Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 温带荒漠地区生物土壤结皮氮矿化作用对水热因子的响应机制 | |
| 其他题名 | The response mechanisms of soil nitrogen mineralization under biological soil crusts to hydrothermic factors in the temperate desert regions |
| 虎瑞 | |
| 出版年 | 2013 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 王新平 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 土壤氮素矿化及其有效性是限制陆地生态系统初级生产力的主要生态因子之一，其对全球变化的响应决定着陆地生态系统的碳储量，并影响全球碳循环过程。干旱荒漠生态系统十分脆弱，养分匮乏，对外界环境因子的变异具有较强敏感性，土壤氮素的转化过程（铵化、硝化和矿化）极其复杂。因此，研究该区土壤氮素转化规律及其对水热因子的响应，对揭示干旱荒漠生态系统土壤氮素矿化特征、氮循环过程及其环境效应具有重要意义。生物土壤结皮（Biological soil crust, BSC）是荒漠生态系统的重要组成部分，在生物地球化学循环过程中扮演着重要角色。研究BSC的拓殖和繁衍与土壤氮素矿化过程的关系，探讨BSC在土壤氮循环过程中的作用以及对水热因子的响应，是深入了解干旱区土壤氮循环的重要前提。本研究以腾格里沙漠东南缘天然植被区藓类结皮、藻地衣混生结皮和无结皮土壤为研究对象，采用室内温湿度控制和野外原状土柱培养两种方法，分析BSC对土壤氮素矿化的影响及其对水热因子的响应机制，探讨BSC在土壤氮循环中的作用，并确定影响土壤氮转化的主要环境因子，以期揭示温带荒漠生态系统BSC斑块土壤氮素矿化特征，以及对水热因子的响应机理。取得以下主要结果： （1）不同类型BSC斑块土壤有效氮含量（铵态氮、硝态氮和无机氮）和氮素转化速率（净铵化速率、净硝化速率和净氮矿化速率）差异明显。藓类结皮、藻地衣混生结皮和无结皮土壤铵态氮和无机氮含量差异显著（p<0.05），且藓类结皮>藻地衣混生结皮>无结皮。相同温度和水分条件培养后，各类样地土壤有效氮含量均显著增加，其中藓类结皮斑块土壤有效氮含量最高。藻地衣混生结皮斑块土壤硝态氮含量显著低于藓类结皮和无结皮土壤（p<0.05）。 结皮类型对土壤氮素转换速率的影响显著。藓类结皮斑块土壤净铵化速率显著高于无结皮土壤，藻地衣混生结皮斑块土壤净铵化速率与无结皮土壤无显著差异。土壤净硝化速率表现为：藻地衣混生结皮<无结皮<藓类结皮，表明藻地衣混生结皮的繁衍抑制了土壤净硝化过程，不利于土壤硝态氮的产生，能够减少养分散失，对土壤养分贮存有重要作用。藻地衣混生结皮对土壤净氮矿化速率无明显抑制作用。各类样地土壤净氮矿化速率差异显著（p<0.05），表现为：藓类结皮>藻地衣混生结皮>无结皮，表明BSC的持续演替提高了土壤氮素转换速率，促进土壤氮素转换过程。 （2）温度和水分对土壤氮素转化速率有显著影响（p<0.05）。低温培养时，土壤氮素转换以固持态为主。高温培养时，除5mm降水条件外，藓类结皮、藻地衣混生结皮和无结皮土壤氮素转换速率均在25oC时显著增加（p<0.05），40oC时达到最大。因此，高温将促进土壤氮素转换过程，且25oC为土壤氮素转换的临界温度。此外，藓类结皮斑块土壤氮素转换速率对温度的敏感性高于藻地衣混生结皮和无结皮土壤，且三类样地土壤净氮矿化速率在15mm降水条件下均具有较高的温度敏感性。 藓类结皮、藻地衣混生结皮和无结皮土壤氮素转换速率随着水分的增加均呈现先增加后减小的趋势。低温培养时，各水分条件间差异不显著（p>0.05）。高温培养时，三类样地土壤氮素转换速率在15mm降水条件下最大，表明15mm降水是土壤氮素转换的临界水分条件。 土壤类型、温度和水分对土壤氮素转换速率存在明显的交互作用。高温（25～40oC）和中等强度降雨时（10mm和15mm），三类样地土壤净氮矿化速率最大，表现出明显的叠加效应。 （3）藓类结皮、藻地衣混生结皮和无结皮土壤氮素转换速率均与培养时间呈显著负相关关系。藓类结皮和藻地衣混生结皮斑块土壤氮素转换速率在21天或14天时显著下降；无结皮土壤氮素转换对培养时间的响应滞后，在21天或28天时显著下降。 培养时间对土壤无机氮含量亦有显著影响。无结皮土壤无机氮含量随培养时间的延长不断积累。在培养时间小于14天时，藓类结皮和藻地衣混生结皮斑块土壤无机氮含量随培养时间呈增加趋势，但在高温培养下（35oC和40oC），土壤无机氮积累对培养时间的响应较为复杂。 （4）藓类结皮、藻地衣混生结皮和无结皮土壤有效氮含量和氮素转换速率存在明显的季节变化，具体表现为夏季>秋季>春季>冬季。不同类型BSC土壤有效氮含量和氮素转换速率的季节变化也存在差异。冬季，三类样地土壤有效氮含量和氮素转换速率无显著差异（p>0.05）；春季土壤有效氮含量存在如下关系：藓类结皮>藻地衣混生结皮和无结皮，夏季为：无结皮>藓类结皮>藻地衣混生结皮；土壤净铵化速率和净氮矿化速率除冬季外均表现为：藓类结皮>藻地衣混生结皮>无结皮，土壤净硝化速率表现为：藓类结皮>无结皮>藻地衣混生结皮。 （5）土壤有效氮含量和氮素转换速率在非生长季与温度呈显著正相关关系。在生长季，温度和土壤水分均与土壤有效氮含量和氮素转换速率存在显著的相关关系。多元线性回归分析显示，在非生长季，土壤有效氮含量和氮素转换速率主要由温度控制；在生长季，土壤铵化过程（铵态氮含量和净铵化速率）和总矿化过程（无机氮含量和净氮矿化速率）均由温度控制，土壤硝化过程（硝态氮含量和净硝化速率）主要由土壤水分控制。 |
