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不同氮素添加频率模拟氮沉降对桤木人工林生态系统碳储量的影响

2022-08-04熊露露邓小红姬拉拉王健健

生态科学 2022年5期
关键词:施氮人工林储量

熊露露, 邓小红, 姬拉拉, 王健健

不同氮素添加频率模拟氮沉降对桤木人工林生态系统碳储量的影响

熊露露, 邓小红, 姬拉拉, 王健健*

贵州大生命科学学院/农业生物工程研究院, 山地植物资源保护与保护种质创新教育部重点实验室, 山地生态与农业生物工程协同创新中心, 贵阳 550025

为探究不同频率氮素添加模拟大气氮沉降对桤木人工林生态系统碳储量的影响, 采用野外固定样地观测的方法, 研究1年12次氮素添加(高频率)和1年2次氮素添加(低频率), 对桤木人工林生态系统乔木层、林下植被层、凋落物层、土壤层生物量及碳储量的影响。经过3年不同氮沉降模拟实验, 结果表明: (1) 高频与低频施氮均能增加桤木叶、枝、皮、根、总生物量及碳储量, 其中高频施氮显著增加根生物量及碳储量, 较对照增加了22.98%、24.05%; 而低频施氮显著增加叶、干生物量及枝、叶碳储量。(2) 低频与高频施氮均显著降低了桤木林下植被生物量及碳储量, 较对照分别降低67.95%、83.97%和79.73%、70.27%, 对碳含量影响不显著。(3)高频与低频施氮均显著增加L层(0—20 cm)凋落物生物量及L层和F层(20—40 cm)凋落物碳储量, 且高频施氮>低频施氮; 低频施氮显著降低20—40 cm土壤碳储量, 较对照降低20.83%, 高频施氮则对土壤碳含量和土壤碳储量无显著影响。高频施氮显著增加桤木林人工生态系统中凋落物层碳储量, 显著降低林下植被层碳储量, 生态系统总碳储量增加; 低频施氮显著降低乔木层、林下植被层和凋落物层碳储量, 导致桤木林生态系统碳储量降低, 但两种处理影响均不显著。

氮沉降; 碳储量; 土壤; 生物量

0 前言

人类活动, 主要是化石燃料燃烧和农业畜牧业的集约经营, 使大气中含氮化合物增多, 这些含氮化合物随着大气降水等方式又逐渐沉降到地球表层, 对陆地与水体生态系统产生深远影响[1–2]。近几十年来我国大气氮沉降呈现持续增加的趋势, 并已成为继美国与欧洲之后世界第三大高氮沉降区[3–4], 大气氮沉降如何影响陆地生态系统碳氮循环已成为全球变化研究领域的热点问题之一[4–5]。

早在80年代初就有学者开始关注氮沉降对森林生态系统结构和功能的影响, 然而, 众学者研究结果并不一致。如Devries等[6]指出欧洲森林生态系统中每沉降一千克氮, 森林就会多吸收5—75 kg碳, Magill等[7]在对森林进行长期氮输入研究也发现凋落物产量有所增加, 这主要是因为氮沉降可以提高森林生产力、增加生物量积累, 从而增加了森林乔木层、植被层与凋落物层碳储存量; 而樊后保等[8]在短期氮输入森林生态系统研究中则得到对土壤碳库的影响不显著, Harrington等[9]和Cusack等[10]的研究同样表明热带森林不受氮的限制。

桤木(Burk.)别名: 水冬瓜树、水青风, 为桦木科, 桤木属植物, 是我国特有种, 为国家Ⅱ级重点保护野生植物(国务院1999年8月4日批准)。基于其经济和生态价值较高, 现已大量用于石漠化治理及退耕还林工程中。近几十年来, 随着工业的发展与汽车尾气排放的增加, 喀斯特区贵阳市氮沉降量一直居高不下, 未来大气氮沉降量势必仍会持续上升, 但目前氮沉降对贵阳周边地区人工林碳储量的研究还较少。因此, 在贵阳地区开展氮素添加模拟氮沉降对人工桤木林生态系统碳储量的影响, 比较不同频率氮素添加对人工桤木林生态系统乔木层、林下植被层、凋落物层、土壤碳储量影响的差异, 揭示氮沉降对喀斯特区人工桤木林生态系统碳储量积累的机制, 对贵阳地区森林建设和布局及生态环境建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验区自然概况

