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近年来,对“激发效应”已有大量研究,激发效应在森林、农田、草地等生态系统中广泛存在[1-3]。激发效应的大小与外源有机物的组成有关[4-6]。田耀武等[7]研究表明,凋落物对三峡库区典型流域退耕地土壤SOC密度影响显著;史学军等[8]发现,含凋落物土壤有机碳矿化包含快速分解和缓慢分解2个过程,快速分解日均分解量大,持续时间短,缓慢分解却与之相反。王晓峰等[9]发现,杉木(Cunninghamia lancceolata (Lamb.) Hooker)人工林深层土壤有机碳分解速率显著低于表层土壤,但其激发效应却显著高于表层土壤,肖欣等[10]关于马尾松(Pinus massoniana Lamb.)人工林的土壤有机碳特征与凋落物质量的研究发现,凋落物未分解层C含量及C/N值越小,分解速率越快时,土壤有机碳密度增加也越快。
以红松(Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.)为建群种的红松阔叶混交林主要分布于我国的长白山、完达山和小兴安岭地区,是我国北方林区的主要植被类型。由红松和其他阔叶树种组成的红松阔叶混交林,是小兴安岭南坡森林系统地带性顶极类型,具有维护和调节区域气候环境的生态作用。由于该植被类型处于温度相对偏低的北方温带地区,关于温度的变化,尤其是温度升高是否会使该地区的凋落物对土壤有机碳矿化作用产生明显的影响,是否会通过激发效应改变土壤有机碳分解速率等问题知之较少。因此,本文通过设置温度的变化梯度,进行室内培养试验和矿化指标的测定,分析了添加不同树种枯叶外源有机物与温度耦合作用对土壤有机碳激发效应的影响,旨在为红松阔叶混交林土壤碳周转和碳固定提供基础数据和科学依据。
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2011年10月,在凉水国家级自然保护区原始红松阔叶混交林典型地段,选取代表性的试验样地(10 m×10 m)1块。在试验样地内,按照“S”型设置土壤采样点,用内径为10 cm的土钻,采集0~20 cm土样,共计20个。将采集的20个土壤样品充分混合,组成一个土样,拣去石块、植物根系等杂物,过2 mm筛,装入无菌封口袋,然后放入4 ℃恒温箱保存,用于室内培养实验和烘干法测定土壤含水量。
2011年10月,在选取的红松阔叶混交林典型试验样地内,收集当年凋落的新鲜枯叶,在自然条件下风干,去除杂物后,将枯叶分拣为红松枯叶、椴树(Tilia amurensis Rupr.)和枫桦(Betula costata Trautv.)枯叶,将椴树和枫桦枯叶进行等量混合组成阔叶枯叶(以下简称“阔叶枯叶”),分别将其放入60 ℃的烘箱中烘干。研磨,过2 mm筛,将其放入牛皮纸袋保存备用。
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共设置25、30、35 ℃ 3个温度,每个温度下设置6个处理。第一个处理(T):称取保存于4 ℃恒温箱中相当于50.00 g烘干土的新鲜土样,放入500 mL广口瓶中进行培养;第二个处理(H2T):红松枯叶和烘干土样按质量比为1∶25进行混合培养;第三个处理(H4T):红松枯叶和烘干土样按质量比为1∶12.5进行混合培养;第四个处理(K2T):阔叶枯叶和烘干土样按质量比为1∶25进行混合培养;第五个处理(K4T):阔叶枯叶和烘干土样按质量比为1∶12.5进行混合培养;第六个处理(H2K2T):红松枯叶、阔叶枯叶、烘干土样按质量比为1∶1∶25进行混合培养。每个处理3个重复,共计54个样品。
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将牛皮纸袋的红松枯叶和阔叶枯叶样品分别置于60 ℃烘箱再次烘干,把烘干后的枯叶样品取出,按照以上试验设计方案分别称取不同质量的枯叶加入到装有烘干土样的带塞广口培养瓶,不同处理配比情况见表 1。将枯叶和烘干土样混合均匀,向铺于培养瓶底部的混合样品均匀加入蒸馏水,使其含水量达到最大持水量的60%,作为好气处理[11],且适时添加蒸馏水,始终使混合样品的含水量保持在最大持水量的60%。
处理
Treatment烘干土质量
Oven-dry soil mass/g红松枯叶干物质量
The dry matter mass of Korean pine dead leaves/g阔叶枯叶干物质量
The dry matter mass of dead broad leaves/gT 50.00 0.00 0.00 H2T 50.00 2.00 0.00 H4T 50.00 4.00 0.00 K2T 50.00 0.00 2.00 K4T 50.00 0.00 4.00 H2K2T 50.00 2.00 2.00 Table 1. The ratio of oven-dry soil and dead leaves of different treatments
在500 mL带塞广口培养瓶里放入1个100 mL离心管,加入30 mL 0.15 mol·L-1标定的NaOH溶液,保证在测定周期内能全部吸收所产生的CO2并有剩余,将培养瓶加盖涂抹凡士林密封好,采用恒温箱控制温度,放于25、30、35 ℃的恒温箱中培养(培养期间,定期通气,以保证微生物活动所需氧气),培养一定时间后把离心管里的溶液全部转出并换上新的NaOH溶液继续培养。隔3 d以称质量法补充水分,使土壤湿度始终保持在混合样品最大持水量的60%。针对土壤呼吸中CO2释放速率先快后慢的特点[8],本试验设计的培养时间设定为5、10、20、35、60、90 d。
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采用烘干法测定土壤含水量,采用BaCl2沉淀-酸碱滴定法[8]测定培养期间培养瓶里土样和枯叶混合样品CO2的释放量。
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式中: VNaOH、VHCl分别代表NaOH、HCl的体积,CNaOH、CHCl分别代表NaOH、HCl的物质的量浓度,MC代表碳的摩尔质量,m土样代表土壤样品质量。
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式中: PE表示激发效应;C1表示来自加入凋落物后土壤原有有机碳矿化释放的CO2量;C2表示来自未加入凋落物的土壤原有有机碳矿化释放的CO2量[12]。
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利用Excel 2003软件对实验数据进行基本统计和作图。利用SPSS17.0统计软件对培养时间、温度和不同处理进行多因素方差分析,同时采用非参数检验法对同一温度下相同培养时间不同处理、同一温度下相同处理不同培养时间、同一处理相同培养时间不同温度之间土壤碳矿化速率的差异进行显著性分析。显著性水平设为0.05。