| 英文摘要 | Soil nitrogen is one of the chief limiting factors favoring plant growth and net primary productivity in terrestrial ecosystems. The responses of soil nitrogen mineralization and its availability to global environmental changes govern the terrestrial carbon stocks and would exert a profound influence on global carbon cycle. Arid desert ecosystems are subjected to vulnerability with lacking soil nutrients, and the transformation process of nitrogen is more complicated. Therefore, studies on the soil nitrogen transformation process and its environmental effects in arid areas are critically significant to reveal the characteristic of soil nitrogen mineralization and the environment effects of nitrogen cycle. Biological soil crust (BSC), being one of the important components of desert ecosystems, play a crucial role in biogeochemical cycle processes. Study the relationship of the existence and succession of BSC with nitrogen transformation, and discuss its role in the nitrogen cycle and response to environment factor is essential for a thorough understanding the nitrogen cycle in arid regions. In our present study, undisturbed soil cores under moss, algae-lichen and bare soil from natural vegetation area of Shapotou are at the southeastern edge of Tengger Desert were incubated in laboratory and field to analyze the effect of the BSC on soil nitrogen transformation and its responses to hydrothermic factors, further to discuss the role of BSC in nitrogen cycle and further explore the main environmental factors that affect soil nitrogen transformation processes. We expect to reveal the characteristic of nitrogen mineralization under BSC and their response mechanisms to hydrothermic factors in the temperate desert ecosystems. The main results were summarized as follows: (1) Soil available nitrogen content (ammonium nitrogen, nitrate nitrogen and inorganic nitrogen) and nitrogen transformation rates (net ammonification rate, net nitrification rate and net nitrogen mineralization rate) were exclusively significantly affected by the BSC types (p<0.05). There were significant differences in ammonium nitrogen and inorganic nitrogen content between BSC-dominated soils and bare soils, which were in the following order: moss-covered soil > algae-lichen-covered soil > bare soil. After incubation, the contents of soil available nitrogen in the three microhabitats increased remarkably. Moss-covered soil showed the highest soil available nitrogen content. |
| 中文关键词 | 温带荒漠 ; 生物土壤结皮 ; 氮矿化 ; 温度 ; 水分 |
| 英文关键词 | Temperate desert Biological soil crust (BSC) Nitrogen mineralization Temperature Moisture |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 生态学 |
| 来源机构 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/287225 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 虎瑞. 温带荒漠地区生物土壤结皮氮矿化作用对水热因子的响应机制[D]. 中国科学院大学,2013. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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