酶化学计量揭示5年氮添加加剧毛竹林土壤微生物碳磷限制

土壤胞外酶活性和酶化学计量比能很好地反映土壤养分有效性和微生物对养分的需求变化。然而,氮(N)沉降对亚热带森林土壤微生物养分相对限制情况的影响尚不清楚。通过在亚热带毛竹林进行N添加试验来模拟N沉降,并在试验满5年时进行取样,测定不同处理下土壤养分和与碳(C)、N、磷(P)循环相关的酶活性,利用酶化学计量比及矢量分析探究微生物的养分分配情况。结果表明: N添加显著降低土壤可溶性有机碳、有效磷含量,显著提高有效氮含量。此外,N添加显著降低β-N-乙酰氨基葡糖苷酶(NAG)活性和NAG/微生物生物量碳(MBC),显著提高酸性磷酸酶(ACP)和ACP/MBC。低N和中N处理显著提高酶C/N、矢量长度和矢量角度,但显著降低酶N/P。冗余分析表明,N添加下,土壤有效磷含量的变化是影响土壤酶活性及酶化学计量比变化的主要因子。综上可知,N添加改变了微生物的养分获取策略,即通过减少分配给合成N获取酶的养分来增加合成P获取酶的养分。此外,N添加还加剧了微生物的C、P限制,未来可以施加适量P肥来提高亚热带毛竹林的土壤肥力。     

氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响及其微生物学机制

氮沉降持续增加背景下土壤C∶N∶P化学计量比和pH环境等的改变及其可能的土壤微生物学机制已经成为陆地生态系统与全球变化研究的新生长点和科学研究前沿.以生态化学计量学和土壤微生物生态学为理论基础,综述了氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响及其微生物学机制的基本理论、最新进展、研究热点与难点,旨在促进全球变化背景下陆地生态系统地下生态学的研究.氮沉降持续增加会导致森林生态系统磷循环加速,导致磷限制.氮沉降不但改变森林土壤有机质和凋落物的C∶N∶P化学计量比和降低土壤pH值,而且改变土壤微生物生物量碳氮磷、细菌、真菌和放线菌的组成以及影响碳氮磷分解的关键酶活性.氮沉降对森林土壤有机质和凋落物分解的影响表现为促进、抑制和无影响,其影响的差异可能来源于微生物效应的不同.叶片在凋落前有显著的氮磷养分回收,但是根无明显的养分回收,造成土壤有机质和凋落物的C∶N∶P化学计量比存在明显差异.基于DNA/RNA等分子生物学方法为土壤微生物生态学研究提供了强有力的手段,将促进氮沉降对森林土壤有机质和凋落物化学计量比改变的微生物学机制研究.     

根系分泌物C∶N对刺槐林地土壤理化特征和土壤呼吸的影响

为探究根系分泌物C∶N对土壤养分循环及微生物活性的影响,本研究以黄土高原人工刺槐林为对象,在生境条件基本一致的15、25、35、45 a刺槐林地取原位土壤,通过模拟不同C∶N的根系分泌物(只添加N、C∶N=10、C∶N=50、C∶N=100和只添加C)添加至土壤,以去离子水作为对照,分析根系分泌物C∶N对土壤碳、氮、磷、pH值等理化特征和土壤呼吸的影响。结果表明: 1)有机碳含量与根系分泌物C∶N呈正相关,根系分泌物C∶N=10时土壤有机碳(SOC)分解较快,高根系分泌物C∶N(C∶N=100)能延缓SOC分解,而只添加C处理对SOC无显著影响。2)不同C∶N根系分泌物处理对全氮的影响不明显,碳添加能促进微生物对铵态氮的吸收,氮添加能促进铵态氮的硝化,随着根系分泌物C∶N增加,土壤中铵态氮含量下降。3)氮添加会导致土壤pH值下降,增加土壤全磷含量。4)刺槐林地土壤呼吸值与根系分泌物C∶N呈正相关,随着C∶N增加,根系分泌物对25和35 a人工刺槐林土壤呼吸的促进作用更显著。综上,根系分泌物C∶N值越高,对人工刺槐林土壤呼吸的促进作用越显著。研究结果进一步加深了对森林根系-土壤-微生物互作过程的认识。     

