氮沉降对杉木幼树生物量及其分配的影响.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金重大项目“人工林生态系统碳汇形成与维持机制”()第一作者简介:杜旭龙()男 硕士研究生 从事森林生态系统碳循环研究:.通信作者:熊德成()男 高级实验师 从事全球变化对地下根系生态过程的影响研究:.:./.氮沉降对杉木幼树生物量及其分配的影响杜旭龙 余 恒 高艳丽 刘小飞 黄锦学 熊德成(.福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地 福建 福州.福建师范大学地理科学学院 福建 福州)摘要:为了探索氮沉降对中亚热带常绿针叶树种的影响 在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站开展模拟大气氮沉降试验 以杉木幼树为研究对象 设置了对照()、低氮()和高氮()种氮浓度处理 分析植物生物量及其分配对氮沉降的响应 结果表明:()在不同浓度氮沉降处理下 叶、皮、干、枝、地上部分和总生物量与 均无显著差异(.)而根生物量则在 处理后显著升高(.)而根质量比、根叶比和根冠比则显开放科学标识码(码)著增大(.)地上部分质量比显著减小(.)而根叶比则显著增大(.)()在不同氮沉降处理下 叶生物量与枝生物量 叶、枝和干生物量与地上生物量均呈现极显著正相关关系(.)枝生物量与干生物量在 和 处理下呈现极显著正相关关系(.)在 处理下呈现极显著负相关关系(.)地上生物量与根生物量在 处理下呈现极显著正相关关系(.)在 和 处理下呈现极显著负相关关系(.)(.).(.).(.)(.)(.).(.).(.).(.).森林与环境学报 ():第 卷 第 期 年 月.:自 世纪中叶以来 由于化肥和化石燃料使用的增多 全球大气氮沉降量急剧增加 氮沉降的增加会对森林生态系统造成严重的影响 因此 野外大气氮沉降试验对植物生物量及其分配的影响已经成为研究的热点之一 作为植物体构成的基本元素之一 氮在植物生理生态过程中扮演着重要的角色 直接影响植物的生长过程 并最终影响植物的生物量 因此 大气氮沉积量的增加 可能会对森林生态系统中植物生物量积累及其分配特征产生重要影响植物生物量的变化及其在植物体不同器官之间的分配是植物生态学重要的研究课题 植物生物量的分配会显著影响植物生长和植物对环境变化的适应性 因此 研究氮沉降增加条件下植物生物量变化及其在植物不同器官之间的分配规律 对进一步探讨植物对氮沉降增加的响应机制具有极其重要的意义 关于氮沉降增加对植物生物量及其分配的影响目前已有许多研究 但目前植物生物量及其分配对氮沉降增加的响应结论依然存在较大差异 一般情况下 适量的氮添加对植物的生长是有益的 超过植物的承受范围就会对植物生长产生消极的影响 目前氮沉降对植物生物量的影响的研究结果和内在调控机制尚不明朗 因此 氮沉降变化对生物量积累的影响应该受到格外关注 氮沉降对植物生物量主要有正影响、负影响和没有影响这 种结论 而这种不一致主要与研究地域、不同植物的生长特性等有关 由此可以看出 目前氮沉降对植物生物量及其分配的影响虽已有一定的研究 但由于受到土壤理化性质、植物种类和气候等因素的影响 植物生物量及其分配对氮沉降的响应仍有很大的不确定性且亚热带地区已有的研究结果差异较大 这也在一定程度上影响了亚热带地区植物生长对未来气候变化应对策略的研究杉木 (.).是我国亚热带地区重要的人工林树种 种植面积大是重要的商业木材来源 目前很少有研究探讨氮沉降对杉木生物量及其分配特征的影响 因此 本研究以杉木人工林为研究对象 研究氮沉降增加条件下其各器官生物量特征及其分配规律 研究结果可为探讨和揭示亚热带地区针叶树种对土壤养分变化的适应机制提供更加有力的依据 并为进一步探讨针叶树种对氮沉降的响应的内在机制提供数据支撑 研究区概况与研究方法.研究区概况研究区位于福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站内()该区主要为低山丘陵 平均海拔高度和平均坡度分别为 和 属亚热带季风性气候 年平均气温.