亚热带不同植被恢复阶段氮磷循环关键过程及其耦合协调性

来源 :中南林业科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rwsonny
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氮(N)、磷(P)是影响生态系统生产力的主要养分因子,两者共同调控植物生长发育、土壤养分循环和水土保持等关键生态过程。目前N、P循环关键过程的研究主要集中在单一养分或单一过程随植被恢复的演变等方面,从植物—凋落物—土壤系统的角度,探讨植被恢复是否会改变N、P积累转化及其耦合与协调关系,是目前亟待解决的关键问题。本研究采用时空互代法,以湘中丘陵区地域相邻、环境条件基本一致,处于不同植被恢复阶段的4个植物群落:4-5年灌草丛、10-12年灌木林、45-46年马尾松针阔混交林和>90年常绿阔叶林作为一个恢复序列,设置固定样地,采集植被层、凋落物层、土壤层样品,以植物吸收利用、凋落物分解释放、土壤积累转化3个过程为主线构建N、P耦合协调度模型,剖析养分循环关键过程N、P耦合强度和协调发展关系随植被恢复的演变特征,为提高植被恢复过程生态系统养分固定潜力和维持养分的高效协调利用提供科学依据。主要研究结果为:(1)植被恢复显著促进生态系统及其各组分全N、全P储量增加(p<0.05),且生态系统全N、全P储量的垂直分配格局随植被恢复而变化,植被层全N、全P储量贡献率分别增加了 9.28%、3.12%,而土壤层全N、全P储量贡献率分别下降了 9.53%、3.19%,凋落物层变化较小。(2)随植被恢复,凋落物碳(C)含量、C:P、N:P、土壤含水量、微生物生物量C(MBC)和微生物生物量P(MBP)是影响土壤N积累的主要因子,共同解释率为98%;凋落物C、N含量、C:N、细根P含量、土壤容重、黏粒百分含量、有机C含量、MBC和微生物生物量N(MBN)是土壤P含量增加的主要调控因子,共同解释率为80%。(3)随凋落物分解,不同恢复阶段凋落物N释放趋势基本一致:淋溶—富集—释放,而不同恢复阶段凋落物P释放趋势不同:4-5年灌草丛、45-46年马尾松针阔混交林富集,10-12年灌木林、>90年常绿阔叶林先富集后释放。凋落物N、P年释放率呈线性协同增长(斜率为1.29),而N、P年归还量随植被恢复的变化不同步(斜率为0.02)。凋落物分解速率和N、P年释放率、年归还量受凋落物初始C含量、C:P的显著正向作用,受N:P、C:N、P含量的显著负向作用。(4)土壤N、P各形态含量随植被恢复的增加幅度均分别高于117%、36%。土壤N各形态两两之间,土壤大部分P各形态两两之间显著正相关(p<0.05),且铵态N(NH4+-N)、硝态N(NO3--N)、碱解有机N(HON)、可溶性有机N(SON)、MBN 与 NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、MBP 之间,NO3--N、MBN 与 HCl-Pi 之间,NH4+-N、HON、SON与NaOH-Po之间呈显著正相关关系(p<0.05)。(5)细根N含量主要受土壤NO3--N和SON的显著影响(p<0.05),细根P含量受土壤NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、HCl-Pi和MBP的显著促进作用(p<0.05)。随植被恢复,叶片N、P之间具有显著异速生长关系(p<0.05),N、P的利用效率分别下降了 41%、43%,对N、P的再吸收效率分别增加了 102%、62%;叶片N含量内稳态弱,而P含量具有较高的内稳态。细根N、P含量之间、叶片N、P的利用效率之间、再吸收效率之间呈显著正相关关系(p<0.05)。土壤N:P对叶片N、P含量、利用效率和再吸收效率的直接影响最大。细根N、P含量受土壤有效N:P的显著促进作用(p<0.05)。(6)不同植被恢复阶段植物吸收利用过程、凋落物分解过程N、P耦合协调关系基本保持初级协调水平。随植被恢复,土壤积累转化过程N、P耦合协调关系总体上呈增加趋势,由严重失衡显著提高至优质协调水平。生态系统养分循环关键过程N、P耦合协调关系呈由轻度失衡逐渐升高为优质协调发展N、P同步水平的正向发展。(7)N、P综合指数的交互作用显著影响植物群落因子(物种多样性、群落生物量)和土壤肥力因子(黏粒百分含量、含水量、有机C、全N、全P、全钾、碱解N、速效P含量),解释率为50.7%—99.9%。因此,可通过合理的经营管理措施促进植被恢复,提高植被层生物量和利用N、P间的耦合协调性,以提高生态系统养分固持潜力和促进养分间的高效协调利用,促进生态系统N、P循环形成和恢复,提高生态系统生产力和稳定性。
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