凋落物质量和分解对中亚热带栲木荷林土壤氮矿化的影响

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1、应用与环境生物学报 2005, 11(2) : 146151 Chin J Appl Environ B iol=ISSN 10062687X 2005204225凋落物质量和分解对中亚热带栲木 荷林土壤氮矿化的影响3陈印平1, 2潘开文13 3吴 宁1罗 鹏1王进闯1鲜纪绅2, 3(1中国科学院成都生物研究所 成都 610041)(2中国科学院研究生院 北京 100039)(3中国科学院成都山地灾害与环境研究所 成都 610041)摘 要 用控温、 控水室内培养方法,研究了中亚热带栲木荷常绿阔叶林和邻近柳杉人工针叶林凋落物的分解及其对栲 木荷林土壤氮矿化的影响.结果表明:栲木荷阔叶林的凋落物

2、失重率大于针阔混合凋落物的失重率,大于柳杉针叶纯林 凋落物的失重率.所有凋落物失重率都与其初始氮含量呈显著负相关,和初始碳含量呈显著正相关,而与凋落物C/N比 的相关性不强.不同凋落物处理下的土壤NO- 32N含量差异显著(P0. 05,N=18) ,混合凋落物处理下的土壤NO- 32N和NH+ 42N含量最高,分别是224. 21mg kg- 1和56. 77mg kg- 1,其氮转化速率也最高,硝化、 氨化、 氮矿化速率分别为1. 74 mg kg- 1d- 1、0. 36 mg kg- 1d- 1和1. 90 mg kg- 1d- 1.各凋落物处理下的土壤氮 含量随时间变化的规律不一致.

3、土壤氨化速率与土壤全氮呈显著正相关(r=0. 843,P0. 05,N= 21). NO- 32N and NH+ 42N contents were the highest in the soil with mixed litters, being 224. 21 mg kg- 1and 56. 77 mg kg- 1. Additionally, the rates ofN transfor mation were the highest inthe soilwith mixed litters too, i . e. , nitrification rate was 1. 74 mg k

4、g- 1d- 1, ammonification rate was 0. 36 mg kg- 1d- 1andN mineralization rate was 1. 90 mg kg- 1d- 1. Concentrations ofN fluctuated markedly during incubation. Ammonification ratewas correlated positivelywith total C of soil (r=0. 843,P 1 cm,l 12 cm)、 细枝(d 0. 05,N= 18) ,而C/N差异 显著(P针叶 林与阔叶林混合凋落物柳杉林凋落物

5、.在未分解凋落物中, 混合凋落物的N含量最高,其次是栲木荷林凋落物,最低的是 柳杉林凋落物;混合凋落物中C含量最低,柳杉林凋落物中P 含量最低,两种元素含量最高的出现在栲木荷林未分解凋落物 中(表2).表2 凋落物的初始元素含量(w/g kg- 1) Table 2 Initial nutrition contents in different litters (w/g kg- 1)元素 ElementsKLWKLDMLWMLDZLWZLDN7. 7714. 248. 0911. 516. 939. 58 C535. 80535. 65426. 42402. 11435. 13376. 09

6、P0. 900. 820. 850. 810. 650. 66 C/N68. 9937. 6252. 7334. 9362. 7739. 26KLW:阔叶林未分解凋落物Undecomposed litter of broad - leaved forest; KLD:阔叶林分解凋落物Decomposed litter of broad - leaved forest; ZLW:针叶林未分解凋落物Undecomposed litter of coniferous forest; ZLD:针叶林分解凋落物Decomposed litter of coniferous forest; MLW:针阔混

7、合未分解凋落物Undecomposed mixed litter of broad - leaved and coniferous forests; MLD:针阔混 合分解凋落物Decomposed ofmixed litter .下同 The same below2. 2 凋落物失重率凋落物分解是森林土壤有效养分的主要来源之一,分解的快慢决定了元素循环的速率,进而影响生态系统正常功能的发挥.栲木荷林凋落物的失重率显著大于针叶林和阔叶林混合凋落物与柳杉林凋落物(P针叶林与阔叶林混合凋落物柳 杉 林 凋落 物(图1) ,这 与 肖 慈 英 等(2002)14、Blair等(1990)15的研究结

8、果一致.未分解的栲木荷林凋落物4 mo的失重率达16. 1% ,未分解的混合凋落物失重率为11. 4% ,而未分解的柳杉林凋落物的失重率为9. 9%.混合凋落物相互作用有3种可能:凋落物中元素的相互作用与反应16;微生物发生变化,如菌丝的长度、 细菌的数目和线虫的多度等15;可引起微环境改变,如土壤水分条件的变化等17.因此,在人工营造柳杉林时,最好营造与栲、 木荷等阔叶物种组成的针阔叶混交林.凋落物失重率与其初始氮含量呈显著负相关(r=- 0. 878,P0. 05,N=18) ,和凋落物初始碳含量呈显著正相关(r=0. 829,P0. 05,N=18) ,但NH+ 42N含量则在以用栲木荷

9、林 凋落物处理下的土壤中最高,其次是在用针叶林和阔叶林混合凋落物处理的土壤,而在用柳杉纯林凋落物处理下的土壤中最低(图32B).其可能原因是凋落物质量不同,影响了土壤中硝化菌、 氨化细菌和其它微生物的活性12,从而使土壤中不同种图2 栲木荷林土壤氮随时间的变化 Fig . 2 Soil nitrogen ofC.platyacantha-S.sinensisforest changingwith time :NH+ 42N;:NO- 32N;: NH+ 42N +NO- 32N类的氮变化不一致.这暗示:土壤氮含量随林地物种的变化而 变化,而多物种组成的森林,其N循环过程中,土壤无机N转 化更多

