宁南山区林地土壤原位矿化过程中碳氮转化耦合特征

作者:倪银霞;黄懿梅;牛丹;赵彤;闫浩;蒋跃利 刊名:环境科学 上传者:王晓玉

【摘要】为了解宁南山区典型植被恢复模式之一——人工林地土壤碳氮转化的特征以及二者的关系,运用PVC顶盖埋管法进行1 a的原位矿化培养实验,每隔2个月采样,研究柠条、山桃、山杏林地中土壤有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳与土壤有机氮、无机氮以及净氨化速率、净硝化速率、净矿化速率和微生物固定速率在一年中的变化特征以及碳氮耦合关系.结果表明在原位培养过程中,61~120 d碳氮的变化最明显,主要受到土壤水分的影响;土壤有机碳和全氮极显著正相关,土壤微生物量碳氮、可溶性有机碳氮显著正相关;土壤有机碳转化速率显著影响净氨化速率、净硝化速率和MBN转化速率,且符合一元线性回归方程;柠条地培养一年后土壤微生物商(MBC/SOC)、MBN/SON显著升高,而且净硝化速率、净矿化速率显著大于山桃和山杏.

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土壤碳、氮含量及其动态平衡直接影响着土壤肥力和林地生产力,有机碳氮的矿化是土壤中重要的生物化学过程,直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成以及土壤质量的保持等.氮素是限制植物生长的重要营养元素,土壤中氮含量的改变对陆地生态系统碳循环过程有不同程度的影响[1].陆地生态系统中,碳循环和氮循环紧密相连,表现出相互耦合作用,进行土壤碳氮养分研究具有重要的现实意义.氮素可限制植物光合、有机质分解、同化产物的分配以及生态系统对大气CO2浓度升高的响应,碳氮耦合循环模型分为静态模型、土壤氮限制模型和叶氮限制模型[2].不同碳循环过程模型表达方法的不确定性主要是由于无法深入了解氮素在呼吸作用和同化物分配过程中的作用[1].我国农田土壤碳氮耦合特征存在区域差异,耕层土壤有机碳和全氮含量之间存在显著耦合关系[3].不同施肥措施下碳氮功能的耦合效应不同[4,5].国内外对土壤碳氮转化耦合特征的研究多集中在森林和农田[6~10],很少涉及植被恢复模式下的林地.宁夏南部山区地处内陆,气候干旱,地面多山,下垫面复杂,生态环境脆弱.在国家退耕还林政策支持下,生态环境得到了改善.但是,关于不同退耕还林方式下,土壤中碳氮耦合关系尚不清楚.因此,本文选择宁南山区典型人工林地中的柠条、山桃和山杏林地土壤作为研究对象,采用PVC顶盖埋管法进行为期1a的原位矿化培养实验,探究土壤矿化过程中林木类型及温度、水分对土壤碳氮转化速率的影响,以期为宁南山区生态系统的保护、恢复及重建工作提供理论依据.1材料与方法1.1研究区概况研究区位于中国科学院水土保持研究所固原生态站上黄试验区(海拔1534~1822m),它属于典型的黄土高原丘陵沟壑区,为半干旱中温带向暖温带过渡季风气候,年均气温6.9,年均降水量420mm,干燥度1.55.土壤类型主要是黄土母质上发育的淡黑垆土和黄绵土[11].主要植被恢复模式有人工草地(苜蓿Leguminosae),天然草地(长芒草PseudoraphisbungeanaTrin,百里香Thymusmongolicus,茭蒿Artemisia等),人工林地(柠条Caraganakorshinskii、山桃Prunusdavidiana,山杏Prunusmandshurica等)和自然恢复草地等.1.2样地设置与实验设计在野外调查的基础上,结合当地植被恢复的特点,选择柠条、山桃和山杏这3种典型人工林地作为研究样地,样地地理特性与植被概况如表1所示.表1样地植被与地理概况Table1Vegetationandgeographystatusofthesamplingsites植被类型优势种盖度/%伴生种退耕年份坡度/()经纬度海拔/m柠条柠条和长芒草65洋冰草和茭蒿19839N3600'35.98,E10627'28.471649山桃山桃45长芒草198318N3600'0.36,E10627'53.771632山杏山杏和长芒草58猪毛蒿20024N3559'50.61,E10628'1.511617于2012年4月中旬分别在每个样地中设置3个样方(20m20m)作为3个野外重复,各样方均按“S”形多点采集0~10cm土样混合后作为各样地背景土样.同时,采用PVC顶盖埋管法,在每个选定的样方内选择5个采样点,在每个选定的采样点,除去表层凋落物后,打入内径7cm,高11cm的PVC管,小心取出含有原状土柱的PVC管,顶部用透气不透水的塑料薄膜封口,下端用脱脂棉和纱布封口后放回原位,表层再恢复覆盖物.依次于2012年6月、8月、10月、12月和2013年4月中旬各采

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