半干旱草地土壤团聚体氮磷转化相关酶活性对氮添加的响应

日益加剧的大气氮沉降对土壤养分循环过程产生了深刻影响,土壤养分转化相关酶是其关键调控途径,而土壤不同粒级团聚体结构和环境差异导致其中酶活性介导的养分转换过程可能不同。但目前对半干旱区土壤团聚体水平养分转化相关酶活性对氮沉降的响应还不清楚。基于黄土高原自然草地持续3年的野外氮添加控制试验,分析不同氮添加水平下土壤不同粒级团聚体中的基础理化性质、氮（亮氨酸氨基肽酶LAP和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG）和磷转化相关的酶（磷酸单酯酶PME、磷酸二酯酶PDE和植酸酶phyA）活性及酶计量比,探索氮添加对团聚体酶活性的影响。结果表明：（1）氮添加导致了不同粒级团聚体中pH显著降低;高氮添加引起土壤团聚体有机碳、全氮、硝态氮、C ： P和N ： P升高;（2）随氮添加浓度增加,不同粒级团聚体中PME、PDE和phyA活性先降低后升高,而LAP、NAG和酶活性氮磷比均逐渐升高;团聚体酶活性总体表现为小团聚体（<0.25 mm）>中团聚体（0.25-2 mm）>大团聚体（>2 mm）;（3）在中和大团聚体中氮添加通过影响土壤N相关养分调控P转化相关酶活性。总之,氮添加通过改变团聚体养分及其计量比、pH等影响氮、磷转化相关酶活性。     

模拟氮沉降对土壤酶活性和微生物组成的影响

氮沉降改变了草地生态系统的氮(N)素循环过程,由此带来的生态学效应已成为当前研究的热点。以乌鲁木齐周边短期围封草地为研究对象,通过模拟氮沉降实验,分析了自由放牧地和围封草地土壤酶活性和微生物组成,结合土壤养分及化学计量特征,探讨了氮沉降对短期围封草地土壤微生物组成及酶活性的影响,为该地区放牧草地的保护、恢复及管理提供理论依据。结果表明:(1)土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量随围封年限的增加总体呈升高趋势,表明围封有利于提高土壤养分含量。与中国草地平均值相比,该草地土壤碳氮比(C/N)相对较高,碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)相对较低,表明该草地土壤有机质分解良好,有利于土壤碳(C)、磷(P)的释放,而土壤N素较为缺乏。(2)就不同围封年限而言,围封3年草地5-20cm层土壤真菌数量高于其它样地;围封3年草地表层土壤蔗糖酶与过氧化氢酶活性最高;围封7年草地放线菌数量最多,说明围封能够促进土壤微生物生长及酶活性的提高。(3)氮素添加对土壤真菌具有抑制作用,N5(4.6gN m^-2 a^-1)、N10(9.8gN m^-2 a^-1)处理显著增加了各样地土壤细菌数量,氮素添加对围封7年草地0-10cm层土壤放线菌无显著影响,而氮沉降显著增加了其它样地5-20cm层土壤放线菌数量,其中N5、N10处理下促进作用最明显;氮素添加对该草地土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶均具有促进作用,N5、N10处理促进作用最明显。综合分析表明,氮沉降可直接或间接影响土壤微生物及酶活性,短期围封作为一种草地管理手段,对退化草地生态系统的修复具有一定作用,并可通过改善土壤理化性质、调节养分含量及其化学计量比来加速退化草地的恢复。     

林下植被去除对樟子松人工林土壤酶活性的影响

林下植物是森林生态系统的重要组分,在调节森林养分循环中起重要作用。本研究以科尔沁沙地樟子松人工林为对象,研究了林下植被去除对土壤微生物量、参与碳氮磷矿化的6种水解酶活性以及有效氮磷含量的影响。结果表明,林下植被去除显著降低了夏季(8月份)所有酶活性以及土壤微生物量碳、微生物量磷和有效磷含量,而在春季(5月份)仅显著降低了土壤β-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,对其他酶活性、微生物量以及有效氮磷含量无显著影响。结果表明,保留林下植被能有效促进樟子松人工林土壤微生物活性和土壤碳氮磷转化,维持植物生长期养分供应。     

