长期多形态氮添加对温带人工辽东栎林土壤N_(2)O排放的影响

【目的】研究长期氮沉降对森林土壤可利用氮的浓度和土壤N_(2)O排放的影响,对于控制土壤温室气体排放、提高区域碳源汇评估的准确度等具有重要的意义。【方法】本文以温带森林土壤为研究对象,通过长期(11年)野外氮添加控制试验,采用静态箱/气相色谱法分析3种氮素添加水平(对照、低水平:50 kg/(hm^(2)·a)、高水平:150 kg/(hm^(2)·a))和3种氮素化学形态(硝态氮:NaNO_(3);铵态氮:(NH_(4))_(2)SO_(4)和混合态氮:NH_(4)NO_(3))对温带人工林土壤N_(2)O排放通量的影响。【结果】(1)氮素形态和氮添加水平引起土壤NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(−)-N的显著累积,且NO_(3)^(−)-N的累积效应远远高于NH_(4)^(+)-N;(2)不同水平和形态的氮添加均促进了N_(2)O排放。低水平和高水平NaNO_(3)、(NH_(4))_(2)SO_(4)、NH_(4)NO_(3)添加分别使土壤N_(2)O年累积排放量增加了87.39%和146.79%、86.13%和74.91%、98.67%和50.50%。长期氮添加对土壤N_(2)O排放的促进态势有所改变,高水平NH_(4)^(+)-N和NH_(4)NO_(3)对土壤N_(2)O排放的促进效应低于低水平添加;(3)结合前期研究结果推测,硝化反应是温带人工林土壤N_(2)O排放的主导过程,NH_(4)^(+)-N比NO_(3)^(−)-N转化为N_(2)O的效率更高。【结论】本研究强调了长期野外监测的重要性,氮添加对土壤N_(2)O排放的影响具有阶段性,如果试验时间短,氮添加对温带森林土壤N_(2)O排放的促进效应可能会被高估。

多形态多水平氮添加对温带森林土壤根系呼吸和微生物呼吸的影响

为阐明不同水平、不同形态的氮添加对土壤总呼吸、土壤微生物呼吸、根系呼吸的影响及微生物机制,本研究以温带森林土壤为研究对象,开展多形态(硝态氮(NaNO3)、铵态氮((NH4)2SO4)和混合态氮(NH4NO3))多水平(50 kg N·ha-1·a-1和150 kg N·ha-1·a-1)的增氮控制实验.在施氮后的第7—9年,利用静态箱-气相色谱法研究土壤呼吸组分和磷脂脂肪酸方法研究微生物群落丰度和群落结构的改变.结果表明,氮添加显著提高了土壤硝态氮和铵态氮含量,而土壤pH平均降低0.85个单位.在施氮后的第7—9年,氮添加将会减弱土壤呼吸活动,高水平的氮添加效应强于低水平氮添加;就形态来说,(NH4)2SO4起到促进效应,而NH4NO3则逐渐由促进效应转变成抑制效应,例如在2019年(施肥后第9年),高水平的(NH4)2SO4施加分别提高土壤总呼吸和微生物呼吸的34.06%和37.95%,而高水平NH4NO3添加则分别抑制了土壤总呼吸和微生物呼吸的27.62%和31.70%.而高水平的(NH4)2SO4添加对根系呼吸有促进作用,而高水平的NH4NO3则有抑制效应.微生物呼吸和细菌、真菌显著正相关,和真菌/细菌比值也呈正相关.总之,土壤呼吸各组分对氮添加的响应受氮素形态和水平的控制,特定森林土壤碳排放量对土壤氮基质响应具有多阶段性,微生物呼吸的降低反映了土壤有机质分解速度的降低,这有可能会进而促进土壤碳的积累,达到氮促碳汇的效果.

