4种类型水曲柳人工林叶片-凋落物-土壤生态化学计量特征比较

【目的】利用生态过程中多重化学元素的平衡关系,揭示营养元素相互作用的变化规律,了解多重化学元素质量平衡及其对生态交互作用的影响。分析4种类型水曲柳人工林间树种叶片-凋落物-土壤以及同一水曲柳人工林不同组分间碳(C)、氮(N)、磷(P)的含量及其生态化学计量特征,为水曲柳人工林的混交树种选择、叶片-凋落物-土壤中的养分调节及水曲柳人工林的合理施肥提供理论参考。【方法】在东北林业大学森林培育实验站,以天然林带状皆伐后营造的29年生水曲柳纯林、长白落叶松水曲柳混交林、红皮云杉水曲柳混交林和红松水曲柳混交林为对象,野外样地调查取样,室内测定叶片、凋落物、土壤的有机C、N、P含量,分析比较了4种类型水曲柳人工林叶片-凋落物-土壤的C、N、P含量及其化学计量比[碳氮、碳磷、氮磷质量比,即m(C):m(N),m(C):m(P),m(N):m(P),分别表示为C/N、C/P、N/P]特征。【结果】水曲柳与长白落叶松叶片的N、P含量显著高于红皮云杉和红松叶片中的N、P含量; 水曲柳纯林凋落物的N、P含量显著高于3种混交林凋落物的N、P含量; 4种林型土壤C、N、P含量差异显著,C以长白落叶松水曲柳混交林土壤的为最高,N、P以水曲柳纯林土壤的为最高,C、N、P皆以红松水曲柳混交林土壤的为最低; 4种林型叶片到凋落物的C、N、P含量平均降低率分别为18.98%、32.12%与21.95%; 凋落物到土壤的C、N、P含量平均降低率分别为81.37%、50.73%与3.49%; 混交林叶片到土壤的C、N、P含量平均降低率分别为84.90%、66.55%与24.67%; 红皮云杉和红松叶片的C/N、C/P显著高于水曲柳、长白落叶松叶片,N/P皆以长白落叶松、红皮云杉和红松显著低于水曲柳; 凋落物C/N和C/P以红皮云杉水曲柳混交林和红松水曲柳混交林显著高于水曲柳纯林和落叶松水曲柳混交林,N/P以水曲柳纯林高于3种混交林; 土壤C/N和C/P皆以落叶松水曲柳混交林显著高于其他3种林型。C/N以凋落物最高,土壤最低; C/P和N/P以叶片最高,土壤最低。【结论】从提高养分利用效率,促进树木生长和保护土壤角度综合考虑,相对于红松与红皮云杉,水曲柳与长白落叶松具有更好的养分利用效率与生长速度,长白落叶松水曲柳混交林和水曲柳纯林林下土壤中的C、N、P含量也相对高于红皮云杉水曲柳混交林与红松水曲柳混交林。因此,对水曲柳人工林的混交树种应优先选择长白落叶松。基于水曲柳人工林叶片-凋落物-土壤的C、N、P含量及其生态化学计量在不同组分中的变化情况,应注意林下土壤N、P肥的补施。     

生物炭对杨树人工林土壤微生物生物量碳、氮、磷及其化学计量特征的影响

【目的】揭示林分尺度下添加生物炭对土壤微生物生物量碳(SMBC)、土壤微生物生物量氮(SMBN)、土壤微生物生物量磷(SMBP)含量及其化学计量特征的影响,深入了解生物炭对杨树人工林土壤微生物群落结构与功能的影响,系统阐明生物炭调控人工林C、N、P生物地球化学循环的土壤微生物学机理,为在平原地区人工林生态系统中安全推广生物炭固碳增汇技术提供理论依据。【方法】以江苏省东台林场的杨树人工林为对象,设置生物炭添加量低(T1,40 t/hm²)、中(T2,80 t/hm²)、高(T3,120 t/hm²)3种处理及对照(不添加CK),测定SMBC、SMBN、SMBP含量及其化学计量特征(土壤微生物生物量碳、氮、磷含量比,即m(SMBC)/m(SMBN)、m(SMBC)/m(SMBP)、m(SMBN)/m(SMBP),文后简写为SMBC/SMBN、SMBC/SMBP、SMBN/SMBP)在不同处理间的差异,及其与土壤理化性质之间的关系。【结果】①与对照样地相比,3种生物炭添加处理均提高了SMBC、SMBN和SMBP含量。T1、T2、T3处理样地SMBC含量分别为对照样地的1.08、1.15、1.19倍; SMBN含量分别为对照样地的1.12、1.24、1.34倍; SMBP含量分别为对照样地的1.11、1.26、1.41倍; ②T1处理样地的SMBC/SMBN、SMBC/SMBP、SMBN/SMBP分别为15.7、85.0、5.4,T2处理样地的分别为15.1、78.6、5.2,T3处理样地的分别为14.3、73.3、5.1。与对照相比,3种生物炭添加处理均显著降低了SMBC/SMBN和SMBC/SMBP,且不同处理间差异显著(P<0.05),但仅T2、T3处理显著降低了SMBN/SMBP(P<0.05); ③SMBC、SMBN、SMBP含量均具有显著的季节变异,其中在植物休眠季节(2014年12月及2015年3月),SMBC、SMBN及SMBP的含量均维持在较高水平,而在植物生长的旺盛季节(2015年7月及2015年10月),其含量下降至较低水平,但SMBC/SMBN、SMBC/SMBP、SMBN/SMBP的季节变化与此完全相反; ④添加生物炭提高了土壤可溶性有机碳、硝态氮、速效磷、全氮和总有机碳含量,增加了土壤pH和含水率,但是降低了土壤密度和铵态氮含量; ⑤相关性分析表明,SMBC含量与土壤可溶性有机碳(DOC)、pH、含水率(SMC)、硝态氮(NO^-₃-N)和速效磷(AP)呈极显著正相关关系(P<0.01),与铵态氮(NH⁺₄-N)呈极显著负相关关系(P<0.01),而与土壤密度、全氮(TN)和总有机碳(TOC)相关性不显著(P≥0.05); SMBN与SMBP的含量表现较为一致,均与DOC、pH、SMC、NO^-₃-N、AP、TN呈极显著正相关关系(P<0.01),与NH⁺₄-N呈极显著负相关关系(P<0.01),而与土壤密度和TOC相关性不显著(P≥0.05)。【结论】添加生物炭能够显著提升SMBC、SMBN、SMBP含量,并有效降低SMBC/SMBN、SMBC/SMBP和SMBN/SMBP,有利于促进土壤微生物对N、P养分的固持与周转,进而改善土壤对N、P养分的供应。研究还发现,研究区杨树人工林生长可能存在N、P养分限制现象。     

