氮添加对西南亚高山针叶林不同深度土壤甲烷吸收潜力的影响.pdf
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1、引用格式:刘新雨,敖静,王涛,常瑞英 氮添加对西南亚高山针叶林不同深度土壤甲烷吸收潜力的影响 山地学报,():,():山 地 学 报 文章编号:():收稿日期():;改回日期():基金项目():四川省科技计划();国家自然科学基金()();()作者简介():刘新雨(),女,山东德州人,硕士研究生,主要研究方向:氮沉降背景下亚高山森林土壤甲烷吸收。(),:通讯作者():王涛(),男,山东济宁人,博士,研究员,主要研究方向:土壤生物地球化学。(),:氮添加对西南亚高山针叶林不同深度土壤甲烷吸收潜力的影响刘新雨,敖 静,王 涛,常瑞英(中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 ;中国科学院大
2、学,北京 )摘要:森林土壤是重要的大气 汇,氮添加可能增加、抑制或不影响森林土壤 吸收。亚高山针叶林是中国西南森林的主体,针对氮添加对亚高山针叶林土壤 吸收影响的研究并不充分。本研究依托贡嘎山亚高山针叶林开展氮沉降(氮添加)试验,结合室内微宇宙实验及微生物功能基因分析,测定不同深度土壤在标准实验条件下的 吸收速率,明确亚高山针叶林不同深度土壤 吸收潜力对氮添加的差异性响应规律及 氧化功能基因的调控作用。结果显示:()同一氮添加处理下,土壤 吸收速率由大到小为矿质层 、矿质层 、有机层,氮添加未改变土壤 吸收潜力的剖面垂直分布规律。()氮添加对有机层 吸收速率无显著影响(),但促进了矿质层土壤的
3、 吸收速率。低氮和高氮添加分别促进矿质层 土壤 吸收 和 ,促进 土壤 吸收 和 。()氧化功能基因丰度是调控不同土层 吸收速率的重要因素,而较高的铵态氮浓度会改变功能基因丰度与 吸收速率的相关关系。本研究深化了氮添加对西南典型亚高山森林土壤 吸收影响的认识,可为大气氮沉降背景下区域森林土壤 汇的准确核算提供科学依据。关键词:氮沉降;森林土壤;甲烷氧化;微生物功能基因;贡嘎山中图分类号:文献标志码:甲烷()是重要的温室气体,在百年尺度范围内,的 全 球 增 温 潜 势(,)是 的 倍。自工业革命以来,全球大气 浓度持续上升 ,特别是近 年 浓度加速增加 。据 年的评估,对全球变暖的贡献率已高达
4、 。森林土壤是重要的大气 汇,对缓解大气中 浓度的快速增加发挥着重要作用 。全球土壤 库的最新估计结果表明 ,全球森林土壤单位面积的 吸收速率平均为 ,总的吸收速率为 ,约占全球土壤 年吸收量的 。然而,近半世纪以来,全球尺度上大气氮沉降量显著增加 ,对森林土壤 汇的准确核算造成巨大挑战。模拟大气氮沉降(氮添加)试验表明 :氮添加可能增加、抑制或不影响森林土壤 吸收,取决于森林类型、土壤氮素有效性状况、氮添加水平书书书等因素。例如:在氮有效性较高的亚热带常绿阔叶林,氮添加普遍抑制土壤 吸收 ;在氮受限的北方森林生态系统,通常表现为低氮添加促进,而高氮添加抑制土壤 吸收 。氮添加对土壤 吸收影响
5、的已有研究涵盖了多种类型森林生态系统,包括热带雨林 、南亚热带森林 ,、温带阔叶林 等。然而,针对中国第二大林区以及西南山地森林的主体 亚高山针叶林的相关报道仍较缺乏。该区域大气氮沉降速率呈增加趋势 ,开展氮沉降对西南亚高山针叶林土壤 吸收影响及其机制的研究,有助于准确评估氮沉降背景下西南山地森林土壤 汇的变化,服务“碳中和”战略。研究 氧化菌丰度和活性的变化是揭示氮添加对亚高山森林土壤 吸收影响机制的关键途径。森林土壤 吸收是 产生与氧化过程的综合结果,但一般由 氧化过程调控土壤 吸收速率 。土壤 氧化主要由 氧化菌完成,其通过 单加氧酶将 最终转化为 和 。氮添加直接或间接作用于 氧化菌影
