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大興安嶺林火與土壤氮循環(huán) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030717832
- 條形碼：9787030717832 ; 978-7-03-071783-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
大興安嶺林火與土壤氮循環(huán) 本書特色
該的出版，將會(huì)對林火生態(tài)研究領(lǐng)域的研究人員和學(xué)生有所裨益，進(jìn)而推動(dòng)我國火后氮素循環(huán)的研究。
大興安嶺林火與土壤氮循環(huán) 內(nèi)容簡介
林火干擾可影響植被組成，改變凋落物養(yǎng)分歸還，并將長期影響土壤氮循環(huán)動(dòng)態(tài)。本書從火干擾后興安落葉松凋落物分解出發(fā)，探究火干擾對興安落葉松林凋落物分解速率生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及土壤氮循環(huán)的影響機(jī)制，以期揭示火干擾在北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中的作用，評價(jià)火干擾后植被恢復(fù)與氮固持的相互作用機(jī)制，為進(jìn)一步開展火干擾后的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。 本書適用于高校生態(tài)學(xué)專業(yè)教師及學(xué)生，也可供生態(tài)學(xué)工作者、林業(yè)科研人員、林業(yè)生產(chǎn)部門工作人員參考使用。
大興安嶺林火與土壤氮循環(huán) 目錄
目錄
第1章概論1
1.1導(dǎo)言1
1.2林火與氮循環(huán)研究進(jìn)展3
1.3大興安嶺林火與氮循環(huán)研究目的和意義13
1.4大興安嶺林火與氮循環(huán)研究內(nèi)容14
第2章區(qū)域的選擇15
2.1研究區(qū)域選擇的意義15
2.2地質(zhì)地貌15
2.3氣候特征16
2.4植被狀況16
2.5土壤條件17
第3章林火與氮循環(huán)的研究方法19
3.1研究方法19
3.2試驗(yàn)方法24
第4章火干擾對凋落物分解及其碳氮磷化學(xué)計(jì)量的影響31
4.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析32
4.2火干擾后凋落物分解動(dòng)態(tài)變化32
4.3火干擾對凋落物碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量的影響34
4.4火干擾對凋落物分解速率的影響38
4.5火干擾對凋落物碳氮磷化學(xué)計(jì)量的影響39
4.6火干擾后凋落物化學(xué)計(jì)量與分解速率之間的關(guān)系40
4.7結(jié)論性評述41
第5章火干擾對土壤微生物生物量氮固持與轉(zhuǎn)化的影響43
5.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析44
5.2火干擾對土壤微生物生物量氮固持與轉(zhuǎn)化影響結(jié)果分析44
5.3林火與土壤微生物生物量氮固持與轉(zhuǎn)化58
5.4結(jié)論性評述60
第6章火干擾對森林土壤氮礦化的影響62
6.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析62
6.2火干擾對土壤氮礦化影響結(jié)果分析63
6.3林火與森林土壤氮礦化74
6.4結(jié)論性評述76
第7章火干擾后不同恢復(fù)方式對土壤微生物氮固持和凈礦化速率的影響77
7.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析77
7.2火干擾后不同恢復(fù)方式對土壤微生物氮固持和凈礦化速率影響結(jié)果分析78
7.3火干擾后不同恢復(fù)方式對土壤微生物氮固持和凈礦化速率的影響86
7.4結(jié)論性評述89
第8章火干擾后室內(nèi)培養(yǎng)條件下森林土壤的礦化特征90
8.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析91
8.2火干擾后室內(nèi)培養(yǎng)條件下森林土壤礦化特征結(jié)果分析91
8.3火干擾后室內(nèi)培養(yǎng)條件下對森林土壤礦化特征的影響100
8.4結(jié)論性評述101
第9章結(jié)論103
參考文獻(xiàn)106
第1章概論1
1.1導(dǎo)言1
1.2林火與氮循環(huán)研究進(jìn)展3
1.3大興安嶺林火與氮循環(huán)研究目的和意義13
1.4大興安嶺林火與氮循環(huán)研究內(nèi)容14
