养分添加对亚热带常绿阔叶林土壤养分状况的影响.docx

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养分添加对亚热带常绿阔叶林土壤养分状况的影响

分类号：

单位代码：

10364

密级：

学号：

S10090702298

安徽农业大学

学位论文

养分添加对亚热带常绿阔叶林土壤养分状况的影响

EffectsofNandPadditiononsoilnutrientinasubtropicalevergreenbroad-leavedforest

研究生：

赵阳

指导教师：

徐小牛教授

申请学位门类级别：

农学硕士

专业名称：

森林培育

研究方向：

生物地球化学循环

所在学院：

林学与园林学院

答辩委员会主席：

2013年6月

独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：

时间：

年月日

关于论文使用授权的说明

本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。

（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）

研究生签名：

时间：

年月日

第一导师签名：

时间：

年月日

课题来源

本研究得到下列科研项目资助：

国家“973”计划项目（2010CB950602）

国家自然科学基金项目（30771719）

摘要

土壤是植物生存的重要环境因子，也是森林生态系统研究的重要组成部分。

一方面，森林土壤可为森林植被的存在和发展提供必要的物质基础；另一方面，森林植被的出现及其演替反过来也将影响其土壤的形成和发育。

随着人口增加、经济发展和环境变化对土地资源的压力日益增大，导致土地退化和污染十分严重。

目前，土壤质量是制约全球生物圈可持续发展的重要因素之一，亦是生态环境、土壤管理和土地利用的可持续评估、判断准则。

土壤是森林生态系统营养元素转化的重要枢纽，其养分状况影响林木生长，使森林生态系统表现出不同的生产力水平。

在氮沉降全球化的背景下，研究和预测氮沉降对我国森林生态系统的影响及其反馈，对于制定合理的经济发展战略、制订森林资源和环境管理计划和提高应对全球变化能力均具有重要理论价值和实践意义。

鉴于此，于2011年1月在安徽查湾自然保护区选择亚热带常绿阔叶林建立了永久性的试验样地，通过养分添加试验（氮添加、氮磷添加），探讨氮磷添加对亚热带常绿阔叶林土壤养分状况的影响，为揭示森林土壤养分动态及其对氮沉降增加的响应机理提供基础。

研究结果显示，养分添加前表层0-10cm土壤pH（H2O）平均值为4.28、pH（KCl）的平均值为3.34，电导率（EC）的均值为200.47μS·cm-1，全氮的均值为3.13g·kg-1，全钾的均值为9.52g·kg-1，全钙的均值为83.22g·kg-1，全镁的均值为1.70g·kg-1，全磷的均值为176.03mg·kg-1。

不同处理各养分之间差异不显著（p>0.05）。

养分添加后，对照（CK）样地表层0-10cm土壤中，铵态氮含量最高出现在2012年6月（11.05mg·kg-1），最低在2011年12月（3.60mg·kg-1）；氮添加（N）处理样地分别出现在2011年10月（14.64mg·kg-1）、2011年9月（4.90mg·kg-1）；氮磷添加（N+P）处理，则分别在2011年8月（17.24mg·kg-1、2011年9月（4.90mg·kg-1）。

10-20cm土层中，对照铵态氮含量最高在2011年8月（19.16mg·kg-1），最低在2011年12月（2.50mg·kg-1）；氮添加分别出现在在2011年8月（11.67mg·kg-1）、2011年7月（3.41mg·kg-1）；氮磷添加分别在2011年8月（15.45mg·kg-1）、2011年7月（2.97mg·kg-1）。

表层0-10cm土壤中，对照硝态氮含量最高在2012年2月（1.65mg·kg-1），最低在2011年12月（0.17mg·kg-1）；氮添加分别在2011年10月（22.51mg·kg-1）和2012年4月（0.17mg·kg-1）；氮磷添加分别在2011年10月（7.14mg·kg-1）和2012年4月（0.18mg·kg-1）。

10-20cm土层中，对照硝态氮含量最高在2011年7月（1.43mg·kg-1），最低在2011年10月（0.35mg·kg-1）；氮添加分别在2011年10月（10.08mg·kg-1）和2012年4月（0.18mg·kg-1）；氮磷添加分别在2011年10月（4.11mg·kg-1）和2012年4月（0.20mg·kg-1）。

养分添加处理和对照之间差异显著（p<0.05），而氮添加和氮磷添加之间差异不显著（p>0.05）。

表层0-10cm土壤中，对照土壤速效磷含量最高在2012年6月（5.71mg·kg-1），最低在2011年12月（0.46mg·kg-1）；氮添加分别在2011年9月（2.82mg·kg-1）、2011年12月（1.41mg·kg-1）；氮磷添加分别在2011年12月（3.81mg·kg-1）、2011年12月（0.37mg·kg-1）。

10-20cm土层中对照土壤速效磷含量最高在2011年5月份（1.13mg·kg-1），最低在12月（0.58mg·kg-1）；氮添加分别出现在2012年4月（3.96mg·kg-1）和2011年7月（1.08mg·kg-1）；氮磷添加分别在2012年4月（3.34mg·kg-1）和2011年7月（0.92mg·kg-1）。

