不同碳输入对土壤氮矿化的影响

1、不同碳输入对土壤氮矿化的影响 氮素是植物需求量最大的营养元素，同样也是植物生长发育必须的元素。在土壤中的氮素99%以上都以有机形式的氮存在，而这种形式的氮素不能直接被植物吸收，需要经过微生物的矿化作用将其转化为有效态的氮。氮矿化速率决定了土壤中用于植物生长的氮素的可利用性，是森林生态系统氮素循环最重要的过程之一。研究森林土壤中nh4+-n、no3-n的矿化速率及影响其矿化作用的因素对于了解森林生态系统生产力、氮素的循环与转化具有重要的意义1。 近年来，国际和国内对氮矿化的研究逐步深入，包括不同因素对土壤氮矿化的影响、土壤之间氮矿化的作用2-4、森林群落的氮矿化速率及其影响因子5-8、土壤氮矿化

2、对气候变化的响应9-10等。尽管已经开展了大量研究，但到目前为止对土壤氮矿化动态仍然存在许多认识上的不足，特别是不同生态系统中，对于氮矿化作用的影响因素还未形成一致的结论2,11-12。在中国，对土壤氮矿化也进行了较为广泛的研究，但对亚热带森林生态系统土壤氮矿化的研究还不多，尤其是对针阔叶混交林群落土壤的氮矿化作用鲜见报道。针阔叶混交林的生态功能较为丰富13，不仅能改善森林的生态环境，调节林内温度，还能够降低蒸发强度，提高林内的相对湿度，减小林内风速，改善土壤n、p及有机质的含量14-15。因此，本研究以马尾松樟树混交林为研究对象，通过树脂芯法16在原位测定氮矿化的速率，并且在测定结果的基础上

3、分析关键的环境要素与土壤氮矿化速率的关系，揭示土壤氮素矿化特征，认识针阔混交林生态系统土壤氮循环的机制，以期为亚热带不同森林生态系统碳氮循环机制研究提供重要的参考资料。 1材料与方法 1.1研究地概况 试验样地位于湖南省森林植物园，113度02′113度01′e，28度06′28度07′n，海拔46114m，坡度5度25度，核心区面积约4356hm2。年平均气温17.2，1月最冷，平均4.7，极端最低温度-11.3；7月最热，平均气温29.4，极端最高气温40.6；无霜期为270300d，日照时数年均1677.1h

4、；雨量充沛，年平均降水量1422mm，属典型的亚热带湿润季风气候。其地层主要是第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾，属典型红壤丘陵区。园内植物种类多达2200余种，且小生境众多，植被以人工次生林为主。 1.2试验材料 选择树龄相同或相近的马尾松和樟树人工混交林作为研究对象，林内8:00平均气温为27.64，地下5cm土壤平均温度26.8，最高与最低5cm土壤温度相差4，湿度变化幅度3%。试验处于湖南雨热同期的7、8月份，试验样地的土壤温度和湿度是一年中最高的时期。林内土壤理化性质见表1。其主要成分为以马尾松pinusmassonsiana和樟树cinnamomumcamphora为主，林下植被有

5、青冈cyclobalanopsisglauca、大青cleredendrumcwtophyllum、白栎quercusfabri、山矾symplocoscaudate、苦槠castanopsissclerophylla、毛泡桐paulowwniatomentosa等；草本植物有淡竹叶lophatherumsinense、鸡矢藤paederiascandens、酢浆草iculata、商陆phytolaccaacinosa和肾蕨nephrolepisauriculata等。 1.3研究方法 1.3.1样地设置 2010年7月初，在森林植物园内选取樟树马尾松人工混交林群落，分别设置添加凋落物(lar

