氮沉降对黄土高原典型草原碳过程的影响

论文摘要

氮沉降对陆地生态系统碳源汇的影响是全球变化研究领域中所关注的热点问题之一,氮沉降如何影响草地生态系统碳源汇及其机制尚不清楚。本文以黄土高原典型草原为研究对象,对其样地实施一年模拟氮沉降（氮输入量分别为0、1.15、2.3、4.6、9.2和13.8 g N·m-2·a-1）后,对样地土壤、植物和微生物碳过程进行系统监测,进而研究模拟氮沉降引起的草原植被碳储量、土壤碳特征的变化以及对凋落物分解和生态系统净碳交换的影响,以期为准确评估全球变化下该区草地的碳库动态和固碳潜力以及草地资源的管理提供科学依据。主要结论如下：（1）两年的研究结果表明,一定浓度的氮沉降输入显著增加了0-10 cm土层土壤无机氮含量,缓解了草地生态系统的氮限制状况,促进了植物生长。植被碳储量同时受氮沉降处理和降水的影响。在平水年份（2010年）,植被总碳储量在氮沉降增加4.6和9.2 g N·m-2·a-1时显著高于对照和最高氮沉降处理,与2.3 g N·m-2·a-1无显著差异；地上植被碳储量随氮沉降增加逐渐增加,2.3 g N·m-2·a-1处理显著高于对照,与其他处理无显著差异。在干旱年份（2011年）,氮梯度下植被总碳储量没有显著差异,2.3g N·m-2·a-1处理的地上植被碳储量显著高于对照和其他处理。两年对地下植被碳储量都没显著影响。氮沉降处理改变了植物系统各组分的碳分配,降低了地下／地上碳储量的比值。（2）氮沉降处理两年显著改变了草地优势植物长芒草（Stipa bungeana Trin.）和阿尔泰狗娃花（Heteropappus altaicus Novopokr.）凋落物的化学组成。随着氮梯度,凋落物氮含量逐渐增加,木质素含量先增加后下降,碳氮比和木质素／氮降低,碳和磷含量以及碳磷比无显著差异。一年的凋落物分解试验表明,凋落物的分解速率主要受凋落物木质素／氮和木质素含量的影响；但氮沉降处理引起的环境条件和化学组成的共同改变使得各处理凋落物的分解速率没有显著的差异。（3）氮沉降处理对凋落物分解过程中氮素的残留率有影响。经过一年的分解,在1.15、2.3和4.6 g N·m-2·a-1处理下的长芒草凋落物中氮残留率高于其他处理,且呈现富集过程：而阿尔泰狗娃花凋落物中氮呈现富集-释放过程。氮沉降处理对长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物碳素的分解基本无影响。土壤养分贫瘠的黄土高原典型草原,适量的氮输入可以促进系统的固氮。（4）氮沉降处理初期各处理0-40 cm土层土壤全碳、全氮和土壤有机碳（SOC）含量没有显著的变化；第三年0-10 cm土层土壤无机碳（SIC）含量和pH值发生了变化,SIC含量呈现先增加后降低的趋势,2.3 g N·m-2·a-1处理显著高于对照和其他处理；4.6 g N·m-2·a-1处理的土壤pH值显著高于对照、1.15和13.8 g N·m-2·a-1处理,且2011年的土壤pH值要低于2010年,初步表现出土壤酸化现象。（5）氮沉降处理对0-10 cm土层的土壤微生物碳（MBC）和轻组有机碳（LFOC）含量有显著的影响。2.3 g N·m-2·a-1处理的土壤LFOC含量显著高于对照,但与高氮强度（>2.3 g N·m-2·a-1）没有显著的差异。土壤MBC含量在2.3 g N·m-2·a-1沉降增加量下最高,超过此量,第二年土壤MBC含量不再增加,第三年显著下降。LFOC/SOC和微生物商的变化分别与MBC的变化一致。（6）氮沉降处理增强了黄土高原典型草原植物生长季的碳汇功能。氮沉降处理没有改变生态系统碳交换的季节动态趋势,但是增加了生态系统净碳交换能力（NEE）、生态系统呼吸（ER）和总初级生产力（GEP）的峰值。2.3、4.6、9.2和13.8 gN.m-2··a-1处理的NEE生长季绝对累积量分别比对照增加62%、45%、72%和48%；ER累积量分别增加66%、69%、78%和70%；GEP累积量分别增加65%、66%、77%和68%。（7）综合植被-土壤-微生物碳过程的变化特征得出,氮沉降初期氮沉降增加2.3 g N·m-2·a-1有利于半干旱地区草地植被碳储量和土壤活性有机碳积累。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 氮沉降的基本概念及沉降量
• 1.2.2 氮沉降对生态系统碳过程的影响