不同蓝莓品种根际phoD基因相关土壤解磷细菌群落结构分析

【目的】研究不同品种兔眼蓝莓(Vaccinium ashei Reade,简称RB)对phoD(碱性磷酸酶基因)相关土壤解磷细菌群落组成的影响,阐明解磷细菌对土壤磷素的转化以及植物生长的意义。【方法】通过对12个兔眼蓝莓品种根际土壤中phoD进行高通量测序,分析phoD基因相关土壤解磷细菌群落的多样性及组成,解析根际解磷细菌与蓝莓品种以及土壤理化性质之间的相互作用关系。【结果】在12个兔眼蓝莓品种中,蓝莓‘森土里昂’(‘Centurion’, RB4)品种具有最高的群落多样性;蓝莓根际phoD基因相关土壤解磷细菌群落核心细菌群由α-变形菌纲根瘤菌目、红螺菌目、β-变形菌纲伯克氏菌目、γ-变形菌纲黄单胞菌目、海洋螺菌目、假单胞菌目和放线菌门链霉菌目组成;蓝莓根际phoD基因相关土壤解磷细菌群落可以分为RBⅠ、RBⅡ两组,其中RBⅠ组的α-变形菌纲细菌相对丰度显著高于RBⅡ组;土壤总磷(TP)和phoD基因相关土壤解磷细菌群落组成是速效磷(AP)的主要影响因素。【结论】蓝莓不同品种和土壤性质对根际phoD基因相关解磷细菌群落丰度有显著影响,而群落多样性则与对照无显著差异,这可为进一步阐明酸性土壤条件下植物和根际解磷细菌之间的共生关系提供有效的数据支持。     

模拟氮沉降对杨树人工林土壤微生物群落碳源利用类型的影响

【目的】探究氮沉降对杨树人工林土壤微生物群落特征的影响。【方法】以江苏省东台地区沿海杨树人工林为对象,采用Biolog ECO微平板技术,设置4种氮添加水平:N0(0 kg/(hm²·a))、N1(50 kg/(hm²·a))、N2(100 kg/(hm²·a))、N3(150 kg/(hm²·a))模拟不同浓度氮沉降,经过2 a生长季(5—10月)处理,测定杨树林土壤微生物群落碳源利用变化情况。【结果】N2处理可以增强杨树人工林土壤微生物对碳源的代谢能力,氮添加浓度过高则会产生抑制作用; 土壤中微生物对胺类和酚类利用程度表现出较大差异,其中,酚类在高浓度氮处理(N3)时利用程度最高,胺类在低浓度氮(N1)条件下利用程度最高; 硝态氮和平均颜色变化率(AWCD)、Shannon多样性均具有显著正相关性(P<0.05),微生物代谢水平及其结构变化受到硝态氮影响较大。主成分分析表明,PC1和PC2可以表示施氮对微生物群落代谢多样性产生的差异,其中,PC1的方差贡献率最大,碳水化合物、酚类呈负相关(碳源相关系数分别为-0.869、-0.780),氨基酸、羧酸呈正相关(碳源相关系数分别为0.702、0.821),是起主要分异作用的碳源; PC2涵盖了聚合物和胺类两种碳源大类,其中聚合物呈负相关(相关系数为-0.688),胺类呈正相关(相关系数为0.802)。【结论】氮添加会导致杨树人工林土壤微生物群落对碳源利用类型改变,土壤中硝态氮含量与微生物生长代谢及功能多样性呈显著正相关; 六大类碳源中碳水化合物、羧酸是影响土壤微生物群落功能多样性的主要碳源。 关键词:氮沉降; 土壤微生物; 碳源代谢; 群落功能多样性; 杨树人工林     