6、)、去除凋落物(lrr)、去根添加凋落物(lanr)、去根(cnr)、去根去除凋落物(lrnr)5种处理和对照(cr)，每种处理设置3个小区，共18个小区，每个小区大小为3mx4m，小区间距15m。（1）添加凋落物的处理：收集去除凋落物处理的网中枯落物均匀撒在12m2的范围内，以后每月将周围凋落物收集网收集的凋落物等面积均匀撒在添加处理的范围内。（2）去除凋落物处理：取12m2的样方，清除样方内的凋落物，并在上方设置3mx4m的网用来收集凋落物，为了防止凋落物进入该处理的范围内，网距离地面的高度设为0.5m。（3）去根处理：在12m2的样方周围挖壕深至植物根系分布层以下（约0.5m），然后用厚

7、塑料膜插入壕沟内隔离小样方周围的根系，以阻止根系进入小样方，再小心除去小样方内的所有活体植物，尽量保持原状土壤表层。（4）去根添加凋落物处理：在12m2的样方周围挖壕深至植物根系分布层以下（约0.5m），然后用厚塑料膜插入壕沟内隔离小样方周围的根系，以阻止根系进入小样方，再小心除去小样方内的所有活体植物，收集去根去除凋落物处理的网中的枯落物均匀撒在12m2样方内。之后，每月将周围凋落物收集网收集的凋落物等面积均匀撒在去根添加处理的范围内。（5）去根去除凋落物处理：在12m2的样方周围挖壕深至植物根系分布层以下（约0.5m），然后用厚塑料膜插入壕沟内隔离小样方周围的根系，以阻止根系进入小样方，再

8、小心除去小样方内的所有活体植物，清除样方内的凋落物，并在上方设置3mx4m的网用来收集凋落物。（6）有根处理：即为对照，不做处理。 1.3.2试验方法 采用树脂芯法原位测定土壤中的nh4+-n、no3-n含量及净氮矿化速率和净硝化速率。树脂芯方法的试验装置包括：装有3g阴离子交换树脂（氯型，强碱性，上海汇脂树脂厂717#树脂）的尼龙网袋（70目）、pvc管（内径4.0cm，高15cm）、中部有小孔的石膏塞（厚度约0.4cm）和2张滤纸。在每1个样方采样时，首先去除地表凋落物，用2支pvc管，2只管子需同时打入地下土层，将其中的1支取出，装入封口袋带回实验室，测定土壤含水率、nh4+-n和no3

9、-n，其结果作为初始值。将另1支pvc管取出，尽量不破坏土壤的结构，用螺丝刀去除底部约2cm厚的土壤。在腾出的空间中放入1张滤纸，防止树脂袋与土壤的直接接触，然后放入阴离子交换树脂袋，再放置1张滤纸，最后放置石膏垫，石膏垫被放置在树脂袋下部是为了避免pvc管下方土壤溶液中的no3-n被树脂交换吸附，并且石膏塞上的孔也能确保土壤溶液的及时排出。将pvc管装有药品的一头向下，小心地放入原处进行野外培养，共放置18个pvc管，培养30d。 1.3.3测试项目及方法#p#分页标题#e# 土壤nh4+-n用2mol/lkcl浸提-蒸馏法测定；土壤no3-n用酚二磺酸比色法,采用7220型分光光度计测定；

10、阴离子交换树脂吸附的no3-n用1.5mol/l的硫酸提取，no3-n含量采用酚二磺酸比色法测定。野外试验前对树脂吸附no3-n能力的测定结果表明，该树脂能够吸附95%的no3-n。 1.3.4计算与分析 计算公式见式（1）和式（2）。cn=(ca铵+ca硝+ce硝)-(cb铵+cb硝)；(1)rn=(ca铵+ca硝+ce硝)-(cb铵+cb硝)/t。(2)式中：cn表示土壤净氮矿化量；ca铵表示培养后铵态氮量；ca硝表示培养后的硝态氮量；ce硝表示树脂吸附的硝态氮量；cb铵表示培养前铵态氮量；cb硝表示培养前的硝态氮量；rn表示土壤净氮矿化速率；t表示培养时间。 1.3.5统计分析 数据统计