年平均相对湿度 年平均降水量 年平均蒸发量 每年的 月降雨最多.试验设计依据研究区大气氮沉降背景值(氮含量.)设置对照()、低氮()和高氮()种不同氮浓度处理进行模拟氮沉降试验 每种处理设置 个重复 年开始建立试验样地 样地大小为 共 块样地 年底 在每个样地内均匀种植 棵 年生杉木幼苗 模拟氮沉降于 年 月开始并持续 每月月初将所需的纯 溶解在 去离子水中 对杉木幼苗进行均匀喷洒 样地喷洒等量的去离子水 不同处理下杉木幼树收获时的生长特征见表 表 不同处理下杉木幼树收获时的生长特征 .处理类型 平均树高 /平均胸径 /对照.低氮.高氮.注:同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著(.):(.)而根生物量则在 处理后较 处理显著升高了.(.)其原因可能是为了满足杉木幼树快速生长对养分和水分的需求而促进了根部生物量的积累 处理与 处理相比 杉木幼树的叶生物量、皮生物量、干生物量、地上生物量和总生物量分别显著升高了.、.、.、.和.(.)出现这一结果可能是因为初期施氮处理使得杉木幼树获得足够多的氮素 进而导致杉木幼树的生长速度加快 但随着杉木幼树快速生长 后期施氮处理已经无法满足杉木幼树快速生长的需求 因此 对杉木幼树各器官生物量积累的促进作用并不显著 第 期杜旭龙 等:氮沉降对杉木幼树生物量及其分配的影响 注:图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(.):(.)而根质量比、根叶比和根冠比较 显著增大(.)地上部分质量比较 则显著减小(.)而根叶比较 则显著增大(.)注:图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(.):(.).图 氮沉降处理对杉木各器官生物量分配的影响 .森 林 与 环 境 学 报第 卷.氮沉降处理下杉木幼树各器官生物量之间的相关关系氮沉降处理下杉木幼树各器官生物量之间的相关关系如图 所示 叶生物量与枝生物量在不同浓度氮沉降处理下均呈现出极显著正相关关系(.)干生物量与枝生物量在 和 处理下呈现极显著正相关关系(.)在 处理下却呈现极显著负相关关系(.)叶生物量、枝生物量、干生物量与地上生物量在不同浓度氮沉降处理下均呈现出极显著正相关关系(.)其中 干生物量与地上生物量的相关性较强(.)在 处理下 地上生物量与根生物量呈现极显著正相关关系(.)但在 和 处理下则呈现极显著负相关关系(.)图 氮沉降处理下杉木幼树各器官生物量之间的相关关系 .讨论与结论.氮沉降对杉木幼树总生物量及各器官生物量的影响氮素对植物生物量的变化有重要的作用 在氮较匮乏的森林生态系统中 输入适量的氮有利于植物生物量的积累 但过量的氮输入就会破坏土壤的酸碱平衡 造成土壤酸化 破坏植物元素之间的平衡对植物的生长不利 由于不同研究区环境条件、施氮量和树种等存在很大差异 目前关于氮沉降对植物生物量的影响争论较多 杉木幼树的叶、皮、干、枝、地上部分和总生物量在 和 处理下均无显著差异 这主要是由于初期施氮使得杉木生长速度加快 而随着生长加快 后期施氮处理已经无法满足杉木快速生长的需求 因此 对杉木生物量积累的促进作用并不显著 氮沉降增加后木荷 第 期杜旭龙 等:氮沉降对杉木幼树生物量及其分配的影响(.)幼苗各器官生物量都呈现出先升高后降低的趋势 这可能与不同树种的光合特性、生长特性和植物体内的养分失衡等因素有关 在本研究中 杉木幼树根系生物量在 处理下显著升高 这可能是因为 处理促进了其树高和胸径的生长 这就使得植物地上部分需要更多的生物量 需要植物根系汲取更多的养分支撑地上部分的生长 张蔷等研究发现 根系生物量会随着氮沉降的增加而升高 这与本研究的结果一致 而 为期 的氮沉降试验结果表明不同水平的氮沉降对植物根系生物量均没有显著作用 这可能是由于氮沉降时间较短和树种不同的生长特性造成的 本研究中 杉木幼树地上生物量和总生物量在氮沉降增加后均先降低后升高 但差异并未达到显著水平 吴茜等研究发现 氮沉降显著促进了秃瓣杜英(.)