覆盖物对土壤性质及微生物生物量碳氮的影响

【目的】比较不同覆盖物处理下,深度为0～5、≥5～10 cm处土壤的性质和微生物生物量碳氮含量的变化,以期明确适宜‘日香桂’种植的覆盖物。【方法】采用5种覆盖物(无覆盖对照(CK)、马尼拉草皮覆盖(T)、五针白皮松树皮覆盖(W)、鹅卵石砾覆盖(G)、陶土颗粒覆盖(C))处理,每种覆盖3块重复并按随机区组排列。处理后,对土壤样品进行pH、全氮、有效氮、全磷、有效磷含量、脲酶活性、磷酸酶活性、微生物生物量碳氮含量进行测定。【结果】从整体看,覆盖材料对土壤密度和全氮含量的影响不显著,但是可以提高土壤有机物含量。在0～5 cm土壤深度,T和W覆盖处理降低了土壤pH,而G和C覆盖处理增加了pH。覆盖T与W比其他覆盖处理更有效地提高了土壤有效磷、有效氮含量,以及土壤脲酶、磷酸酶活性和微生物生物量碳氮含量,其中W覆盖在提高微生物生物量碳氮含量上表现更突出。在≥5～10 cm土壤深度,覆盖物均对土壤pH有提高作用,无机覆盖G和C对土壤性质和微生物生物量影响甚微; T和W覆盖的作用效果虽比0～5 cm的作用效果有所下降,但对土壤脲酶、磷酸酶、微生物生物量碳氮的提升作用依然存在。【结论】无论是0～5 cm,还是≥5～10 cm深度,在对于土壤性质和微生物改善方面,松鳞树皮和马尼拉草覆盖(W和T覆盖)都表现出优于其他覆盖的效果,且W覆盖对土壤微生物生物量碳氮、有效氮的促进作用更显著。     

蚯蚓与凋落物对杨树人工林土壤酶活性的影响

【目的】揭示接种蚯蚓和施用凋落物对杨树人工林土壤主要酶活性的影响,正确评价蚯蚓和凋落物在杨树人工林生态系统土壤养分循环中的作用,以促进其生产力长期维持及生态服务功能提升,为优化杨树人工林经营管理提供依据。【方法】以江苏省东台林场20年生杨树人工林为试验对象,采用随机区组试验设计,共设置杨树凋落叶表施(T1)、杨树凋落叶混施(T2)、接种蚯蚓(T3)、杨树凋落叶表施+接种蚯蚓(T4)、杨树凋落叶混施+接种蚯蚓(T5)共5种不同试验处理及不做处理为对照(CK),测定分析不同处理下土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶及纤维素酶活性的变化,及土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮含量、容重、pH、总有机碳含量、全氮含量等重要土壤环境因子的变化。【结果】①与CK相比,T3、T4、T5处理显著提升了土壤蔗糖酶、脲酶活性,土壤蔗糖酶活性平均增幅分别为30.85%、34.58%、50.90%,土壤脲酶活性平均增幅分别为27.57%、33.67%、66.64%。②与CK相比,5种处理均显著提升了土壤纤维素酶活性,平均增幅分别为38.39%、51.79%、79.91%、129.33%、149.52%。③与CK相比,T1、T2处理显著降低了土壤过氧化氢酶活性,平均降幅分别为13.23%、17.56%,T3、T4、T5处理与CK相比没有显著性差异。④季节动态分析表明,土壤蔗糖酶活性9月最高,为0.77 mg/(g·d);3月最低,为0.40 mg/(g·d)。土壤脲酶活性夏秋季较高,为10.57 mg/(g·d);冬春季较低,为5.61 mg/(g·d)。土壤过氧化氢酶活性6月最高,为4.20 mg/(g·h);其他季节较低,为2.22 mg/(g·h)。土壤纤维素酶活性夏秋季较高,为6.93 mg/(g·d);冬春季较低,为2.36 mg/(g·d)。与CK相比,接种蚯蚓及添加凋落物处理没有改变4种土壤酶活性的季节性变化规律。⑤重复测量方差分析表明,季节变化和试验处理均显著影响了土壤蔗糖酶、脲酶、纤维素酶和过氧化氢酶活性,其中季节变化和试验处理对土壤过氧化氢酶活性的影响具有显著性交互作用,而对土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶活性的影响没有显著性交互作用。⑥相关分析表明,土壤蔗糖酶、脲酶及纤维素酶活性与土壤容重、pH呈显著负相关,与土壤全氮、总有机碳、微生物生物量碳、微生物生物量氮含量、微生物生物量碳氮比呈显著正相关;土壤过氧化氢酶活性则与上述各环境因子相关性不显著。【结论】接种蚯蚓能够显著提高杨树人工林土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶活性,凋落物混施比表施更有利于促进接种蚯蚓对杨树人工林土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶活性的影响;凋落物混施和接种蚯蚓处理均显著提升了土壤酶评价指数,凋落物混施+接种蚯蚓处理进一步提升了土壤酶指数。因此,在农林业生产中可考虑将凋落物混施与接种蚯蚓经营措施结合应用。     

