鼎湖山苗圃和主要森林土壤CO2排放和CH4吸收对模拟N沉降的短期响应

研究了鼎湖山生物圈保护区苗圃(幼苗)、马尾松、混交林和季风常绿阔叶林(季风林)土壤CO2排放和CH4吸收的一些特征及其对模拟N沉降增加的响应.结果表明,土壤CO2日(白天)平均排放量的大小顺序为(平均值±标准误)苗圃(258±62mg·m-2·h-1)＞季风林(177±42 mg·m-2·h-1)＞马尾松林(162±39 mg·m-2·h-1)＞混交林(126±30 mg·m-2·h-1).土壤CH4日(白天)平均吸收量的大小顺序为马尾松林(-0.15±0.02 mg·m-2·h-1)＞季风林(-0.08±0.01 mg·m-2·h-1)＞混交林(-0.07±0.01 mg·m-2·h-1)＞苗圃(-0.05±0.01 mg·m-2·h-1).低N(50 kg N·hm-2·a-1)和中N(100kg N·hm-2·a-1)处理对苗圃、马尾松林和混交林样地土壤CO2日平均排放量的影响均不明显,高N(150 kg N·hm-2·a-1)处理对苗圃土壤CO2的日平均排放量也无显著影响,但倍高N(300kg N·hm-2·a-1)处理显著促进苗圃样地土壤CO2的排放.然而,所有N(低N、中N和高N)处理均显著促进季风林土壤CO2日平均排放量,且这种促进作用随N处理水平的升高而增加.N处理显著促进季风林和马尾松林土壤对CH4吸收速率,但对混交林土壤CH4吸收则无明显的影响.在苗圃样地,除倍高N外,N处理对土壤CH4吸收速率也无显著作用,但倍高N处理使苗圃土壤发生功能转变,即从CH4汇转变为CH4源.     

南亚热带森林植被恢复演替序列的土壤有机碳氮矿化

采用室内培养的方法,分析了南亚热带鼎湖山森林植被恢复演替序列不同阶段代表性森林—马尾松林、针阔叶混交林和季风常绿阔叶林土壤(0~10cm)CO2、CH4排放/吸收和有机氮矿化的差异.结果表明:3种森林土壤培养52周的CO2-C累积排放量分别为(30.66±3.36)、(58.17±7.25)和(59.31±13.58)mg·kg-1,而其中的65.12%、64.41%和64.12%均在前9周被排放;马尾松林土壤的CO2-C累积排放量一直显著小于针阔叶混交林和季风常绿阔叶林;用相符的二库动力学模型模拟的活性库和惰性库的碳矿化速率均呈递减趋势;土壤培养52周吸收CH4的累积量、培养20周有机氮净矿化量和净硝化量均为马尾松林<针阔叶混交林<季风常绿阔叶林(P<0.05),净矿化的有效氮以硝态氮为主.说明森林植被类型的变化改变了土壤有机碳的分解速率,这是其影响土壤有机碳含量的一种内在方式.     

鼎湖山主要森林土壤N2O排放及其对模拟N沉降的响应

研究了鼎湖山生物圈保护区马尾松(Pinus massoniana)林、混交林和季风常绿阔叶林(季风林)土壤N₂O排放特征及其对氮沉降增加的响应。在1999~2002年期间,3种森林土壤N₂O排放速率均表现明显的季节性变化特点,但这种季节性变化因年份和森林类型不同而异,总的来说,3种森林土壤N₂O排放速率呈现夏秋季较高而冬春季较低的变化。土壤N₂O排放速率在3年观测期间的平均值分别为(g·hm^-2·d^-1):14.2±3.1(季风林),5.8±0.9(混交林)和5.1±0.9(马尾松林)。土壤N₂O排放速率与土壤温度之间在季风林呈现显著的指数正相关关系,但在混交林和马尾松林中它们之间的关系则均不明显。经3个月的模拟氮沉降试验后,氮沉降增加对季风林和马尾松林土壤N₂O的排放均具有明显的促进作用,且这种促进作用随氮沉降水平的升高而增强,但对混交林土壤N₂O排放的影响则不明显。     