10、样化,有利于森林系统的健康发展23.2. 4 氮矿化、 硝化、 氨化速率 凋落物虽然对土壤的硝化、 氨化和氮矿化速率有一定的影 响,但并不显著(表3).用混合凋落物处理的土壤的硝化、 氨化941 2期陈印平等:凋落物质量和分解对中亚热带栲木荷林土壤氮矿化的影响 和氮矿化速率与用其它凋落物处理的土壤中的硝化、 氨化和氮 矿化速率有显著性差异(P0. 05,N=12).用混合凋落 物处理的土壤中,硝化速率、 矿化速率和氨化速率最大,分别为1. 74 mg kg- 1d- 1、1. 90 mg kg- 1d- 1和0. 36 mg kg- 1d- 1.其氮矿 化速率是对照的11. 2倍,是用栲木荷林

11、凋落物处理的土壤的3. 6倍,为用柳杉纯林凋落物处理土壤的1. 1倍. Briones和Ine2son (1996)24的研究发现,混合凋落物所存在的土壤矿化的无 机氮是纯林的2倍.可见,矿化作用在混合凋落物处理的土壤中 表现最为明显,这可能是栲木荷林凋落物与柳杉纯林凋落物混 合后,分解过程中所释放的一些物质相互作用,消除了对土壤微生物的限制作用,增加了其活性12, 25,提高了氮的矿化速率.另 外,加入C/N低的有机物质能促进硝化作用26,混合凋落物的C/N低于栲木荷林与柳杉纯林的凋落物,因此混合凋落物的存 在提高了土壤的硝化速率.该结果可以为营造柳杉、 栲、 木荷等 混交林从土壤养分角度提

12、供理论依据. 有凋落物的土壤有效氮含量高,是对照的1. 54. 7倍,矿 化速率大于对照,是对照的1. 416. 3倍,表明凋落物的存在 增加了土壤氮转化速率(表3). Jian等(2000)12研究发现,牙 草土壤和山艾树土壤氮矿化速率分别是对照土壤的2. 4倍和1. 6倍,一些学者27, 28的研究结果也证明了这一点.凋落物的 存在,使土壤微环境发生变化17,增加了土壤微生物的营养, 提高了其活性,促进了土壤氮矿化12, 25.图3 不同凋落物对栲木荷林土壤硝态氮和氨态氮的作用Fig . 3 Effect of different litters on soilNH+ 42N and NO

13、- 32N ofC.platyacantha-S.sinensisforest表3 栲木荷林土壤中的硝化、 氨化、 氮矿化速率(w/mg kg- 1d- 1) Table 3 Nitrification, ammonification and N mineralization rates in soils ofC.platyacantha-S.sinensisforest (w/mg kg- 1d- 1)类型 Type硝化速率 Nitrification氨化速率 Ammonification氮矿化速率 MineralizationKS(Control)- 0. 060. 230. 17 KS

14、+ KLW0. 370. 140. 51 KS + KLD0. 220. 040. 23 KS +MLW1. 480. 361. 84 KS +MLD1. 740. 161. 90 KS + ZLW1. 530. 201. 73 KS + ZLD0. 340. 060. 40KS:阔叶林土壤 Soil of broad - leaved forest因此,在栲木荷常绿阔叶林的管理与保护中,要保护林内 凋落物,提高土壤氮转化速率,使氮的释放与吸收同步. 2. 5 土壤氨化速率、 硝化速率和矿化速率的影响因 素分析 土壤元素含量对氮转化起到促进作用(表4).土壤全氮含 量与氨化速率呈显著正相关(r

15、= 0. 843,P0. 05,N=21) ,其次是全碳;而土壤全碳量和 氮矿化速率相关性较强(r=0. 755,P0. 05,N=21).土壤中 有机质含量高,生物活性高,加速了氮矿化作用12, 25.因此,可 以通过增加土壤的全碳量和有机质来提高阔叶林土壤的氮 转化. 为了探讨土壤化学性质与凋落物质量的相关关系,以栲木 荷林土壤化学性质与栲木荷林凋落物质量数据进行相关分析,结果如表4所示.其失重率与土壤氨化速率呈显著的负相关(r= - 0. 997,P=0. 049,N= 6) ,这与Yoshiyuki等(2004)5的研究结果是不同的,他们认为:凋落物的全氮和木质素与土壤氮矿化速率相关关

16、系显著,如全氮与氮矿化呈正相关,而土壤C/N与净氮矿化有微弱的负相关作用,其他土壤特性与矿化作用没有显著的相关性.作者认为:这种结论的不同可能是因为本研究的时间较短或者凋落物的量有限所造成,对此尚需进一步深入探讨.本研究发现,凋落物种类对土壤的氮矿化有显著的作用.此外,影响土壤氮转化的因素还很多,如土壤肥力、 基质、 水热条件以及微生物等29.本实验仅分析了土壤化学性质、 凋落物质量对其的影响,而要全面了解土壤氮转化过程,还需要结合其它方面进行深入研究.3 结 语本研究发现,栲木荷林凋落物分解速率最高,针叶林和阔叶林混合凋落物次之,柳杉林凋落物最低;土壤氮矿化速率则以混合凋落物处理的最高,以柳杉纯林凋落物处理的最低,这 是柳杉人工林生态效益差的一个原因.本文从土壤N素的角度为营造针阔混交林的合理性提供了理论依据.本实验的研究结果表明,土壤的C/N和全C含量高,则其硝化速率和矿化速率较高,所以森林管理过程中可施氮肥或低C/N的有机质,以降低土