秦岭山地森林和草甸生态系统土壤碳氮动态特征及其对气候变化的响应

发布时间：2017-12-29 21:44

  本文关键词：秦岭山地森林和草甸生态系统土壤碳氮动态特征及其对气候变化的响应　出处：《西北农林科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：中国秦岭地区既是气候的转换区域,也是气候变化的敏感区。本研究通过室内控制实验,研究秦岭地区不同森林和草甸生态系统土壤主要温室气体排放对不同温度的响应以及气体之间的相互关系。鉴于低温条件对山地生态系统分布格局的重要性,本文对该地区主要生态系统(松树林、栎树林和草甸)的土壤碳排放以及对应的土壤碳氮动态和土壤氮转化进行研究,探讨了野外条件下的土壤溶解性有机碳和溶解性无机氮的季节和剖面变化以及相关的土壤特性。利用开顶箱(Open-top chambers,OTC)模拟增温和利用减雨架模拟减雨,本实验设置对照、增温、减雨和增温与减雨交互四种处理,研究了增温和降水减少对不同季节和不同土层深度土壤的碳氮动态的影响。本文的主要研究结果与结论如下:(1)选择三种培养温度(8°C、18°C和28°C),研究了山地森林和草甸生态系统土壤二氧化碳(CO_2)和氧化亚氮(N_2O)排放对不同温度的响应。研究结果显示,土壤CO_2的排放随温度的增加而增加,随土层深度的增加而减小。其中栎树林土壤CO_2的排放量最高,其次为松树林和草甸。土壤N_2O排放在三种生态系统间无显著性差异。CO_2和N_2O的温度敏感性表现为森林大于草甸。三种生态系统CO_2和N_2O排放的温度敏感系数(Q10)值的范围分别为1.07-2.25和0.82-1.22。研究表明,土壤CO_2和N_2O的排放之间呈显著的正相关性(P0.01)。此外,不同生态系统的土壤特性对CO_2和N_2O的排放在不同温度水平具有不同的影响。其中,土壤溶解性有机碳(DOC)、紫外吸光度(SUVA)以及硝态氮是CO_2排放的重要控制因子,而铵态氮和pH值是N_2O排放的主要控制因子。实验结果显示,三种生态系统土壤CO_2排放对温度的敏感性高于N_2O,表明该地区土壤CO_2和N_2O排放对全球变暖具有不同的响应。本研究对主要温室气体(CO_2和N_2O)以及土壤特性对气候变暖的响应具有一定的参考价值。(2)温度对土壤碳通量和氮转化过程具有重要影响,然而,目前关于低温条件下,气候转换区复合山地森林和草甸生态系统的碳释放和氮转化的研究尚较少。通过培养实验对松树林、栎树林和草甸三种生态系统的土壤碳通量和氮转化动态进行了研究。结果表明,不同生态系统的土壤溶解性有机碳和土壤的芳香性物质含量随土壤碳矿化的变化而变化。森林和草甸表现为甲烷(CH_4)吸收,表明该地区在低温条件下可能是大气CH_4的弱的碳汇。不同生态系统的ch4吸收量无显著性差异,co2排放量表现为森林高于草甸,其中栎树林高于松树林。研究发现在有氧条件下不同生态系统的土壤co2和ch4之间具有极其显著的正相关性(p0.01)。每个生态系统土壤的氮矿化和硝化速率均随着培养时间的增加而降低。研究显示,森林对土壤氮动态的影响大于草甸,并且松树林具有更高的土壤氮转化速率。土壤碳(co2和ch4)通量速率与土壤doc、铵态氮和硝态氮之间具有弱的相关性。本研究表明,不同生态系统的土壤可溶性无机氮对土壤co2和ch4具有一定的促进或抑制效应。(3)植被类型对陆地生态系统的碳氮循环发挥着重要作用。通过对不同森林(松树林和栎树林)和草甸生态系统的溶解性有机碳和无机氮的研究,我们发现三种生态系统的doc和溶解性无机氮(包括铵态氮和硝态氮)具有明显的季节变化,而且都随土层深度的增加而减小。每个生态系统两个土层之间的doc浓度具有明显的差异性(p0.05)。在生长季不同土层的doc和溶解性无机氮浓度均是草甸高于森林,且松树林高于栎树林。此外,松树林中的土壤有机碳(soc)和总氮(tn)含量以及ph值高于草甸和栎树林。不同生态系统的土壤碳氮比则是草甸最低,松树林最高。土壤表层温度和土壤含水量与土壤doc和溶解性无机氮之间均具有显著的相关性(p0.01)。研究显示,土壤soc、tn和c/n(soc/tn)是控制doc和溶解性无机氮浓度的主要因子,且土壤ph值与doc浓度之间也具有显著的负相关(p0.01)。土壤doc与溶解性无机氮浓度之间具有较强的正相关性(p0.01)。(4)增温与降雨减少对土壤doc和溶解性无机氮(din)含量的影响均随季节发生不同的变化,而且土壤doc和din含量的最高值均出现在草甸,栎树林土壤出现最低值。其中,不同森林和草甸0-10cm土层的土壤doc含量变化范围为471.53-731.48mg/kg,10-20cm土层的土壤doc含量变化范围为435.92-694.94mg/kg。对于土壤din而言,不同植被类型0-10cm和10-20cm土壤din含量的变化范围分别为22.79-55.30mg/kg和13.29-34.71mg/kg。土壤doc和din含量均随土层深度的增加而下降。增温和减雨对不同植被类型土壤soc和tn的影响随季节和土壤剖面的变化也有所不同。经分析,增温与减雨各处理下土壤doc与din、土壤含水量、地表温度和tn的相关性显著(p0.05),土壤doc与soc和ph值的相关性不显著。(5)三种植被类型的土壤微生物量碳(mbc)含量具有一定的季节变化趋势,且随土层深度的增加,均呈现下降的趋势。其中,对照条件下,两种森林类型土壤mbc含量的季节变化趋势一致为春季夏季秋季冬季。增温与对照条件下草甸土壤mbc含量不同季节的变化为春季夏季秋季。增温条件下,松树林土壤mbc含量的季节变化为夏季最高,秋季最低;而栎树林土壤mbc含量的季节变化为春季秋季夏季冬季。增温与对照两种处理下,不同植被类型和土壤深度的土壤mbc含量均存在显著性差异(P0.05)。不同森林和草甸土壤微生物量碳的总体表现为草甸最高,其次为松树林和栎树林。相关分析显示,土壤DOC、SOC、DIN、TN以及土壤温度和含水量与土壤MBC含量之间存在一定的正相关性,C/N比和pH值与其呈负相关性,说明土壤MBC含量的变化受土壤特性的影响较为明显。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S714;S812.2

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本文编号：1352010