• 1.3 研究目的及意义、研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究目的及意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 研究区概况与样地设置
• 2.1 研究区自然概况
• 2.2 样地设置
• 2.3 样地土壤理化性质与植被特征
• 2.4 数据处理
• 第三章 氮沉降对黄土高原典型草原植被碳储量的影响
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 样地设置
• 3.2.2 植物样品采集
• 3.2.3 样品分析
• 3.2.4 碳储量和氮的固碳效率的计算
• 3.3 结果
• 3.3.1 氮沉降处理对植被生物量的影响
• 3.3.2 氮沉降处理下根冠比的变化
• 3.3.3 氮沉降处理下群落地上现存生物量（活体+立枯物）结构特征
• 3.3.4 氮沉降处理对植物C、N含量的影响
• 3.3.5 氮沉降处理对黄土高原典型草原植被碳储量的影响
• 3.3.6 氮梯度下植物各部分碳储量占植物总碳储量比例
• 3.3.7 氮沉降处理对黄土高原典型草原固碳效率的影响
• 3.4 讨论
• 3.4.1 氮沉降对黄土高原典型草原植被生物量和根冠比的影响
• 3.4.2 氮处理和干旱对植物生长的影响
• 3.4.3 植物各组分C、N含量对氮处理的响应
• 3.4.4 氮沉降对植被C/N的影响
• 3.4.5 氮沉降对黄土高原典型草原植被碳储量的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 氮沉降对凋落物分解过程的影响
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 样地设置
• 4.2.2 试验设计
• 4.2.3 供试材料
• 4.2.4 试验方法
• 4.2.5 样品分析
• 4.2.6 数据分析
• 4.3 结果
• 4.3.1 凋落物的初始化学组成
• 4.3.2 氮沉降处理对凋落物分解速率的影响
• 4.3.3 凋落物年分解速率与凋落物化学组成的相关性
• 4.3.4 氮沉降处理对凋落物分解过程C、N释放的影响
• 4.4 讨论
• 4.4.1 凋落物的初始化学组成对氮处理的响应
• 4.4.2 影响凋落物分解速率的因素
• 4.4.3 氮沉降处理对凋落物分解过程中C、N释放的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 氮沉降对黄土高原典型草原土壤碳特征的影响
• 5.1 前言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 样地设置
• 5.2.2 土壤样品采集
• 5.2.3 样品分析
• 5.3 结果
• 5.3.1 氮沉降处理对土壤理化性状的影响
• 5.3.2 氮沉降处理对土壤LFOC和HFOC含量的影响
• 5.3.3 氮沉降处理对土壤MBC含量和微生物商（MBC/SOC）的影响
• 5.3.4 植被生物量和土壤碳特征的相关性分析
• 5.4 讨论
• 5.4.1 氮处理对土壤全氮含量和pH的影响
• 5.4.2 氮处理对SOC含量的影响
• 5.4.3 氮处理对SIC含量的影响
• 5.4.4 氮处理对土壤LFOC和HFOC含量的影响
• 5.4.5 土壤MBC含量和微生物商对氮处理的响应
• 5.5 本章小结
• 第六章 氮沉降对黄土高原典型草原生态系统净碳交换的影响
• 6.1 前言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 样地设置
• 6.2.2 测定方法
• 6.2.3 生长季的生态系统净碳交换量的测定
• 6.2.4 数据处理
• 6.3 结果
• 6.3.1 氮梯度下NEE、ER和GEP的变化特征
• 6.3.2 氮梯度下NEE、ER和GEP的月累积量
• 6.3.3 氮梯度下NEE、ER和GEP在生长季的累积量特征
• 6.3.4 土壤温度、土壤湿度对NEE和ER的影响
• 6.4 讨论
• 6.4.1 黄土高原典型草原生态系统净碳交换特征
• 6.4.2 氮处理对黄土高原典型草原生态系统净碳交换的影响
• 6.4.3 土壤温度、土壤湿度对典型草原生态系统NEE和ER的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