氮、磷添加对不同林型土壤磷酸酶活性的影响

研究了鼎湖山3种森林类型(南亚热带季风常绿阔叶林、马尾松人工林和针叶阔叶混交林)的土壤酸性磷酸单酯酶活性(APA)对施肥的响应情况。在3种林型中分别设置对照、加氮(150 kg N hm-2a-1)、加磷(150 kg P hm-2a-1)以及N和P同时添加(150 kg N hm-2a-1+150 kg P hm-2a-1)4种不同处理。结果表明,季风林土壤APA((15.83±2.46)μmol g-1h-1)显著高于混交林((10.71±0.78)μmol g-1h-1)和马尾松林((9.12±0.38)μmol g-1h-1),且3种林型土壤APA与土壤有效磷含量均呈显著负相关。施加N肥显著提高了季风林土壤APA,而对混交林和马尾松林的作用不显著。施加P肥显著降低了混交林和马尾松林土壤APA,但对季风林的影响不明显。N和P同时添加仅显著降低了马尾松林土壤APA,但在季风林中存在交互作用。因此,N沉降会加剧亚热带成熟林土壤P的限制,可以考虑施加P肥作为森林管理的一种方式来缓解这种限制作用。     

南亚热带森林土壤微生物量碳对氮沉降的响应

研究了鼎湖山自然保护区3种森林生态系统土壤微生物量碳对氮沉降增加的响应.选取南亚热带代表性森林类型马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林(季风林)建立野外模拟氮沉降试验样地.2003年7月开始每月进行氮处理.这些处理分别为对照、低氮处理、中氮处理和高氮处理,即0、50、100 kg N hm-2 a-1 和150 kg N hm-2 a-1.在2004年11月和2006年6月用氯仿熏蒸浸提法分别测定土壤微生物量碳和土壤可浸提有机碳.土壤微生物量碳和可浸提有机碳含量均表现为2006年6月高于2004年11月;季风林高于马尾松林和混交林.随着氮沉降增加季风林土壤微生物量碳减少,但可浸提有机碳含量则增加,且此趋势在高氮处理下表现明显.然而,氮沉降增加对马尾松林和混交林土壤微生物量碳和可浸提有机碳含量的影响不显著.以上结果表明,氮沉降增加可能提高季风林土壤有机碳的固持能力.     

温带针阔混交林土壤碳氮气体通量的主控因子与耦合关系

中高纬度森林地区由于气候条件变化剧烈,土壤温室气体排放量的估算存在很大的不确定性,并且不同碳氮气体通量的主控因子与耦合关系尚不明确。以长白山温带针阔混交林为研究对象,采用静态箱-气相色谱法连续4a(2005—2009年)测定土壤二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)净交换通量以及温度、水分等相关环境因子。研究结果表明:温带针阔混交林土壤整体上表现为CO2和N2O的排放源和CH4的吸收汇。土壤CH4、CO2和N2O通量的年均值分别为-1.3 kg CH4hm-2a-1、15102.2 kg CO2hm-2a-1和6.13 kg N2O hm-2a-1。土壤CO2通量呈现明显的季节性规律,主要受土壤温度的影响,水分次之;土壤CH4通量的季节变化不明显,与土壤水分显著正相关;土壤N2O通量季节变化与土壤CO2通量相似,与土壤水分、温度显著正相关。土壤CO2通量和CH4通量不存在任何类型的耦合关系,与N2O通量也不存在耦合关系;土壤CH4和N2O通量之间表现为消长型耦合关系。这项研究显示温带针阔混交林土壤碳氮气体通量主要受环境因子驱动,不同气体通量产生与消耗之间存在复杂的耦合关系,下一步研究需要深入探讨环境变化对其耦合关系的影响以及内在的生物驱动机制。     