氮沉降和接种菌根真菌对灌木铁线莲非结构性碳水化合物及根际土壤酶活性的影响

【目的】通过研究氮沉降和接种菌根真菌处理对植物根际土壤酶活性和非结构性碳水化合物含量的影响,探讨全球氮沉降变化背景下植物根际微生态环境及植物生长的应对策略。【方法】以1年生盆栽灌木铁线莲单一接菌(根内根孢囊霉,编号+R;摩西斗管囊霉,编号+F)、混合接菌(根内根孢囊霉和摩西斗管囊霉体积比1:1的混合菌剂,编号+RF)的菌根苗和非菌根苗(未接菌,编号-M)为研究对象,设置4个氮沉降处理试验,即不施氮[CK,0 g/(m²·a)]、低氮[LN,3 g/(m²·a)]、中氮[MN,6 g/(m²·a)]、高氮[HN,9 g/(m²·a)],测定1年生灌木铁线莲苗木非结构性碳水化合物(NSC)[可溶性糖(SS)、淀粉(ST)],以及根际土壤酶[β-1,4葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-1,4-N-乙酰-氨基葡糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(ACP)和碱性磷酸酶(ALP)]等指标。基于单因素方差分析、双因素交互作用分析和相关性分析方法,在氮沉降量增加的背景下,研究不同接菌处理对苗木根际土壤碳、氮、磷相关酶活性及苗木各器官内非结构性碳水化合物分配的影响,从而探讨接菌处理下各指标对不同氮沉降水平的响应差异。【结果】①除BG活性外,氮沉降、接种菌根真菌及二者交互作用显著影响灌木铁线莲根际土中氮、磷相关酶活性。HN处理下,接种菌根真菌显著降低苗木根际土壤NAG活性。-M处理下,与磷相关的根际土壤ACP和ALP活性在HN条件下显著增加。+R和+F处理下,ALP均在HN处理达到最大。②氮沉降、接种菌根真菌及二者交互作用显著影响灌木铁线莲苗木非结构性碳水化合物。氮沉降处理下,各接菌处理苗木SS、ST和NSC含量高于未接菌处理苗木的,且在+F处理苗木的SS、ST和NSC含量均达到最大。③在LN、MN和HN处理下,-M处理苗木的各器官NSC含量大小顺序为茎<根<叶,而接菌处理苗木的各部位的大小顺序为根<茎<叶。HN处理下,+F处理苗木根内ST和NSC含量达到最大值,茎和叶内SS和NSC含量均达到最大值。④氮沉降和接种菌根真菌处理下,SS、ST、NSC含量与土壤氮相关的NAG活性显著负相关,而与磷和碳相关的酶显著正相关;其中苗木非结构性碳水化合物与磷相关土壤酶ALP活性的相关性系数最高,与碳相关土壤酶BG活性相关性系数最低。【结论】氮沉降和接种菌根真菌处理对灌木铁线莲苗木根际土壤氮、磷相关酶活性的影响高于对根际土壤碳相关酶活的影响,氮沉降处理显著增强菌根苗根际土壤磷酸酶活性。氮沉降背景下,接菌处理提高了苗木非结构性碳水化合物含量,其中接种摩西斗管囊霉的效果最为显著,且明显增加了高氮环境中苗木对根中非结构性碳的分配。     

氮添加对杨树人工林土壤活性有机碳季节变化的影响

为研究大气氮沉降对森林生态系统碳循环的影响, 从2012年5月起,选择典型的苏北杨树(Populus deltoides cv. ‘I-35’)人工林为实验地, 采用随机区组设计不同氮添加处理, 进行野外氮添加定位试验,分析氮添加对不同林龄杨树人工林土壤活性有机碳的影响。结果表明:氮添加提高了土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳的含量; 土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳含量有显著的季节变化,总体表现为夏秋季较高,冬春季较低。相关分析表明,微生物生物量碳含量与土壤温度呈极显著正相关(p<0.01),可溶性有机碳含量与土壤温度相关性不显著(p>0.05)。研究表明,苏北杨树人工林土壤活性有机碳含量的季节变化主要受到土壤温度影响,同时其对氮添加呈正响应。     

无患子初果期人工林土壤和叶片C、N、P化学计量特征

【目的】了解无患子无性系人工林初果期C、N、P化学计量差异及其养分元素间相互作用。【方法】以福建省建宁县无患子无性系媛华人工林为研究对象,选择其初果期具有代表性的地段,分别设置3块20 m×10 m样地,测定了土壤(有机碳、全氮、全磷、全钾、有效磷、有效钾、碱解氮)和叶片(碳、氮、磷、钾)养分含量,并计算土壤和叶片的碳、氮、磷元素计量比(记为C/N、C/P、N/P),分析处于初果期的无患子人工林土壤和叶片养分含量及化学计量特征。【结果】无患子无性系媛华人工林土壤有机碳、全氮、全钾、有效磷含量在初果期随林龄增大而增加,土壤全磷变化不明显且含量较低(0.36 g/kg);土壤C/N随林龄增加逐步减小,而C/P和N/P有一定增加趋势;叶片碳和磷含量随林龄增加而逐渐增大,氮含量逐渐降低,钾含量无显著变化,其人工林叶片C/N有一定程度升高,C/P和N/P随林龄增加出现逐渐降低的趋势。此外,无患子人工林土壤有机碳和全氮含量具有显著正相关;无患子叶片碳与氮之间呈负相关,但碳与磷、钾呈正相关。同时,无患子无性系人工林叶片C含量与土壤有机碳含量在0~20和≥40~60 cm的土层呈显著正相关,在≥20~40 cm的土层中呈极显著正相关;叶片磷P含量与土壤有机碳含量在0~20 cm呈极显著正相关,在≥20~40和≥40~60 cm的土层中呈显著正相关;N/P与土壤有机碳含量在0~20 和≥40~60 cm呈极显著负相关,在≥20~40 cm土层中呈显著负相关。【结论】在无患子人工林初果期,土壤养分主要受P的限制,因此,苗木定植后的结果初期,可适当增加磷肥的投入。     