第2章區(qū)域的選擇15
2.1研究區(qū)域選擇的意義15
2.2地質(zhì)地貌15
2.3氣候特征16
2.4植被狀況16
2.5土壤條件17
第3章林火與氮循環(huán)的研究方法19
3.1研究方法19
3.2試驗(yàn)方法24
第4章火干擾對凋落物分解及其碳氮磷化學(xué)計(jì)量的影響31
4.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析32
4.2火干擾后凋落物分解動(dòng)態(tài)變化32
4.3火干擾對凋落物碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量的影響34
4.4火干擾對凋落物分解速率的影響38
4.5火干擾對凋落物碳氮磷化學(xué)計(jì)量的影響39
4.6火干擾后凋落物化學(xué)計(jì)量與分解速率之間的關(guān)系40
4.7結(jié)論性評述41
第5章火干擾對土壤微生物生物量氮固持與轉(zhuǎn)化的影響43
5.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析44
5.2火干擾對土壤微生物生物量氮固持與轉(zhuǎn)化影響結(jié)果分析44
5.3林火與土壤微生物生物量氮固持與轉(zhuǎn)化58
5.4結(jié)論性評述60
第6章火干擾對森林土壤氮礦化的影響62
6.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析62
6.2火干擾對土壤氮礦化影響結(jié)果分析63
6.3林火與森林土壤氮礦化74
6.4結(jié)論性評述76
第7章火干擾后不同恢復(fù)方式對土壤微生物氮固持和凈礦化速率的影響77
7.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析77
7.2火干擾后不同恢復(fù)方式對土壤微生物氮固持和凈礦化速率影響結(jié)果分析78
7.3火干擾后不同恢復(fù)方式對土壤微生物氮固持和凈礦化速率的影響86
7.4結(jié)論性評述89
第8章火干擾后室內(nèi)培養(yǎng)條件下森林土壤的礦化特征90
8.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析91
8.2火干擾后室內(nèi)培養(yǎng)條件下森林土壤礦化特征結(jié)果分析91
8.3火干擾后室內(nèi)培養(yǎng)條件下對森林土壤礦化特征的影響100
8.4結(jié)論性評述101
第9章結(jié)論103
參考文獻(xiàn)106
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大興安嶺林火與土壤氮循環(huán) 節(jié)選
第1章 概論 1.1 導(dǎo)言 氮(N)是陸地森林生態(tài)系統(tǒng)中*重要的養(yǎng)分元素之一( Korhonen et al.，2013)。森林生態(tài)系統(tǒng)中其他土壤養(yǎng)分元素都可以從土壤有機(jī)質(zhì)中獲得，并且通過化學(xué)風(fēng)化作用被有機(jī)體所利用。而氮元素完全來自大氣，并且需要固氮作用才可以變成植物能利用的氮形態(tài)。固氮作用幾乎全部來自土壤微生物作用，僅有很小一部分來自自然界非生物作用(Lovett et al.，2004)。在過去的幾百年中，人類活動(dòng)向全球陸地氮循環(huán)中輸入了雙倍的氮量，已經(jīng)引起了全球氮超載及一系列的環(huán)境問題。“氮飽和”明顯地影響了森林生態(tài)系統(tǒng)的正常結(jié)構(gòu)和功能( Boring et al.，1988； Vitousek et al.，1997)。全球變暖改變了生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮輸入比和原有的氣候條件，對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素轉(zhuǎn)化，尤其是氮礦化的影響及隨后的一系列反饋，將嚴(yán)重影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮氧化物的釋放、土壤無機(jī)氮的潛在流失和環(huán)境污染問題(張金屯， 1998；李貴才等，2001)。 森林生態(tài)系統(tǒng)中植物吸收同碳、氮循環(huán)過程密切相關(guān)( Hungate et al.，2003) (圖 1-1)。碳循環(huán)是植物經(jīng)光合作用將大氣中 CO2固定到各組織中，隨著凋落物產(chǎn)生和林木死亡，經(jīng)微生物分解積累進(jìn)入土壤碳庫，植物和土壤中的枯枝落葉、根系、微生物和土壤動(dòng)物經(jīng)呼吸作用又向大氣中釋放 CO2的過程(Bao et al.，2018)。