亚热带典型森林土壤可溶性有机氮转化与淋溶特征研究

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可溶性有机氮(dissolvedorganic nitrogen,DON)虽仅占土壤N的一小部分,但有高度活跃性和易迁移性,是土壤及水体中可溶性N的主体部分。土壤DON是森林生态系统土壤N转化的重要中间产物,直接关系到N的利用效率和运移强度,在维持陆地和水域生态系统N周转和养分平衡方面起着重要作用,了解土壤DON在森林生态系统中的动态、形成转化、角色及其生态功能具有重要的理论和实践意义。森林演替中土壤N素转化是生态系统的关键过程。而土壤DON的来源和去向广泛,受多重生物和非生物因素影响。在以往的研究中,更多地关注于不同地区和不同森林类型之间土壤DON特征和差异,很少关注亚热带地区森林恢复或演替不同阶段的森林土壤。亚热带森林演替过程中的植物组成和结构的变化,深刻影响着森林生态系统中的土壤N养分循环。迫切需要研究亚热带森林土壤DON库的大小,土壤凋落物、土壤酶对土壤DON的贡献与影响,土壤中DON的运移与转化,外源N对土壤DON的贡献与影响,回答这些科学问题对亚热带森林生态系统植被恢复与森林生态系统管理有重要的意义。以湖南省大山冲森林公园亚热带不同演替阶段森林(依次为早期针叶林、中期落叶阔叶林和后期常绿阔叶林)为研究对象,通过野外定位收集凋落物、野外采集地表凋落物和森林土壤,研究土壤DON与凋落物、土壤酶活性的关系;采用15N标记技术,室内模拟研究凋落物分解对森林土壤DON形成和转化特征的影响;运用15N示踪与野外原状土柱结合的方法,研究凋落物对土壤DON的贡献与土壤中DON的运移。主要研究结果如下。(1)三种演替阶段森林凋落量和组分均呈现特有的季节性变化特征,凋落物的持水特性亦存在明显的季节性变化。不同类型森林土壤凋落物N养分来源存在明显差异,凋落物可分解利用性存在差异。凋落物饱和持水量、饱和持水率以及水亲和力系数均以落叶阔叶林最高,显著高于针叶林和常绿阔叶林;而针叶林凋落物半饱和时间、吸水速率A值和B值更大。凋落物饱和持水量与凋落物水亲和力、饱和持水率显著正相关,凋落物饱和持水率与凋落物C含量和C/N比极显著负相关(p<0.01),与凋落物N含量极显著正相关(p<0.01);(2)不同演替阶段森林土壤DON、微生物量和酶活性差异明显。随着演替的进行,DON含量相对增多且更易被转移、转化和利用。土壤DON与微生物和酶活性联系密切,两种阔叶林土壤中葡糖胺糖苷酶NAG、葡萄糖苷酶BG和木糖苷酶BX三种酶活性均显著高于针叶林土壤;RDA结果显示,土壤DON与微生物量和上述三种酶活性均呈正相关关系;(3)标记凋落物室内模拟培养试验表明,不同森林土壤对标记凋落物源DON的转运和利用模式有所不同。常绿阔叶林土壤对凋落物源DON的持续转运,而落叶阔叶林土壤高的土壤微生物和酶活性不仅促进了土壤DON的形成,同时也加速了其转化和矿化;针叶林土壤对凋落物源DON的利用则更加保守,凋落物源的DON量小且进入土壤的速度慢。凋落物分解,短期内(2周)加速了土壤无机N的消耗,补充了土壤DON,长期则加速了土壤DON消耗;凋落物N对土壤DON的贡献只有一小部分,但这部分土壤DON仍处于累积;凋落物源无机N会被大量消耗,后期难以得到保留。凋落物叶和枝添加,对土壤N的影响略有差异,但均显著影响土壤DON的含量及动态变化;与叶凋落物相比,枝凋落物释放到土壤中的DON和矿化N的速度更加缓慢。土壤DON的形成、转运和转化,在反映不同演替阶段森林土壤N循环、凋落物N的利用策略以及N的有效性方面具有重要的表征作用;(4)为期1年的15N标记凋落物原位土柱试验表明,土壤DON中仅有1.8%源自标记凋落物,而98.2%的土壤DON源于原有土壤N;外源凋落物添加,初期(2个月)加速了土壤原有DON的分解,后期则提高土壤DON;土壤表层(0-5 cm),源自凋落物的土壤DON和全N的比例显著高于底部土壤(0-5 cm、10-20 cm);(5)原状土柱淋溶试验表明,外源凋落物DON的不断输入会直接引起DON的淋溶损失,同时短期内加速土壤硝化作用,更多的N以NO3--N的形式流失;随淋溶次数的不断增加,渗滤液N组分中DON所占比持续增加;外源凋落物是渗滤液DON的主要来源。综上,土壤DON库的大小和转化随着森林演替阶段的变化而发生着显著变化,DON与森林凋落物、土壤理化性质、土壤微生物和酶活性密切相关。森林凋落物是土壤DON最重要来源之一,但短期内对其贡献很小甚至加速土壤DON的矿化和转化,长期则维持土壤DON较高含量。凋落物DON的输入影响土壤原有DON且直接影响土壤DON的渗滤流失。土壤DON是反映土壤生境和养分状况的重要表征,并在其中扮演十分重要的角色。
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