间伐对马尾松人工林根际土壤氮含量及酶活性的影响

【目的】间伐是生产实践中常见的一种干扰,研究间伐对马尾松人工林根际土壤氮含量及相关酶活性的影响,为马尾松人工林的可持续经营提供科学参考。【方法】以南京市溧水区林场30年生马尾松人工林为研究对象,采用抖落法收集根际土,测定4种间伐强度(强度(65%)、中度(45%)、弱度(25%)、对照(未间伐))下根际土壤不同形态氮含量及氮循环相关酶活性,并分析其与土壤理化性质之间的关系。【结果】弱度间伐显著增加了根际土壤铵态氮含量,而强度间伐下则显著降低; 根际土壤全氮、硝态氮和可溶性有机氮含量在各间伐强度下均表现为:中度>对照>弱度>强度; 根际土壤微生物生物量氮和碱解氮均在弱度和中度间伐下显著升高。弱度和中度间伐显著降低根际土壤脲酶活性,而显著增加根际土壤亚硝酸酶活性; 间伐对根际土壤蛋白酶、硝酸还原酶和羟胺还原酶活性的影响不显著,表明脲酶和亚硝酸酶对间伐的响应更敏感,可作为土壤氮变化的指标。除硝酸还原酶活性以外,根际土壤中其余4种氮循环相关酶活性以及不同形态氮素含量均高于非根际土壤,表现出明显的正根际效应。此外,根际土壤不同形态氮素含量及相关酶活性与含水量、pH密切相关。【结论】间伐强度对根际土壤不同形态氮和酶活性有显著影响,总体来看,弱度和中度间伐能改变土壤含水量和酶活性,有利于土壤氮素的积累,可将其作为间伐强度的参考指标。     

长白落叶松-水曲柳混交林不同混交方式单木冠长预测模型

【目的】为了准确预估长白落叶松-水曲柳4种不同行间混交方式(行间混交比例分别为1∶1、2∶2、3∶3、5∶5)的单木冠长,采用联立方程组模型分别构建了长白落叶松和水曲柳的冠长模型。【方法】基于黑龙江省尚志国有林场管理局的长白落叶松-水曲柳混交林54块标准地的样木数据,从3种非线性的基础冠长模型中选取最优冠长模型,以单分子式模型为树高曲线的基础模型,并将混交比例(Z_i)和树木在混交带内位置(K)作为哑变量,加入其他树木变量、林分变量和竞争因子,分别构建长白落叶松和水曲柳的冠长模型;基于最优冠长模型和树高曲线模型建立联立方程组模型,采用非线性似乎不相关回归(NSUR)的方法进行参数估计,并对所构建的模型进行评价。【结果】长白落叶松冠长与高径比呈负相关,与林木树高和林分优势高之比呈正相关;水曲柳冠长与高径比呈负相关,与林木胸径和林分优势木胸径之比呈正相关;长白落叶松树高与长白落叶松优势木平均高呈正相关,水曲柳树高与水曲柳优势木平均高呈正相关。联立方程组预估长白落叶松冠长和树高的调整后决定系数 ( R_{\mathrm{a}}^2 )分别为0.478 1和0.821 6,联立方程组预估水曲柳冠长和树高的 R_{\mathrm{a}}^2 分别为0.395 8和0.752 9。【结论】构建冠长和树高联立方程组模型不仅具有较好的拟合效果及预测精度,还解决了冠长与树高之间内在相关性的问题。因此,本研究所构建的冠长模型可以很好地预测东北地区混交林内长白落叶松和水曲柳的冠长,为进一步研究混交林树木树冠结构提供依据。     

