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Effects of simulated warming on soil DOC and DON concentrations in the alpine forest of western Sichuan based on altitudinal gradient experiment.

利用海拔差异模拟增温对高山森林土壤溶解性有机碳和有机氮含量的影响


在2010年5月—2011年4月和2011年5月—2012年4月2个培养周期内,采用原状土柱野外控制试验,利用海拔梯度变化研究了温度增加对川西高山森林土壤溶解性有机碳(DOC)和有机氮(DON)动态的影响.结果表明: 经模拟增温处理(降低海拔)的土壤有机层和矿质土壤层DOC和DON含量在2个连续培养周期内的各关键时期均呈现明显的动态变化.海拔3300和3000 m样地比海拔3600 m 样地土层DOC含量分别增加6.8和26.6 mg·kg-1.海拔3600、3300和3000 m样地土层DOC含量均在第1个培养周期的生长季末最高,分别为408.0、317.9和448.2 mg·kg-1,在第2个培养周期的生长季节中期最低, 分别为33.1、32.4和36.5 mg·kg-1.与海拔3600 m样地相比,海拔3300和3000 m样地土层DON含量分别增加2.3和30.4 mg·kg-1.除海拔3000 m样地以外,海拔3600和3300 m样地土层DON含量在第1个培养周期内的生长季节中期最高,分别为65.9和64.6 mg·kg-1,在第1个培养周期内的融化期最低,分别为31.9和37.1 mg·kg-1.模拟增温处理增加了样地内土壤有机层DOC和DON含量,降低了矿质土壤层DOC含量、土壤有机层及矿质土壤层DOC/DON值.土壤有机层DOC/DON值与DOC含量呈显著正相关,与DON含量呈显著负相关;矿质土壤层DOC/DON值与DOC含量呈显著负相关,与DON含量呈显著正相关.未来全球气候变暖可能通过影响高寒森林土壤温度和冻融循环格局,增加整个土层DOC和DON含量,进而影响高寒森林土壤碳、氮循环过程.

In order to understand the effects of climate warming on the process of soil carbon and nitrogen in the alpine forest, intact soil columns were collected in the alpine fir forest, and dissolved organic carbon (DOC) and dissolved organic nitrogen (DON) concentrations in both soil organic layer (OL) and mineral soil layer (ML) placed at different altitudes were measured from May 2010 to April 2011 (the first incubation period) and from May 2011 to April 2012 (the second incubation period). The results indicated that both DOC and DON concentrations in OL and ML varied greatly during the  sampling period. The DOC concentration in soil columns at the altitudes of 3300 and 3000 m increased 6.8 and 26.6 mg·kg-1 compared with that at 3600 m, respectively. The highest DOC concentrations in soil columns at the altitudes of 3600, 3300 and 3000 m were 408.0, 317.9 and 448.2 mg·kg-1, respectively, which were all detected in LG (late growth period) during the first incubation period, while the lowest concentrations were 33.1, 32.4 and 36.5 mg·kg-1, respectively, which were all detected in MG (mid growth period) during the second incubation period. Moreover, the DON concentration in soil columns at the altitudes of 3300 and 3000 m increased 2.3 and 30.4 mg·kg-1 respectively compared with that at 3600 m. The highest DON concentrations at the altitudes of 3600 and 3300 m were 65.9 and 64.6 mg·kg-1, which were both detected in MG in the first incubation period, while the lowest concentrations were 31.9 and 37.1 mg·kg-1, both detected in ET (early thawing period) in the second incubation period. Simulated warming increased the concentrations of DOC and DON in the OL, but decreased the concentration of DOC in ML and the ratio of DOC to DON in OL and ML. The ratio of DOC to DON was significantly positively related with DOC concentration and negatively related with DON concentration in OL, whereas the ratio of DOC to DON was significantly negatively related with DOC concentration and positively with DON concentration in ML. The results indicated that climate warming would increase the concentrations of DOC and DON in soils of the high-frigid forest by changing soil temperature and freezethaw pattern, and in turn alter the process of soil carbon and nitrogen.


全 文 :利用海拔差异模拟增温对高山森林土壤溶解性
有机碳和有机氮含量的影响
常晨晖1  苟小林1  吴福忠1,2  杨万勤1,2∗  殷  睿1  熊  莉1  肖  洒1
( 1四川农业大学生态林业研究所林业生态工程重点实验室, 成都 611130; 2长江上游生态安全协同创新中心, 成都 611130)
摘  要  在 2010年 5月—2011年 4月和 2011年 5月—2012年 4月 2个培养周期内,采用原
状土柱野外控制试验,利用海拔梯度变化研究了温度增加对川西高山森林土壤溶解性有机碳
(DOC)和有机氮(DON)动态的影响.结果表明: 经模拟增温处理(降低海拔)的土壤有机层和
矿质土壤层 DOC和 DON含量在 2个连续培养周期内的各关键时期均呈现明显的动态变化.
