氮沉降对森林凋落物分解的影响

氮沉降增加作为全球变化的重要现象之一,已经并将继续对森林凋落物分解产生影响.综述了国内外氮沉降对森林凋落物分解影响及其机理的研究现状.氮沉降对凋落物分解的影响可分为直接影响和间接影响.氮沉降通过影响森林地被物组成和凋落物化学成分,间接影响凋落物分解.氮沉降对凋落物分解的直接影响表现为促进、无影响和抑制3种效果.分析了产生以上影响效果的作用机理,介绍了氮沉降对森林凋落物分解影响的研究方法,探讨了目前研究存在的问题,讨论了未来该方面研究的重点和方向.     

模拟氮沉降凋落物管理对樟树人工林土壤呼吸的影响

以湖南省植物园樟树人工林为对象,研究了模拟氮沉降下,不同凋落物处理对土壤呼吸的影响。设置4个施氮水平,分别为CK(0 kg N hm~(-2)a~(-1))、LN(50 kg N hm~(-2)a~(-1))、NM(150 kg N hm~(-2)a~(-1))以及HN(300 kg N hm~(-2)a~(-1));凋落物处理分别为去除凋落物、添加凋落物以及凋落物对照组。经过为期2年的观测研究,结果表明:(1)模拟氮沉降不同凋落物处理下,土壤温度呈现显著的季节性变化,但不存在显著差异;土壤湿度呈现显著的波动性变化,施氮及凋落物管理对土壤温度无影响。土壤湿度仅受凋落物管理的影响。在不同施氮水平下,去除凋落物的土壤湿度与加倍凋落物的土壤湿度均存在显著差异性。(2)模拟氮沉降不同凋落物处理下,土壤呼吸均呈现显著的季节性变化,最大值出现在6—8月;最小值出现在1月,且在生长季期间(4—8月),不同处理下土壤呼吸存在显著差异。(3)施氮对土壤呼吸表现为抑制作用,添加凋落物对土壤呼吸起促进作用,去除凋落物对土壤呼吸起抑制作用。(4)在凋落物对照组中,LN、MN、HN较CK相比,土壤呼吸速率年均值分别降低了35.4%、30.6%、36.8%,且各施氮水平与CK存在显著差异(P0.05);添加凋落物处理下,LN、MN、HN处理较CK相比,土壤呼吸速率年均值土壤呼吸分别降低了23.2%、15.8%、14.7%。去除凋落物处理下,LN、MN、HN较CK相比,土壤呼吸速率年均值分别降低了3.5%、0.5%、-11.6%。且添加或去除凋落物均能削弱施氮对土壤呼吸的抑制作用,且这种作用随着施氮水平的增加而增大。(5)土壤呼吸与5 cm处土壤温度存在显著相关性(P0.05),土壤温度可解释土壤呼吸变异的47.76%—72.61%;与土壤湿度呈现正相关,但未达到显著相关水平(P0.05)。     

亚热带常绿阔叶林凋落物生产及季节动态对模拟氮沉降增加的响应

通过野外模拟试验,研究了亚热带常绿阔叶林凋落物量对氮沉降的初期响应。试验设计4种处理,分别为对照(CK)、低氮(LN,50 kg·hm-2·a-1)、高氮(HN,100kg·hm-2·a-1)和高氮加磷(HN+P,100 kg N·hm-2·a-1+50 kg P·hm-2·a-1),每个处理重复3次。通过2年的试验观测,甜槠林对照林分年总凋落物量为7.78 t·hm-2,经LN、HN、HN+P处理后,年总凋落物量分别为8.81、9.08、9.41 t·hm-2,不同处理间没有显著差异,表明氮沉降增加没有显著提高凋落物产量,但高氮处理林分,叶凋落物量表现出抑制效果,低于低氮处理;高氮+磷处理的林分凋落物总量及落叶、落枝量均明显高于高氮、低氮处理,磷添加呈现凋落物量增加的效应。甜槠林分总凋落物量表现出明显的季节动态,在春季4—5月以及秋季11月出现2个明显的峰值,不同处理趋势一致。凋落物组成中,落叶的比例占总凋落物量的53.78%~58.84%,花果杂物占28.29%~33.66%,落枝占10.79%~12.87%。研究表明,高氮处理可能引起了土壤氮素过剩,造成氮、磷失衡。     