阿什河流域6种人工林叶片-凋落物-土壤系统的养分分配与利用格局

【目的】分别从人工林叶片、凋落物、土壤养分含量及化学计量比的差异,叶片-凋落物养分重吸收的差异,土壤有效养分及其活化的差异等方面,探究黑龙江阿什河流域6种人工林生态系统的养分吸收与利用策略,明确人工针叶林和阔叶林间以及不同树种间叶片-凋落物-土壤系统养分分配格局的差异,从养分优化利用和养分资源合理配置的角度考虑,推断适宜的互补树种,为流域森林景观的恢复和人工林的经营提供依据。【方法】以东北林业大学实验林场森林培育实验站次生林带状皆伐后营造的位置相近、立地条件基本一致的29年生红松、长白落叶松、红皮云杉、水曲柳、黄檗、胡桃楸人工林为研究对象,通过野外调查取样,室内使用碳氮分析仪测定叶片、凋落物、土壤C含量,使用凯氏定氮仪测定叶片和凋落物的N含量,硫酸-高氯酸消化-钼锑抗比色法测定叶片和凋落物的P含量,连续流动分析仪测定土壤的N含量、铵态氮($NH_{4}^{+}-N$)及硝态氮($NO_{3}^{-}-N$)含量,硫酸-高氯酸消化-钼锑抗比色法测定土壤的P含量,HCl-H₂SO₄浸提法测定土壤的有效磷含量。运用生态化学计量学的研究方法,分析各林分叶片-凋落物-土壤系统的养分含量及其生态化学计量特征,确定各凋落物营养的重吸收及土壤有效养分的供应特征。【结果】①针叶林叶片P含量(1.55 g/kg)显著低于阔叶林叶片P含量(2.02 g/kg)(P<0.05, F=16.92,df=1)。针叶林土壤C、P含量(47.75、1.17 g/kg)显著低于阔叶林土壤C、P含量(76.35、1.47 g/kg)(P<0.05, F_{C 含量}=75.15, F_{P 含量}=9.91,df=1)。6种林分中,水曲柳林叶片的N含量(19.64 g/kg)(P<0.05, F=5.26,df=5)、凋落物C、N、P含量(P<0.05, F_{C 含量}=2.34, F_{N 含量}=1.60, F_{P 含量}=6.74,df=5)和土壤的C、N、P含量(P<0.05, F_{C 含量}=154.84, F_{N 含量}=14.21, F_{P 含量}=53.55,df=5)均相对较高。红皮云杉林叶片P含量(1.30 g/kg)(P<0.05, F=36.71,df=5),长白落叶松林凋落物C含量(P<0.05, F=2.34,df=5),红松林凋落物N含量(P<0.05, F=1.60,df=5)均相对较低。②针叶林叶片碳磷质量比(C/P)值(314.84)显著高于阔叶林叶片C/P值(251.03)(P<0.05, F=20.43,df=1),阔叶林土壤C/P值(53.20)显著高于针叶林土壤C/P值(40.71)(P<0.05, F=15. 38,df=1)。6种林分中,红皮云杉林叶片C/P值(359.24)较高(P<0.05, F=35.02,df=5),水曲柳林叶片碳氮质量比(C/N)值(24.15)相对较低(P<0.05, F=11.42,df=5)。胡桃楸林土壤C/N值(19.82)显著高于长白落叶松林土壤的C/N值(5.62)(P<0.05, F=12.40,df=5)。③针叶林元素重吸收率为N的(25.31%)>P的(14.41%)。阔叶林P重吸收率(29.84%)显著高于针叶林P重吸收率(14.41%)(P<0.05, F=7.30,df=1)。6种林分中,水曲柳N重吸收率(P<0.05, F=13.66,df=5)、黄檗P重吸收率(P<0.05, F=60.40,df=5)相对较高。④阔叶林土壤有效P含量及有效P比率(11.74 mg/kg、8.22×10 ^-3)显著小于针叶林(16.59 mg/kg、14.24×10 ^-3)(P<0.05, F_{有效P含量}=7.32, F_{有效P比率}=11.84,df=1)。6种林分中,红松林和胡桃楸林土壤对N的活化能力相对较强,红松林和长白落叶松林土壤有效P的供应能力及其活化能力相对较强。【结论】针叶林叶片P元素利用率高,元素重吸收率为N>P。阔叶林土壤C、P含量较高、有效P积累能力弱、有效P含量及比例均显著低于针叶林,但其P的重吸收率显著高于针叶林。从优化养分资源角度考虑,针叶树种与阔叶树种混交,如红松与水曲柳、长白落叶松与水曲柳混交可以弥补针叶纯林养分分配与利用格局上的不足。     

模拟氮沉降对典型阔叶红松林土壤微生物群落特征的影响

【目的】探究氮沉降增加对阔叶红松(Pinus koraiensis)混交林土壤微生物群落特征的影响。【方法】对阔叶红松林进行模拟氮沉降实验,设置对照(N0,0 kg/(hm²·a))、低氮(N1, 30 kg/(hm²·a))、中氮(N2, 60 kg/(hm²·a))和高氮(N3, 120 kg/(hm²·a))共4组处理,在实验样地内采集0～10 cm、≥10～20 cm土层中的土壤,测定土壤微生物生物量碳(SMBC)及土壤微生物生物量氮(SMBN)含量及变化。【结果】① 模拟氮沉降未改变SMBC、SMBN及SMBC/SMBN的垂直分布; SMBC、SMBN在生长季月动态曲线均为以8月中旬为峰值的单峰型曲线,SMBC/SMBN的曲线波动较大,0～10 cm土层以N0处理的结果波动范围最小(2.83～6.97)。② 模拟氮沉降仅对0～10 cm土层6、8月中旬的SMBC以及5、6、8月中旬的SMBC/SMBN有显著影响(P<0.05),而对SMBC、SMBN及SMBC/SMBN的生长季平均值无显著影响。【结论】模拟氮沉降对阔叶红松林土壤微生物生物量的影响仅在个别月份中表现明显,而对于整个生长季而言,更长时间的模拟氮沉降实验才可能对土壤微生物生物量产生明显的影响。     

