模擬增溫對高山森林土壤碳氮轉(zhuǎn)化的影響.pdf

1、以氣候變暖、雪被減少和極端氣象事件等為主要特征的全球氣候變化正在改變著陸地生態(tài)系統(tǒng)過程，尤其是暖冬對寒冷生物區(qū)土壤碳氮過程的影響。然而，受季節(jié)性雪被和凍融循環(huán)影響明顯的寒冷生物區(qū)，不同關(guān)鍵時(shí)期的土壤碳氮過程對氣候變化的響應(yīng)可能存在顯著差異，但迄今尚缺乏相應(yīng)研究。川西高山森林地處青藏高原東緣和長江上游地區(qū)，在涵養(yǎng)水源、保育生物多樣性、吸存大氣CO2和指示全球氣候變化等方面具有突出的戰(zhàn)略地位，但同時(shí)也是受季節(jié)性雪被和凍融循環(huán)影響明顯的生態(tài)環(huán)

2、境脆弱區(qū)以及全球氣候變化的敏感區(qū)，未來氣候變化對土壤碳氮過程的影響不僅影響土壤碳收支和氮素肥力，而且可能影響其對接的溪流和河流水體環(huán)境。因此，為了解氣候變暖對高山森林土壤碳氮過程的影響，進(jìn)行了3年的海拔梯度實(shí)驗(yàn)，將采集于原始冷杉林下的原狀土柱（含土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層）分別培養(yǎng)在海拔3600 m(A1)、3300 m(A2)和3000 m(A3)的立地，用以模擬大氣溫度的增加實(shí)驗(yàn)，研究氣候變暖對高寒森林生態(tài)系統(tǒng)不同關(guān)鍵時(shí)期土壤碳氮轉(zhuǎn)化、

3、微生物生物量碳氮動態(tài)以及土壤碳氮淋溶的影響，從而為未來氣候變化情景下的高寒森林生態(tài)系統(tǒng)管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。
　　模擬增溫對川西高山森林土壤碳轉(zhuǎn)化的影響隨著土壤層次和關(guān)鍵時(shí)期而變化。模擬增溫對川西高山森林土壤有機(jī)層碳轉(zhuǎn)化的影響明顯高于礦質(zhì)土壤層。模擬增溫減小了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層碳含量（除去A2海拔礦質(zhì)土壤層），并且土壤有機(jī)層減小的碳含量高于礦質(zhì)土壤層減小的碳含量，但是作用并不顯著。模擬增溫使各關(guān)鍵時(shí)期土壤碳轉(zhuǎn)化速率幅度變大，

4、但是差異并不顯著。模擬增溫下，整個(gè)生長季節(jié)土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的碳轉(zhuǎn)化速率為負(fù)值，表現(xiàn)出土壤碳素含量的減小過程，土壤有機(jī)層中平均速率為A2(-7.26 mg/(kg·d))＞A1(-12.96mg/(kg·d))＞A3(-86.06 mg/(kg·d))，礦質(zhì)土壤層中平均速率A1(-17.22 mg/(kg·d))＞A2(-23.02 mg/(kg·d))＞A3(-25.16 mg/(kg·d));整個(gè)非生長季節(jié)則表現(xiàn)出土壤碳轉(zhuǎn)化速率

5、為正值，表現(xiàn)出碳素的積累過程，土壤有機(jī)層平均速率為A3(83.83mg/(kg·d))＞A1(18.28 mg/(kg·d))＞A2(-26.99 mg/(kg·d))，礦質(zhì)土壤層平均速率為A2(53.67 mg/(kg·d))＞A3(24.36 mg/(kg·d))＞A1(11.06 mg/(kg·d));但是模擬增溫對生長季節(jié)和非生長季節(jié)土壤碳轉(zhuǎn)化速率的作用并不顯著。土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層土壤碳轉(zhuǎn)化速率年際間變化規(guī)律相似，并且模擬增

6、溫并沒有顯著改變年際間土壤碳轉(zhuǎn)化速率。
　　模擬增溫對川西高山森林土壤有機(jī)層氮礦化的影響明顯高于礦質(zhì)土壤層。模擬增溫減小了土壤有機(jī)層（除A2海拔土壤有機(jī)層外）和礦質(zhì)土壤層氮含量，模擬增溫引起了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層土壤氮含量減小，并且土壤有機(jī)層氮減小量高于礦質(zhì)土壤層氮減小量，但是作用并沒有達(dá)到顯著差異。模擬增溫減小了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層（除A2海拔礦質(zhì)土壤層）氨化速率，卻增加了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層的硝化速率，并且硝化速率遠(yuǎn)高于

7、氨化速率，模擬增溫增加了土壤氮素的礦化速率，并且模擬增溫對硝化作用影響顯著。模擬增溫情境下，生長季節(jié)土壤氨化速率和硝化速率皆為負(fù)值，土壤礦質(zhì)氮減小，并且模擬增溫減小了土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層礦質(zhì)氮（除去A2海拔兩個(gè)土層的硝態(tài)氮），但是作用并不顯著;非生長季節(jié)土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層土壤氨化速率和硝化速率皆為正值，土壤硝化速率遠(yuǎn)大于氨化速率，土壤氮素礦化，并且模擬增溫加速了土壤硝化速率，硝化速率最大的土壤有機(jī)層平均值為A3(0.5278 mg

