黄土丘陵区刺槐林土壤有机碳对氮添加的季节响应机制

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人工林土壤有机碳库作为陆地循环系统中最活跃的碳库,被认为是具有巨大能力和潜力缓解全球大气CO2温室效应的碳汇。因此,人工植被恢复土壤固碳效应及机制已成为当前土壤和全球变化研究的热点问题。氮作为影响土壤碳库分解和累积的耦合因子,成为认知土壤碳库响应生态措施变化重要机制,特别是前所未有的氮沉降水平可能通过影响植被系统的碳输入、土壤微生物活动从而深刻影响着土壤碳循环过程。鉴于此,本研究选择在黄土丘陵区典型人工刺槐林生态系统,模拟探究了不同氮沉降水平(0、1.5、3、6和12g N m-2 yr-1)下土壤碳组分的季节性变化特征。并结合土壤环境因子、土壤氮磷养分含量及计量比、及土壤微生物和酶活性,分析施氮后土壤碳组分与施氮水平及土壤因子的响应关系,以期为认知和预测氮沉降影响人工林土壤碳库的过程与机制提供科学依据。主要结果如下:(1)氮添加对土壤有机碳库的影响存在季节差异SOC、LOC和ROC变化范围分别为4.20 g/kg-8.59 g/kg,0.48 g/kg-2.90 g/kg,和1.94 g/kg-6.77 g/kg。和对照相比,在春季和夏季,施氮降低了SOC,降低范围为19.86%至34.10%;而在秋季和冬季,施氮促进了SOC,增加范围为28.06%至74.16%。对于土壤碳组分,施氮在夏季显著降低了LOC和ROC,而在秋季显著增加了LOC和ROC。但是在一整年间,所有处理中SOC均显著增加,并随施氮量的增加而呈现出先增加后降低的趋势;所有处理中ROC显著增加,而对照及低氮处理中LOC发生了显著消耗。(2)氮添加促进了速效氮磷含量的增加,刺激了微生物生物量碳的增长施氮对于土壤环境因子(温度、含水量)没有显著影响。DON仅在春季、夏季和秋季显著增加(18.01%-266.77%),而在冬季无显著变化。但在所有季节中,施氮均显著增加了硝态氮含量(44.28%-322.25%)和DON:AP(38.15%-176.42%)。施氮均显著增加了MBC,增加范围为20.84%-227.39%,而对于MBN和MBP的影响却不一致。施氮后,MBN在春季显著下降(54.98%-52.20%),夏季显著增加(62.93%-116.37%),秋季则无影响。施氮后,BG,ln(BG):ln(NAG+LAP)及HY:MBC在春季和冬季显著增加,而在夏季和秋季显著降低;PO在春季和秋季显著增加,而在夏季和冬季无显著影响。(3)土壤微生物与环境养分间的交互作用是土壤碳组分变化的主导因子方差分解结果显示土壤环境因子、土壤养分含量及计量比单独对于施氮后土壤碳组分的方差变异解释率均不足1%,并且这二者之间没有显著的交互作用。但是土壤养分含量及计量比同微生物之间存在显著的交互作用,对碳组分的方差变异的解释率均大于35%。土壤环境因子与微生物之间交互作用的解释率范围为2.5%-17%。上述结果表明施氮后土壤可利用性氮含量的增加促进了微生物生物量的增加,但是不同季节下土壤微生物的碳需求及获取方式不同造成了土壤碳组分对施氮的不同响应。
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