结构方程模型在兴安落叶松林生长中的应用

【目的】通过结构方程模型,确定气候、土壤和海拔对兴安落叶松林生长指标的影响以及路径关系。【方法】选取年平均气温、年平均降水量、太阳辐射、土壤全氮含量、土壤有机碳密度和海拔作为影响因素,探究兴安落叶松地上生物量、地下生物量、树高与这些影响因素的关系,并利用AMOS 21.0软件构建衡量兴安落叶松生长的3个指标与气候、土壤和海拔的结构方程模型。【结果】兴安落叶松的地上生物量、地下生物量随着海拔、年平均降水量的增大呈现先增大后减少的趋势,树高随着海拔的增加而增加。地上和地下生物量随着土壤有机碳密度的增加而增加。海拔对兴安落叶松生长的总效应系数为0.200且是正向效应,海拔对兴安落叶松生长的直接效应(0.224)大于间接效应(-0.024);气候因子对兴安落叶松林生长的总影响系数为-0.771且是负向效应;土壤因子对兴安落叶松生长的总影响系数为-0.216,其对兴安落叶松林生长起到一定的抑制作用。【结论】根据结构方程模型的路径系数,气候因子的总影响系数绝对值最大,其次是土壤和海拔,兴安落叶松林静态生长主要受到气候因子的制约。     

间伐对杉木人工林土壤微生物生物量碳氮的短期影响

【目的】探究大径材培育目标下间伐对杉木人工林土壤微生物生物量碳氮的短期影响,为缓解杉木人工林地力衰退问题和大径材定向培育提供指导。【方法】以16年生杉木人工林为对象,采用完全随机区组设计,设置3种间伐强度,分别为强度间伐(32%,编号HIT)、弱度间伐(23%,编号LIT)、对照组(0%,编号CK),研究不同间伐条件下杉木人工林的土壤微生物生物量碳(SMBC)、生物量氮(SMBN)含量的变化及其化学计量特征[土壤微生物生物量碳、氮含量比,土壤微生物生物量碳、氮与土壤全碳(TC)、全氮(TN)含量比,即SMBC/SMBN、SMBC/TC、SMBN/TN]之间的差异。【结果】在不同间伐强度下,杉木人工林不同土层SMBC、SMBN含量及SMBN/TN的值从大到小依次为HIT、LIT、CK;SMBC/TC的值除在≥10~20 cm土层以强度间伐(HIT)最高之外,其他土层均以弱度间伐(LIT)最高;SMBC/SMBN的值除在≥20~40cm土层,以CK最高外,其他土层均以LIT处理最高;从土壤的垂直分布特征来看,杉木人工林SMBC、SMBN含量从大到小依次为0~10、≥10~20、≥20~40 cm,即呈现出SMBC、SMBN含量随土层加深而降低的趋势。【结论】强度间伐对SMBC、SMBN含量影响明显,可能有利于提高土壤肥力;加强对土壤地力的维护,从而改善杉木大径材的培养。     

气候变暖对黑龙江省五大连池兴安落叶松径向生长的影响

【目的】龙门石寨熔岩台地是五大连池火山群演替顶极群落兴安落叶松天然林的主要分布地。探讨近51年(1968—2018年)龙门石寨兴安落叶松树木径向生长对气候变暖的响应特征,进而为了解气候变暖背景下五大连池火山群植被演替趋势提供科学依据。【方法】采用Mann-Kendall检验方法确定研究区近51年气温变化的趋势和可能发生气温突变的年份,运用树轮气候学方法分析1968—1981年和1982—2018年两个时间段兴安落叶松径向生长对气候变化的响应特征。【结果】五大连池近44年(1975—2018年)平均气温呈增加趋势,且1981年为研究区年均气温升高的突变点。气候变暖后兴安落叶松年轮指数和胸高断面积增量都下降,年轮指数呈上升的趋势,而胸高断面积增量处于下降趋势,但均不显著。树木径向生长对于气温升高的响应出现了“分离效应”。水热条件共同控制兴安落叶松树木生长,但气温是径向生长的主要影响因子,气候变暖显著改变了兴安落叶松径向生长与气候因子的响应模式,树木径向生长对年平均气温、年平均最低气温和寒冷指数的响应敏感性显著增强。研究期上一年11月的降水以及当年2、3月和生长季前(4—5月)的平均最低气温是决定兴安落叶松年轮宽度的主要因素。【结论】1981年后五大连池气候显著变暖,气候变暖未显著改变兴安落叶松的径向生长,升温造成的干旱胁迫可能是树木径向生长对气温变化响应的“分离效应”及气候变暖后树木径向生长与气候因子的响应显著改变的重要原因。     

兴安落叶松林火烧迹地土壤速效钾时空动态分析

【目的】研究不同强度火干扰下兴安落叶松林土壤速效钾含量的时空变化,探讨其变化规律与空间格局的形成原因,分析火烧迹地恢复初期土壤速效钾营养水平,为林地土壤钾营养调控与管理提供参考。【方法】在大兴安岭北部兴安落叶松林地布设固定采样点,进行林火点烧试验,分别于火烧前、火烧后、融雪季后和生长季采用土钻法在固定点位30 cm半径内采集土壤样品,采用乙酸铵法测定土壤速效钾含量,分析轻、中、重度火烧区土壤速效钾时空变化特征。【结果】①轻度火烧区,土壤速效钾含量未因火烧立即发生明显变化,但在融雪季显著上升,生长季仍维持较高水平;中、重度火烧区,则在火烧后立即升高,融雪季进一步上升,而后相对稳定;②火烧强度空间格局与土壤速效钾含量空间格局在融雪季和生长季均极显著正相关,与土壤速效钾含量变化率在火烧后的各时期均极显著正相关;原生土壤速效钾含量与火烧后各时期土壤速效钾含量及其变化率均显著相关;火烧后,土壤速效钾空间格局是原生土壤速效钾含量空间格局与火烧强度空间格局综合作用的结果。【结论】经过融雪季与生长季,兴安落叶松林轻、中、重度火烧区土壤速效钾含量显著升高,有利于火烧迹地恢复初期森林植被更新与改造。     