对照和氮添加之间差异不显著（p>0.05），氮磷添加和对照及氮添加之间差异显著（p<0.05）。

表层0-10cm土壤中，对照可溶性有机碳（DOC）含量最高在2011年8月（368.24mg·kg-1），最低在2011年10月（118.37mg·kg-1）；氮添加DOC含量最高在2011年8月（391.16mg·kg-1），最低在2012年6月（84.32mg·kg-1）。

氮磷添加DOC含量最高在2011年8月（381.43mg·kg-1），最低在2012年6月（92.71mg·kg-1）。

原位培养结果显示，对照0-10cm土壤的氨化速率、硝化速率和矿化速率最高值分别为556.87μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、671.50μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、1228.37μg·kg-1·d-1（2012年6-7月），最低值分别为-230.82μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）、-18.67μg·kg-1·d-1（2012年2-4月）、-163.31μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）；10-20cm土层的氨化速率、硝化速率和矿化速率最高值分别为244.31μg·kg-1·d-1（2012年2-4月）、201.13μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、392.73μg·kg-1·d-1（2012年6-7月），最低值分别为-467.57μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）、-8.30μg·kg-1·d-1（2012年2-4月）、-438.28μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）。

氮添加处理0-10cm土壤的氨化速率、硝化速率和矿化速率最高值分别为583.64μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、687.39μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、1271.03μg·kg-1·d-1（2012年6-7月），最低值分别为-233.79μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）、-343.87μg·kg-1·d-1（2011年10-12月）、-278.10μg·kg-1·d-1（2011年10-12月）；10-20cm土层的氨化速率、硝化速率和矿化速率最高值分别为285.31μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、177.65μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、462.97μg·kg-1·d-1（2012年6-7月），最低值分别为-264.72μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）、-89.26μg·kg-1·d-1（2011年10-12月）、-190.86μg·kg-1·d-1（2011年10-12月）。

氮磷添加处理0-10cm土壤的氨化速率、硝化速率和矿化速率最高值分别为379.83μg·kg-1·d-1（2011年9-10月）、676.65μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、877.39μg·kg-1·d-1（2012年6-7月），最低值分别为-404.18μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）、-64.36μg·kg-1·d-1（2011年10-12月）、-407.86μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）；10-20cm土层的氨化速率、硝化速率和矿化速率最高值分别为162.31μg·kg-1·d-1（2012年6-7月）、285.00μg·kg-1·d-1（2011年9-10月）、351.21μg·kg-1·d-1（2012年6-7月），最低值分别为-417.96μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）、-45.69μg·kg-1·d-1（2011年10-12月）、-425.14μg·kg-1·d-1（2011年8-9月）。

研究结果表明，在氮添加处理后的一个月，表层土壤无机氮含量表现出比对照高的格局，且0-10cm土层对养分添加的响应比10-20cm土层更加敏感，可见短期（如1-2年）氮添加可以显著促进森林土壤氮素矿化，且对表层土壤的促进效果更为明显。

不同处理中，添加N和N+P处理均使两个土层铵态氮和硝态氮含量显著增加，但两个处理间的差异并不显著。

添加氮磷处理土壤有效磷含量高于氮添加和对照，随着施肥处理的进行，其差异随之增大。

而氮添加和对照样地土壤有效磷含量的差异并没有达到统计显著水平。

不同处理0-10cm和10-20cm土层的氮素净氨化，净硝化和净矿化速率具有相似的季节性变化规律，即夏季氮素净转化速率最高，冬季氮素净转化速率最低，春季和秋季氮素净转化速率有一定差异，但不显著。

初步结果显示，养分添加使土壤年平均净矿化速率下降，氮添加使土壤硝化速率下降，氨化速率上升；而氮磷添加使硝化速率上升，氨化速率下降。

养分添加对森林生态系统的氮动态影响效应尚需长期定位观测。

关键词：

养分添加，森林土壤，亚热带林，氮动态，氮素转化，有效磷

Abstract

Soilisoneoftheimportantenvironmentfactors,andthebasisforplantsurvival.Therefore,soilisanimportantpartofforestecosystemresearch.Ontheonehand,theforestsoilprovidesthenecessarymaterialbasefortheexistenceanddevelopmentofforestvegetation;Ontheotherhand,theemergenceanditssuccessionofforestvegetation,inturn,canaffectthesoilformationanddevelopment.Asthepopulationincreases,economicdevelopmentandenvironmentalchange,landdegradationandpollutionbecomeveryserious.Soilqualityisoneoftheimportantfactorsforsustainabledevelopmentoftheglobalbiosphere,andistheevaluationandjudgmentcriteriaofecologicalenvironment,soilmanagementandsustainablelanduse.Soilnutrientconditionsaffecttreegrowth,anddeterminetheproductivityofforestecosystems.

