雪被斑块对高山森林土壤氮转化的影响

Snow patches caused by forest gaps or other factors have great potential to affect soil nitrogen cycling of alpine forests, yet it run short of systemic study and attention. Therefore, we here hypothesized that snow patches would alter soil temperature/moisture and freezing-thaw cycles, and further change soil microbial properties and enzyme activities, which in turn affect soil nitrogen component pools and transformation processes. In this project, alpine forests with natural snow patches in the western Sichuan will be taken as study subject. Soil nitrogen component pools, net nitrogen mineralization, leaching flux and microbial properties/enzyme activities related closely to soil nitrogen transformations during four key stages (early snow, deep snow, snow thaw and growing season) will be measured. Moreover, soil temperature, soil moisture, soil frost depth and snow properties will also be monitored in the experimental period. We will comprehensively analyze all environmental factors and measuring parameters, and explore the underlying mechanisms of effects of snow patches on soil nitrogen transformation. This project may be helpful to understand the theory of biological matter cycle in wintertime and completely know the response and adaptation of ecosystem process in cold regions to climate change.

高山森林林隙等形成的雪被斑块对土壤氮循环可能产生显著的影响，但一直缺乏相应的关注。因此，本项目基于"雪被斑块改变土壤水热条件和冻融循环，影响土壤微生物特征和酶活性，进而驱动土壤氮组分库及转化过程发生变化"的科学假设，以具有天然雪被斑块的川西高山森林为研究对象，拟采用雪被梯度和动态取样研究方法，研究4个关键时期(雪被形成期、雪被覆盖期、雪被消融期和生长季节)不同类型雪被斑块下土壤氮组分库动态、土壤净氮矿化速率、氮淋溶量以及与氮转化密切相关的土壤微生物特征及酶活性，结合土壤温湿度、土壤冻结强度和雪被特征的监测，揭示雪被斑块对土壤氮转化的作用机制。本项目的实施可丰富和提升高山森林冬季物质循环的理论研究，同时对于全面认识高寒生态系统过程对气候变化的响应和适应机制具有重要理论意义。

高山森林林隙等形成的雪被斑块对土壤氮循环可能产生显著的影响，但一直缺乏相应的关注。因此，本项目基于“雪被斑块改变土壤水热条件和冻融循环，影响土壤微生物特征和酶活性，进而驱动土壤氮组分库及转化过程发生变化”的科学假设，以具有显著季节性雪被的川西高山森林为研究对象，采用雪被梯度和动态取样研究方法，研究冬季和生长季不同厚度雪被斑块下土壤氮组分库、净氮矿化速率、氮淋溶量以及与氮转化密切相关的土壤微生物及酶活性，结合雪被特征和环境因子，揭示雪被斑块对川西高山森林土壤氮动态的作用机制。主要结果包括：(1)季节性雪被期间，与厚雪被斑块比，薄雪被斑块内土壤温度波动幅度大，土壤温度更低，冻结强度更大；另外，冬季土壤温度波动幅度随土壤深度增加而下降；(2)青藏高原东缘川西高山森林土壤氮组分库均存在明显季节动态，雪被斑块对土壤氮组分库有显著影响，但影响与氮形态和季节动态有关；(3) 薄雪被斑块有利于冬季土壤氮矿化，而抑制生长季土壤氮矿化；川西高山森林冬季土壤氮矿化主要以硝化为主；(4)和厚雪被斑块和薄雪被斑块相比，中度厚度雪被斑块显著刺激冬季土壤氮淋溶量；就氮形态而言，川西高山森林土壤氮淋溶大小依次表现为硝态氮＞可溶性有机氮＞铵态氮；(5) 实验期间，氨氧化古菌基因丰度(AOA)总体上表现为中度雪被斑块高于厚雪被斑块和薄雪被斑块；而氨氧化细菌基因丰度(AOB)一般随雪被厚度增加而增加；厚雪被斑块AOA/AOB通常高于其它两类雪被斑块；(6)土壤氮转化相关酶活性呈现出显著的季节动态，雪被对土壤酶活性产生显著影响，但雪被效应取决于酶种类和季节动态。综上所述，川西高山森林土壤净氮矿化以硝化为主。冬季土壤氮矿化明显，早春相对高的土壤无机氮库为植物生长提供基础养分；冬季较强的氮固持表明系统对土壤氮素的保护机制。未来气候变化所引发季节性雪被减少可能会降低该林区冬季土壤温度，增加土壤冻融循环，进而提高冬季土壤净氮矿化速率和早春土壤氮淋溶。雪被厚度变化对土壤氮组分库、微生物和酶活性产生显著影响，但雪被效应与测定参数和季节动态有关。可见，季节性雪被变化将会对高山森林土壤氮动态时空格局产生深刻影响。