模拟增温和氮沉降的耦合作用对高寒泥炭湿地土壤碳激发效应的影响

土壤碳激发效应是影响有机质转化的关键机制,全球气候变暖和大气氮沉降对其的影响关系到土壤碳库的稳定性。本研究基于已进行4年氮添加的高寒泥炭湿地土壤,在5℃、15℃条件下,将对照以及不同水平的氮添加土壤培养60 d,结合13C标记的葡萄糖来探究模拟增温和氮沉降的耦合作用对土壤碳激发效应的影响。结果表明,增温显著地增加土壤碳矿化速率(P<0.05),而氮添加无显著影响。增温显著提升激发效应强度,在对照样地,15℃处理中土壤碳激发效应比5℃处理平均增加37.5%。不同温度中的氮添加均使土壤激发效应强度由正向转变为负向,低氮、中氮、高氮相比于对照碳激发效应强度分别平均降低71.1%、90.8%、113.3%。不同氮水平在5℃处理对土壤碳激发效应的影响不显著,而15℃处理土壤碳激发效应的强度随着氮添加水平的增加而减弱。外源碳添加水平影响土壤碳激发效应强度,与高碳添加水平相比,低碳添加使土壤碳激发效应平均增加23.9%。这些结果表明,温度的增加使正向的土壤碳激发效应更易发生,即在气候变暖的情况下导致土壤有机碳矿化的加速,进而加速气候变暖;氮添加则会导致负向的土壤碳激发效应发生,缓冲气候变暖导致的土壤碳库不稳定性的增加。实验结果表明温度越高,氮添加使土壤碳激发效应的强度降低的越显著,即气候变暖增强的背景下,大气氮沉降的加剧有可能导致土壤碳激发效应强度的降低,部分抵消升温而导致的正向碳激发效应。在未来气候变暖和大气氮沉降的共同作用下,究竟土壤激发效应和土壤碳库将会如何响应仍需进一步的量化研究和模型预测。

基于EEM-PARAFAC分析冻融作用对高寒泥炭湿地土壤溶解性有机质的影响

【目的】全球气候变暖加速了土壤冻融格局的改变,而冻融作用又对土壤溶解性有机质(DOM)产生深刻的影响。【方法】以高寒泥炭湿地土壤为研究对象,采用室内模拟冻融的方式开展了两种冻融条件下(日冻融:−3℃/5℃,12 h/12 h,30次;深度冻融:−24℃/5℃,20 d/10 d,1次)的试验研究,基于紫外−可见吸收光谱(UV-vis)和三维荧光光谱结合平行因子(EEM-PARAFAC)分析探究土壤DOM数量和质量的变化。【结果】(1)经过30 d培养后,两种冻融处理均显著提高了高寒泥炭湿地土壤溶解性有机碳(DOC)的含量,日冻融和深度冻融条件下土壤样品的DOC含量分别为183.26和187.06 mg/kg,相比于对照组分别增加了18.80%和21.26%(P<0.05)。(2)不同冻融条件下的土壤DOM的紫外−可见吸收曲线线型差异较小,无明显特征吸收峰,且显示出吸光度随波长呈指数衰减的趋势,但经冻融处理的样品出现了明显的红移现象。(3)两种冻融处理均使得土壤DOM的腐殖化指数(HIX)值(从4.42增加至11.73和17.10)、254 nm处的单位比色皿光程下的紫外吸收值(SUVA_(254))(从1.35 mg/(L·cm)增加至1.37和1.40 mg/(L·cm))以及A_(253)/A_(203)值(0.38增加至0.40和0.43)增大,波长275~295 nm处光谱斜率系数减小(从13.34μm^(−1)减小至13.23和12.91μm^(−1))。(4)EEM-PARAFAC鉴别出的荧光组分有类富里酸物质、类腐殖酸物质、溶解性微生物代谢产物和类蛋白物质,冻融改变了土壤DOM的组成以及各组分的贡献率。对照组土壤DOM组分C1、C2和C3的贡献率分别为37%、32%和31%;日冻融条件下,组分C1、C2和C3的贡献率分别为41%、34%和25%;深度冻融条件下,组分C1、C2和C3的贡献率分别为44%、35%和21%。【结论】冻融改变了土壤DOM的数量和质量,表现为DOC含量的增加和腐殖化程度的提高。