模拟冻融过程对长白山森林土壤有效态碳氮和土壤酶活性的影响

发布时间：2020-05-09 06:45

【摘要】：长白山地区在秋末春初季常出现土壤冻融现象,该地区森林生态系统的碳、氮循环以及土壤酶活性受冻融循环过程的影响十分明显。但有关冻融过程对该地区森林土壤的微生物量、氮矿化及酶活性的影响研究较少。因此,本文以长白山地区典型林型(硬阔叶林、红松阔叶林、次生白桦林、长白松林、蒙古栎林和冷杉林)土壤为研究对象,采用模拟冻融循环(-15—5℃)方法,研究了冻融循环中各林型土壤的氮矿化特性和酶活性动态变化,结果表明:1.冻融培养过程中,多数情况下,6种林型0—10 cm 土层的土壤微生物量碳含量高于对照处理(5℃恒温培养的土壤)的土壤,而土壤微生物量氮含量在第8次冻融循环后均低于冻融循环前的土壤,分别比其降低了 89.5%(硬阔叶林)、41.9%(次生白桦林)、74.8%(红松阔叶林)、74.4%(长白松林)、22.0%(蒙古栎林)和3.6%(冷杉林)。冻融循环过程中6种林型下0—10 cm 土层的土壤微生物量碳和土壤微生物量氮均显著高于10—20 cm 土层,表现出明显的土壤微生物量碳和土壤微生物量氮空间异质性特征。2.冻融过程对土壤可溶性有机碳和可溶性有机氮含量影响显著,其动态变化受冻融温度、冻融频次、森林类型和土壤层次的多重制约。6种林型的0—10 cm层土壤可溶性有机碳和可溶性有机氮含量在第8次冻融循环后多低于冻融循环前的土壤,其中,冻融处理下可溶性有机碳含量相比冻融处理前降低了 55.5%(硬阔叶林)、63.4%(红松阔叶林)、3.8%(次生白桦林)、4.9%(长白松林)、18.0%(蒙古栎林)和37.8%(冷杉林),冻融处理下可溶性有机氮含量相比冻融处理前降低了 13.8%(红松阔叶林)、25.9%(次生白桦林)、28.4%(长白松林)、36.4%(蒙古栎林)和35.0%(冷杉林)。冻融过程中各林型土壤可溶性有机碳和可溶性有机氮存在明显的垂直空间分布特征。3.冻融过程对土壤NO3--N含量影响不明显,每种林型同层次不同循环频次的土壤NO3--N含量间均无显著差异,且0—10 cm层土壤在冻融过程与其对照处理间也多未表现出显著差异。6种林型0—10 cm层土壤的NH4+-N含量随冻融频次的增加表现相似的动态变化趋势,均在第3、4、5次冻融循环时表现出明显的NH4+-N释放特征,其中第5次冻融循环时的土壤NH4+-N含量为最高(硬阔叶林:171.8±81.6 mg·kg-1、红松阔叶林:87.7±22.8 mg·kg-1、次生白桦林:102.6±37.5 mg·kg-1、长白松林:87.2±52.0 mg-kg-1、蒙古栎林:87.1±18.9 mg·kg-1和冷杉林:313.4±2.5mg·kg-1)。6种林型土壤无机氮在第2次冻融循环后表现为无机氮释放过程。4.6种林型氮素矿(硝)化作用对冻融过程的响应明显,冻融温度变化、冻融频次和土壤层次对土壤净硝化率和净氮矿化率影响显著。6种林型下的土壤净硝化率波动偏大,0—10 cm层在第2次冻融后出现最大峰值,其次为第7次冻融循环。在0—10 cm层土壤中,6种林型土壤净硝化率与净氮矿化率均表现为:在短期冻融循环后达到峰值,而后呈现不同程度减小的趋势。5.冻融过程中6种林型土壤脲酶和转化酶活性动态随冻融频次、温度、土层和林型的不同存在明显差异,6种林型0—10 cm层土壤脲酶动态在冻融过程中表现为先升高再下降,最后趋于稳定,而6种林型0—10 cm层土壤转化酶在冻融过程中呈现上升趋势,但各林型0—10 cm层土壤过氧化氢酶对冻融过程的响应不明显。6种林型3种土壤酶活性在冻融作用下的综合表现为:冷杉林最强,长白松林最弱。各个林型下的3种土壤酶活性在冻融过程中均存在明显的空间垂直变异,即0—10 cm层土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性分别显著高于10—20 cm 土壤。
【图文】：

