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外源氮输入对东北不同类型冻土区沼泽湿地土壤碳蓄积的影响

作　者: 李英臣
导　师: 宋长春
学　校: 中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所）
专　业: 环境科学
关键词: 氮可利用性变化 枯落物分解 有机碳矿化 N2O排放 不同冻土区沼泽湿地
分类号: S714
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


氮素是大气圈中含量最丰富的元素，同时也是陆地生态系统植物进行光合作用不可或缺的元素之一。全球变暖已经成为一个不争的事实，而北方高纬度地区对气候变化的响应最为敏感。气候变暖将使北方多年冻土区冻土融化，活性层加深，将改变土壤氮可利用性及碳蓄积。因此本论文在我国东北不同类型冻土区选择典型性样地，运用空间代替时间的方法研究不同冻土区土壤氮可利用性变化特征，枯落物分解及元素释放特征，以及不同氮可利用性变化对有机碳矿化、枯落物分解和N2O释放的影响，为预测全球变化背景下我国北方沼泽湿地土壤氮可利用性变化特征及其对土壤和枯落物碳氮活性的影响提供基础资料。主要得到以下研究结论：不同冻土区湿地土壤全氮含量从连续多年冻土区至季节性冻土区湿地呈明显的降低趋势，土壤氨氮含量、硝氮含量、土壤微生物量氮（MBN）含量都有明显的季节变化；不同冻土区湿地土壤剖面铵态氮，硝态氮，溶解性有机氮含量都有随剖面深度加深而降低，但是不同冻土区和不同形态氮变化趋势有所差异。连续多年冻土区湿地土壤各氮组分含量平均值均高于岛状多年冻土区湿地和季节性冻土区湿地。不同冻土区湿地土壤净矿化、净硝化速率均呈现明显的季节变化特征，净矿化速率都在生长季初期和中期出现正值，而在生长季末期出现负值，随着纬度的升高，净矿化速率出现负值的时间有所提前。总之，土壤氮可利用性在多年冻土区湿地较高，但是由于寒冷干燥的气候条件，使土壤氮的利用效率较低。在未来气候变暖的趋势下，温度升高对连续多年冻土区湿地作用更加剧烈。不同冻土区湿地土壤有机碳含量差异显著，连续多年冻土区泥炭沼泽高于岛状多年冻土区沼泽湿地和季节性冻土区冻土区沼泽湿地。土壤微生物量碳（MBC）含量的空间时间变异性比较大，与温度和湿地类型都有一定的相关性；各不同冻土区土壤微生物量碳含量都随剖面深度增加而逐渐降低。连续多年冻土区土壤剖面可溶性有机碳（DOC）含量高于岛状多年冻土区湿地和季节性冻土区小叶章湿地，随深度的增加差异逐渐减小。通过对不同冻土区湿地土壤氮输入研究表明，土壤有机碳矿化速率和累积矿化量与初始的土壤有机碳，全氮含量和微生物量碳含量呈显著相关关系，表明有机碳矿化受初始理化性质和微生物群落组成的影响；氮输入对不同冻土区土壤有机碳矿化产生抑制作用，随氮输入量的增大，对不同土壤抑制作用有所差异。培养结束后有机碳累积矿化量与MBN及MBC/MBN有明显的相关关系，表明氮输入可能通过改变土壤微生物群落的结构或组成对有机碳矿化产生影响。基于连续多年冻土区氮输入对不同深度土壤有机碳矿化实验，结果表明土壤有机碳矿化随土层深度增加而降低，原因可能与不同层次土壤质量有关。土壤含水量，pH值和全磷含量与土壤有机碳矿化有明显的相关性，但是土壤有机碳含量和全氮含量与土壤有机碳矿化的相关性不明显。