火干扰对大兴安岭兴安落叶松林土壤氮有效性的影响

发布时间：2020-07-05 04:11

【摘要】：大兴安岭地区是中国北方针叶林生态系统的主要分布区域,同时也是中国森林火灾的高发和频发区域。氮元素是限制北方针叶林生态系统树木生长的重要养分元素之一,它在维护森林生态系统顶级群落稳定性以及保持森林生态系统树种组成比例等方面具有重要作用。研究火干扰对森林生态系统土壤氮元素有效性的影响及其火后变化规律对于揭示火后森林生态系统的演替过程和火后森林生态系统恢复机制具有重要的生态学意义。本研究选择大兴安岭典型森林(兴安落叶松林)生态系统开展研究。本文采用原位培养法在重度火烧迹地对火后不同年限(3年、9年、28年)和火后不同恢复方式(火后自然恢复和火后人工恢复)对0-10cm和10-20cm 土壤微生物氮固持与转化和土壤有机氮矿化速率的影响进行系统深入的研究,并探究了在室内培养条件下火后短期土壤氮矿化速率的变化规律。本文结果将为量化火后区域氮循环变化提供数据基础,同时将为火后提高北方针叶林生态系统生产力和生物多样性,加强火后森林生态系统管理和制定火后森林生态系统恢复策略提供科学依据。主要结果如下:(1)对火后土壤微生物生物量氮变化规律研究发现,0-1Ocm 土壤微生物生物量氮在火后3年后没有显著变化,从火后3年到9年间0-1Ocm 土壤微生物生物量氮呈显著下降趋势,到火后28年后0-10cm 土壤微生物生物量氮基本恢复到火烧前水平。10-20cm 土壤微生物生物量氮在火后3年后呈显著上升趋势,火后9年到火后28年10-20cm 土壤微生物生物量氮基本恢复到火烧前的水平。与对照样地相比,不同年限过火样地中0-10cm和10-20cm 土壤微生物量C/N平均值变化幅度更小,更加稳定。在火后3年样地中0-10cm 土壤微生物生物量氮与土壤将矿化速率不具有显著相关性,而在火后9年和28年样地0-lOcm 土壤微生物生物量氮与土壤净矿化速率呈显著的正相关关系,并且回归决定系数均高于对应对照样地,其变化范围为0.48-0.51。火后不同的恢复时期影响土壤微生物生物量氮的主要影响因素不同,火后3年过火样地内影响0-10cm土壤微生物生物量氮的主要影响因素是土壤pH值,在火后9年样地内影响0-1Ocm 土壤微生物生物量氮的主要影响因素是土壤含水率和土壤有效磷,在火后28年样地内影响0-1Ocm 土壤微生物生物量氮的主要影响因素是土壤有效磷和土壤速效钾。(2)与对照样地相比火后3年、9年、28年过火样地0-10cm 土壤无机氮含量分别降低了约6%、21%、23%,火后3年、9年、28年过火样地10-20cm 土壤无机氮含量分别降低了约11%、25%、8%。火后3年和9年样地0-10cm和10-20cm 土壤硝态氮占总无机氮的比例均升高,在28年后样地0-10cm和10-20cm 土壤硝态氮占总无机氮的比例均降低。与对照样地相比,火后3年样地0-1Ocm 土壤净矿化速率显著升高,火后9年样地0-10cm 土壤净矿化速率下降了约26%,火后28年样地0-10cm 土壤净矿化速率基本恢复到火烧前的水平,而10-20cm 土壤净矿化速率在火后3年、9年、28年并没有显著变化,这说明10-20cm 土壤净矿化速率对火烧响应并没有0-10cm 土壤那么显著。在火后3年样地中控制0-10cm 土壤净矿化速率变化的主要影响因子是土壤有效磷和土壤速效钾,在火后9年样地中控制0-1Ocm 土壤净矿化速率的主要影响因子是土壤含水率、土壤有效磷、土壤微生物生物量氮和土壤微生物生物量碳,在火后28年样地中控制0-1Ocm 土壤净矿化速率的主要影响因子是土壤含水率、土壤有效磷、土壤微生物生物量氮。这说明控制火后3年0-10cm 土壤净矿化速率的主要是土壤速效养分元素,从火后9年到28年0-1Ocm 土壤净矿化速率受土壤含水率、土壤速效养分元素和土壤微生物活动共同影响的。(3)在自然恢复样地0-10cm和10-20cm 土壤微生物生物量氮比人工恢复样地0-10cm和10-20cm 土壤微生物生物量氮分别高约44%和28%。自然恢复方式更有利于土壤微生物生物量氮的提高。自然恢复样地中0-10cm 土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量分别比人工恢复样地高约70%、29%、67%。自然恢复样地中10-20cm 土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量分别比人工恢复样地高约35%、6%、34%。自然恢复方式更有利于土壤无机氮矿化速率的恢复,其中在自然恢样地0-1Ocm 土壤净矿化速率约是人工恢复样地0-10cm 土壤净矿化速率的3.6倍。自然恢复方式更有利于森林植物生物多样性和豆科植物的恢复,自然恢复方式下豆科植物的恢复和土壤微生物生物量氮的增加可能是引起土壤净矿化速率增加的主要原因。(4)在室内培养条件下火后0-1Ocm 土壤无机氮组分增加,火后0-1Ocm 土壤铵态氮、硝态氮、无机氮含量分别增加了 40%、27%、34%。在整个室内培养期间火后0-10cm 土壤无机氮含量在0～3天内呈增长趋势,从第6～50天呈逐步降低的变化趋势,这说明火后上层土壤0～3天土壤以氮矿化作用为主,6～50天以氮固持作用为主。室内培养条件下3～6天是火后0-1Ocm 土壤氮矿化与固持转换的时间点。在室内培养条件下,0～3天培养期间火后0-10cm和10-20cm 土壤净矿化速率与对应对照样地相比均显著升高,其中0-1Ocm 土壤净铵化速率、净硝化速率、净矿化速率在火后分别增加了 1.7倍、14.7倍、2.4倍,但是到室内培养结束时,过火样地0-10cm和10-20cm 土壤净矿化速率与对应对照样地0-1 0cm和10-20cm 土壤净矿化速率均不存在显著差异。过火样地0-10cm 土壤净矿化速率与土壤速效钾、土壤微生物生物量氮和土壤微生物生物量碳呈显著负相关,过火样地10-20cm 土壤净矿化速率与土壤微生物生物量氮和土壤微生物生物量碳呈显著负相关。这一结果说明在室内培养条件下土壤净矿化主要受到土壤速效元素和微生物活动影响。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S714;S762
【图文】：