森林氮循環(huán)是高度動(dòng)態(tài)的，并且有著復(fù)雜的轉(zhuǎn)移方式和途徑(周志華等，2004)。氮循環(huán)開始于土壤有機(jī)質(zhì)中有機(jī)氮經(jīng)微生物礦化作用形成可被植物直接利用的 NH4+-N。礦化后的 NH4+-N，以及外源輸入的 NH4+-N，一部分被植物根系吸附固定和吸收，另一部分經(jīng)硝化細(xì)菌硝化后轉(zhuǎn)化為 NO3-N，在不同土壤理化性質(zhì)條件下被植物吸收利用。伴隨著硝化作用，還有反硝化作用， NO3-N經(jīng)反硝化微生物作用還原為氣體回歸大氣( Moreau et al.，2019)。此外，凋落物養(yǎng)分歸還過程對森林生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)具有反饋?zhàn)饔谩Ｖ参锕潭ǖ牡糠謿w還至土壤，在凋落物分解過程中氮被礦化釋放，增加了土壤中可利用的氮，供植物再吸收利用 (Li et al.，2016)。 凋落物分解將養(yǎng)分歸還至土壤強(qiáng)烈影響了微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用，是土壤氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。凋落物分解總體上是一個(gè)凋落物體積從大到小、逐漸回歸土壤的過程，既包含宏觀上內(nèi)部物質(zhì)減少的過程，也包含微觀上元素遷移的過程(Keiluweit et al.，2015)。從宏觀角度看，森林凋落物的分解既包括以淋溶和碎化為主的物理過程，也包括以微生物分解為主的化學(xué)過程。森林凋落物在微生物分泌的胞外酶的作用下，將大分子轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀晃蘸痛x的可溶性產(chǎn)物，同時(shí)產(chǎn)生多糖吸附于礦質(zhì)土壤顆粒上，并通過絡(luò)合反應(yīng)和非酶促化學(xué)反應(yīng)形成富含芳香環(huán)的化合物(Chapin et al.，2011)。從微觀角度看，森林凋落物的分解伴隨著生態(tài)化學(xué)元素的遷移，即認(rèn)為凋落物中養(yǎng)分元素從凋落物向土壤生態(tài)系統(tǒng)(包含土壤動(dòng)物和微生物)的轉(zhuǎn)移。 圖 1-1 森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)機(jī)制 北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)在維持全球生態(tài)平衡方面具有重要意義，對全球氣候變暖也*為敏感(Wu et al.，2016)。火干擾是北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)*重要的干擾因子之一，但在北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)中開展火干擾對土壤凋落物分解和氮循環(huán)的研究尚不多見(Brown and Smith，2000)。一些研究發(fā)現(xiàn)火干擾后凋落物分解速率加快 (Kumar et al.，2007；Cornelissen et al.，2017；Throop et al.，2017)，并且隨著火干擾年限的增長分解速率加快(Holden et al.，2013；楊新芳等， 2016)。另一些研究發(fā)現(xiàn)火干擾后凋落物分解速率減慢(孔健健和楊健， 2014)。火干擾對原生境的改變導(dǎo)致火干擾后凋落物分解的變化原因錯(cuò)綜復(fù)雜(Santín et al.，2016)。北方針葉林(美國黑松)中火干擾后隨時(shí)間序列的可利用無機(jī)氮呈下降趨勢( DeLuca and Zouhar，2000；Turner et al.，2007)。而對斑克松林的研究結(jié)果表明，野火干擾后凈氮礦化速率以及 NH4+濃度*初下降，隨后呈增加趨勢( Yermakov and Rothstein， 2006)。所以不同森林生態(tài)系統(tǒng)中火干擾后氮循環(huán)的響應(yīng)格局存在較大差異。興安落葉松(Larix gmelinii)是中國寒溫帶針葉林頂級群落，探究火干擾對興安落葉松林凋落物分解和土壤氮循環(huán)的影響機(jī)理，對于量化分析中國北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化中所起到的作用具有重要意義( Wang et al.，2001；胡同欣等， 2018)。