11、采用单因子方差分析，进行不同处理条件下净氮矿化量和净氮矿化速率的比较，分析软件和作图工具分别采用spss13.0和excel2003。 2结果与分析 2.1土壤有效氮含量 添加和去除凋落物处理土壤中有效氮含量（见图1）的差异显著(p对照>去除凋落物。在对照、添加凋落物的情况下有效氮含量表现为：有根处理>去根处理，但是在去除凋落物的情况下则相反，表现为去根处理>有根处理，这可能是因为去根处理的土壤中仍然残留了部分未分解的细根，增加了土壤的有机质含量，且有根处理样地植物根系增加了有效氮的消耗。 2.2培养前后nh4+-n、no3-n含量的变化 樟树马尾松混交林中，培养前后添加凋落

12、物、去根添加凋落物和对照的no3-n含量差异显著（p添加凋落物(2.73mg/kg)>去根添加凋落物(1.30mg/kg)>去根(0.96mg/kg)>去除凋落物(0.75mg/kg)>去根去除凋落物(-0.05mg/kg)；no3-n含量增加，增加量分别为添加凋落物(14.83mg/kg)>去根添加凋落物(7.32mg/kg)>对照(4.96mg/kg)>去根(1.93mg/kg)>去除凋落物(0.28mg/kg)>去根去除凋落物(-0.68mg/kg)。nh4+-n、no3-n含量添加凋落物处理变化较大，说明碳输入对土壤氮矿化有促进作用

13、，硝化作用加强。去除凋落物处理后变化趋势较小，且去根去除掉落物与另外4种处理变化趋势相反，可能是由于除去碳输入，微生物养分缺失，使微生物数量减少，氮矿化作用不明显。培养结束后，土壤nh4+-n含量大于no3-n含量，仍然是无机氮的主要存在形式。 2.3净氮矿化量和净氮矿化速率 添加凋落物、去根添加凋落物、去根、去除凋落物、去根去除凋落物5种处理和对照的累计净氮矿化量分别为12.10、6.03、0.96、-0.46、-0.63、0.89mg/kg。去除凋落物和去根去除凋落物2种情况出现负值说明部分无机氮以气体形式散失，由反硝化作用引起的氮损失可能是导致净氮矿化量和净氮矿化速率出现负值的主要原因。

14、经过30d的培养累计净氮矿化速率为添加凋落物(0.403mgkg-1d-1)>去根添加凋落物(0.201mgkg-1d-1)>去根(0.032mgkg-1d-1)>对照(0.030mgkg-1d-1)>去除凋落物(-0.015mgkg-1d-1)>去根去除凋落(-0.021mgkg-1d-1)。 3结论与讨论 培养前后土壤中的nh4+-n含量除添加凋落物处理外均大于no3-n含量，说明nh4+-n仍然是无机氮的重要存在形式。有凋落物的4种情况均表现出硝化作用，nh4+-n向no3-n转化，但不同处理方式转化的速率不同，有根和去根的情况下均表现为添加凋落物>对

15、照。这主要是因为对凋落物的不同处理影响了分解凋落物向土壤中的养分释放，进而改变土壤养分的可利用性。添加凋落物可以增加凋落物层的细菌和真菌的总生物量，去除凋落物可以减少真菌总生物量17。微生物的数量直接决定了硝化作用的强度。添加和去除凋落物能够改变凋落物层，影响土壤微生物群落，进而影响土壤中的氮含量。 3种凋落物处理的情况下净铵化量和净硝化量均表现为：有根土壤>去根土壤，表明根对土壤氮矿化作用有一定影响，这可能是由根际碳沉积对土壤微生物的影响造成的。根际沉积18在植物根际碳消耗中占有相当大的比重，根分泌物作为信号物质，能够在微生物与植物根系之间建立一种均衡关系，同时，也是根际微生物有机营养物质的重要来源。研究表明不同植物种类或同种植物在不同发育阶段，其根系分泌物在组分和量上均有一定差异，且不同组分对根际微生物的生态效应亦不同19。许多微生物的数量与根际分泌物的积累呈正相关。例如，在小麦的生长发育过程中，随着根系分泌物的增加，根