冻融循环,试验样品,周期

随后将培养温度以２邋ＴＭｒ１变温速率由５邋°Ｃ逐渐降至－〗５邋°Ｃ，并在－１５邋°Ｃ条件下持续逡逑培养３３邋ｈ，然后再以相同变温速率将培养箱温度逐渐提升至５邋°Ｃ，在此温度下培养１９邋ｈ后，逡逑形成一次冻融循环过程（图２）。后续培养重复前面的变温过程和持续时间。模拟试验中，逡逑以２邋ＴＭｒ１变温速率计算，培养箱内温度由５邋°Ｃ降至－１５邋°Ｃ或由－１５邋°Ｃ升至５邋°Ｃ均需要用时逡逑１０邋ｈ，因此，试验中一次冻融循环中，０°Ｃ以下结冻时间为４８邋ｈ，其中－１５邋°Ｃ持续时间为３３逡逑ｈ，邋０°Ｃ以上解冻时间为２４ｈ，其中５°Ｃ持续时间为１９ｈ，邋—次冻融循环周期用时７２ｈ。试逡逑验共进行８次循环。每次冻融循环结束时取土壤样品并将其分为两部分，一部分直接用于逡逑测定ＳＭＢＣ、ＳＭＢＮ、ＤＯＣ、ＤＯＮ、ＮＯｆ－Ｎ、ＮＨ４＋－Ｎ和含水量等指标，另一部分土壤样逡逑品做风丨：处理后用于测定土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性。同时设置一个恒温培养处逡逑理，以冻融温度的上限（５邋°Ｃ）作为恒温培养的温度，将恒温处理的土壤作为冻融过程中逡逑土壤的参考，，记作对照处理。其他未测定样品瓶每次循环前通气一次，减少温室气体浓度逡逑积累造成的试验误差。每个林型土壤样品设３次重复。逡逑１０逦１９ｈ逡逑

土壤微生物量氮,林型,冻融循环,长白松

逑３．１．２冻融过程对土壤微生物量氮（ＳＭＢＮ）的影响逡逑冻融循环过程显著影响了邋ＳＭＢＮ含量（图４）。６种林型下的ＳＭＢＮ的垂直空间分布逡逑对冻融作用的响应一致，均表现出上层ＳＭＢＮ含量显著高于下层的特征。但室内培养试验逡逑中６种林型的不同土壤层次的ＳＭＢＮ存在明显不同。在上层土壤中，对比－１５—５邋°Ｃ冻融循逡逑环处理和５°Ｃ恒温对照，冻融初期（第１次冻融循环）硬阔叶林、次生白桦林和长白松林逡逑的ＳＭＢＮ含量均显著高于对照处理的ＳＭＢＮ邋（Ｐ＜０．０５），而红松阔叶林、蒙古栎林和冷杉逡逑林与之相反，冻融初期ＳＭＢＮ则显著低于对照处理的ＳＭＢＮ邋（Ｐ＜０．０５）；各林型ＳＭＢＮ逡逑在冻融末期（第８次冻融循环）均显著低于冻融处理前的ＳＭＢＮ邋（ＰｃＯ．０５），分别较其降逡逑低了邋８９．５°／。（硬阔叶林）、４１．９％邋（次生白桦林）、７４．８°／。（红松阔叶林）、７４．４％邋（长白逡逑松林）、２２．０°／。（蒙古栎林）和３．６°／0邋（冷杉林）。８次冻融处理下红松阔叶林、长白松林、逡逑蒙古栎林和冷杉林土壤中的ＳＭＢＮ均表现出双峰变化特征，其中，红松阔叶林和长白松林逡逑对冻融响应的时间特征一致
【学位授予单位】：延边大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S714.2;S714.3

【参考文献】