為科學(xué)評價(jià)火干擾后中國北方針葉林典型林分 ——興安落葉松林凋落物分解和氮循環(huán)動(dòng)態(tài)變化特征，以及火干擾對北方針葉林凋落物分解和土壤氮循環(huán)的影響機(jī)制，我們選擇火干擾后不同時(shí)期的火燒樣地以及火干擾后人工造林地進(jìn)行采樣、連續(xù)監(jiān)測，研究火干擾對森林凋落物分解速率變化及凋落物碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量影響因素，研究火干擾對土壤氮素轉(zhuǎn)化的過程、固持機(jī)制以及主要影響因素，以期揭示火干擾在北方針葉林生態(tài)系統(tǒng)凋落物養(yǎng)分歸還和土壤氮循環(huán)中的作用，評價(jià)火干擾后植被恢復(fù)與氮固持的相互作用機(jī)制，為進(jìn)一步開展火干擾后生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。 1.2林火與氮循環(huán)研究進(jìn)展 1.2.1火干擾對凋落物分解的影響 由于全球變暖和厄爾尼諾現(xiàn)象的影響，夏季高溫少雨的情況愈發(fā)嚴(yán)重(Bellen et al.，2010)，森林凋落物干燥易燃，林火時(shí)有發(fā)生。由于火的作用，火燒樣地原生境被改變，林隙增加，土壤溫度升高，土壤成分改變，光照和空氣流通增強(qiáng)，喜陽樹種和豆科植物更容易萌發(fā)生長，火燒樣地內(nèi)凋落物分解研究變得尤為重要(楊新芳等， 2016)。森林凋落物是北方森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分之一，它的分解是北方森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要途徑(Cornwell et al.，2008；Liu et al.， 2019)。林火作為北方森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要干擾因子，會(huì)對森林生態(tài)系統(tǒng)及周圍環(huán)境因子產(chǎn)生劇烈影響(Héon et al.，2014)，并且這種影響會(huì)在火干擾后持續(xù)很長時(shí)間(孔健健和楊健， 2014；Hu et al.，2019)，進(jìn)而在導(dǎo)致火干擾后凋落物分解和北方森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分歸還方面產(chǎn)生極大的不確定性(Wardle et al.，2008；Pugh et al.，2019)。 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究中普遍認(rèn)為碳(C)、氮(N)、磷(P)直接影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能(Huang et al.，2018)。森林凋落物 C是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng) C循環(huán)中關(guān)鍵的一環(huán)，凋落物 C的源和匯用于衡量一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式和發(fā)展方向 (Mitchard，2018)，火干擾后的凋落物 C歸還速率是衡量火干擾對森林生態(tài)系統(tǒng) C循環(huán)影響的重要內(nèi)容( Clemmensen et al.，2015；López-Mondéjar et al.，2018)。 N、P元素往往在火干擾后不同時(shí)期成為植物生長和林分發(fā)育的主要限制性因素 (Elliott et al.，2013)。有研究表明，土壤 N是影響落葉松林分早期生長的主要限制因素，隨著林齡的增加，P取代 N成為主要限制因素(Vitousek et al.，2010)，這些養(yǎng)分元素大多來自凋落物和根系的分解(Van Der Heijden et al.，2008；Wang et al.，2019a)。目前，植物-凋落物-土壤垂直方向上 C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量循環(huán)的相關(guān)研究已經(jīng)成為當(dāng)今生態(tài)研究中的熱點(diǎn)內(nèi)容(An et al.，2019)。凋落物 C/N的變化可以解釋土壤中 C/N變化的 35%，凋落物 N/P的變化可以解釋土壤中 N/P變化的 18%(聶蘭琴等， 2016)。火干擾中不同溫度對于不同元素的歸還影響不同，某些火干擾下生態(tài)系統(tǒng) P循環(huán)會(huì)增強(qiáng)，但火干擾引起的凋落物和土壤養(yǎng)分元素效應(yīng)不同(Butler et al.，2017；Santín et al.，2018)，同時(shí)這種效應(yīng)受林齡的影響( Hume et al.，2016)。