1.2 试验设计

模拟氮沉降实验时间为2016年1月—2019年8月, 整个实验平台采用完全随机区组设计, 参照前人研究[11-12]分别设置了2个氮沉降梯度(0 g·m-2a-1, 20 g·m-2a-1)、2种氮沉降频率: 高频施氮, 即每月1次(F1N); 低频施氮, 即半年1次(F2N), 共3个处理, 每个处理3次重复。每块样地面积20×20 m2, 每块样地间隔10 m。实验处理所用氮素含量为99%的NH4NO3。氮沉降模拟试验从2016年1月开始, 根据各处理样地所需氮量将相应NH4NO3溶解在10 L水中, 高频施氮每月月初以溶液形式用喷雾器人工来回均匀喷洒。低频施氮分别在6月和12月初进行, 其余月份喷洒同量的水, 对照(CK)样地中也喷洒同量水。

1.3 取样与测定

1.3.1 乔木层生物量与碳储量测定

(1)生物量测定: 2019年8月在每个测定样地内随机选取5株标准木。将标准木伐倒后, 以l米为区分段分别测定叶、树干、枝、树根、皮鲜重, 将样品置于烘箱中于105℃烘干至恒重, 称量各器官干重, 推算出乔木层单位面积各器官总生物量。

(2)碳含量测定: 将粉碎好的乔木层各器官样品精确称取2 mg, 用重铬酸钾氧化外加热法测定。

(3)碳储量计算方法: 本研究中乔木层碳储量由各器官生物量与相应碳含量乘积相加所得。

1.3.2 林下植被生物量与碳储量测定

针对解析出的要因,全体圈员以头脑风暴的方式进行讨论,开拓思路,进行细化分析,拟定相应的对策和项目负责人后,就每一评价项目依可行性、重要性、迫切性3个指标选定对策;评价方式为优5分、可3分、差1分,共7人参与评分,总分为105分。根据80/20原则,84分以上为选定的实施对策。具体见表3。

(1)生物量测定: 采用样方收获法测定林下植被生物量, 每个样地内分别设置3个灌木样方、3个草本样方, 灌木、草本样方面积分别为2 m×2 m、1 m×1 m, 将植株全部挖出后分为叶、枝、干和根(草本按叶和根系), 将不同器官样品置于烘箱中于105℃烘干至恒重, 称量各器官干重, 推算出林下植被各器官总生物量。

(2)碳含量测定: 将研磨好的混合植物样品准确称取2 mg, 用重铬酸钾法测定其碳含量。

(3)碳储量计算方法: 林下植被碳储量由植物生物量与相应碳含量乘积所得。

1.3.3 凋落物现存量与碳储量测定

(1)凋落物现存量测定: 2019年8月, 按照新鲜程度及是否完整的标准将样地内地表凋落物分为两层, 即分解层(L层)和半分解层(F层)。L层主要是以新鲜完整的凋落物组成, F层主要是已被微生物分解的但仍可肉眼区分的凋落物。在每个1 m × l m草本层样方中收集凋落物, 取样置于烘箱中于105℃烘干至恒重烘, 推算出样地内单位面积的凋落物的现存量。

(2)凋落物碳含量测定: 将粉碎好的凋落物样品准确称取2 mg, 用重铬酸钾法测定碳含量。

(3)凋落物碳储量计算方法: 凋落物碳储量由凋落物现存量与相应碳含量乘积所得。

1.3.4 土壤碳储量测定

(1)样品采集与处理: 2019年8月在试验样地内用土壤采样器进行多点混合采集原状土壤, 采集土层深度为40 cm, 分为表层(0—20 cm)和中层(20—40 cm)。将土壤样品除去残根和石子等杂物, 风干后研磨, 过 0.1 mm土壤筛后装入自封袋, 待分析。

(2)容重测定: 采用土壤剖面法测定土壤容重, 试验开始前在大样地内随机挖取3个40 cm深土壤剖面, 采用环刀法分0—20 cm、20—40 cm收集土壤, 风干后, 测定土壤容重。