有机物添加对山西太岳山油松林土壤呼吸及碳组分的影响

【目的】 探讨添加不同类型有机物对油松林土壤有机碳组分及土壤呼吸的影响,为预测山西太岳山油松林生态系统中土壤的碳收支平衡提供参考。【方法】 采用随机区组设计,以山西太岳山油松林地表的平均自然凋落物量为标准,向油松林地0~20 cm土壤中分别添加生物炭(BC)、玉米秸秆(JG)、辽东栎叶(LD)和油松叶(YS)等4种类型有机物,使用LI-8100 CO₂通量全自动测量系统对有机物添加条件下的土壤呼吸速率进行连续测定,并对各处理的土壤有机碳(SOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化碳(ROC)、可溶性有机碳(DOC)含量进行监测,结合土壤呼吸与土壤有机碳及其组分之间的关系,探讨添加有机物对山西太岳山油松林土壤呼吸及碳组分的影响。【结果】 ①向土壤中添加BC显著降低了土壤呼吸速率,添加JG后土壤呼吸速率较CK显著提高了11.67%。,其余处理与CK差异不显著。在2014年7—11月和2015年5—10月,不同添加物处理间土壤呼吸速率从大至小表现为JG>LD >YS>CK。②有机物添加下土壤SOC含量随时间的增加有上升的趋势,在2014年8月,添加JG后显著提高了土壤SOC、MBC、ROC、DOC含量,添加BC显著提高了土壤MBC含量,添加LD和YS显著提高了土壤SOC和MBC含量。在2014年10月,添加JG显著提高了土壤SOC、MBC、ROC、DOC含量,添加LD显著提高了土壤MBC和ROC含量,添加YS显著提高了土壤SOC、MBC含量。在2015年3月,添加JG显著提高了土壤SOC、MBC和ROC含量,添加LD显著提高了土壤ROC含量。2015年5月,添加JG显著增加了土壤MBC含量。③与对照相比,添加BC后土温10 ℃时的土壤呼吸速率(R₁₀)显著降低了18.01%,添加YS后R₁₀显著增加了30.88%,添加其他有机物对温度敏感性系数(Q₁₀)和R₁₀没有显著影响。④土壤呼吸速率与土壤温度、SOC、MBC、ROC和DOC含量显著正相关。【结论】 添加有机物显著影响土壤碳动态和土壤温湿度,这些都会对土壤CO₂排放产生显著影响,添加JG对土壤有机碳及其碳组分的提高效果最显著,但土壤呼吸速率最高,不利于碳的储存;添加LD可增加土壤活性有机碳含量,短期内可明显改善土壤有机碳库质量;添加BC可在短期内提高土壤微生物生物量碳含量,并显著降低土壤呼吸速率,减少土壤CO₂排放的效果最好。     

西双版纳热带森林碳循环中土壤呼吸对次生演替的响应

【目的】探明热带森林次生演替过程中土壤呼吸速率的季节变化及其主要调控因素,分析土壤微生物生物量碳及理化性质对土壤呼吸速率时间动态的影响,为精确评估热带森林恢复对土壤碳库变化的影响提供参考。【方法】采用LI-6400-09便携式土壤呼吸测定仪对西双版纳热带森林演替前期的白背桐(Mallotus paniculatus)群落与演替后期的高檐蒲桃(Syzygium oblatum)群落土壤呼吸速率进行连续定位观测,结合相关分析和主成分分析,探讨热带森林演替过程中土壤微生物生物量碳、容重、pH及碳氮库各组分含量变化对土壤呼吸速率的影响。【结果】研究区白背桐与高檐蒲桃群落土壤呼吸具有明显的单峰型季节变化特征,最大值出现在湿季(6月),其中高檐蒲桃群落土壤呼吸速率[3.80~6.19 μmol/(m²·s)]显著高于白背桐群落[2.40~4.35 μmol/(m²·s)],但恢复前期土壤呼吸变幅(1.81倍)显著高于恢复后期(1.63倍);土壤呼吸速率随土壤温度和水分季节变化呈非线性显著或极显著增加的趋势(P<0.01或P<0.05),其中,高檐蒲桃群落温度、水分对土壤呼吸的解释率分别为49.00%~65.30%、2.96%~53.00%,显著高于白背桐群落的6.40%~49.10%、2.48%~43.70%;两群落土壤呼吸速率均与碳库(总碳、土壤微生物生物量碳)及氮库(硝态氮、全氮、铵态氮)含量显著或极显著正相关(P<0.01或0.05),并与pH呈极显著负相关 (P<0.01);土壤易氧化碳、硝态氮、含水量对土壤呼吸变化的贡献最大,而土壤温度、土壤微生物生物量碳、全氮、铵态氮及水解氮的影响次之。【结论】西双版纳热带森林次生演替显著促进了土壤呼吸,土壤呼吸时间动态主要受土壤微气候(如含水量)及土壤碳库(如易氧化碳)、氮库(如硝态氮)组分含量所调控。