研究结果表明，在北方泥炭地，土壤全碳或者全氮含量可能不是影响土壤有机碳矿化的主要原因，磷或许是影响有机碳矿化的关键因素。氮输入对表层（0-30cm）土壤无影响或有促进作用，对深层（30-100cm）土壤有抑制作用，随氮输入量增大作用增强。结果表明氮输入对有机碳矿化的促进和抑制作用可能同时存在，具体表现出促进或者抑制作用可能与碳基质质量有关。运用分解袋法研究不同冻土区枯落物分解，结果表明季节性冻土区地表残余物分解速率明显高于岛状多年冻土区和连续多年冻土区湿地地表残余物。培养结束后，季节性冻土区小叶章枯落物碳残留率明显低于其它几种枯落物，季节性冻土区毛苔草地表残余物和连续多年冻土区地表残余物净碳残留率差异不明显，但都低于岛状多年冻土区臌囊苔草湿地地表残余物；几种枯落物净氮残留率随分解时间变异很大，但总体几种枯落物之间差异不明显；枯落物磷残留率四种枯落物差异明显，试验结束后净磷残留率从低到高顺序为季节性冻土区毛苔草湿地，季节性冻土区小叶章湿地，连续多年冻土区湿地，岛状多年冻土区湿地。表明积水条件有利于湿地碳蓄积，但是加速磷释放；温度升高则会增加枯落物碳释放。在未来全球变暖背景下，冻土退化而导致的湿地变干将不利于碳蓄积。羊胡子草枯落物在不同冻土区分解实验表明，羊胡子草枯落物在不同冻土区分解速率差异达到极显著水平（p<0.001），表明环境条件对枯落物分解意义重大。羊胡子草枯落物净碳残留率和枯落物分解质量残留率的变化趋势基本一致，连续多年冻土区枯落物净碳残留率高于岛状多年冻土区和季节性冻土区；净氮残留率与枯落物分解在三个实验点呈现相反的趋势,季节性冻土区明显高于岛状多年冻土区和连续多年冻土区；羊胡子草枯落物磷残留率变化趋势基本一致，连续多年冻土区湿地，岛状多年冻土区湿地和季节性冻土区湿地羊胡子草枯落物磷残留率分别为89.8%，108.9%和124.2%。氮输入对不同冻土区残余物分解实验发现，氮输入对不同冻土区残余物分解都有一定程度的抑制作用，且随氮输入量的增加抑制作用有所增强，但是对不同冻土区地表残余物的抑制作用有所不同。培养结束后氮输入增加枯落物氮含量，且氮输入与不同残余物氮含量有很好的线性相关关系。磷含量对氮输入的响应不同的地表残余物有所不同，但是高氮处理都使地表残余物磷含量有降低的趋势。连续多年冻土区湿地土壤N2O排放随土层深度增加而降低，至深层表现为N2O的净吸收。氮输入对不同层次土壤都有明显的促进作用，尤其是在开始阶段，氮输入对N2O排放产生激发效应，随氮输入量增大激发效应增强。在培养20天之后氮输入对不同层次土壤N2O排放影响不显著。培养结束后，不同深度土壤N2O累积排放量随氮输入量的增大而增加，底层土壤高氮处理高于表层土壤，表明底层土壤对氮输入的响应更敏感。室内培养实验结果表明，各枯落物在培养期内，氮输入都明显促进了枯落物N2O排放，但是对不同枯落物有所差异。随氮输入量的增大，氮输入对枯落物影响持续的时间增加，低氮输入只在培养开始1-6d阶段比较明显，中氮在培养约一个月左右促进作用显著，高氮处理在整个培养期都存在明显的促进作用。培养结束后，不同枯落物低氮处理与对照处理的差异没有达到显著水平，中氮和高氮处理水平除季节性冻土区毛苔草枯落物外都明显促进了N2O累积排放量。连续多年冻土区地表残余物中氮输入时N2O累积排放量最大，表明连续多年冻土区地表残余物对N2O排放的影响并不是随氮输入量的增大而增大。