示意图,地理方位,示意图,样地

要依托南翁河生态定位站（５１°０５’０”－５１°３９’２４”Ｎ，邋１２５。０７’５５－邋１２５°５０’０５”Ｅ）、漠河森林逡逑生态系统定位站（５２。１６’５８”－５３°１６’５８邋”Ｎ，邋１２１°１１’２２－邋１２３°１６’邋１０”Ｅ）以及塔河林火试逡逑验站（５２。０７－邋５３°２０’邋Ｎ，１２３。２０－邋１２５°０５’邋Ｅ）邋３个区域开展野外科学研究（图３－１）。在漠逡逑河古莲立林场选择２０１２年重度火烧迹地和邻近未火烧区域设置火后３年样地。在２００６逡逑年松岭砍都河度重度火烧迹地和邻近未火烧区域设置火后９年样地。选择１９８７年５．６大逡逑火重度火烧迹地和邻近未火烧区域设置火后２８年样地，并在塔河１９８７年５．６大火火后逡逑兴安落叶松人工造林地选择样地开展火干扰后不同恢复方式下对土壤氮矿化速率影响的逡逑研究。本研究于２０１４年１１月初从大兴安岭加格达奇到南瓮河自然保护区到塔河及漠河逡逑进行野外踏查选择野外试验样地，并于２０１５年４月份分别在上述每个火烧迹地、火后逡逑人工造林地和邻近未火烧区域在坡度坡向一致的条件下设置３个大小为２０ｍｘ２０ｍ样逡逑地，共计２１块样地。在进行样地设置的同时进行野外样地本底值的采样测定，包括土逡逑壤和及植被基本情况调查。本研究样地内基本信息见表３－１，样地内土壤性状基本信息逡逑见表３－２。除此之外，由于在２０１７年４月２８日在黑龙江省帽儿山地区（４５°１２’－逡逑４５°３０’Ｎ，１２７。３０’－１２７。４８丨）落叶松人工林发生重度森林火灾，本研究在发生火灾７天逡逑后对过火区域和临近未过火对区域进行土壤采样，并带回实验室进行室内培养研究

豆科植物,重要值,显著相关,物种丰富度指数

值在三种样地中不存在显著差异。在三种样地中在自然恢复条件下／Ｆ／值最高，显著高逡逑于人工造林条件下豆科植物／Ｋ／值（Ｐ＜０．０５）。逡逑如图６－４所示，豆科植物／Ｐ７与禾本植物土壤生物多样性指标具有显著相关性逡逑（Ｄ，尺，Ｒ）（图６－４邋Ａ，邋Ｂ，Ｃ），而与￡不存在显著相关关系（图６－７邋Ｄ）。上层土壤逡逑ｉ？ｍｉｎ随豆科植物／Ｐ７的增加而增加，而下层土壤７？ｍｉｎ与豆科植物／Ｆ／则不存在显著相关逡逑性（图６－４邋Ｅ和Ｆ）。逡逑－６６－逡逑

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