6、响土壤 吸收。一方面,氮添加通过增加土壤中铵态氮和 或硝态氮浓度直接影响 单加氧酶的活性继而影响土壤 吸收 ;另一方面,氮添加还可以通过改变土壤理化性质(有机碳、可溶性有机碳、等)影响 氧化菌活性间接影响土壤 吸收 。此外,鉴于森林土壤 氧化菌 和 吸收能力 都具有沿土壤剖面垂直分布的特征,解析不同深度土壤 氧化菌和 吸收潜力的关联关系是全面理解氮添加对亚高山森林土壤 吸收影响机制的重要切入点。本文依托贡嘎山东坡峨眉冷杉林多水平氮添加试验,采集长期氮添加实验样地的土壤,结合室内培养实验,研究标准培养实验条件下不同深度土壤 吸收潜力及其对氮添加的响应;结合 (编码颗粒 单加氧酶 亚基)和 (编码
7、可溶性 单加氧酶 亚基)功能基因分析 ,研究氮添加对土壤 氧化菌丰度的影响,并解析氮添加下微生物功能基因对土壤 吸收潜力的调控作用。本研究提出以下假设:()由于亚高山针叶林是氮受限生态系统 ,低剂量的氮添加会促进土壤 吸收;()氮添加对土壤 氧化相关基因丰度和 吸收潜力的影响具有土壤深度依赖性。本研究成果可为大气氮沉降背景下区域森林土壤 汇的准确核算提供科学依据。材料与方法 研究区概况研究区位于贡嘎山东坡的高山生态系统观测实验站(、)。年平均气温 ,年平均降水量 ,月的降水量占全年降水量的 。植物群落以冷杉为优势种,林龄约为 ,土壤主要为始成土。实验样地处于海拔 ,大 气 背 景 氮 沉 降
8、速 率 约 为 每 年 。样地从 年开始施氮模拟大气氮沉降,样地共设置有 个氮添加水平,分别为:对照()、低氮()和高氮()。高氮添加水平的设置考虑到以下几个因素:()处于前人 森林生态系统模拟氮沉降(氮添加)试验氮添加剂量的中等水平;()中国主要森林的大气氮沉降速率范围在 ,本实验基本囊括了这个区间,包括中国西南和东南山地森林 ;()西南山地森林生态系统氮沉降负荷临界阈值(),。年,在该地点随机选取 个 的地块,每个地块建立了 个 的样方,选择施加硝酸铵()模拟氮沉降,将 溶于 去离子水中,以溶液形式手动喷施到处理小区内,每年 月每月施氮一次,对照样地土壤施加等量去离子水。每个采样区设置 个
9、重复。土壤采集 年 月,在每个样方随机布点采取土样,采集有机层、矿质层 和矿质层 土壤。所有土样放在便携式低温冰箱中带回实验室。样品首先过 筛,剔除植物根系和砾石等,然后将三个土层的所有土样分成三部分。其中,一部分保存在 的冰箱中,用于分析土壤微生物功能基因丰度等微生物指标,一部分保存于 的冰箱中,用于室内培养实验;其余部分风干,用于测定理化性质。土壤理化性质的测定土壤 采用 电极(,)测定(土水质量体积 比 )。土 壤 含 水 量 ,氮添加对西南亚高山针叶林不同深度土壤甲烷吸收潜力的影响()烘干至恒重后称重测定 。土壤有机碳和全氮通过加入 盐酸去除无机碳后,利 用 元 素 分 析 仪(,)测
10、定。采用 溶液浸提有效态硝态氮和铵态氮 ,过滤后利用流动分析仪(,)测定硝态氮和铵态氮浓度。土壤可溶性有机碳和总氮用 的硫酸钾溶液浸提后,用液体碳氮分析 仪(,)测定。微生物功能基因丰度的测定利 用 智 能 芯 片 实 时 系 统(,)对土壤 氧化相关功能基因的丰度进行检测(相对丰度表达为 或 基因拷贝数 基因拷贝数)。芯片样品准备遵照说明书标准流程,详情参考文献 。扩增程序如下:初始变性 ,然后 次循环扩增(变性 ,退火 ,延伸 )。每个样品设置 个技术重复。土壤 吸收潜力测定分别称取 有机层、矿质层 和矿质层 土壤样品装至 培养瓶中,调节有机层土壤含水率为 ,矿质层土壤的含水率为 (均为最