全文目录


前言  7-8
摘要  8-11
ABSTRACT  11-15
第一章 绪论  15-34
  第一节 选题目的及意义  15-18
    一、 选题背景  15-16
    二、 选题目的和意义  16-18
  第二节 国内外研究现状  18-31
    一、 土壤氮可利用性研究方法及影响因素研究进展  18-21
    二、 氮矿化作用的主要影响因素  21-26
    三、 氮输入对土壤有机碳矿化的影响  26-28
    四、 氮输入对枯落物分解的影响  28-29
    五、 氮输入对土壤微生物的影响  29-30
    六、 氮输入对土壤和枯落物N2O排放的影响  30-31
  第三节 论文研究内容、技术路线和创新点  31-34
    一、 论文主要研究内容  31
    二、 研究方法与技术路线  31-32
    三、 创新点  32-34
第二章 研究区基本概况  34-38
  第一节 不同冻土区湿地自然环境状况  34-35
  第二节 研究样点的自然环境状况  35-38
    一、 研究样点多年平均自然环境特征  35-36
    二、 研究样点试验期间气候环境因子  36-38
第三章 不同冻土区湿地土壤氮可利用性变化特征  38-50
  第一节 不同冻土区湿地土壤铵态氮、硝态氮、全氮及微生物量氮季节变化特征  38-41
    一、 材料与方法  38-39
    二、 结果与讨论  39-41
  第二节 不同冻土区湿地土壤氮可利用性垂直变化规律  41-44
    一、 材料与方法  41-42
    二、 结果与分析  42-44
  第三节 不同冻土区湿地土壤净矿化、净硝化研究  44-47
    一、 材料与方法  44-45
    二、 结果与分析  45-47
  第四节 小结  47-50
第四章 不同冻土区氮可利用性变化对有机碳矿化的影响  50-69
  第一节 不同冻土区湿地土壤TC、MBC季节变化特征  51-52
    一．材料与方法  51
    二、 结果与分析  51-52
  第二节 不同冻土区湿地土壤活性有机碳垂直变化规律  52-54
    一、 材料与方法  52-53
    二、 结果与分析  53-54
  第三节 不同冻土区湿地氮可利用性特征对土壤有机碳矿化的影响  54-61
    一、 材料与方法  54-56
    二、 结果与分析  56-60
    三、 讨论  60-61
  第四节 连续多年冻土区湿地不同深度土壤有机碳矿化速率及其对氮可利用性的响应特征  61-67
    一、 材料与方法  61-63
    二、 结果与分析  63-64
    三、 讨论  64-67
  第五节 小结  67-69
第五章 不同冻土区枯落物分解及其对氮可利用性的响应特征  69-83
  第一节 不同冻土区地表残余物分解特征及元素释放规律  69-73
    一、 材料与方法  69-70
    二、 结果与讨论  70-73
  第二节 羊胡子草枯落物枯落物分解及元素变化季节变化特征  73-76
    一、 材料与方法  73
    二、 结果与讨论  73-76
  第三节 氮可利用性变化对枯落物分解的影响  76-81
    一、 材料与方法  76-77
    二、 结果与分析  77-81
  第四节 小结  81-83
第六章 不同冻土区湿地N2O排放对氮输入的响应特征  83-90
  第一节 连续多年冻土区湿地土壤N2O排放对氮输入的响应特征  84-86
    一、 材料与方法  84
    二、 结果与分析  84-86
  第二节 不同冻土区枯落物氮输入对N2O释放的影响  86-89
    一、 材料与方法  86
    二、 结果与分析  86-89
  第三节 小结  89-90
第七章 结论与展望  90-94
  一、 研究结论  90-92
  二、 研究不足与展望  92-94
参考文献  94-106
在读期间发表及待发表论文目录  106-107
致谢  107-108

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中图分类: > 农业科学 > 林业 > 林业基础科学 > 森林土壤学
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