长期氮添加对鼎湖山森林主要营养元素输入与输出通量的影响

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近几十年来,人类活动导致地持续增长的氮沉降对陆地生态系统造成了许多负面影响如:酸化土壤,损耗土壤盐基离子库,改变物种间的竞争平衡,降低陆地生态系统的生物多样性。  生态系统各个过程都直接或间接地受营养元素有效性的控制,如:磷的可利用性对微生物活性的影响,而营养元素的输入与输出通量可以极大的影响营养元素的有效性。另一方面,大量的研究表明氮沉降通过其施肥效应和酸化效应对营养元素的循环造成了极大的影响。因此研究氮添加对主要营养元素输入与输出通量的影响对于了解氮沉降背景下营养元素的循环和生态系统的管理具有重要的意义。  本研究以鼎湖山国家级自然保护区阔叶林,混交林和针叶林为研究对象。在自然状况下研究了:1)鼎湖山阔叶林,混交林和针叶林当前主要营养元素[氮(N)、钾(K+)、钠(Na+)、钙(Ca2+)、镁(Mg2+)、磷(P)、硫(S)]输入与输出状况;在人为模拟氮沉降的情况下研究了:2)氮添加对鼎湖山阔叶林,混交林和针叶林主要营养元素输入与输出通量的影响。  长期氮添加实验样地建立于2002年10月,并于2003年7月开始氮添加实验。样地设置如下:阔叶林、混交林、马尾松林样地分别设置12、9和9个氮处理样方(10×20m)。阔叶林有4个氮处理,为对照(Control)、低氮(Low N)、中氮(Medium N)、高氮(High N),分别在样地喷施硝酸铵(NH4NO3)0,50,100,150kg N ha-1yr-1。混交林和马尾松林各仅有3个氮处理,为对照、低氮、中氮。每个处理均设置3个重复。在阔叶林设置高氮处理是为了在更短的时间内使生态系统达到氮饱和(假设未达到氮饱和),以揭示生态系统氮饱和特征。在每月月初根据氮处理水平,将每样方每次要喷施的NH4NO3溶解在20L水中(年增水量1.2mm yr-1),以背式喷雾器来回均匀喷洒在林地,对照样方则喷洒同样多的水。  通过为期两年(2014年8月至2016年7月)的研究得到以下结果:针叶林穿透雨无机氮输入量显著高于阔叶林和混交林,混交林无机氮输出量显著低于阔叶林和针叶林;鼎湖山三森林土壤和土壤溶液pH值都相对较低,其中以阔叶林为最低;鼎湖山森林土壤交换性Al3+和土壤溶液Al3+浓度都相对较高,其中以阔叶林为最高;鼎湖山土壤交换性Fe3+浓度以及20cm土壤水Fe3+浓度都相对较低并显著低于相应的Al3+浓度,鼎湖山三森林土壤的酸化主要以Al3+的溶出来缓冲;鼎湖山森林磷循环和其他热带森林一样都是封闭式的循环;鼎湖山三森林SO42-输入量大于输出量,SO42-净截留;阔叶林0-10cm层土壤发生了SO42-的解吸,土壤水溶性SO42-含量随着时间梯度而降低;穿透雨中含有较高的DOC浓度,三森林地表水在各溶液类型中具有最高的DOC浓度。  氮添加促进了鼎湖山三森林无机氮的淋溶流失;氮添加降低了阔叶林的土壤pH值,促进了阔叶林土壤的酸化,但氮添加没有改变针叶林和混交林的土壤pH值;氮添加显著降低了阔叶林和针叶林20cm土壤水的pH值,促进了阔叶林和针叶林土壤溶液的酸化;氮添加显著增加了阔叶林20cm土壤水Al3+浓度;氮添加显著降低了鼎湖山三森林穿透雨中钙的通量,但氮添加没有改变三森林穿透雨,地表水,土壤水钠、镁、钾浓度与通量以及土壤交换性盐基离子含量,这一研究结果与短期氮添加促进阔叶林盐基离子的淋溶并降低土壤交换性盐基离子含量的研究结果不一致。氮添加显著降低了鼎湖山三森林穿透雨中磷的浓度和通量,氮添加没有改变鼎湖山三森林土壤磷的淋溶;氮添加显著增加了阔叶林土壤SO42-含量并显著降低了阔叶林SO42-的淋溶,但氮添加并没有改变针叶林和混交林SO42-的淋溶。氮添加降低了阔叶林地表水DOC浓度和通量,但氮添加并没有改变三森林DOC的淋溶,与短期氮添加抑制阔叶林DOC淋溶的结果不一致。  综合来看,氮添加显著改变了鼎湖山三森林主要营养元素的输入与输出通量,尤其对阔叶林的营养元素的淋溶的影响最为明显,可能与阔叶林较高的氮状态,较低的土壤pH值有关。长期氮添加对阔叶林主要营养元素淋溶的影响与短期氮添加对阔叶林主要营养元素淋溶的影响存在着较大的差异,可能与生态系统适应以及较高的背景氮沉降量有关。
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