海拔 3300和 3000 m样地比海拔 3600 m 样地土层 DOC 含量分别增加 6.8 和 26.6 mg·kg-1 .
海拔 3600、3300和 3000 m样地土层 DOC含量均在第 1 个培养周期的生长季末最高,分别为
408.0、317.9和 448.2 mg·kg-1,在第 2个培养周期的生长季节中期最低, 分别为 33.1、32.4和
36.5 mg·kg-1 .与海拔 3600 m样地相比,海拔 3300和 3000 m样地土层 DON含量分别增加2.3
和 30.4 mg·kg-1 .除海拔 3000 m样地以外,海拔 3600和 3300 m样地土层 DON含量在第 1个
培养周期内的生长季节中期最高,分别为 65.9和 64.6 mg·kg-1,在第 1 个培养周期内的融化
期最低,分别为 31.9和 37.1 mg·kg-1 .模拟增温处理增加了样地内土壤有机层 DOC 和 DON
含量,降低了矿质土壤层 DOC 含量、土壤有机层及矿质土壤层 DOC / DON 值.土壤有机层
DOC / DON值与 DOC含量呈显著正相关,与 DON 含量呈显著负相关;矿质土壤层 DOC / DON
值与 DOC含量呈显著负相关,与 DON含量呈显著正相关.未来全球气候变暖可能通过影响高
寒森林土壤温度和冻融循环格局,增加整个土层 DOC 和 DON 含量,进而影响高寒森林土壤
碳、氮循环过程.
关键词  模拟增温; DOC; DON; 海拔梯度; 高山森林
本文由国家自然科学基金项目(31170423,31270498)和四川省杰出青年学术与技术带头人培育项目(2012JQ0008)资助 The work was supported
by the National Natural Science Foundation of China ( 31170423, 31270498) and the Program of Sichuan Youth Sci⁃tech Foregoer Foundation
(2012JQ0008).
2015⁃08⁃10 Received, 2015⁃12⁃25 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: scyangwq@ 163.com
Effects of simulated warming on soil DOC and DON concentrations in the alpine forest of
western Sichuan based on altitudinal gradient experiment. CHANG Chen⁃hui1, GOU Xiao⁃lin1,
WU Fu⁃zhong1,2, YANG Wan⁃qin1,2∗, YIN Rui1, XIONG Li1, XIAO Sa1 ( 1Key Laboratory of Eco⁃
logical Forestry Engineering, Institute of Ecology & Forestry, Sichuan Agricultural University,
Chengdu 611130, China; 2Collaborative Innovation Center of Ecological Security in the Upper Rea⁃
ches of Yangtze River, Chengdu 611130, China) .
Abstract: In order to understand the effects of climate warming on the process of soil carbon and
nitrogen in the alpine forest, intact soil columns were collected in the alpine fir forest, and dis⁃
solved organic carbon (DOC) and dissolved organic nitrogen (DON) concentrations in both soil or⁃
ganic layer (OL) and mineral soil layer (ML) placed at different altitudes were measured from May
2010 to April 2011 (the first incubation period) and from May 2011 to April 2012 (the second in⁃
cubation period). The results indicated that both DOC and DON concentrations in OL and ML va⁃
ried greatly during the sampling period. The DOC concentration in soil columns at the altitudes of
3300 and 3000 m increased 6.8 and 26.6 mg·kg-1 compared with that at 3600 m, respectively.
The highest DOC concentrations in soil columns at the altitudes of 3600, 3300 and 3000 m were
408.0, 317.9 and 448.2 mg·kg-1, respectively, which were all detected in LG ( late growth pe⁃
应 用 生 态 学 报  2016年 3月  第 27卷  第 3期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2016, 27(3): 663-671                    DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201603.019
riod) during the first incubation period, while the lowest concentrations were 33.1, 32.4 and 36.5
mg·kg-1, respectively, which were all detected in MG (mid growth period) during the second in⁃
cubation period. Moreover, the DON concentration in soil columns at the altitudes of 3300 and 3000
m increased 2.3 and 30.4 mg·kg-1 respectively compared with that at 3600 m. The highest DON
concentrations at the altitudes of 3600 and 3300 m were 65.9 and 64.6 mg·kg-1, which were both
detected in MG in the first incubation period, while the lowest concentrations were 31.9 and 37.1
mg·kg-1, both detected in ET (early thawing period) in the second incubation period. Simulated
warming increased the concentrations of DOC and DON in the OL, but decreased the concentration
of DOC in ML and the ratio of DOC to DON in OL and ML. The ratio of DOC to DON was signifi⁃
cantly positively related with DOC concentration and negatively related with DON concentration in
OL, whereas the ratio of DOC to DON was significantly negatively related with DOC concentration
and positively with DON concentration in ML. The results indicated that climate warming would in⁃
crease the concentrations of DOC and DON in soils of the high⁃frigid forest by changing soil tempe⁃
rature and freeze⁃thaw pattern, and in turn alter the process of soil carbon and nitrogen.