降水变化和氮沉降影响森林叶根凋落物分解研究进展

全球环境变化通过改变凋落物质量和产量、土壤生物以及非生物因子调控森林凋落物分解,从而对森林生态系统物质和能量循环产生重要的影响。就森林凋落物分解对当前我国面临降水格局变化和大气氮沉降增加的响应进行了回顾和系统的分析,发现降水格局改变如降水减少可能降低凋落物质量从而减缓凋落物分解,而氮沉降增加通常提高凋落物质量从而促进凋落物分解（间接效应）;降水格局改变通过调节土壤含水量和溶解氧含量进而影响微生物参与的分解过程,或通过改变可溶性组分的淋溶量来影响凋落物分解的物理过程,而氮沉降增加主要通过提高外源氮素的有效性从而促进或抑制微生物参与的分解过程（直接效应）。现有研究大多是基于地上凋落物（例如叶凋落物）来理解和量化森林凋落物分解速率与环境因子之间的关系。但目前对降水格局变化及其与大气氮沉降增加的交互作用如何影响森林地上和地下凋落物分解,以及潜在的微生物学机制仍然缺乏统一和清晰的认识。从土壤性质、凋落物质量、微生物群落结构和功能3个方面构建了环境变化对森林地上和地下凋落物分解的概念框架,并进一步阐述未来研究的重点方向：（1）亟需查明地上和地下凋落物分解的驱动机制;（2）探明降水格局变化和氮添加单因子及两因子交互作用对凋落物分解和养分释放的影响及其生物化学调控机理;（3）阐明微生物群落结构和功能对降水格局变化和氮添加单因子及两因子交互的响应机制。以期为深入探讨全球环境变化对森林凋落物分解的影响,以及环境胁迫下森林土壤\"碳库\"维持机制的解释提供科学依据。     

氮沉降对长白山3种苔原类型凋落物早期分解的影响

本研究以牛皮杜鹃(Rhododendron aureum Georgi)凋落物、小叶章(Deyeuxia angustifolia (Kom.)Y. L. Chang)凋落物及两者的混合物作为长白山3种苔原类型的代表性凋落物,在人工气候箱中研究不同氮沉降量增加对凋落物早期分解的影响。结果显示：(1)小叶章凋落物质量高,易分解;牛皮杜鹃凋落物质量低,难分解;牛皮杜鹃-小叶章混合凋落物分解程度居中,且存在非加和效应的协同促进作用;(2)氮沉降增加对牛皮杜鹃和小叶章凋落物的分解均有显著促进作用,但对牛皮杜鹃-小叶章混合凋落物的分解影响不明显;(3)早期分解过程中,3种凋落物的总碳和总磷呈释放状态,木质素呈现富集状态;牛皮杜鹃总氮和纤维素呈富集状态,而小叶章和混合凋落物总氮和纤维素呈释放状态;(4)中氮处理对牛皮杜鹃凋落物总磷释放具有显著抑制作用;而高氮处理对小叶章和混合凋落物总磷释放具有显著促进作用。研究结果表明,氮沉降增加了凋落物的分解速度。     