南亚热带森林演替过程中土壤线虫群落结构变化

森林演替会通过改变植物群落组成和土壤环境影响土壤生物群落, 反过来, 土壤生物群落的变化也会对生态系统的演替产生反馈作用, 但迄今南亚热带森林演替过程中土壤生物群落的变化特征尚不清晰。本研究以广东省鼎湖山的南亚热带森林演替序列(马尾松(Pinus massoniana)林-针阔叶混交林-季风常绿阔叶林)为对象, 研究了森林演替过程中土壤线虫多样性和群落结构的动态变化及其影响因素。通过采集不同演替阶段的土壤样品, 分析和比对了不同演替阶段土壤线虫的多度、多样性、群落组成、土壤线虫生态指数以及土壤理化性质的差异。结果表明: (1)在南亚热带森林演替过程中, 针阔叶混交林和季风常绿阔叶林土壤线虫的α多样性显著高于马尾松林, 但土壤线虫总数和各营养类群多度及其相对丰度并无显著变化; (2)针阔叶混交林中土壤线虫富集指数显著高于马尾松林, 表明其土壤养分状况要好于马尾松林, 而季风常绿阔叶林土壤线虫结构指数较高, 表明其受干扰程度较低; (3)针阔叶混交林的土壤含水量和土壤理化性质(除土壤总磷含量)已达到季风常绿阔叶林的水平, 但两者的土壤pH值均显著低于马尾松林, 而土壤pH值和土壤含水量是影响土壤线虫群落动态变化的主要因素。综上所述, 南亚热带森林中土壤线虫多度、多样性和群落结构对森林演替的响应略有不同, 演替过程中土壤环境因素的趋同是导致针阔叶混交林和季风常绿阔叶林中土壤线虫多样性和群落特征相似的主要原因。     

华南丘陵区2种土地利用方式下地表CH4和N2O通量研究

采用静态箱-气相色谱法对华南丘陵区马尾松林和果园地表CH4和N2O通量及其主要影响因子进行了观测(马尾松Pinus massoniana林为期16个月,果园15个月),比较和分析了不同土地利用方式下地表CH4,和N2O通量的季节变化,地表CH4和N2O通量与温度和土壤含水量的关系以及凋落物对地表CH4和N2O通量的影响.结果表明,在有凋落物覆盖下,马尾松林和果园年均地表CH4通量分别为-3.41±0.3和-3.24±0.44 kg CH,hm-2a-1;年均地表N2O通量分别为4.57±0.50和11.99±0.67 kg N2O-N hm-2a-1;去除凋落物情况下,马尾松林和果园年均地表CH4通量分别为-2.98±0.44和-1.93±0.53 kg CH4 hm-2a-1;年均地表N2O通量分别为3.12±0.28和9.42±0.56 kg N2O-N hm-2a-1.2种土地利用方式对地表CH4影响较小,对N2O通鼍的影响较大,果园地表N2O通量显著大于马尾松林(P<0.01).马尾松林和果园土壤对CH4的吸收在旱季(10～3月)高而雨季(4～9月)低,N2O排放雨季较高而旱季较低.土壤含水量对地表CH4和N2O通量的影响比温度要大.凋落物对地表CH4通量的影响较小,对N2O通量的影响较大,凋落物对马尾松林和果园N2O排放的贡献率分别为31.71%和21.40%.研究还表明,地表N2O)通量存在明显的降雨驱动效应.     