Key words: simulated warming; DOC; DON; altitude gradient; alpine forest.
    溶解性有机碳(DOC)和有机氮(DON)是土壤
有机碳库和氮库的重要组成部分[1] .尽管其占整个
土壤有机碳和氮库的比例很小[2],但其微弱的变化
将影响土壤碳和氮的转化过程[3-4],以及与土壤对
接的森林溪流、江河和湖泊的水体环境[5] .DOC 和
DON含量变化对生态系统的反馈可以从两方面体
现:1)DOC和 DON 含量变化可能影响土壤微生物
活动,微生物呼吸作用增强可导致更多的碳氧化物
和氮氧化物释放到大气之中[6];2)DOC 和 DON 的
淋溶可能引起土壤碳、氮的淋溶损失,不仅导致土壤
碳和氮库的亏缺[7],而且被淋洗的碳和氮进入与土
壤对接的水体环境可改变水体环境质量[8-9] .然而,
土壤 DOC和 DON含量受到多种生物与非生物因素
的影响[10-11],适宜的土壤温度、水分条件等可促进
微生物活性,加速 DOC 和 DON 的形成和消耗过
程[12-13] .同时,随着水分转移,DOC 和 DON 也会溶
解于土壤渗透水和地表径流,导致淋溶流失[14] .地
处高纬度高海拔区域的寒冷生物区是全球最大的土
壤碳和氮库[15-16] .该区土壤生态系统对环境温度变
化敏感,生长季节和非生长季节土壤生物过程差异
较大,不同采样时期水分和温度差异明显[17-18] .在
气候变暖背景下,增温可能导致土壤 DOC 和 DON
含量发生变化,进而反馈于整个生态系统,且这一过
程可能因为季节性变化存在明显差异.这意味着以
暖冬为主要特征的气候变化可能影响不同关键时期
的土壤 DOC和 DON动态.
川西高山森林地处青藏高原东缘,是长江上游
最重要的水源涵养地和全球气候变化的敏感区域,
在长江上游生态安全屏障建设中具有突出的战略地
位[19] .该区域森林具有 3个特点:1)土层浅薄,森林
地表具有较厚的土壤有机层[20],而土壤有机层是最
重要的碳库和养分库;2)森林地表和土壤具有长达
5—6个月的季节性雪被和冻融循环期[21-22],这个特
征在很大程度上控制着土壤碳和氮过程;3)研究区
域位于高山峡谷区,地形陡峭,海拔垂直梯度明显.
由于利用海拔梯度模拟空气温度增加能够保障多种
环境因子的相似性[23-25],因而逐渐成为模拟气候变
暖的重要试验手段[26-27] .有研究表明,川西高山森
林土壤季节性冻融期间的凋落物质量损失和养分释
放高于生长季节[28],而且在季节性冻融期间检测到
大量的土壤动物具有生理活动现象,微生物仍然具
有生理活性[17-18,29] .因此,本研究利用海拔梯度试
验,研究模拟增温对不同关键时期高山森林土壤
DOC和 DON含量的影响,以期为高山森林水源涵
养地的保护提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区地处青藏高原东缘与四川盆地的过渡
带,位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县毕棚沟自
然保护区(31°14′—31°19′ N,102°53′—102°57′ E).
年均气温 2~4 ℃,最高气温 23 ℃(7 月),最低气温
-18 ℃(1月),年均降水量 850 mm,降水主要集中
在 6—9 月.研究区土壤主要为暗棕壤,土层浅
薄[29],有明显的季节性冻融,土壤冻结期从 11 月初
至第 2年 4月中旬.从海拔 3000 m 到 3600 m,森林
类型依次为:岷江冷杉(Abies faxoniana)次生林、岷
江冷杉⁃红桦(Betula albo⁃sinensis)混交林和岷江冷
466 应  用  生  态  学  报                                      27卷
杉原始林.林下灌木主要有:华西箭竹(Fargesia niti⁃
da)、高山杜鹃(Rhododendron delavayi)、扁刺蔷薇
(Rosa sweginzowii)、红毛花楸(Sorbus rufopilosa)、三
颗针(Serberis sargentiana)等;草本植物主要有:蟹甲
草(Cacalia spp.)、高山冷蕨(Cystopteris montana)、
苔草(Carex spp.)和莎草(Cyperus spp.)等.