N添加对西南亚高山红桦林根系分泌物及其介导的养分转化过程的影响

目前缺乏对根系分泌物通量以及相关生态后果对不同氮（N）沉降水平响应方向和幅度的深入理解,该研究以西南亚高山典型的红桦（Betula albosinensis）林为研究对象,通过野外原位N添加试验模拟不同氮沉降水平（对照组,0 kg?hm^-2?a^-1;低氮处理,25 kg?hm^-2?a^-1;高氮处理,50 kg?hm^-2?a^-1）,分析了红桦林根系分泌物C输入通量及其介导的根际土壤养分循环过程对不同N添加水平的差异化响应,试图揭示不同N添加处理对红桦根系分泌物C输入通量及其介导的土壤养分转化过程的影响。结果表明：（1）N添加显著抑制了红桦林根系分泌物C输入速率（其中低氮（N25）条件下单位根生物量根系分泌速率均值降低约14.87%）和年C输入通量（低氮条件下降低了约45.01%）（P<0.05）,其高氮处理的抑制效应更强。（2）N添加显著抑制了红桦林N矿化速率及其相关的微生物胞外酶活性（P<0.05）,并显著降低了其根际效应;N沉降显著抑制了根系分泌物C输入通量及其介导的土壤养分转化过程,并且这种抑制效应随N沉降水平的升高而增强。该研究结果可丰富全球气候变化下森林地下碳养分循环过程的认识和理解。     

土壤酶计量揭示了武夷山黄山松林土壤微生物沿海拔梯度的碳磷限制变化

了解土壤胞外酶活性和酶计量的变化对评估山地生态系统土壤养分有效性和微生物的营养限制状况具有重要意义.然而,亚热带山地森林土壤微生物的营养限制状况对海拔梯度变化的响应及其驱动因素尚不清楚.本研究以武夷山不同海拔(1200～2000 m)黄山松林为对象,测定了土壤基本性质、微生物生物量以及与碳(C)、氮(N)、磷(P)循环...     

氮沉降下西南山地针叶林根际和非根际土壤微生物养分限制特征差异

长期氮(N)沉降诱导了土壤养分失衡, 深刻影响着森林生态系统养分循环过程、生态功能及其可持续发展。前期研究发现N沉降下西南森林树木生长受到不同程度的磷(P)限制, 而土壤微生物是否表现出与植物养分限制特征协同的响应仍未明确。基于此, 该研究以西南山地典型人工针叶林——华山松(Pinus armandii)林为对象, 通过野外原位模拟N沉降实验, 测定了土壤有效养分供给、土壤微生物生物量(碳(C)、N、P)含量以及胞外酶活性, 结合生态酶化学计量的3种模型(比值模型、矢量分析模型与阈值元素比率模型)验证森林根际/非根际土壤中微生物是否受P养分限制。结果表明: (1) N添加下两个土壤位置(根际和非根际土壤)酸性磷酸酶(AP)活性分别显著升高52.5%和53.2%, 导致土壤酶活性N:P分别降低7.8%和4.8%; (2)矢量模型分析发现N添加下两个土壤位置的矢量角度均大于45°, 根际土壤和非根际土壤的矢量角度分别为52.2°和49.0°; (3) N添加下两个土壤位置C:P阈值(TER_C:P)显著降低, 导致C:P阈值与土壤有效C:P的比值(TER_C:P/Av_C:P)远小于1, 且根际土壤表现更明显。综上所述, 3个模型均表明N沉降加剧了土壤微生物代谢的P限制, 且根际土壤微生物P限制程度更强, 这与土壤和微生物养分含量及其化学计量特征密切相关。该研究结果可为全球气候变化下森林生态系统的适应性管理提供重要科学依据。     

氮添加对昆仑山高山草地土壤、微生物和植物生态化学计量特征的影响

全球范围内的氮沉降增加改变了生态系统氮(N)素循环过程,由此带来的生态学效应已成为当前研究的热点。以昆仑山高山草地生态系统2种优势植物黄花棘豆(Oxytropis ochrocephala)和针茅(Stipa capillata)为研究对象,开展人工氮肥添加试验,研究土壤-微生物-植物系统各组分生态化学计量特征对氮添加的响应特征。结果表明:①氮添加显著提高了土壤NH4^+-N和土壤NO3^--N含量(P<0.05),土壤全N、全磷(P)、速效P含量没有明显变化。②氮添加条件下针茅叶片N含量增加,P含量降低,而黄花棘豆N和P含量无明显变化。③土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的趋势,当施氮量为6N·m^-2·y^-1时呈现出最高值。土壤NH4+-N含量与土壤微生物量N含量有显著的正相关关系(P<0.01)。综合分析表明,短期氮添加有利于土壤养分和微生物量的积累,促进植物和微生物养分吸收利用。2种优势植物的生态化学计量特征对氮沉降的响应不同,过量的氮输入将会造成植物生长受到P限制,氮沉降会改变昆仑山高山草地生态系统的生物地球化学循环过程。     