氮沉降和降雨变化对荒漠草原凋落物分解的影响

以荒漠草原凋落物为研究对象,通过设置自然降雨(CK)、增雨30%(W)和减雨30%(R) 3种水分处理和0 (N0)、30(N30)、50 (N50)和100 kg hm~(-2) a~(-1)(N100)4种氮素(NH_4NO_3)水平处理,用分解袋法,研究内蒙古短花针茅荒漠草原短花针茅(Stipa breviflora)、冷蒿(Artemisia frigida)、无芒隐子草(Cleistogenes songorica)和木地肤(Kochia prostrata)凋落物分解过程,旨在阐明荒漠草原凋落物分解过程及其对氮沉降和降雨变化的响应特征,为荒漠草原生态系统物质循环过程响应气候变化研究提供基础数据。结果表明:1)经过270 d分解后,短花针茅、冷蒿、木地肤和无芒隐子草干物质残留率分别为69.95%—78.67%、68.89%—79.89%、64.68%—79.23%、66.89%—79.38%,分解速率为木地肤无芒隐子草冷蒿短花针茅。2)氮沉降和降雨对短花针茅和冷蒿凋落物分解速率产生显著影响(P0.05),其交互作用对这两种凋落物分解速率不显著(P0.05)。氮沉降和降雨以及交互作用均对无芒隐子草和木地肤凋落物分解速率产生显著影响(P0.05)。3)单一水分或氮素的添加均提高土壤微生物量碳氮含量,而水氮交互作用下更为显著。4)凋落物分解速率受生物及非生物因子的影响,相关分析表明:冷蒿、无芒隐子草、木地肤与土壤微生物量碳呈极显著正相关(P0.01);冷蒿、木地肤、短花针茅与土壤微生物量氮呈极显著正相关(P0.01);木地肤和短花针茅与土壤含水量呈极显著正相关(P0.01);冷蒿、木地肤、短花针茅与地上生物量呈极显著正相关(P0.01)。     

樟树人工林凋落物养分含量及归还量对氮沉降的响应

氮沉降的持续增加对陆地生态系统的健康发展构成严重威胁,森林是陆地生态系统中重要的组成部分,大量的氮沉降对其结构和功能造成严重影响。凋落物是森林生态系统养分循环的重要组成部分,它对土壤肥力、森林生态系统养分循环等方面具有重要作用。为了探讨亚热带常绿阔叶森林凋落物对氮沉降增加的响应,在湖南省森林植物园以樟树人工林为研究对象进行模拟氮沉降的实验,实验设置4种氮添加水平CK(0g N m~(-2)a~(-1),对照)、LN(5g N m~(-2)a~(-1)),MN(15g N m~(-2)a~(-1)),HN(30g N m~(-2)a~(-1)),研究氮沉降对樟树林年凋落物量、凋落物养分含量以及归还量的影响。结果表明:不同施氮水平下(CK、LN、MN、HN),樟树林凋落物的年凋落量分别为(4.53±0.32)t hm~(-2)a~(-1)、(3.95±0.28)t hm~(-2)a~(-1)、(3.56±0.41)t hm~(-2)a~(-1)、(4.46±0.48)t hm~(-2)a~(-1),施氮抑制了樟树林的凋落量,且低、中氮处理下差异显著(P0.05);施氮处理后凋落物的养分含量大小顺序为:CNCaKMg,凋落物的碳含量没有显著变化,但氮含量都有所增加,因此,施氮降低了樟树凋落物各组分的C/N比;凋落物中元素的年归还量大小顺序表现为:CNCaKMg,施氮处理对凋落物C、K、Ca、Mg归还量有抑制作用,但对凋落物N归还量表现为促进作用。     

模拟氮沉降和降雨对华西雨屏区常绿阔叶林凋落物分解的影响

从2013年11月至2015年5月,采用凋落物分解袋法,设置了对照(CK)、氮沉降(N)、减雨(R)、增雨(A)、氮沉降+减雨(NR)、氮沉降+增雨(NA)6个处理水平,研究了模拟氮沉降和降雨对华西雨屏区常绿阔叶林凋落物分解的影响。结果表明:华西雨屏区常绿阔叶林凋落叶分解较快,凋落枝分解较慢;凋落物夏季分解较快,其他季节分解较慢。经过18个月的分解后,凋落叶和枝的质量残留率分别为45.86%和86.67%,凋落叶分解50%需要的时间为1.42 a,比枝短6.19 a。各处理凋落物叶分解系数表现为:k(A)k(CK)k(NA)k(N)k(R)k(NR),凋落枝质量残留率表现为:NNRRNACKA。模拟氮沉降、减雨和增雨处理凋落叶分解50%分别需要1.79、1.94a和1.36a,凋落枝分解50%分别需要8.84、8.63 a和6.47 a。各处理凋落叶分解95%需要5.37—11.33 a,凋落枝分解95%需要27.41—33.84 a。同一氮沉降条件下,增雨处理促进凋落叶分解,减雨处理抑制凋落叶分解;同一降雨条件下,氮沉降抑制凋落叶分解。氮沉降或降雨对凋落物的分解产生显著影响(P0.05),其交互作用影响不显著(P0.05)。可见,在氮沉降持续增加和降雨格局改变的背景下,增雨促进了华西雨屏区天然常绿阔叶林凋落物的分解,氮沉降和减雨抑制了凋落物的分解,模拟氮沉降和降雨对凋落物的分解交互作用表现不明显。     