1􀆰 2  试验设计
2010年 5 月中旬,在海拔 3600 m 的研究区域
内,选择坡向、坡度和坡位基本一致的岷江冷杉原始
林(31°14′—31°19′ N,102°53′—102°57′ E),设置 1
个面积为 30 m × 30 m的研究样地.在样地内随机选
取 5个 3 m×3 m小样方,间距>3 m,采集土柱并按
样方分别编号.由于高山土壤形成缓慢,土层 20 cm
以下含有大小不一的石块.为保证土柱能够取到完
整的土壤样品,能代表川西高山森林土壤特征,采用
高 20 cm、内径 11 cm 的 PVC 管柱进行采样.采集
时,先去除森林地表覆盖物,将 PVC 管垂直打入土
壤中,然后挖出装有原状土壤的 PVC 管,尽量保持
PVC管中土壤原状结构 (每个小样方内 30 个土
柱).土柱(装有土壤的 PVC 管)由土壤有机层(soil
organic layer, OL)和矿质土壤层(mineral soil layer,
ML)组成,供试土壤理化性质见表 1.为避免外来物
质输入及管内土壤流失,同时保障降水淋溶和空气
流通,采用尼龙布封住 PVC管上下口.
在海拔 3000、3300 和 3600 m 林地内分别选择
林地地表环境、坡度和坡向基本一致的岷江冷杉林
地,利用降低海拔梯度模拟空气增温[20,30] .在各海拔
林地设置一个 20 m×20 m样地,在样地内沿对角线
和中心位置各设置 5 个 3 m×3 m 小样方.将采集的
PVC管分别埋设在小样方中,即每个小样方内有来
自 1~5样方内土柱各 2个.埋设时保持 PVC 管垂直
于土壤表面,PVC管上端端口与土壤表面持平.在每
一小样方埋设10个PVC管土柱,且随机均匀分布
表 1  研究区供试土壤的理化性质
Table 1  Soil physicochemical properties in the study site
土层
Soil
layer
pH 土壤容重
Bulk
density
(g·
cm-3)
土壤
有机碳
Soil
organic C
(g·
kg-1)
土壤全氮
Soil
total N
(g·
kg-1)
土壤厚度
Soil
thickness
(cm)
土壤
含水量
Soil
moisture
(%)
SOL 5.6±
0.8
1.05±
0.02
150.11±
4.21
9.72±
0.51
12.67±
4.62
46.02±
4.24
MSL 5.3±
0.9
1.22±
0.14
45.13±
1.03
1.87±
0.12
13.67±
5.51
22.93±
0.68
SOL: 土壤有机层 Soil organic layer; MSL: 矿质土壤层 Mineral soil
layer.下同 The same below.
于小样方内,每个海拔培养 50 个土柱,共培养土柱
150个[31] .此外,在样地土壤深度 5 和 15 cm处埋设
钮扣式温度传感器 ( DS1923⁃F5 #, Maxim Dallas
Semiconductor Corp., USA)连续监测土壤温度,1 h
记录数据 1次.冬季冻融期间内,当土温<0 ℃且持
续 3 h以上,随后回升到 0 ℃且持续 3 h以上(或>0
℃且持续 3 h以上,随后降至 0 ℃以下且持续 3 h以
上)的土温动态过程记作一次冻融循环[32-33] .3 个海
拔森林土壤温度及冻融循环特征见图 1和表 2.
依据全年气温动态变化规律和植被生长周期确
定采样时期,2个培养周期为 2010 年 5 月—2011 年
4月和 2011 年 5 月—2012 年 4 月.在每个培养周期
内分 5个关键时期采样,分别是生长季节中期:2010
年 8月 12日和 2011 年 8 月 19 日;生长季节末期:
2010年 10 月 17 日和 2011 年 10 月 18 日;冻结初
期:2010年 12月 16 日和 2011 年 12 月 28 日;深冻
期:2011年 3 月 3 日和 2012 年 3 月 7 日;融化期:
2011年 4月 19日和 2012年 4月 28日.每个样方随
机采集 1 个 PVC 管土柱,每个海拔样地采集 5 个
(分别来自 5 个小样方),3 个海拔样地共 15 个土
柱.将采回的土柱放于保温冰盒中,迅速带回试验
室,室温下解冻后将土柱土壤分层,去除石头等杂
物,过 2.5 mm筛,用于 DOC和 DON含量测定.
