氮添加对落叶松林凋落叶产量、分解和土壤碳动态的影响

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人类活动显著增加了大气氮(N)沉降速率,而增加的N沉降能够潜在改变输入到森林土壤中的叶片凋落物产量及其化学质量。凋落物生产及其化学性质的变化可以通过改变土壤微环境、化学性质以及微生物群落的底物(基质)可利用性反过来影响凋落物分解过程,从而影响养分释放速率和土壤碳(C)的形成。为评估落叶松林(Larix gmelinii Rupr.)对长期大气N沉降增加的响应,2002年于东北帽儿山实验林场(127°30′-127°34′E,45°21′-45°25′N)落叶松人工林建立一个长期施N肥样地,林分为1986年种植的2年生落叶松幼苗。该样地为我们评估大气N沉降增加背景下,凋落物质量、数量及土壤化学性质和微环境的变化对落叶松林叶片凋落物分解和土壤有机碳形成的影响提供了理想的实验平台。2012年10月末,于施N和对照样地,分别收集当年自然凋落的落叶松叶片,用于测定C、N、P、木质素、纤维素、半纤维素和总酚含量,以评估N添加对凋落物化学性质和化学通量的影响。长期N添加对落叶松叶片凋落物的化学性质改变较小,但长期N添加引起的凋落物量的显著增加,可能导致输入到土壤的C、N、木质素、纤维素和总酚通量的显著增加。  2012年11月初,以人工林长期施N与对照样地自然凋落的落叶松叶片为研究对象,开展了长达723天的野外分解试验。该实验主要探讨两部分内容,一是检验N添加对落叶松叶片凋落物的分解速率和养分释放的影响;二是评估N输入到土壤如何与凋落物自身性质和微环境的变化共同控制分解速率。我们发现,N添加显著改变了凋落物分解速率。具体的,N添加促进来自施N样地叶片凋落物(LN)分解(k,26.1%),但是对来自对照样地叶片凋落物(LCK)分解速率无显著影响。LN和LCK的分解速率无显著差异。落叶松叶片凋落物在整个分解时期都表现出N固持。氮添加促进叶片凋落物N富集,且这种现象在LCK中表现更为明显。另一方面,我们发现,凋落物能够通过微环境的差异调整凋落物分解对N的响应。如,在N添加条件下,LN在CK sites的k下降约8%,在N sites降低约5%;而LCK在CK sites的k降低约12%,在N sites无显著变化。N添加改变了植物与土壤的长期适应关系。即,在对照处理条件下,凋落物分解速率在本地(in situ)分解快于异地(ex situ)分解;而N添加处理则削弱了这种本地分解的“轻微优势”。  为评估全球大气N沉降增加背景下,凋落物数量的改变对我国东北落叶松叶片凋落物分解、土壤C输入与C排放的影响,我们采用裂区实验设计进行了一个270天的室内培养试验。研究发现,尽管土壤微生物量碳(MBC)和可溶性无机氮(DIN)浓度随凋落物输入量的增加而降低,但增加的凋落物输入显著促进了凋落物分解和CO2释放;随着凋落物输入量的增加,来自两样地凋落物通过分解平均损失的C从0.18g增加到0.78 g,通过呼吸引起的累积C损失从0.59g到0.82 g;而呼吸引起的C输出与凋落物分解产生的C输入比值从3.34降低到1.06;来自N添加处理样地的土壤和凋落物被培养后,CO2释放减少17%,这是因为N添加处理降低了土壤MBC和DIN含量。  以上研究结果表明,外源N添加促进凋落物分解,其潜在机制是N供应满足了微生物对N的需求。内源N不是控制落叶松凋落物分解的主要因素,可能与凋落叶中内源N含量相差较小有关。N添加能够干扰植物与土壤之间形成的长期稳定的相互关系,进而调节凋落物分解过程。尽管凋落物分解速率和CO2释放速率均随叶片凋落物输入量的增加而增大,但增加的凋落物输入对土壤有机C分解有潜在的抑制作用,且在N添加处理样地的作用更强烈。
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