寒温带针叶林土壤碳动态对模拟氮沉降初期响应

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1、摘要森林是陆地生态系统的主体，土壤碳动态是森林生态系统碳循环过程的重要环节之一。随着人类社会的发展，大气氮沉降的增加诱发了一系列重大环境问题，直接威胁到人类生存和发展，已成为了各国政府和科学家最为关注的全球性重大生态和环境科学问题。大气氮沉降输入能够促进中高纬度森林植被生长和生态系统碳固定，是解释全球未知碳汇的重要途径之一。北方森林是地球第二大森林群区，其土壤碳库组成、转化及其对大气氮沉降增加的响应研究是全球变化生态学的前沿领域。深入开展寒温带针叶林土壤碳动态对模拟氮沉降的响应研究，有助于完善森林生态系统碳循环和碳平衡，并为未来大气氮沉降增加情景下北方森林生态系统碳、氮管理提供理

2、论依据。本研究在大兴安岭寒温带针叶林区建立了大气氮沉降模拟控+-制实验平台。为了模拟大气NH4和NO3输入及其交互作用，以及参照试验区实际-2-1大气氮沉降通量（8.5kgNhma），设置NH4Cl、KNO3和NH4NO3三种氮肥和对-2-1-2-1照（Control，0kgNhma）、低氮（Low-N，10kgNhma）、中氮（Medium-N，-2-1-2-120kgNhma）、高氮（High-N，40kgNhma）四种水平的氮肥处理，分别模拟未来大气氮沉降增加1倍、2倍和4倍情景下，寒温带针叶林生态系统碳、氮循环关键过程的变化，每种处理三次重复。运用野外监测、稳定性同位素技

3、术和室内理化分析等手段，研究不同氮素形态和剂量对寒温带针叶林土壤有机碳组成动态（DOC、POC、MOC）、转化和土壤CO2排放通量的影响。主要研究结果如下:1.寒温带针叶林土壤溶解性碳含量对氮输入的响应在整个生长季，寒温带针叶林土壤DOC和DIC含量有明显的季节变化。氮输入倾向于增加有机层和矿质层土壤DOC含量。低氮处理倾向于增加而中氮和高氮处理倾向于降低有机层与矿质层土壤DIC含量。KNO3、NH4NO3和NH4Cl处理倾向于增加有机层土壤DOC含量。硝态氮肥（KNO3和NH4NO3）输入倾向于增加矿质层土壤DOC含量，而铵态氮肥（NH4Cl）输入则正好相反。硝态氮肥输入倾向于

4、增加有机层土壤DIC含量，而铵态氮肥倾向于降低有机层土壤DIC含量。KNO3处理倾向于增加矿质层土壤DIC含量，NH4NO3和NH4Cl处理倾向于降低矿质层土壤DIC含量。2.寒温带针叶林土壤POC和MOC含量对氮输入的响应不同的施氮类型和施氮水平倾向于增加Macro-POC、Micro-POC含量，低氮和中氮处理倾向于增加土壤MOC含量，而高氮处理倾向于降低土壤MOC含量，KNO3和NH4Cl处理有利于土壤MOC的累积，而NH4NO3处理倾向于降低土壤MOC含量，但差异不显著。土壤Macro-POC、Micro-POC和MOC含量有明显的季节动态。1313不同施氮水平倾向于降低

5、0～10cm表层土壤δCMacro-POM、δCMicro-POM和13δCMOM的值，而亚表层土壤（10～20cm和20～30cm）对增氮的响应正好相反。131313不同氮素类型也倾向于降低0～10cm表层土壤δCMacro-POM、δCMicro-POM和δCMOM13的值，且铵态氮肥的抑制效应较硝态氮肥更加明显。就土壤δC值而言，表层土壤比亚表层反应敏感，POM比MOM对增氮的响应更加敏感。3.寒温带针叶林土壤CO2排放通量对氮输入的响应土壤CO2通量的季节变化格局受土壤温度和土壤含水量的联合控制，整体上与土壤温度的单峰格局相同，在生长旺季却与土壤含水量的变化有高度的一致性

6、。增氮不改变土壤含水量，倾向于降低有机层土壤DIC含量，增加有机层和矿质层土壤+-DOC含量。增氮短期内不改变土壤NH4-N含量，但会显著导致土壤NO3-N累积。增氮短期内倾向于增加大兴安岭寒温带针叶林土壤CO2排放。土壤CO2通量主要受土壤温度驱动，其次为土壤水分和DIC含量。关键词：大气氮沉降；土壤有机碳动态；土壤CO2排放；稳定性碳同位素自然丰度；寒温带针叶林TheEarlyResponsesofCarbonDynamicsfromaCold-TemperateConiferousForestSoiltoSimulatedNitrogenDepositionAbstract

7、Theforestisthemainterrestrialecosystems,soilcarbondynamicsisanimportantpartofoneofthecarboncycleinforestecosystems.Withthedevelopmentofhumansociety,theincreaseinatmosphericnitrogendepositioninducedaseriesofmajorenvironmentalproblems,adirectth