称取 10 g 新鲜土壤样品,以 0. 5 mol·L-1的
K2SO4为浸提剂(土液比为 1 ∶ 5),200 r·min
-1震荡
后离心,取上清液,在室温 20 ℃下进行提取.提取过
滤后的溶液于-20 ℃下储存.DOC 含量采用重铬酸
钾外加热氧化[34],FeSO4滴定法测定;DON 含量用
土壤溶解性总氮 ( TDN)和土壤溶解性无机总氮
(DIN)的差值计算[35];土壤溶解性总氮(TDN)含量
采用过硫酸钾氧化⁃凯氏定氮法测定;铵态氮(NH4
+ ⁃
N)含量采用靛酚蓝比色法测定;硝态氮(NO3
- ⁃N)
含量采用双波长比色法测定[34] .
表 2  培养期间不同时期的冻融循环次数
Table 2   Frequencies of surface soil freeze⁃thaw cycles in
the incubation period
培养时期
Incubation period
关键期
Key period
海拔 Altitude (m)
3000 3300 3600
第 1个培养周期 OF 6 4 5
First incubation DF 2 3 2
period ET 30 35 35
第 2个培养周期 OF 5 5 7
Second incubation DF 2 3 1
period ET 34 36 34
OF: 冻结初期 Onset of freezing period; DF: 深冻期 Deep freezing
period; ET: 融化期 Early thawing period. 下同 The same below.
5663期              常晨晖等: 利用海拔差异模拟增温对高山森林土壤溶解性有机碳和有机氮含量的影响     
图 1  不同样地空气、土壤有机层和矿质土壤层的日均温
Fig.1  Daily mean temperature in air, soil organic layer, and mineral soil layer at the different plots.
Air: 空气 Air; OL: 土壤有机层 Soil organic layer; ML: 矿质土壤层 Mineral soil layer. 下同 The same below.
    土层 DOC(DON)含量 = (土壤有机层厚度×容
重×土壤有机层 DOC(DON)含量+矿质土壤层厚
度×容重×矿质土壤层 DOC(DON)含量) / 2 个土层
土壤质量
1􀆰 3  数据处理
采用双因素方差分析(two⁃way ANOVA)检测不
同关键时期各海拔样地 DOC和 DON含量的动态变
化;利用 Spearman相关性检测土壤有机层和矿质土
壤层 DOC、DON、DOC / DON与环境因子的相关关系
(α= 0.05).采用 SPSS 19.0软件进行数据统计分析,
Origin 7.5软件作图.图表中数据为平均值±标准差.
2  结果与分析
2􀆰 1  模拟增温对气温和土壤温度的影响
由图 1 可以看出,与海拔 3600 m 样地相比,海
拔 3000 和 3300 m 样地的大气年均增温 1. 49 和
2􀆰 01 ℃,海拔 3000 样地土壤有机层年均增温 0.04
℃,海拔 3300 m样地土壤有机层年均降温 1.49 ℃,
海拔 3000和 3300 m样地矿质土壤层年均增温 1.09
和 0.13 ℃ .第 1个培养周期内,除生长季节中期外,
海拔 3300 m样地土壤有机层和矿质土壤层的温度
均低于海拔 3600 m 样地;第 2 个培养周期内,除融
化期海拔 3300 m样地土壤有机层和矿质土壤层的
温度与海拔 3600 m 样地相比分别降低 1.9 和 1􀆰 0
℃外,其余时期土壤温度均随海拔的降低而升高.
2􀆰 2  土壤 DOC动态
由图 2可以看出,海拔降低(模拟增温)增加了
土壤有机层 DOC 含量,降低了矿质土壤层 DOC 含
量,增加了整个土层 DOC 含量.与海拔 3600 m 样地
相比,海拔 3300、3000 m样地土壤 DOC 含量分别增
加 6.8和 26.6 mg·kg-1 .海拔 3600、3300 和 3000 m
样地土壤有机层 DOC 年均含量分别为 294. 7、
311􀆰 9、363.6 mg·kg-1,矿质土壤层 DOC 年均含量
分别为 62.8、60.6、53.4 mg·kg-1 .2 个培养周期内,
与海拔 3600 m 样地相比,海拔 3300和 3000 m样地
在各采样时期内土壤有机层 DOC 含量变化幅度分
别为-25.6~19.6和-142.0~253.7 mg·kg-1,大于矿
质土壤层 DOC 含量变化幅度 ( - 33. 6 ~ 13. 8 和
-43.9~10.3 mg·kg-1).