模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林凋落物养分输入量的早期影响

2007年11月至2010年12月对华西雨屏区苦竹人工林进行了模拟氮(N)沉降试验,氮沉降水平分别为：对照(0 g N.m_–2.a_–1),低氮(5 g N.m_–2.a_–1),中氮(15 g N.m_–2.a_–1),高氮(30 g N.m_–2.a_–1)。在氮沉降2 a后,于2010年1月开始收集各样方的凋落物样品,连续收集12个月,测定凋落物量和养分输入量。结果表明：氮沉降显著增加了凋落物量;同时显著增加了凋落叶中的N、P、K、Ca、Mg元素含量和这几种养分元素的年输入量。本研究表明模拟氮沉降处理增加了凋落物对土壤养分的输入量,这对于维持苦竹林地肥力与保持苦竹林分的长期生长力具有重要的作用。     

模拟大气氮沉降对中国森林生态系统影响的研究进展

人类活动加剧了活性氮的生产和排放,并导致氮沉降日益增加并全球化。目前,人类活动对全球氮循环的干扰已经超出了地球系统安全运行的界限。中国已成为全球氮沉降的高发区域,高氮沉降已经威胁到生态系统的健康和安全,并成为生态文明建设过程中亟待理清和解决的热点问题。对国际上和中国森林生态系统模拟氮沉降研究的概况进行了综述,并从生物学和非生物学两大过程重点阐述模拟氮沉降增加对中国主要森林生态系统影响的研究进展。中国自2000年以后才开始重视大气氮沉降产生的生态环境问题,中国科学院华南植物园在国内森林生态系统模拟氮沉降试验研究上做出了开创性的贡献。模拟氮沉降研究表明,持续高氮输入将会显著改变森林生态系统的结构和功能,并威胁生态系统的健康发展,特别是处于氮沉降热点区域的中国中南部。森林生态系统的氮沉降效应依赖于系统的氮状态、土地利用历史、气候特征、林型和林龄等。最后,对未来的研究提出了一些建议,包括加强长期跟踪研究和不同气候带站点之间的联网研究,特别是在森林生态系统对长期氮沉降响应与适应的过程机制、地下碳氮吸存潜力研究、以及与其他全球变化因子的耦合研究等方面,以期为森林生态系统的可持续发展提供理论基础和管理依据。     

穿透雨减少和氮添加对毛竹叶片和细根化学计量学的影响

全球气候变化导致的干旱和人类活动引起的大气氮沉降升高,将会直接影响森林生态系统的结构与功能。叶片和细根作为植物最重要的资源获取功能器官,其化学计量学特征可指示其资源利用、生存适应策略。在当前气候变化背景下,了解植物的化学计量特征和适应特征将有助于预测未来森林生态系统功能的变化。通过为期1年的双因素交互实验,探讨了穿透雨减少和氮添加影响下,我国亚热带重要森林类型毛竹林的叶片及细根碳（C）、氮（N）、磷（P）元素化学计量比的响应特征,对于认识毛竹林生态系统对全球变化的适应和养分利用策略具有重要意义。研究表明：（1）穿透雨减少处理显著降低叶片N、P含量,显著增加细根N含量,对叶片C含量和细根C、P含量无显著影响;氮添加处理显著增加土壤N含量和叶片N含量,对叶片C、P含量及细根C、N、P含量无显著影响。（2）穿透雨减少、氮添加处理及两者交互作用对土壤C：N：P均无显著影响。（3）穿透雨减少处理显著增加叶片C：N、C：P和N：P;氮添加处理显著降低叶片C：N,对叶片C：P、N：P无显著影响;穿透雨减少、氮添加交互作用显著降低叶片C：N和C：P,对叶片N：P无显著影响。（4）穿透雨减少处理显著降低细根C：N,对细根C：P及N：P无显著影响;氮添加处理及穿透雨减少、氮添加交互作用对细根C：N：P无影响。综上短期处理的研究结果,穿透雨减少处理产生的水分胁迫对毛竹产生了关键限制作用,毛竹采取了降低叶片N和P含量、增加细根N含量,提高叶片的N和P利用效率、保持细根稳定的P利用效率的策略。氮添加未能缓解穿透雨减少对毛竹产生的干旱胁迫,毛竹通过改变地上部分叶片和地下部分细根之间的N素分配格局和N、P利用效率以应对水分胁迫。氮添加处理下叶片N含量显著增加,C：N显著降低,而细根C、N、P含量及化学计量比没有显著变化。由此可知毛竹地上部分叶片和地下部分细根对穿透雨减少、氮添加及两者交互作用表现出不同的响应策略。本研究可为全球变化背景下毛竹人工林可持续经营提供理论依据。     