11、大持水量的 ),置于 培养箱中避光预培养。预培养结束后,将土样进行充分通气后,继续置于 培养箱避光培养 ,正式的培养实验一共持续了 。培养 后利用 注射器加三通阀的装置从培养瓶中抽取 左右的顶空气体,注入气相色谱仪(,)分析气体浓度。通过培养前后培养瓶内 浓度差值计算 吸收速率。此外,为了排除土壤 产生可能对 吸收造成的影响,通过添加乙炔抑制 氧化过程后研究 净产生速率 ,发现本研究区土壤 产生对 吸收的影响可以忽略不计,因此本研究不再考虑 产生过程。数据分析方法利用线性回归方法(最小二乘法)分析不同深度土壤 吸收速率与土壤理化性质和微生物功能基因丰度的关系。采用双因素方差分析方法(法检测)比
12、较不同氮处理和不同深度土壤理化性质和微生物功能基因丰度,所有数据均已通过正态性检验。本文中的图表数据均以平均值 倍标准误()方式显示,相关图表采用 语言进行绘制。采用线性混合效应模型检验培养期间内土壤 吸收速率在不同土层深度和不同氮添加水平下的差异。模型中,将氮添加水平、土层深度及其交互作用作为固定因子,将培养时间()和样方号()作为随机因子,利用 检验比较 吸收速率在同一氮添加水平下不同土层间的差异以及同一土层深度中不同氮添加水平间的差异。线性 混 合 效 应 模 型 分 析 利 用 包 和 包 完成。上述所有统计显著性水平均设为 。结果 氮添加对土壤基本化学性质的影响不同深度土壤的化学性质
13、具有明显的垂直分布特征(表 )。土壤 随深度递增,而有机碳、总氮、铵态氮、硝态氮以及可溶性有机碳、氮等性质均随土壤深度增加呈显著降低。氮添加对不同深度土壤性质的影响均未达到显著水平(表 ,),可能与样地土壤较大的空间异质性有关。低氮和高氮添加对有机层和矿质层 土壤铵态氮或硝态氮浓度的影响具有不同趋势:低氮添加倾向于降低土壤铵态氮或硝态氮浓度,而高氮添加倾向于增加土 壤 铵 态 氮 或 硝 态 氮 浓 度。然 而 在 矿 质 层 ,仅低氮添加表现出同时增加土壤铵态氮或硝态氮浓度的趋势。不同深度土壤 吸收速率三种氮添加处理下,有机层、矿质层 和矿质层 三个不同深度的土壤 吸收速率均存在显著差异,表
14、现出矿质层 的土壤 吸 收 速 率 均 明 显 高 于 有 机 层 和 矿 质 层 土壤的 吸收速率,有机层的 吸收速率最低,部分情况下表现为 净产生(图 )。结果说明氮添加没有改变土壤 吸收速率的垂直分布格局。不同氮添加处理下,不同土层 吸收速率随培养时间未发生显著变化(图 )。对照处理山地学报 卷 第 期表 不同氮添加水平对土壤化学性质的影响 土层处理 有机碳()总氮()硝态氮()铵态氮()可溶性有机碳()可溶性氮()对照 有机层低氮 高氮 对照 矿质层 低氮 高氮 对照 矿质层 低氮 高氮 表 氮添加和土壤深度对土壤理化性质的双因素方差分析 处理土壤理化性质 有机碳总氮硝态氮铵态氮可溶性
15、有机碳可溶性氮氮添加 土壤深度氮添加 土壤深度 注:表示没有显著差异;代表有显著性差异()。不同小写字母表示土壤 吸收速率在同一氮添加处理下不同土层间存在显著差异(),相同小写字母表示土壤 吸收速率在同一氮添加处理下不同土层间无显著差异;阴影部分反映了数据集中样本点的分布情况。图 不同氮添加水平条件下不同深度土壤 吸收速率随时间的变化及其差异:()对照处理;()低氮添加;()高氮添加 :();();(),氮添加对西南亚高山针叶林不同深度土壤甲烷吸收潜力的影响下,有机层、矿质层 和矿质层 的平 均 吸 收 速 率 分 别 为 、和 ;低氮添加处理下,有机层、矿质层 和矿质层 的平均 吸收速率分别
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