3个海拔样地土壤有机层和矿质土壤层 DOC
含量均表现为第 1 个培养周期高于第 2 个培养周
期.在第1个培养周期,土壤DOC含量在生长季节
666 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 2  不同培养时期土壤溶解性有机碳含量动态
Fig.2  Dynamics of dissolved soil organic carbon content at dif⁃
ferent incubation periods.
末期最高,海拔 3600、3300和 3000 m样地土壤 DOC
含量分别为 408.0、317.9、448.2 mg·kg-1,冻结初期
最低,海拔 3600、3300 和 3000 m 样地土壤 DOC 含
量分别为 94.6、99.4、208.4 mg·kg-1;在第 2 个培养
周期,土壤 DOC含量在融化期最高,海拔 3600、3300
和 3000 m样地土壤 DOC 含量分别为 208.5、265.5、
264.3 mg·kg-1,在生长季节中期最低,海拔 3600、
3300和 3000 m 样地土壤 DOC 含量分别为 33. 1、
32􀆰 4、36.5 mg·kg-1 .经过 2 个培养周期的培养,土
壤 DOC含量以第 1 个培养周期的生长季节末期最
高,以第 2个培养周期的生长季节中期最低.
2􀆰 3  土壤 DON动态
由图 3 可以看出,与海拔 3600 m 样地相比,海
拔 3300和 3000 m 样地整个土壤 DON 含量分别增
加 2.3和 30.4 mg·kg-1 .海拔 3600、3300 和 3000 m
样地土壤有机层 DON 年均含量分别为 73.1、77.4、
130.9 mg·kg-1,矿质土壤层 DON 年均含量分别为
15.2、15.7、21.0 mg·kg-1 .在 2 个培养周期内,与海
拔 3600 m 样地相比,海拔 3300和 3000 m样地在各
采样时期内土壤有机层 DON 含量的变化幅度分别
为-43.1~ 58.9 和-52.1 ~ 199.5 mg·kg-1,大于矿质
土壤层 DON 含量变化幅度( -0.5 ~ 11.7 和-6.7 ~
11􀆰 6 mg·kg-1).
土壤有机层和矿质土壤层 DON 含量均为第 1
个培养周期略低于第2个培养周期 .在第1个培养
图 3  不同培养时期土壤溶解性有机氮含量动态
Fig.3   Dynamics of dissolved soil organic nitrogen content at
different incubation periods.
周期,除海拔 3000 m样地,其余样地土壤 DON含量
在生长季节中期最高,海拔 3600 和 3300 m 样地土
壤 DOC含量分别为 65.9、64.6 mg·kg-1,在融化期
最低,海拔 3600和 3300 m样地土壤 DOC 含量分别
为 31.9、37. 1 mg·kg-1;在第 2 个培养周期,土壤
DON含量在深冻期最高,海拔 3600、3300 和 3000 m
样地土壤 DOC 含量分别为 56. 9、 54. 9、 73􀆰 3
mg·kg-1,在生长季节末期最低,海拔 3600、3300 和
3000 m样地土壤 DOC 含量分别为 34.5、32.1、51.8
mg·kg-1 .经过 2 个周期的培养,海拔 3600 和 3300
m样地土壤 DON 含量在第 1 个培养周期的生长季
节中期最高,在第 1个培养周期的融化期最低.
2􀆰 4  土壤 DOC / DON动态
可溶性有机碳氮比值指示着微生物对可溶性有
机质的可利用性[36] .模拟增温(海拔降低)降低了土
壤有机层和矿质土壤层 DOC / DON 值(图 4).虽然
土壤有机层中有机质含量远高于矿质土壤层,但是
DOC / DON值的变化在 2个土壤层中相似.在 2 个培
养周期内,土壤有机层和矿质土壤层 DOC / DON 值
均在生长季末期和融化期较高,而在生长季节中期
和冻结初期较低.土壤有机层和矿质土壤层 DOC /
DON值均为第 1个培养周期大于第 2 个培养周期.
海拔 3600、3300、3000 m样地土壤有机层 DOC / DON
值在第 1 个培养周期分别为 2.9 ~ 9.8、3.3 ~ 13.3、
1.9~8.0 ,在第2个培养周期分别为0.9 ~ 4.2、1.2 ~
7663期              常晨晖等: 利用海拔差异模拟增温对高山森林土壤溶解性有机碳和有机氮含量的影响     
图 4  不同培养时期土壤溶解性有机碳和土壤溶解性有机
氮的比值
Fig.4  Ratio of soil dissolved soil organic carbon to dissolved
soil organic nitrogen at different incubation periods.
