施氮对不同类型落叶松人工林土壤碳激发和碳平衡的影响

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施肥是森林经营管理的重要措施之一,它通过改变森林生态系统地上与地下碳输入及土壤微生物活性而影响碳循环。尽管近些年的研究认为,施氮可引起土壤碳激发效应发生变化,并进而影响土壤碳平衡与碳累积,但其影响规律及机制还不明确。为了探究施氮是如何影响森林土壤碳激发效应,以及施氮是否会通过影响碳激发效而改变土壤碳平衡的大小与方向,本研究选择中国东北地区长期施氮肥的长白落叶松纯林(Larix olgensis)与水曲柳(Fraxinus mandshurica)和落叶松混交林为研究对象,模拟树木根际土壤碳输入,采用半连续添加底物的方法,向三种施氮梯度的土壤添加13C标记的葡萄糖,进行了为期四周的室内培养试验。通过对土壤碳激发效应、氮激发效应、微生物生长速率和群落组成以及土壤酶活性变化的分析,得到如下结果:(1)在落叶松纯林与水落混交林土壤中,半连续添加葡萄糖均导致了持续且稳定的土壤碳激发效应。在每次添加葡萄糖后,碳激发效应均首先表现为负激发,随后则逐渐增加,形成一个不断循环的过程。土壤碳激发效应的动态变化与葡萄糖矿化呈显著负相关关系(P<0.05),表明“底物优先利用”是导致本研究土壤碳激发效应产生规律性变化的主要机制。添加葡萄糖诱导的土壤氮激发效应随时间而逐渐增强,并整体高于土壤碳激发效应。施氮降低了土壤碳激发与氮激发效应,导致土壤碳负激发效应的产生。其中,土壤累积碳激发在纯林与混交林高氮处理中分别为-7%与-16%。这说明易分解有机碳的输入刺激微生物优先利用含氮丰富的土壤有机质,从而导致激发效应的产生,表明“微生物选择性氮矿化”是本研究土壤碳激发效应产生的主要机制。(2)在纯林和混交林中,易分解有机碳诱导的土壤碳激发效应与微生物群落组成的交替变化并无明显关系,但与细菌和真菌的持续生长密切相关。其中,土壤细菌整体的增长速率随时间增加而逐渐增强,该变化趋势与土壤氮激发效应相一致,说明细菌生长在微生物氮矿化过程中具有关键作用。与施氮处理相比,在落叶松纯林未施肥的对照土壤,葡萄糖的添加刺激了细菌更强烈的生长,从而产生更高的碳激发效应。然而,在水落混交林未施肥的对照土壤,葡萄糖的添加刺激了真菌更强烈的生长,从而导致了更高的土壤碳激发效应。这说明施氮对土壤碳激发效应的影响与不同林分土壤的原土著微生物组成密切相关。此外,葡萄糖的输入显著刺激了未施氮土壤氮分解酶LAP的活性(P<0.05)。这些结果表明半连续添加易分解有机碳会通过刺激微生物生长对氮的需求,产生“氮矿化”,从而导致土壤碳激发效应。(3)在纯林与混交林中,施氮均增加了土壤碳矿化与氮矿化之间的比值。同时,在添加葡萄糖初期,两种林分的土壤碳矿化与氮矿化之间均发生短暂的解耦,但随着葡萄糖的不断输入,土壤碳矿化与氮矿化之间会重新建立耦合关系,从而达到新的平衡状态,且该耦合关系随时间增加而保持稳定。(4)在两种林分中,易分解有机碳的输入促进了土壤碳累积,且碳累积随葡萄糖的不断供应而逐渐增加。同时,建立混交林显著降低了土壤碳损失,增加了土壤碳固定。施氮对土壤碳平衡的影响因林分类型而产生差异,表现为施氮处理增加了落叶松纯林土壤的碳累积,但降低了水落混交林土壤的碳累积。此外,与施氮处理土壤相比,尽管葡萄糖的添加促进了未施肥对照土壤的净碳释放,但却增加了土壤碳含量。这可能是由于在未施肥土壤中,有更多的微生物残留物或剩余葡萄糖碳固定在土壤有机质中,从而促进了土壤碳累积。综上所述,在本研究的落叶松纯林和水落混交林土壤中,半连续的易分解有机碳的输入会通过促进微生物生长及其对氮的获取,从而产生持续的碳激发效应。然而,施氮与营造混交林会通过降低微生物对土壤氮的矿化,减少土壤碳激发效应,抑制土壤碳释放。尽管连续的碳输入诱导了森林土壤碳激发效应,但底物剩余碳量与微生物残体的不断累积会增加土壤碳平衡值,促进土壤碳固定,从而提高土壤碳储量。
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