(3)有机碳含量测定: 称取土壤样品0.1 g, 采用重铬酸钾法进行测定。

(4)有机碳储量(0—40 cm)计算方法: 采用公式=∑(××÷100), 式中, SOC为土壤有机碳储量(t·hm-2);为第层土壤有机碳含量(g·kg-2);为第层土壤容重;为第层土壤厚度(cm)。

1.3.5 生态系统碳储量

桤木林生态系统碳储量计算公式为: 乔木层碳储量+林下植被碳储量+凋落物层碳储量+土壤层碳储量

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2010和SPSS 19.0进行统计, 分别以One-Way ANOVA和Duncan's进行单因素方差分析和多重比较, 以 Oringin 9软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同氮沉降频率对桤木生物量的影响

由表1可知, 相比对照, 高频施氮显著增加根的生物量(<0.05), 与对照相比增加了22.98%, 对叶和皮的生物量略有增加, 差异不显著(>0.05)。低频施氮显著增加桤木叶和干的生物量, 与对照相比增加了38.40%、4.78%, 而桤木枝、皮、根及总生物量增加不显著。

表1 不同施氮频率对桤木各器官生物量的影响

2.2 不同氮沉降频率对桤木含碳量的影响

由表2可知, 低频与高频施氮均降低了桤木树干中碳含量, 与对照相比分别降低1.88%、2.33%, 差异不显著(>0.05)。高频施氮增加了桤木皮和根中碳含量, 与对照相比分别增加0.87%、0.88%。低频施氮增加了桤木叶、枝、皮和根中碳含量, 但降低了桤木干碳含量, 与对照相比降低2.34%, 差异不显著。

2.3 不同氮沉降频率对桤木各器官碳储量的影响

由图1可知, 桤木全株碳储量分布主要集中在树干、树根和树枝上, 碳储量最高的是树干,其次是树根和树枝, 最后是树皮和树叶。高频施氮显著增加了桤木根碳储量(<0.05), 较对照增加了24.05%, 其干、皮、枝、叶及总碳储量略有增加, 但差异不显著(>0.05)。低频施氮显著增加桤木叶和枝碳储量, 与对照相比分别增加38.41%、15.22%, 桤木干、皮及总碳储量增加不显著。

2.4 不同施氮频率对人工桤木林林下植被层生物量及碳储量的影响

施氮对人工桤木林林下植被层生物量及碳储量的影响如表3所示。高频与低频施氮均降低林下植被生物量, 与对照比分别降低67.95%、83.97%,差异性显著(<0.05)。施氮处理同时显著降低林下植被碳储量, 其中低频施氮降幅最大, 高频施氮次之, 与对照比分别降低79.73%、70.27%。林下植被含碳量在两种施氮处理下表现不一, 具体为高频施氮降低林下植被含碳量, 低频施氮时增加不显著(> 0.05)。

表2 不同施氮频率对桤木各器官含碳量的影响

2.5 不同氮沉降频率对桤木林凋落物层碳储量的影响

由表4可知, 高频和低频施氮方式下L层凋落物生物量均显著增加(<0.05), 且高频施氮>低频施氮, 与对照相比分别增加314%、121%。高频和低频施氮均显著增加L层和F层凋落物碳储量, 较对照分别增加76.07%、55.17%和104%、45.21%; 凋落物含碳量增加不显著(>0.05)。

图1 不同氮沉降频率对桤木各器官碳储量的影响

Figure 1 The carbon storage of different organs inunder different nitrogen addition frequency

2.6 不同氮沉降频率对人工桤木林土壤层碳储量的影响

由表5可知, 高频与低频施氮对土壤容重无影响, 但降低了0—20 cm土壤碳储量, 与对照相比分别降低7.65%、15.05%, 差异不显著(>0.05)。低频施氮降低了0—20 cm与20—40 cm土壤碳含量, 高频施氮增加了20—40 cm土壤碳含量, 但差异不显著。与对照相比, 低频施氮均显著降低(<0.05)了20—40 cm土壤碳储量, 降幅20.83%, 而高频施氮影响差异不显著。