3.2、1.1~3.9;海拔 3600、3300、3000 m样地矿质土壤
层 DOC / DON值在第 1个培养周期分别为 4.8~5.7、
3.6~8.9、2.6 ~ 5.3,在第 2 个培养周期分别为 1.6 ~
6􀆰 0、1.3~6.2、1.2~3.2.
2􀆰 5  模拟增温对土壤 DOC、DON 和 DOC / DON 的
影响
培养时期和模拟增温处理显著影响了 2个土壤
层 DOC含量和矿质土壤层 DON含量(表 3).由表 4
可以看出,土壤有机层和矿质土壤层中 DOC 和
DON含量呈显著正相关.土壤有机层 DOC / DON 与
DOC呈显著正相关,与DON呈显著负相关;而矿质
表 3  不同培养时期和模拟增温处理对 DOC 和 DON 的双
因素方差分析
Table 3   Two⁃way ANOVA analysis of incubation period
and simulated air warming on soil DOC and DON
土层
Soil layer
DOC
F df
DON
F df
DOC / DON
F df
SOL IP 36.68∗∗ 9 1.82 9 23.55∗∗ 9
SW 3.92∗ 2 6.52∗∗ 2 3.68∗ 2
IP×SW 2.04∗ 18 1.14 18 0.75 18
MSL IP 26.07∗∗ 9 5.59∗∗ 9 12.20∗∗ 9
SW 3.60∗ 2 8.44∗∗ 2 11.95∗∗ 2
IP×SW 1.43 18 0.84 18 1.50 18
IP: 培养时期 Incubation period; SW: 模拟增温 Simulated air warming.
∗P<0.05; ∗∗P<0.01. 下同 The same bellow.
表 4  土壤 DOC、DON 和 DOC / DON 之间的 Spearman 相
关系数
Table 4   Correlation coefficients among DOC, DON and
DOC / DON of soil
土层
Soil layer
土壤有机层
Soil organic layer
DOC DON DOC /
DON
矿质土壤层
Mineral soil layer
DOC DON
SOL DON 0.387∗∗
DOC / DON 0.677∗∗ -0.292∗∗
MSL DOC 0.372∗∗ 0.421∗∗ 0.039
DON 0.638∗∗ -0.012 0.711∗∗ 0.283∗∗
DOC / DON 0.274∗∗ -0.297∗∗ 0.589∗∗ -0.460∗∗ 0.660∗∗
表 5  模拟增温、土壤均温、冻融循环次数与各土层 DOC、
DON、DOC / DON的相关系数
Table 5  Correlation coefficients for DOC, DON and DOC /
DON and air temperature warming, averaged soil tempera⁃
ture and freeze⁃thaw frequency crossing soil layers
土壤
Soil
layer
空气增温
Air temperature
warming
土壤均温
Averaged soil
temperature
冻融循环次数
Freeze⁃thaw
frequency
SOL DOC 0.310∗∗ 0.047 0.695∗∗
DON 0.390∗∗ 0.210∗∗ -0.044
DOC / DON 0.080 -0.100 0.638∗∗
MSL DOC 0.115 0.010 0.702∗∗
DON -0.030 0.323∗∗ 0.239
DOC / DON -0.009 -0.261∗∗ 0.347∗
土壤层 DOC / DON 与 DOC 呈显著负相关,与 DON
呈显著正相关.土壤有机层 DOC 含量与矿质土壤层
DOC含量呈显著正相关,但 DON 含量的相关性不
显著.
由表 5 可以看出,土壤有机层 DOC 和 DON 含
量与空气增温呈显著正相关,矿质土壤层 DON含量
与土壤均温呈显著正相关,DOC / DON 与土壤均温
呈显著负相关.土壤 DOC 含量和 DOC / DON 与冻融
循环次数呈显著正相关.
3  讨    论
研究全球气候变暖背景下土壤 DOC 和 DON含
量动态特征有助于深入了解高纬度和高海拔寒冷生
物区土壤碳氮过程.有研究表明,在寒冷生物区,气
温增加促进土壤碳转化为溶解性碳[12,37] .气温增加
提高土壤生物活性,土壤碳氮可能通过增强的呼吸
作用离开土壤生态系统.本研究表明,模拟增温促进
了土壤碳和氮转化为 DOC 和 DON 的过程,也增加
了全年土壤 DOC和 DON 含量.同时,模拟增温显著
改变了各采样时期 DOC和 DON含量(图 2和图 3).