8、/(kg·d))＞A2(0.2925 mg/(kg·d))＞A1(0.1746 mg/(kg·d))，模擬增溫影響顯著。土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層土壤氮素礦化速率年際之間變化規(guī)律相似，并且模擬增溫并沒有顯著改變年際之間土壤氮素礦化速率。
　　試驗(yàn)區(qū)域土壤有機(jī)層中微生物生物量碳氮含量遠(yuǎn)高于礦質(zhì)土壤層中微生物生物量碳氮含量;模擬增溫減小了土壤有機(jī)層中微生物生物量碳氮含量，卻使礦質(zhì)土壤層中微生物生物量碳氮含量增加，并且模擬增溫作用顯著。土壤

9、有機(jī)層年均微生物生物量碳氮總和為A1(1842.916mg/kg)＞A2(1664.84 mg/kg)＞A3(1385.72 mg/kg)，礦質(zhì)土壤層年均微生物生物量碳氮總和為A3(300.20 mg/kg)＞A2(293.13 mg/kg)＞A1(268.18 mg/kg)。土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層中，土壤微生物生物量碳氮在具有凍融循環(huán)的關(guān)鍵時(shí)期大量減小，模擬增溫引起凍融格局變化減小了土壤微生物生物量碳氮，作用顯著，生長季節(jié)土壤微生物生

10、物量高于非生長季節(jié)，模擬增溫增加了生長季節(jié)土壤微生物生物量碳氮，卻減小了非生長季節(jié)土壤微生物生物量碳氮。模擬增溫條件下，土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層土壤微生物生物量碳氮年際間的含量相似，并且模擬增溫也沒有顯著改變年際之間土壤微生物生物量碳氮含量。
　　川西高山可溶性有機(jī)碳的淋溶集中于生長季節(jié)末期至深凍期，并且可溶性有機(jī)碳淋溶量在非生長季節(jié)遠(yuǎn)高于生長季節(jié)，淋溶量最大的非生長季節(jié)輸入土壤和輸出土壤量都很高。在凍融循環(huán)的作用下，土壤可溶性有機(jī)

11、碳的淋溶量很大，經(jīng)歷凍結(jié)初期(OF)的凍融循環(huán)會使得可溶性有機(jī)碳大量淋溶損失。模擬增溫增加了生長季節(jié)末期至深凍期地上、土壤有機(jī)層和整個(gè)土壤層的可溶性有機(jī)碳的淋溶，非生長季節(jié)整個(gè)土壤層淋溶的可溶性碳均值為A3(7.25 kg/hm2)＞A2(6.68kg/hm2)＞A1(5.36 kg/hm2)。模擬增溫條件下，地上，土壤有機(jī)層和整個(gè)土壤層淋溶的可溶性有機(jī)碳含量在年際間相似，雖然第二年和第三年地上、土壤有機(jī)層和整個(gè)土壤層淋溶的可溶性有機(jī)碳

12、增加，但是模擬增溫并沒有改變年間淋溶格局。
　　川西高山森林土壤有機(jī)層和整個(gè)土壤層可溶性氮淋溶量遠(yuǎn)高于地上的可溶性氮素淋溶量。川西高山森林中全年淋溶氮素主要為可溶性無機(jī)氮，生長季節(jié)可溶性有機(jī)氮淋溶量較高，而非生長季節(jié)可溶性無機(jī)氮淋溶量遠(yuǎn)高于全年可溶性有機(jī)氮淋溶量，模擬增溫增加了整個(gè)土壤層整個(gè)非生長季節(jié)土壤氮素淋溶，但是差異并不顯著，整個(gè)土壤層非生長季節(jié)氮素淋溶量平均值A(chǔ)2(1.48 kg/hm2)＞A3(1.40kg/hm2)＞A

13、1(1.39 kg/hm2)。凍融循環(huán)促進(jìn)了土壤中氮素的大量淋溶，在具有凍融循環(huán)時(shí)期銨態(tài)氮的淋溶量高于硝態(tài)氮，模擬增溫增加了凍融時(shí)期土壤氮素的淋溶量，并且作用顯著。模擬增溫條件下，三年培養(yǎng)期間，地上，土壤有機(jī)層和礦質(zhì)土壤層在年際間氮素的淋溶量相似，模擬增溫并沒有改變年際間的氮素淋溶量。
　　綜上，模擬空氣溫度增加將通過直接或間接作用于土壤，對川西高山森林土壤的碳氮過程產(chǎn)生影響。模擬增溫減小了川西高山森林土壤中碳氮在生長季節(jié)的含量，

14、同時(shí)加速了非生長季節(jié)土壤中碳氮的礦化;模擬增溫減小了土壤有機(jī)層微生物生物量碳氮，增加了礦質(zhì)土壤層微生物生物量碳氮，土壤有機(jī)層微生物生物量碳氮遠(yuǎn)高于礦質(zhì)土壤層，模擬增溫限制了微生物對土壤碳氮的循環(huán)利用。模擬增溫加速了土壤中可溶性碳氮的淋溶損失，引起土壤碳氮庫損失。這些結(jié)果表明，在全球氣候變暖進(jìn)程下，寒冷生物區(qū)域土壤環(huán)境隨著極端氣候的變化，將加速土壤碳、氮庫的減小，部分微生物活數(shù)量會受到抑制，并且加速流失的碳、氮很可能對寒冷生物區(qū)域水體環(huán)境