有研究表明，頻繁的火干擾降低了凋落物碳氮磷化學(xué)計(jì)量與微生物生物量 N/P、酶活性的耦合關(guān)系，火干擾后恢復(fù)階段出現(xiàn)了向 N限制生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變(Toberman et al.，2014)。凋落物是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中不可或缺的一環(huán)，因此，系統(tǒng)深入地研究火干擾后凋落物分解速率變化和凋落物中 C、N、P及其比例變化，對于探究火干擾后植物養(yǎng)分再利用和循環(huán)的機(jī)制具有重要意義。 由于凋落物分解受到以溫度、濕度驅(qū)動(dòng)的氣候因素(王鳳友， 1989；Amani et al.，2019)，微生物、細(xì)菌、真菌和土壤動(dòng)物等為主的分解者( Bunn et al.，2019； Ma et al.，2019)，以及凋落物組成及性質(zhì)等自身特征的共同影響，同時(shí)各影響因素間存在復(fù)雜的交互作用(Gartner and Cardon，2004)，導(dǎo)致火干擾后凋落物分解相關(guān)研究涉及內(nèi)容多且難度大。近年來，火干擾后凋落物分解速率如何變化及其原因的相關(guān)研究沒有統(tǒng)一結(jié)論。總體而言，火干擾對凋落物分解的影響可以分為促進(jìn)作用和抑制作用兩部分。促進(jìn)作用包括火干擾后凋落物可溶性 C增加(Ludwig et al.，2018)，加快了微生物活動(dòng)(Stirling et al.，2019)。火干擾改變了土壤微環(huán)境(如增溫和減水作用)，而土壤微環(huán)境的改變會(huì)顯著影響土壤動(dòng)物群落組成(如干旱導(dǎo)致大型彈尾蟲數(shù)量的減少、小型彈尾蟲數(shù)量的增加)( Yin et al.，2019)，凋落物碎化和彈尾蟲的相互作用進(jìn)一步促進(jìn)了凋落物分解和 C、N礦化(Yang et al.， 2012)。而抑制作用則包括火干擾導(dǎo)致土壤有效性 N、P含量的降低( Hulugalle et al.，2017；Schafer and Mack，2018)，這種化學(xué)計(jì)量的不平衡加劇了微生物活動(dòng)的營養(yǎng)限制(Butler et al.，2019)。火干擾后真菌生物量的減少會(huì)減慢凋落物分解(孔健健和楊健， 2014)。Long等(2016)則認(rèn)為火干擾對凋落物分解的影響是由于火干擾后植被和凋落物組成改變造成的，而非火本身，火干擾后灌木蓋度的增加會(huì)導(dǎo)致凋落物分解降低。此外，火干擾可能導(dǎo)致?lián)碛休^高 N吸收與固持能力的物種侵入，通過這種方式吸引分解者群落，進(jìn)而加快整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的元素循環(huán) (Rodrigo et al.，2012；Wang et al.，2015)。但植被多樣性的增加對于分解者系統(tǒng)的影響可能不是單方面的，某些物種的減少也會(huì)加快原生境凋落物的分解。Osburn等(2018)發(fā)現(xiàn)去除杜鵑花增加了土壤 DOC、N，以及微生物生物量 C和 C獲取酶的活性，土壤微生物量和相關(guān)酶活性的增加會(huì)進(jìn)一步加速新生凋落物的分解。 Long等(2016)通過苔蘚和灌木去除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，去除苔蘚降低了凋落物分解，同時(shí)增加了 P的歸還，灌木去除實(shí)驗(yàn)則與此相反。這意味著同一生態(tài)系統(tǒng)中不同植被對整個(gè)系統(tǒng)的凋落物組成和分解的貢獻(xiàn)度可能存在差異(Jones et al.，2019)，火干擾后植被群落的組成及比例的改變或許是火干擾后凋落物分解速率變化的原因之一。Hernández等(2019)發(fā)現(xiàn)火干擾后的草地生態(tài)系統(tǒng)中，通過一年生草本的入侵產(chǎn)生擁有更慢分解速率的易燃性凋落物來促進(jìn)火的發(fā)生，這是不是喜火植物共同或相似的生態(tài)策略？如果這一觀點(diǎn)成立，可能意味著火依賴種在火燒樣地恢復(fù)和土壤動(dòng)物、微生物群落重組中起到更加重要的作用，進(jìn)而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，火干擾降低了林分尺度的異質(zhì)性(Durán et al.，2019)，這種改變可能在一定程度上導(dǎo)致分解者群落的重新分布，進(jìn)而對森林生態(tài)系統(tǒng)總體分解能力產(chǎn)生影響。 雖然前人對于凋落物分解和凋落物養(yǎng)分元素
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