神农架主要森林土壤CH4、CO2和N2O排放对降水减少的响应

研究降水格局改变后森林土壤温室气体排放格局,可为森林温室气体排放清单制定提供科学依据。以神农架典型森林类型常绿落叶阔叶混交林和2种人工林马尾松和杉木林为研究对象,研究了降水格局改变后,其土壤CH_4吸收、CO_2和N_2O的排放格局和可能机制。结果表明:常绿落叶阔叶混交林吸收CH_4通量为(-36.79±13.99)μg Cm~(-2)h~(-1),显著大于马尾松和杉木两种人工林的CH_4吸收通量,其吸收通量分别为(-14.10±3.38)μg Cm~(-2)h~(-1)和(-7.75±2.80)μg Cm~(-2)h~(-1)。马尾松和杉木两种人工林CO_2排放通量分别为(107.03±12.11)μg Cm~(-2)h~(-1)和(80.82±10.29)μg Cm~(-2)h~(-1),显著大于常绿落叶阔叶混交林(71.27±10.59)μg Cm~(-2)h~(-1)。常绿落叶阔叶混交林N_2O排放通量为(8.88±6.75)μg Nm~(-2)h~(-1),显著大于杉木人工林(5.93±2.79)μg Nm~(-2)h~(-1)和马尾松人工林(1.64±1.02)μg Nm~(-2)h~(-1)。分析3种森林土壤CH_4吸收量与其环境因子之间的关系发现,常绿落叶阔叶混交林的CH_4吸收通量与其土壤温度呈现显著的指数负相关关系(P0.01)。常绿落叶阔叶混交林、马尾松林和杉木林的土壤CO_2排放通量与其空气温度和土壤温度之间均呈现显著的指数正相关关系(P0.01)。常绿落叶阔叶混交林和马尾松林土壤N_2O排放通量与空气温度之间均呈现显著的指数正相关关系(P0.01),而马尾松林与土壤温度之间呈显著正相关(P0.05),与土壤湿度之间均无显著相关。降水减半后,减少降水对常绿落叶阔叶混交林和马尾松林土壤CH_4吸收通量均具有明显的促进作用,但对杉木林土壤CH_4吸收量具有抑制作用,对常绿落叶阔叶混交林和杉木林土壤CO_2平均排放通量均具有明显的促进作用,而对马尾松林土壤CO_2平均排放通量明显抑制作用,对常绿落叶阔叶混交林、马尾松和杉木林土壤N_2O排放量具有明显的抑制作用。     

模拟氮沉降对鼎湖山森林土壤酸性磷酸单酯酶活性和有效磷含量的影响

采用野外原位试验模拟氮(N)沉降,研究了其对鼎湖山马尾松林、混交林和季风林3种森林类型土壤酸性磷酸单酯酶活性(APA)和有效磷(AP)含量的影响.在季风林中设置对照(0 kg N·hm-2·a-1)、低N(50 kg N·hm-2·a-1)、中N(100 kg N·hm-2·a-1)和高N(150 kg N·hm-2·a-1)处理,在马尾松林和混交林中只设置对照、低N和中N处理.结果表明:随着土层加深,土壤APA和AP含量降低.土壤APA在季风林中最高,而AP含量在3种林型中没有显著差异.N沉降增加对土壤APA的作用与林型有关.季风林中适度N沉降可使APA升高,且低N处理的APA(19.52 μmol·g-1·h-1)最高;马尾松林和混交林中,中N处理的APA最高,分别为12.74和11.02 μmol·g-1·h-1.3种林型的AP含量均在低N处理下最高,但各N处理之间的差异并不显著.土壤APA与AP含量之间呈显著正相关关系.     

鼎湖山不同演替阶段森林土壤水分时空变异研究

土壤水分作为森林生态系统水分蓄库的主体,森林土壤水分储量及其时空动态与变异对揭示区域植被恢复与气候变化背景下的森林生态系统水文过程响应与服务功能变化机制具有重要意义。本研究以南亚热带地区典型森林植被演替序列马尾松人工林（Pinus massoniana coniferous forest,PF）-马尾松针阔叶混交林（mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest,MF）-季风常绿阔叶林（monsoon evergreen broad-leaved forest,MEBF）为研究对象,依托中国生态系统研究网络森林样地建设与监测统一规范对鼎湖山森林生态系统定位站站区内分布的上述森林类型土壤水分的长期定位观测（2005-2015年）,通过分析各演替阶段森林土壤不同土层（0-15、15-30、30-45、45-60、60-75和75-90 cm）土壤体积含水量观测数据,探究该区域森林植被恢复过程中的土壤水分变化及其时空变异。结果表明：在雨热同期且干湿季明显的南亚热带地区,鼎湖山森林土壤储水量及其时间动态受降雨量的影响显著,森林土壤层对降雨具有强烈的调蓄和稳定作用,伴随PF→MF→MEBF自然演替进程,调蓄水分能力逐步增强。林型间,由初期阶段PF到顶级群落MEBF,森林土壤水分储量逐渐提高,且演替后期林型相对于早期林型,土壤储水量均呈现为较小的年际与年内变幅。干、湿季而言,干季时林型间的土壤储水量差异大于湿季,干季时MEBF和MF土壤含水量分别是PF的1.33倍和1.11倍。从土壤含水量的干、湿季期间变异来看,不同林型各土层土壤含水量的变异系数大小均表现为干季大于湿季;垂直剖面方向上,突出表现为无论干湿季MEBF各层土壤含水量变异均比其他两种林型较为缓和,充分体现了MEBF优越的土壤水分时空调配能力。整体上,伴随PF→MF→MEBF自然演替进程,土壤水分储量及其稳定性逐步提升。     