整合分析氮磷添加对土壤酶活性的影响

本文通过整合分析(Meta-analysis)的方法分析了氮、磷添加对土壤碳、氮和磷素循环水解酶以及土壤氧化酶活性的影响.结果表明: 氮添加显著增加了碳、氮和磷循环水解酶的活性,增幅分别为6.9%、5.6%和10.7%;与氮添加相比,在氮磷同时添加下,3类土壤酶的活性增加更为显著,增幅分别达13.4%、37.4%和13.3%.然而,对于土壤氧化酶,氮以及氮磷的添加都使其活性降低,分别降低了6.1%和0.4%.不同生态系统类型、氮肥类型、施肥速率和施肥试验时间都对土壤酶活性具有影响.在全球大气氮沉降与磷添加逐渐增加的背景下,土壤微生物活性和酶的变化将会对土壤生物地球化学循环过程和土壤生态系统功能产生重要影响.     

模拟N沉降对太岳山油松人工林和天然林草本群落的影响

由于人类活动氮沉降呈逐年增加的趋势,进而增加了陆地生态系统氮的输入,从而影响陆地生态系统多样性、物种组成和功能。为揭示氮沉降增加对油松林草本群落的影响,于2009年7月在太岳山油松人工林和天然林,设计4个施氮水平:对照(CK,0 kg N hm-2a-1),低氮(LN,50 kg N hm-2a-1),中氮(MN,100 kg N hm-2a-1)和高氮(HN,150 kg N hm-2a-1),研究草本群落的生物多样性、生物量以及草本元素含量对模拟N沉降的响应。研究结果表明:模拟N沉降未能显著影响人工林草本群落的生物多样性(P0.05),而中氮、高氮显著降低了天然林草本群落的生物多样性(P0.05);从Jaccard指数和Sorensen指数分析得出人工林不同氮水平之间草本群落差异性较小,而天然林不同氮水平之间草本群落差异性较大。模拟N沉降没有显著改变人工林草本群落生物量(P0.05),而高氮明显促进天然林草本群落生物量的增加(P0.05)。与对照相比,模拟N沉降提高了人工林和天然林羊胡子苔草叶根中的全N含量(P0.05),而降低了全Mg的含量(P0.05),并且根部元素含量变化与土壤养分含量变化较为一致。施氮提高了N/K、N/Ca、N/Mg(P0.05)的比值。说明油松林下草本群落对氮沉降的响应因林分土壤N饱和程度以及林地利用历史的不同而产生差异,其中天然林响应最为敏感。     

贺兰山东坡不同海拔梯度土壤酶化学计量特征

土壤胞外酶是生物地球化学循环的主要参与者，与微生物的代谢需求和养分供应密切相关。然而，对干旱区山地生态系统沿海拔梯度土壤微生物养分限制状况及其驱动因素尚不清楚。基于此，以贺兰山海拔1300-2700m范围内7个海拔梯度的土壤为研究对象，揭示贺兰山土壤理化性质、胞外酶活性及微生物养分限制的海拔分布格局，分析影响微生物养分限制的驱动因素。结果表明：随着海拔梯度的升高，土壤含水率（SWC）和有机碳（SOC）含量逐渐增加，容重（BD）和pH整体呈现逐渐降低的趋势。海拔显著影响土壤胞外酶活性，五种参与土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）循环的酶活性随着海拔的升高整体呈现逐渐上升的变化趋势，总体表现出中低海拔酶活性较低，高海拔酶活性较高。胞外酶矢量分析显示，矢量长度在中低海拔处较高，而矢量角度则在高海拔处较高，表明贺兰山土壤微生物在中低海拔和高海拔分别具有相对较强的C和P限制。土壤含水率、容重、C、N、P含量与土壤胞外酶活性及其化学计量比显著相关，是调控土壤胞外酶活性随海拔变化的主要因子，说明胞外酶在旱区山地生态系统土壤物质循环过程中具有重要的作用。该研究结果对揭示土壤微生物和胞外酶之间养分元素循环的耦合机理，为深入探讨贺兰山森林生态系统物质循环和不同海拔梯度植被有效管理提供科学依据。