表3 不同施施氮频率对人工桤木林林下植被层碳储量的影响

表4 不同施氮沉降频率对桤木林凋落物层碳储量的影响

表5 不同施氮频率对桤木林土壤层碳储量的影响

2.7 不同氮沉降频率对人工桤木林生态系统总碳储量的影响

生态系统碳储量包括乔木层、土壤层、林下植被层、枯落物层的碳储量。由图2可知, 高频和低频施氮桤木林下植被层碳储量比对照分别降低70.27%、79.73%, 且差异显著(<0.05); 同时, 显著增加了凋落物层碳储量, 与对照相比分别增加了179%、72.32%。两种施氮模式下桤木林土壤碳储量均有所降低, 具体表现为低频施氮土壤碳储量显著降低, 而高频施氮差异不显著(>0.05)。

图2 不同施氮频率对人工桤木林生态系统总碳储量的影响

Figure 2 The carbon storage of system inunder different nitrogen addition frequency

3 讨论

森林生态系统碳库具体可分为乔木碳库、林下植被碳库、凋落物碳库、土壤有机碳库和动物碳库, 动物碳库由于含量相对较少, 一般在研究中均忽略不计, 凋落物碳库虽然相较于植被和土壤碳库仍小, 但作为土壤有机碳的直接来源, 不能被忽略。森林生态系统中的碳储存方式包括生物量和土壤两种, 生物量即树叶、树枝、树干和根等, 土壤中则是以有机碳形式存在。

近年来, 随着学者们对氮沉降影响森林生态系统的关注, 这方面的研究也逐步增多[13-16]。本研究中两种施氮频率均促进桤木总生物量积累, 但低频施氮促进作用更大。相比高频施氮, 低频施氮促进了桤木各部分生物量(叶、枝、根、皮及干生物量), 其原因是氮沉降可通过直接增加植物有效氮的利用, 促进植物快速生长[17-19]。另外, 氮沉降对桤木林生态系统乔木层碳储量的总体促进作用也表现为低频施氮>高频施氮>对照, 而对桤木人工林碳含量无显著影响。

林下植被是森林生态系统的重要组成部分, 在维持森林固碳功能等方面起着重要作用[20-21]。通过对2种不同施氮处理的桤木人工林调查发现, 模拟氮沉降显著降低了林下植被生物量与碳储量, 且低频氮沉降降低最大, 原因可能是施氮后乔木层树冠覆盖度增大, 林下光照显著减少, 从而限制了林下植被的生长, 生物量降低, 进而导致林下植被碳储量的积累[12]。

凋落物的分解与积累是森林生态系统中关键的生态过程之一[22-23]。研究发现, 两种施氮频率均促进了L层与F层凋落物积累量及碳储量, 这与氮沉降促进植被生长, 使凋落物增多有关。高频施氮下凋落物L层和F层凋落物量及碳储量显著大于低频施氮, 这可能是因为低频氮沉降下凋落物分解速度大于积累速度。

土壤有机碳储量的积累与分解对全球变化影响巨大, 前人研究发现随土层深度的增加, 土壤有机碳含量会减少[24], 本研究结果与其一致。然而, 氮沉降对土壤有机碳影响的研究结论一直存在争议。Li等[25]在研究施氮对森林中地下部分碳吸存影响发现, 施氮肥不能提高土壤有机碳的碳储量, Magill等[26]的研究则得出氮沉降对土壤碳储量变化并没有显著的影响。氮沉降后桤木林土壤碳储量下降明显且低频氮沉降模式下降最大, 可能是氮沉降促进了森林土壤呼吸, 导致土壤中碳储量降低。

本研究结果表明, 低频和高频施氮增加了乔木层及凋落物层碳储量, 低频降低了林下植被碳储量与土壤碳储量, 使得生态系统总碳储量显著降低。这与房焕英[27]和夏承博[28]研究氮对杉木及桉树碳储量发现施氮对林木和土壤碳储量累积具有促进作用, 能有效提高森林生态系统碳储量水平相反, 其原因是低频施氮因一次性氮输入量较大, 超过了该区域氮量阈值, 不利于凋落物层分解。

