寒温带兴安落叶松林生态系统氮转化及运移特征

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氮素是植物生长发育所需的大量营养元素,也是北方森林生态系统净初级生产力的重要限制性元素。研究北方森林生态系统氮循环过程的动态变化规律对深入了解森林生态系统生物地球化学循环机制具有重要意义。大兴安岭北部地区是我国唯一的高纬度北方针叶林集中分布区,同时也是国家重要的生态功能区与生态敏感区。在全球变暖的背景下,揭示该地区顶级群落—兴安落叶松林氮转化及运移特征有利于加深对寒温带森林生态系统结构与功能的认识,也可以为评估气候变化的影响提供科学依据。因此,本研究以大兴安岭北部寒温带兴安落叶松林为研究对象,以实验生态的研究方法,从兴安落叶松林生态系统氮输入、转化和输出三方面对氮素的特征进行研究,并分析了林下植被和凋落物在兴安落叶松林氮转化和运移过程中起到的作用。主要研究结果如下:(1)兴安落叶松林2018年和2019年生长季累计总氮沉降量分别为3.00 kg.hm-2.a-1和1.69 kg.hm-2.a-1,其中有机氮沉降量高于无机氮沉降,铵态氮(NH4+-N)占比高于硝态氮(NO3--N)。林冠层对降雨中总氮沉降量截留率在27.42%~37.58%,枯落物层的氮素淋失率为52.88%~42.74%。(2)兴安落叶松林凋落物现存量及氮含量均存在明显的月动态变化特征,平均凋落物现存量为6.05 t.hm-2,其中凋落物半分解层现存量和氮含量均高于未分解层。兴安落叶松林凋落物产量也存在明显的月动态变化特征,9月为凋落物产生高峰期。凋落物分解过程中凋落物质量不断下降,氮含量不断积累。兴安落叶松林0-100 cm土层土壤有机氮、无机氮和微生物量氮含量均存在显著的垂直分布特征,均表现为随着土壤深度的增加土壤氮含量成显著下降趋势。土壤有机氮、无机氮和微生物量氮含量均存在显著的月动态变化趋势。不同类型兴安落叶松林即兴安杜鹃-兴安落叶松林(DJL)、杜香-兴安落叶松林(DXL)和藓类-杜香-兴安落叶松林(XL)土壤氮含量间存在显著差异(P<0.05)。(3)兴安落叶松林土壤氮矿化和土壤N2O排放均呈现出明显的月动态变化规律且受到兴安落叶松林类型和凋落物处理的影响。不同类型兴安落叶松林土壤氮矿化和土壤N2O排放特征表现为兴安杜鹃-兴安落叶松林(DJL)>杜香-兴安落叶松林(DXL)>藓类-杜香-兴安落叶松林(XL);不同凋落物处理兴安落叶松林土壤氮矿化和土壤N2O排放特征表现为凋落物添加(L+)>自然状态(L0)>凋落物去除(L-)。兴安落叶松林土壤氮矿化和土壤N2O排放均与土壤理化性质存在显著相关关系。(4)兴安落叶松林土壤水氮运移速率随着运移距离增加逐渐降低,并在不同土层内呈现幂函数关系(P<0.05)。随土层深度的增加对铵态氮拦截作用变强。不同土层土壤硝态氮运移特征存在不同规律,0-5 cm和5-10 cm土层表现为土壤硝态氮浓度随运移距离的增加而降低;10-20 cm和20-30 cm土层土壤硝态氮浓度随运移距离的增加而增加。土壤无机氮在土壤运移过程中与土壤容重和p H呈负相关;与土壤含水量、有机质含量、全氮含量和无机氮含量呈正相关。(5)兴安落叶松林生态系统氮储量在10.00~25.19 t.hm-2范围内,其中土壤氮储量所占总氮储量的比例最大,在96.00%以上。不同类型兴安落叶松林氮储量间差异显著,表现为藓类-杜香-兴安落叶松林(XL)>杜香-兴安落叶松林(DXL)>兴安杜鹃-兴安落叶松林(DJL)(P<0.05)。(6)经过参数率定后的Forest-DNDC模型R~2达到0.6以上、NRMSE小于30%,MAE%小于25%,均满足模型使用的要求。经模拟在未来气候变化条件下,即大气温度升高、大气CO2浓度升高和降水量增加的情况下,兴安落叶松林生态系统氮储量和Nx O排放均呈现出上升趋势,且不同类型兴安落叶松林对气候变化响应存在差异。
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