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随着工业化进展加快和农业集约化程度的提高,氮沉降愈来愈呈现出全球化的趋势,除了欧洲和北美,世界范围内的其他地区(如亚洲和拉丁美洲)氮沉降量也迅速增加。氮沉降全球化的潜在后果之一就是改变森林生态系统原有的氮循环模式和进程。在工业发达的欧洲和北美,高氮沉降已严重威胁到了森林生态系统的健康,如土壤酸化、营养失衡、生产力降低、森林衰退等,并引起了广泛关注。关于氮沉降对森林生态系统影响及其机理的研究已成为当前全球生态学研究的热点内容之一。然而,国际上关于氮沉降对森林植物影响的研究绝大多数集中在温带地区,对热带、亚热带地区森林植物影响的报道极少。由于缺乏热带和亚热带森林植物的研究,目前还没法知道氮沉降如何影响热带、亚热带森林植物的生长,以及氮沉降是否威胁到了森林生态系统的健康。目前我国已成为世界上仅次于欧洲和美国的第三大氮沉降区,而且随着工农业的发展,氮沉降量还会继续增加。因此在我国南亚热带开展氮沉降对森林植物影响的研究具有重要意义。
本研究选取了鼎湖山国家级自然保护区三个代表性的南亚热带森林类型一季风常绿阔叶林(阔叶林)、马尾松针叶和阔叶混交林(混交林)和针叶林,在其中建立了试验样地,并于2003年7月进行了模拟氮沉降增加试验。本研究以森林植物为研究对象,从土壤元素化学、植物元素化学、主要植物氮代谢与光合生理、植物多样性以及植物生物量和生产力的角度较系统地研究了氮沉降对南热带森林植物的影响。实验所取得的结果显示:
1.氮沉降改变了森林土壤化学性质:即氮沉降显著增加了氮的积累(特别是在阔叶林),加剧了土壤酸化进程,降低了阔叶林和针叶林土壤有效磷含量,以及降低了阔叶林土壤可交换阳离子K+、Ca2+和Mg2+的含量和增加了Al3+的含量。
2.氮沉降改变了森林植物元素化学组成:即氮沉降增加引起植物体内氮累积,氮丰富的阔叶林里的植物更易产生营养失衡,如增大“N/盐基离子”比值和降低“Ca/Al”比值,其中林下层植物对氮沉降的响应更为敏感;此外处于演替中期阶段的混交林马尾松也容易产生营养失衡。
3.氮沉降改变植物氮代谢进程,导致了有机氮(可溶性蛋白质、游离氨基酸和色素)在植物体内不同程度的积累,其中针叶林和混交林植物增加尤为明显,而高氮沉降抑制了阔叶林植物有机氮的积累。氨基酸的积累状况可以很好的指示大气氮沉降水平。
4.高氮沉降抑制阔叶林林下层三种植物光叶山黄皮、黄果厚壳桂和厚壳桂净光合速率的增加。
5.氮沉降影响到了森林植物多样性:三个森林的乔木层和灌木层植物多样性对短期(3年)氮沉降增加的响应不敏感,但是在低氮状态的混交林和针叶林,随着施氮年度的增加,乔木层和灌木层植物个体数和丰富度有一定的增加趋势;阔叶林草本层植物多样性对氮沉降处理的响应极为敏感,高氮沉降明显降低了该层的植物多样性。
6.氮沉降影响到了植物生物量和生产力:在氮丰富的阔叶林,氮沉降增加抑制了森林植物生物量和生产力的增加,特别是草本层,氮沉降的增加大大降低了该层植物生物量;在低氮状态的混交林和针叶林,氮沉降在一定程度上有利于增加其生物量和生产力。
以上结果表明,南亚热带森林植物对氮沉降的响应依赖于生态系统的氮状态、土地利用历史、氮沉降水平等。高氮状态的阔叶林更容易受到氮沉降的威胁;而受过人为严重干扰的、低氮状态的混交林和针叶林在短期氮沉降下还未表现任何出负面效应,适量的氮沉降在一定时期内仍有利于其系统的发展。