土壤碳、氮循环对全球环境因子变化的响应

【摘要】在全球气候和环境变化的大背景下，深入研究和探讨土壤有机碳动态对一些重要因素改变的响应——如，温度的升高、N沉积的增加以及土地利用的变化是当前生态学重要的研究内容和关注焦点之一。本论文重点研究了土地利用类型、气候变暖和N沉积对土壤C、N循环的影响。由于可溶性土壤有机碳（DOC）的质量和数量可以作为土壤扰动的指示性指标，我们首先研究了土地利用类型（天然林地、草地和耕作用地）对DOC的数量和质量的影响。取样地点分别在具有相似气候的加拿大西部的阿尔伯塔和中国东北的黑龙江省。研究内容包括：可提取性DOC；DOC的紫外光吸收和腐殖质系数（HIX）；DOC的生物可降解性。此外，我们采用了固体13C核磁共振波谱仪分析测定了土壤有机质的化学结构，阐释了DOC的生物可降解性与土壤有机质化学结构之间的关系。研究发现加拿大与中国样地土壤DOC的紫外光吸收、HIX、生物可降解性以及土壤有机物质的化学组成在各个土地利用类型之间没有显著的不同。当把所有样地的土壤样品当做一个大样本分析时发现，DOC的可提取性与土壤有机碳的含量、羰基-C负相关，与氧烷基-C正相关；DOC的生物可降解性与土壤的C/N比正相关，与紫外光吸收和HIX负相关。表明土地利用类型对土壤有机物质的影响主要是在含量而不是活性碳的性质或是有机物质的化学组成，进而说明气候对这两个寒温带地区不同土地利用类型下可溶性碳和有机碳的性质起决定作用。其次，我们研究了气温变暖，N沉积和土地利用变化及其交互作用对生态系统土壤C、N循环的影响，旨在揭示和探明温度、N沉积、N形态、土地利用类型以及这些因素的相互作用对土壤C、N矿化作用的机制和过程。重点通过室内原状土柱培养实验，分析在不同的土地利用类型（森林和草地）下，温度（15°Cvs.25°C）、N形态（NH4-Nvs.NO3-N）和沉积对土壤CO2释放、可溶性有机碳（DOC）、可溶性有机氮（DON）、可溶性无机氮（DIN）产生的影响。结果表明：温度和土地利用类型影响土壤CO2的释放以及DOC、DON和DIN的浓度。N及其N形态与温度、土地利用类型间的相互作用对C、N循环指标没有显著的影响。温度和土地利用类型是影响土壤C流失的两个主要影响因素。相对于林地，草地土壤C更稳定。短期内N的沉积和形态对土壤C、N矿化的影响并不显著，表明可能存在一个N的临界值，只有超过这个临界值才能产生影响，关于这一点还需要通过长期试验才能进一步阐明N沉积对土壤C、N循环的影响，这也是今后研究的方向之一。资料显示，在过去的一个世纪中人类活动使N沉积在大多数的生态系统中增加了一倍，而且这种趋势在将来的几十年内有继续增加的可能。N沉降是通过什么途径影响土壤有机碳循环的，这也是需要探究的内容之一。通过对比培养实验，研究了土地利用类型下，NO3-和NH4+对微生物酶（木质素分解酶和纤维素分解酶）活性的影响，以及对微生物功能结构的影响。结果表明，N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和多酚过氧化酶在森林土壤中有着较高的活性，而在草地土壤中相对较低，即在森林土壤中N的施加增加了纤维素二糖水解酶（CBH）的活性。AWCD和Shanon多样性指数H’的分析结果均表明森林土壤具有更高的微生物功能多样性。通过PCA分析两个主成分可以解释54%的底物利用的变异，在第一个主成成分中土地利用类型（森林和草地）有最大的负载值，在第二个主成成分中N有着最大的负载值。这一结论进一步证实土地利用转换和N沉降主要是通过影响微生物和酶活性进而影响土壤C、N循环。
【作者】孙尚华；
【导师】刘建军；ScottChang；
【作者基本信息】西北农林科技大学，生态学，2014，博士
【副题名】土地利用类型、N沉积和气候变暖对土壤C、N循环的影响
【关键词】土壤C、N；可溶性有机碳；土壤微生物酶；微生物多样性；

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