Inthecaseofhighnitrogen（N）depositionunderthebackgroundofglobalization,evaluationoftheeffectofnitrogendepositioninforestecosystemsanditsfeedbacktomakereasonableeconomicdevelopmentstrategyandplanofforestresourcesandenvironmentalmanagementhasimportanttheoreticalvalueandpracticalsignificance.Therefore,sixpermanentplotswereestablishedinasubtropicalevergreenbroad-leavedforestinChawanNaturalReserve,southernAnhui,inJanuary2011.Afertilizationexperimentwasconducted.Theexperimentaldesignincludedthreetreatmentswithtworeplications:

thecontrol,highN（100kgNhm-2a-1）andhighN+phosphorus（100kgNhm-2a-1+50kgPhm-2a-1）.TheobjectiveofthestudyistodeterminetheeffectsofNadditiononsoilnutrientstatusandtorevealtheresponsivemechanismofsoilnutrientdynamicstonitrogendepositioninsubtropicalevergreenbroad-leavedforest.Theresultsobtainedareasfollows.

Beforenutrientadditions,thepH（H2O）for0-10cmsoillayersaveraged4.28,andpH（KCl）3.34.ThemeanECwas200.47μS·cm-1.Themeanconcentrationsoftotalnitrogenwas3.13g·kg-1,totalpotassium9.52g·kg-1,totalcalcium83.22g·kg-1,totalmagnesium1.70g·kg-1,totalphosphorus176.03mg·kg-1.Nosignificantdifferencesappearedamongthedifferenttreatmentstands（p>0.05）.

Afterthenutrientadditions,theconcentrationsofNH4+-Nin0-10cmsoillayerwerehighestinJune2012（11.05mg·kg-1）andlowestinDecember2011（3.60mg·kg-1）forthecontrol（CK）;whilihighestinOctober2011（14.64mg·kg-1）andlowestinSeptember2011（4.90mg·kg-1）forthenitrogen（N）addition,andhighestinAugust2011（17.24mg·kg-1）andlowestinSeptember2011（4.90mg·kg-1）fornitrogenandphosphorus（N+P）addition.Inthe10-20cmsoillayer,theNH4+-NconcentrationswerehighestinAugust2011（19.16mg·kg-1）andlowestintheDecember2011（2.50mg·kg-1）forCK;buthighestinAugust2011（11.67mg·kg-1）andlowestinJuly2011（3.41mg·kg-1）forNaddition;andhighestinAugust2011（15.45mg·kg-1）andlowestinJuly2011（2.97mg·kg-1）forN+Paddition.

ConcentrationsofNO3--Nin0-10cmsoillayerwerehighestinFebruary2012（1.65mg·kg-1）andlowestintheDecember2011（0.17mg·kg-1）forCK;whilehighestinOctoberof2011（22.51mg·kg-1）andlowestinApril2012（0.17mg·kg-1）forNaddition;andhighestinOctoberof2011（7.14mg·kg-1）andlowestinApril2012,0.18mg·kg-1）forN+Paddition.Inthe10-20cmsoillayer,theNO3--NconcentrationswerehighestinJuly2011（1.43mg·kg-1）andlowestinOctoberof2011（0.35mg·kg-1）forCK,highestinOctoberof2011（10.08mg·kg-1）andlowestinApril2012（0.18mg·kg-1）forNaddition;whilehighestinOctoberof2011（4.11mg·kg-1）andlowestinApril2012,0.20mg·kg-1）forN+Paddition.Significantdifferenceswereappearedbetweentreatmentsandcontrol（p<0.05）,butnosignificantdifferenceswasappearedbetweenthetreatments（p>0.05）.

ConcentrationsofavailableP（AP）in0-10cmsoillayerwerehighestinJune2012（5.71mg·kg-1）andlowestintheDecember2011（0.46mg·kg-1）forCK;highestinSeptember2011（2.82mg·kg-1）andlowestintheDecember2011（1.41mg·kg-1）forNaddition;highestinDecember2011（3.81mg·kg-1）andlowestintheDecember2011（0.37mg·kg-1）forN+Paddition.In10-20cmsoillayer,APconcentrationswerehighestinMay（1.13mg·kg-1）andlowestintheDecember2011（0.58mg·kg-1）forCK;highest（3.96mg·kg-1）inApril2012andlowestinJuly2011（1.08mg·kg-1）forNaddition;highestlevelsinApril2012（3.34mg·kg-1）andlowestinJuly2011（0.92mg·kg-1）forN+Paddition..NosignificantdifferenceappearedbetweenCKandNaddition（p>0.05）,whilesignificantdifferencesappearedbetweenCKandN+Padditionaddition（p<0.05）.

Thecontentsofdissolvedorganiccarbon（DOC）in0-10cmsoillayerwerehighestinAugust2011（368.24mgkg-1）,lowestinOctoberof2011（118.37mg·kg-1）forCK;andhighestinAugust2011（391.16mg·kg-1）andlowestinJune2012（84.32mg·kg-1）forNaddition;whilehighestinAugust2011（381.43mg·kg-1）andlowestinJune2012（92.71mg·kg-1）forN+Paddition.

Theresultsfromthein-situincubationexperimentshowedthattherateofammonification（Rna）in0-10cmsoillayerwashighest（556.87μg·kg-1·d-1）fromJunetoJuly2012andlowest（-230.82μg·kg-1·d-1）