、枫香()和木荷总生物量的增长 毛晋花等的研究结果也表明 氮沉降会显著提高植物地上生物量和总生物量 但 对日本赤松(.)幼苗的研究发现 在 处理下其生长受到了抑制 宋沼鹏等对 个不同地区油松(.)幼苗的研究也发现 在 处理下内蒙古地区油松幼苗的生长受到了抑制 本研究中 杉木幼苗地上生物量和总生物量在 处理后较 有所下降 在 处理后升高 但差异均未达到显著水平这主要是由于杉木幼树生长后期所需的氮与施氮处理存在较大差异 无法满足其快速生长的要求 因此 氮沉降处理并没有对杉木幼树地上生物量和总生物量起到显著的促进作用.氮沉降对杉木幼树各器官生物量分配的影响植物各器官的生物量所占总生物量的比重变化是植物应对外界环境变化的主要策略 受生长环境的影响 合理的生物量分配模式有利于提高植物的生存能力 氮沉降改变了杉木幼树生物量的分配格局但杉木幼树叶质量比、枝质量比、皮质量比和干质量比在、处理后均无显著变化 羊留冬等的研究表明 峨眉冷杉(.)叶片生物量的比例在氮沉降处理后升高 对热带树种幼苗的研究发现 幼苗生长对施氮的响应受到土壤中氮有效性的影响 这些研究结果表明 适量的氮沉降可以增加土壤中氮的有效性 对植物地上部分的生长起促进作用 让植物生物量的分配格局发生变化 从而影响植物幼苗的生长 这与本研究中 处理后的结果并不一致 可能是因为氮沉降处理使土壤酸化 造成土壤中氮的有效性降低 植物需要将更多的养分分配给根系 促进根系生长 从而满足植物对水分和养分的需要 朱铁霞等的研究表明 随着施氮量的增加 菊芋(.)的茎重比和叶重比都呈现减小的趋势 这与本研究的结果一致 杉木幼树根质量比在 处理后显著增大 在 处理后也有所增大但并未达到显著水平 杉木幼树根生物量与地上生物量在 和 处理下均为正相关 说明根生物量与地上生物量是同向生长的 因此 生物量在根系的分配在氮沉降增加的情况下均有所升高 赵亮等研究发现 氮沉降提高了海南红豆 (.).根系生物量在总生物量中所占的比重 这与本文的研究结果一致 根叶比是反映植物生物量在根系和叶片之间分配状况的重要指标 杉木幼树根叶比在 处理下显著增大 说明氮沉降增加会提高植物生物量在根系的分配比例 根冠比表征的是植物生物量在地上部分和地下部分之间的分配状况 是衡量植物生长及环境中养分等发生变化时植物响应的重要指标 杉木幼树的根冠比在 处理后显著增大 这主要是由于氮沉降增加的同时提高了地下部分生物量但降低了地上生物量 解亚鑫等的研究结果表明 长脐红豆()和猴耳环 ().幼苗的根冠比在氮沉降处理后并没有发生显著变化 而荔枝叶红豆.幼苗的根冠比则随氮添加浓度的增大呈现正比例变化 这与本研究的结果基本一致 但是本研究结果与王娇等的研究结果不同 这可能是由于研究区域和不同植物自身的生长特性不同所导致.结论氮沉降处理后杉木幼树叶、皮、干、枝、地上部分和总生物量在不同浓度氮沉降处理后均无显著变化 而根系生物量在氮沉降处理后则显著升高 说明氮沉降促进了杉木幼树根系的生长 增加了根系生物量的积累 氮沉降处理后 杉木幼树总生物量在叶、枝、皮和干等器官的分配比例均无显著差异 但增大了生物量在根系的分配比例 由此可见 氮沉降增加后杉木幼树会通过向根系分配更多的生物量来森 林 与 环 境 学 报第 卷维持自身的正常生长 本研究虽然进行了 的氮沉降试验 但对于树木较长的生命周期来说 仍然是一个较短的过程 且研究是在树木幼苗阶段进行 因此 要进一步验证氮沉降对树木生长的影响 还需要进行长期的研究参考文献 .:.():.:.():.():.黄幸然 谢承劼 潘若琪 等.氮添加对马尾松和木荷幼苗根系土壤挥发性有机化合物的影响.森林与环境学报 ():.():.李德军 莫江明 方运霆 等.模拟氮沉降对南亚热带两种乔木幼苗生物量及其分配的影响.植物生态学报():.宋沼鹏 梁冬 侯继华.氮添加对 个油松种源幼苗生物量及其分配的影响.北京林业大学学报 ():.():.赵光影 窦晶鑫 郝冬梅.模拟氮沉降对三江平原湿地小叶章生物量及分配的影响.地理与地理信息科学():.(/):.():.纪娇娇 张秋芳 杨智杰 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