Increasing phosphorus limitation along three successional forests in southern China

Background and Aims

Phosphorus (P) is commonly one of most limiting nutrients in tropical and subtropical forests, but whether P limitation would be exacerbated during forest succession remains unclear.

Methods

Soil phosphatase activity is often used as an indicator of P limitation. Here we examined soil acid phosphatase activity (APA) underneath tree species in pine forest (PF), mixed pine and broadleaf forest (MF) and monsoon evergreen broadleaf forest (MEBF) which represented the early, middle and late successional stages of subtropical forests in China, respectively. We also analyzed other indicators of P status (soil available P and N and P stoichiometry of the tree species).

Results

APA or APA per unit soil organic carbon under tree species was relatively low in the early successional forest. Different from PF and MF, soil available P beneath the tree species was lower than in the bulk soils in MEBF. Soil APA was closely related to N:P ratios of tree species across all three forests.

Conclusions

Our results imply that P limitation increases during forest succession at our site. The dominant tree species with low soil APAs in MEBF are likely more P-limited than other tree species.     

南亚热带森林演替过程中小气候的改变及对气候变化的响应

区域水热格局变化和系统演替深刻影响森林内部小气候,不同演替阶段森林内部水热环境对气候变化的响应和反馈作用有待进一步认识和评估。以南亚热带地区的3种不同演替阶段代表性森林生态系统统(人工恢复的马尾松针叶林(Pinus massoniana coniferous forest,PF)、马尾松针阔叶混交林(mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest,MF)和季风常绿阔叶林(monsoon evergreen broad-leaved forest,MEBF))为研究对象,通过分析其林内小气候林型间差异以及时间序列上的动态变化,探讨森林系统内部水热环境的改变机理。结果表明:演替驱动下,随着PF→MF→MEBF的正向发展,林内温度条件如气温、土壤温度逐渐降低,林内相对湿度、土壤层及凋落物含水量等水分状况逐步升高。不同林型在"雨热同期"的南亚热带地区其"降温效应"有差,演替初期的PF干、湿季"降温效应"分别为7.9%和3.6%,中期MF分别为11.6%和6.4%,顶级群落MEBF干、湿季"降温效应"可达15.7%和10.5%。总体上,随演替"降温增湿"效应越来越显著,且"降温"表现为干季更明显,而"增湿"表现为湿季明显。此外,演替驱动下后期森林对高温及土壤温度的调节作用更为突出。时间序列上,区域降水趋于"极端化"的格局影响下,森林生态系统的水分固持能力下降。主要表现为:自1984年以来,3种林型0—50cm土壤含水量均呈显著降低的趋势(P0.001),且湿季土壤含水量下降速率高于干季,林型间在全年及湿季均为MFMEBFPF,干季为MEBFMFPF。虽然研究期间3种林型林内气温、土壤温度无明显趋势性变化,但顶级群落MEBF林内相对湿度(P=0.021)、凋落物自然状态下含水量(P=0.003)在年际尺度上均呈现显著下降的趋势。与土壤含水量干、湿季下降速率的格局一致,二者也均为湿季大于干季。研究认为,成熟森林可能在当前南亚热带区域气候变化及水热格局改变背景影响下更为敏感和脆弱。     