生长季节的模拟增温处理升高了土壤温度,有利于
866 应  用  生  态  学  报                                      27卷
土壤微生物生长,加强了土壤呼吸,促进了微生物对
土壤 DOC和 DON 的利用,从而加速了土壤碳和氮
释放[38-40] .非生长季节的模拟增温处理尽管使海拔
3300和 3000 m 样地的平均气温高于海拔 3600 m
样地,但由于地表雪被变薄,反而降低了土壤温
度[21,41],因此冻结初期和融化期的冻融循环加剧
(表 2),以致微生物大量死亡和土壤有机质破
碎[42-43],释放了大量的 DOC 和 DON,增加了土壤
DOC和 DON含量[44];在深冻期,嗜冷微生物利用冻
结初期死亡微生物释放的 DOC 和 DON 继续生
长[45-46];在融化期,大量微生物再次死亡并释放
DOC和 DON,但由于前期的消耗,此时土壤 DOC 和
DON含量没有生长季节末期高[47] .融化期土壤长期
处于冻融状态致使土壤有机质分解和微生物死亡,
从而释放大量的 DOC 和 DON[48],然而冻融循环加
快土壤水分流失[49],伴随着土壤中 DOC 和 DON 淋
溶,造成土壤碳和氮的损失[50];淋溶流失的 DOC 和
DON 进入水体中[51],对相接的水体环境产生影
响[8-9,52] .
在寒冷生物区,土壤有机质含量较高,且大部分
集中于土壤有机层中.本研究表明,川西高山森林土
壤有机层的 DOC 和 DON 含量远高于矿质土壤层,
且变化幅度和转化效率远高于矿质土壤层.模拟增
温使土壤有机层中的 DOC 和 DON 释放量增加,加
速了土壤碳氮的释放过程,并且在土壤有机层中
DOC和 DON的释放量很大,在不同的采样时期内,
这部分 DOC和 DON可能由于不能及时被吸收和转
化,随水分淋溶流失至矿质土壤层中[53] .虽然有研
究表明,矿质土壤层的微生物具有一定的截留作
用[54],但在本研究中,季节性变化和不同采样时期
内的土壤微生物活性差异显著,在部分时期的土壤
微生物吸收作用较小,导致 DOC 和 DON 可能从土
壤中大量淋失.更为重要的是,淋失的溶解性碳氮占
土壤有机层溶解性碳氮的比例很高[55] .因此,土壤
有机层 DOC和 DON 含量对空气增温敏感性更高,
在不同采样时期,空气增温可能导致土壤养分大量
流失,对高寒森林生态系统的碳氮过程造成影响.
冻融循环是寒冷生物区域土壤特有的自然现象
之一,在全球气候变暖背景下,空气增温使土壤冻融
循环变得更加剧烈[43] .而冻融循环又强烈影响土壤
中 DOC和 DON含量:冻融循环导致微生物死亡和
土壤有机质破碎,释放大量的 DOC 和 DON,增加了
土壤 DOC和 DON含量,本研究也得出相似结果;同
时,冻融循环促进土壤溶解性碳氮的淋失,造成土壤
中碳和氮损失[46,49];并且淋失的 DOC 和 DON 进入
水体中,对相接水体环境产生影响[8-9,51] .但在本研
究中,在非生长季节不同采样时期土壤冻融循环频
率是不同的,特别是在空气增温影响下,冻融格局发
生变化,直接影响土壤 DOC 和 DON 的释放和淋溶
等过程,进而使土壤 DOC 和 DON 过程变得复杂.因
此,空气增温通过影响不同采样时期的土壤环境,将
进一步影响此区域的土壤碳氮过程.
综上所述,模拟增加空气温度影响了土壤温度
和采样时期的冻融循环情况,使高山森林土壤有机
层的溶解性有机碳和有机氮含量增加,导致整个土
壤层的溶解性有机碳和溶解性有机氮含量增加;虽
然不同采样时期的土壤溶解性有机碳、氮含量对模
拟增温的响应存在差异,但是土壤有机层的溶解性
有机碳、氮含量对模拟增温的响应非常敏感,导致高
山森林土壤碳、氮过程对气候变暖非常敏感.可见,
未来全球气候变暖将显著影响寒冷生物区的土壤
碳、氮循环.
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作者简介  常晨晖,女,1990年生,博士研究生. 主要从事高
山森林生态研究. E⁃mail: chang_chenhui@ hotmail.com
责任编辑  孙  菊
常晨晖, 苟小林, 吴福忠, 等. 利用海拔差异模拟增温对高山森林土壤溶解性有机碳和有机氮含量的影响. 应用生态学报,
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