢复利用退化红壤坡地中作用明显,建议作为华南退化红壤坡地恢复重建的优选人工林模式。 二、土壤氮磷有效性对次生阔叶林植物养分利用的影响及机理 在热带次生阔叶林进行长期的氮磷添加实验,结果表明,氮添加仅仅增加细根氮含量,而磷添加显著提高新叶、老叶、枝条和细根的磷含量,提高幅度分别为86.8 %,128.5%和181.6%;并显著降低植物组织的氮磷比,降低幅度分别为38.7%,44.3%和50.3%。用养分比值作为评价土壤养分状况因不同的植物组织而异,枝条和老叶对养分添加的响应比新叶和细根更敏感。因此,老叶比其他组织更适合用来评价和预测土壤养分变化。 磷添加维持热带植物较稳定的光合碳同化效率,显著提高叶片的磷含量,显著降低叶片的光合磷利用效率(PPUE),表明生长在磷缺乏的热带森林植物表现出高效的PPUE是一种有效的适应和重要的功能特性。而且,磷添加极大地增加叶片代谢磷含量和百分比,+P对代谢磷含量提高了156.5%,表明在磷缺乏条件下,热带森林植物分配更多的磷组分用于组织构建,同时减少代谢磷在细胞中的分配。 三、土壤磷有效性对华南典型森林土壤有机质分解的微生物调控机制 碳添加显著加快土壤CO2的排放,碳磷同时添加可以更大程度地促进CO2的排放,但单独加磷并没有显著改变土壤CO2的排放,表明在外源碳输入下,加磷能进一步激发土壤微生物的呼吸作用。 碳添加显著影响森林土壤的净氮矿化速率,而磷添加对森林土壤净氮矿化没有显著影响。碳添加显著增加真菌生物量,显著提高过氧化物酶和酚氧化物酶活性;碳添加显著降低细菌PLFAs相对丰度,却显著提高真菌PLFAs相对丰度。因此,磷有效性在一定程度上影响土壤微生物群落变化,改变土壤酶活性,从而影响华南典型森林土壤有机质的分解。