喀斯特地区土壤剖面CO_2、CH_4 和N_2O浓度的相关关系

2006年6月—2007年5月对喀斯特地区土壤剖面中CO2、CH4和N2O进行采样测定,分析了三者间时空分布的相关关系。结果表明,土壤剖面中CO2和N2O含量分别为0.35～35.3ml.L-1和0.31～5.31μl.L-1,夏秋季节高于冬春季节;CH4浓度为0.1～4.7μl.L-1,季节差异不大。随着土壤深度的增加,CO2和N2O的浓度先增加而后明显减小或趋于稳定,CH4浓度则与CO2和N2O相反。相关分析表明,土壤剖面CO2与N2O浓度的时空分布呈显著正相关,与CH4则呈显著负相关。N2O和CH4的时空变化规律为互逆关系,但只在花溪荒草地、清镇阔叶林以及森林公园的马尾松林和阔叶林观测点达到显著水平。     

南亚热带森林土壤有机碳组分对模拟酸雨的早期响应

应用人工模拟酸雨控制实验,探讨鼎湖山国家级自然保护区三种南亚热带主要植被类型(季风常绿阔叶林、针阔叶混交林和马尾松林)的土壤有机碳组分,包括土壤总有机碳(TOC)、土壤易氧化有机碳(ROC)、土壤不易氧化有机碳(NROC),在不同模拟酸雨处理梯度:对照CK(pH4.5的天然湖水)、pH4.0、pH3.5、pH3.0处理下的响应特征。结果表明:上层土壤(0~20cm)易氧化有机碳、不易氧化有机碳和总有机碳含量与森林类型密切相关,大小顺序均表现为混交林阔叶林马尾松林。经25个月模拟酸雨处理,鼎湖山森林土壤酸化有加剧的趋势;CK、pH4.0、pH3.5、pH3.0四个处理下土壤上层剖面易氧化有机碳含量分别为阔叶林(7.14、8.29、8.74、9.84g·kg-1)、混交林(8.58、8.53、10.28、10.36g·kg-1)和马尾松林(3.90、4.49、4.74、5.48g·kg-1),三个林型土壤易氧化有机碳含量呈现随模拟酸雨强度增加而升高的趋势;森林土壤总有机碳和不易氧化有机碳含量变化缓慢,在各酸梯度处理下差异不显著(P0.05)。研究结果显示,长期的酸雨作用使土壤酸化不断加剧,易氧化有机碳对酸雨的响应更敏感,但其在酸雨下积累的趋势不利于土壤总有机碳的存埋,但关于酸雨对土壤总有机碳的影响仍然需要长期的实验监测。     

四种温带森林土壤氧化亚氮通量及其影响因子

以中国东北东部4种典型森林生态系统(人工红松林、落叶松林、天然次生蒙古栎林和硬阔叶林)为研究对象,采用静态暗箱-气相色谱法,比较其土壤N₂O通量的季节动态及其影响因子.结果表明：在生长季, 4种森林生态系统土壤总体上表现为大气N₂O的排放源, 其N₂O通量大小顺序为：硬阔叶林(21.0±4.9 μg·m^-2·h^-1)> 红松林(17.6±4.6 μg·m^-2·h^-1)>落叶松林(9.8±5.9 μg·m^-2·h^-1)>蒙古栎林(1.6±12.6 μg·m^-2·h^-1).各生态系统的N₂O通量没有明显的季节动态,只在夏初出现排放峰值(蒙古栎林为吸收峰).4种生态系统N₂O通量均与10 cm深土壤含水量呈极显著正相关,与NO₃^--N呈显著负相关;N₂O通量对土壤温度和NH₄⁺-N的响应出现分异：针叶林N₂O 通量与NH₄⁺-N呈显著正相关,而与5 cm深土壤温度呈不相关;阔叶林与针叶林正相反.在较为干旱的2007年,土壤水分是影响4种林型土壤N₂O通量的关键因子.植被类型与环境因子及氮素有效性对N₂O通量的相互作用将是未来研究的重点.