4 结论

在喀斯特区人工桤木林以施氮模拟氮沉降试验中, 高频施氮显著增加根生物量及碳储量, 凋落物生物量及碳储量, 显著降低林下植被生物量、碳储量及20—40 cm土壤碳储量, 生态系统总碳储量无显著变化。低频施氮显著增加人工桤木林叶、干生物量及枝、叶碳储量, 显著增加了凋落物L层与F层碳储量, 但显著降低了桤木林下植被生物量、林下植被碳储量、L层凋落物生物量、L和F层凋落物碳储量以及土壤碳储量, 使桤木人工林总碳储量降低。本试验只是基于3年的氮沉降模拟, 但森林生态系统对氮沉降的响应是一个相当漫长而缓慢的过程, 沉降量的高低依不同区域及持续时间而异, 并且受多种因素的影响, 要确切了解氮沉降对林木生态系统碳储量的影响, 还有待于开展长期的定位检测研究。

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Effects of nitrogen deposition on carbon storage ofecosystem was simulated with different frequency of nitrogen addition

Xiong Lulu, Deng Xiaohong, JI Lala, WANG Jianjian*

Key laboratory of Plant Resource Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region (Ministry of Education), Collaborative Innovation Center for Mountain Ecology & Agro-Bioengineering (CICMEAB), College of Life Sciences/ Institute of Agro-bioengineering, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou Province, China

To explore the different frequency of nitrogen addition simulated atmospheric nitrogen deposition on the influence ofecosystem carbon storage, we adopted the method of fixed sample observation field by the method of 12 times nitrogen addition in 1 year (high frequency) and 2 times nitrogen addition in 1 year (low frequency) to study the effect of carbon storage onplantation ecosystem, undergrowth biomass layer, litter layer and soil layer. After 3 years of experiments with different nitrogen additions simulated, the results showed that:(1) nitrogen addition at both high and low frequencies could increase the leaf, branch, bark, root, total and carbon reserves of, and nitrogen addition at high frequencies significantly increased the root biomass and carbon reserves, by 22.98% and 24.05% compared with the control. (2) Nitrogen application at high frequencies could also increase the root biomass and carbon reserves of. Low frequency nitrogen addition significantly increased leaf, dry biomass and carbon storage of branch and leaf. Both low and high frequency nitrogen addition significantly reduced the biomass and carbon storage of the undergrowth layer, which were reduced by 67.95%, 83.97%, and 79.73%, 70.27%, respectively, compared with the control, with no significant effect on the carbon content. (3) The biomass of litters in L layer (0-20 cm) and the carbon storage of litters in L layer and F layer (20-40 cm) was significantly increased at both high frequency and low frequency nitrogen addition, and high frequency nitrogen addition > low frequency. Low frequency nitrogen addition significantly reduced soil carbon storage at 20-40 cm, which was 20.83% lower than the control. High frequency nitrogen addition had no significant effect on soil carbon content and soil carbon storage. High frequency nitrogen addition significantly increased the carbon storage of litter layer in the artificial ecosystem of, significantly reduced the carbon storage of undergrowth layer, and increased the total carbon storage of the ecosystem. Low frequency nitrogen addition significantly reduced the carbon storage ofundergrowth layer and litter layer, leading to the reduction of the carbon storage ofecosystem, but the effect of the two treatments was not significant.

nitrogen deposition; carbon storage;soil; biomass

熊露露, 邓小红, 姬拉拉, 等. 不同氮素添加频率模拟氮沉降对桤木人工林生态系统碳储量的影响[J]. 生态科学, 2022, 41(5): 28–34.

Xiong Lulu, Deng Xiaohong, JI Lala, et al. Effects of nitrogen deposition on carbon storage ofecosystem was simulated with different frequency of nitrogen addition[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 28–34.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.004

S718.5

A

1008-8873(2022)05-028-07

2020-08-21;

2020-09-09

国家自然科学基金项目(31760155); 贵州省科技厅自然科学基金项目 (2016(1033)) ;贵州省科技计划项目(黔科合支撑[2020]1Y076号)

熊露露(1996—), 女, 贵州铜仁人, 硕士研究生, 主要从事植物生态学研究, E-mail: 1034272561@qq.com

王健健, 男, 博士, 副教授, 主要从事植物生态学研究, E-mail: wangjj33209@163.com

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