长白山垂直带森林叶片-凋落物-土壤连续体有机碳动态——基于稳定性碳同位素分析

稳定性碳同位素自然丰度(δ^(13)C)记录着生态系统碳循环过程的关键信息,常被用于评价全球变化情景下陆地生态系统碳的动态。以长白山北坡垂直带4种典型森林生态系统为研究对象,测定乔木建群种叶片、凋落物以及不同深度土壤有机碳(SOC)含量和δ^(13)C值,探讨植物叶片-凋落物-土壤连续体碳含量、δ^(13)C丰度的分布格局及其生态学暗示。研究结果表明:植物叶片碳含量随海拔高度的增加呈现抛物线型变化,且阔叶树叶片碳含量显著低于针叶树,体现气候要素和植被功能型的支配作用,并且暗示针叶树种潜在的碳蓄积能力更强。此外,植物叶片δ^(13)C随海拔高度升高而降低,表明高海拔植物叶片水分利用效率较低,即固碳耗水成本更高。凋落物碳含量随海拔增加逐渐下降,而矿质表层土壤则表现为阔叶红松林、岳桦林显著高于暗针叶林,体现了植被类型和土壤质地的共同支配作用。总体上,岳桦林SOC周转最快,其次是暗针叶林,位于基带的阔叶红松林最慢。可见,小尺度上气候因子并不是温带森林地下碳循环的主导因素,植被功能型和土壤属性对SOC周转与稳定的影响更大。在探讨环境因子对陆地生态系统碳循环和碳平衡的影响时需要考虑研究尺度,不同的研究尺度影响SOC周转的驱动因子并不相同。研究方法方面,基于log SOC和δ^(13)C的SOM周转模型能够很好地概括不同生态系统类型下SOM周转的相对快慢,可用来评价SOC动态对全球变化的响应。

森林土壤氧化亚氮排放对大气氮沉降增加的响应研究进展

森林土壤N2O来源于土壤氮素的氧化还原反应,硝化、反硝化、硝化细菌反硝化以及化学反硝化是其产生的四个关键过程。当前,氮素富集条件下森林土壤N2O排放存在硝化和反硝化主导作用之争,对大气氮沉降增加的响应模式以及微生物驱动机制尚不清楚。综述了森林土壤N2O来源的稳定性同位素拆分,森林土壤总氮转化和N2O排放对增氮的响应规律,增氮对N2O产生菌群落活性和组成的影响,并指出研究的薄弱环节与未来的研究重点。总体而言,森林土壤N2O排放对大气氮沉降增加的响应呈现非线性,包括初期无明显响应、中期缓慢增加和后期急剧增加三个阶段,取决于森林生态系统"氮饱和"程度。施氮会引起森林土壤有效氮由贫氮向富氮的转变,相应地改变了土壤硝化细菌和反硝化细菌群落丰度与组成,进而影响土壤N2O排放。由于森林土壤N2O排放监测、土壤总氮转化和N2O产生菌群落动态研究多为独立进行的,难以阐明微生物功能群与N2O排放之间的耦合关系。未来研究应该有机结合15N-18O标记和分子生物学技术,准确量化森林土壤N2O的来源,揭示森林土壤N2O排放对增氮的非线性响应机理。

外源性NH4^＋和NO3^-输入对亚热带人工林土壤N2O排放的影响

中国亚热带人工林处于全球氮沉降高值区,土壤氮素相对富集,土壤氧化亚氮(N_2O)产生与排放对外源性氮素输入响应敏感。然而,现有氮沉降模拟控制实验多采用单一氮肥类型,没有原位区分氧化态氮与还原态氮素影响的差异。以千烟洲亚热带湿地松林为研究对象,增氮控制实验采用随机区组设计,包括2种形态(NO_3^-、NH_4^+)和3个施氮水平(0、40、120 kg hm^(-2) a^(-1))。利用静态箱—气相色谱法高频(8次月^(-1))测定土壤N_2O净交换通量以及温度、水分、溶解性氮含量等相关环境变量,分析土壤N_2O通量对外源性氮素输入的响应特征及主控因子。结果表明:施氮不影响亚热带人工林土壤温度和水分,显著增加了土壤NO_3^--N、NH_4^+-N和总溶解性氮(TDN)的含量,对溶解性有机氮(DON)含量无显著影响。施氮显著促进亚热带人工林土壤N_2O排放,增幅为378%~847%,施加NH4Cl的促进效应显著高于Na NO_3。土壤N_2O通量与10 cm土壤温度、10 cm土壤体积含水量呈正相关,土壤N_2O通量的变化量与土壤无机氮含量的变化量呈正相关。上述研究结果表明,虽然水热因子驱动着亚热带人工林土壤N_2O的排放,但是氮素富集条件下土壤N_2O的增加主要由底物可利用性的变化所致,并且还原态NH_4^+的促进效应显著高于氧化态NO_3^-。

氮素类型和剂量对寒温带针叶林土壤N2O排放的影响

大气氮沉降输入会增加森林生态系统氮素有效性,进而改变土壤N_2O产生与排放,然而有关不同氮素离子(氧化态NO_3^--N与还原态NH_4^+-N)沉降对土壤N_2O排放的影响知之甚少。以大兴安岭寒温带针叶林为研究对象,构建了3种类型(NH_4Cl、KNO_3、NH_4NO_3)和4个施氮水平(0、10、20、40 kg N hm^(-2)a^(-1))的增氮控制试验,利用流动化学分析仪和静态箱-气相色谱法4次/月测定凋落物层和矿质层土壤无机氮含量、土壤-大气界面N_2O净交换通量以及相关环境因子,分析施氮类型和剂量对土壤氮素有效性、土壤N_2O通量的影响探讨氮素富集条件下土壤N_2O通量的环境驱动机制。结果表明:施氮类型和剂量均显著影响土壤无机氮含量,土壤NH_4^+-N的积累效应显著高于NO_3^--N。施氮一致增加寒温带针叶林土壤N_2O排放,NH_4NO_3促进效应最为明显,增幅为442%-677%,高于全球平均水平(134%)。土壤N_2O通量与土壤温度、凋落物层NH_4^+-N含量正相关,且随着施氮水平增加而增加。结果表明大气氮沉降短期内不会导致寒温带针叶林土壤NO_3^--N大量流失,但会显著促进土壤N_2O的排放。此外,外源性NH_4^+和NO_3^-输入对土壤N_2O排放的促进作用具有协同效应,在未来森林生态系统氮循环和氮平衡研究中应该区分对待。