杉木人工林凋落物分解对氮沉降的响应

凋落物分解是陆地生态系统养分循环的关键过程,是全球碳（C）收支的一个重要主要组成部分,正受到全球大气氮（N）沉降的深刻影响。探讨大气氮沉降条件下森林凋落物的分解,有利于揭示森林生态系统C平衡和养分循环对全球变化的响应。选择福建沙县官庄林场1992年栽种的杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林为研究对象,自2004年开始野外模拟氮沉降试验,至今12年。氮沉降处理分4个水平,N0、N1、N2和N3分别为0、60、120、240 kg N hm^-2 a^-1。2015年12月开展分解袋试验,对经过氮沉降处理12年的凋落物（叶、枝、果）进行模拟原位分解,每3个月收回一次分解袋样品,为期2年,同时测定凋落物干物质残留量及其C、N和磷（P）含量。结果表明,经2年分解后,氮沉降条件下凋落物叶、枝和果的干物质残留率平均值分别为27.68%、47.02%和43.18%,说明分解速率大小依次为叶 > 果 > 枝。凋落物叶、枝和果的分解系数平均为0.588、0.389和0.455,周转期（分解95%年限）分别为4-5年、6-8年和5-7年。低-中氮处理（N1和N2）均促进凋落物叶、枝和果的分解,以N1的效果更明显,而N3起到抑制作用。N1处理的凋落物叶、枝和果的周转期分别为：4.50年、6.09年和5.85年,N2处理的分别为4.95年、8.16年和6.19年。模拟氮沉降在一定程度上增加了凋落物叶、枝和果分解过程中的N和P含量,但降低了C含量。凋落物叶、枝和果分解过程中C元素呈现释放-富集-释放模式,N和P元素呈现释放与富集交替,除枝的N元素外,其他均表现为释放量大于富集量。     

鼎湖山主要森林植物凋落物分解及其对N沉降的响应

研究了鼎湖山森林主要植物凋落物分解及其对模拟 N沉降的响应。凋落物分解速率随林分、树种和分解阶段不同而异。分解试验 3个月后 ,季风常绿阔叶林、混交林和马尾松林分解物残存量占起始量的比例平均分别为 0 .5 0 ,0 .80和 0 .87,且它们的差异均达显著水平 (p<0 .0 5 ) ;6个月后 ,这 3种林分的分解物残存量占起始量的比例平均分别为 0 .4 1、0 .73和 0 .70。试验 3个月后 ,所有试验树种中凋落物分解最快的树种是季风常绿阔叶林的锥栗 (Castanopsis chinensis,残存量占起始量的比例为0 .34)最慢为马尾松林中的马尾松 (Pinus massoniana,残存量占起始量的比例为 0 .87) ;经 6个月后 ,最快的树种是季风常绿阔叶林的华润楠 (Machilus chinensis,残存量占起始量的比例为 0 .2 5 ) ,最慢为混交林中的马尾松 (残存量占起始量的比例为0 .75 )。 N沉降对凋落物分解的影响也随林分、树种和分解阶段不同而异。在马尾松林中 ,N沉降仅在试验开始 3个月对马尾松针叶凋落物分解存在明显的促进作用 (p<0 .0 5 )。在混交林中 ,经 6个月试验后 ,低 N处理对马尾松针叶凋落物分解仍无明显作用 ,中 N处理则明显促进其分解 (p<0 .0 5 ) ,但在两次取样中 N沉降处理对荷木 (Schima superba)凋落物的分解均无显著影响。 N沉降增     

降水和氮沉降增加对草地土壤微生物与酶活性的影响研究进展

降雨格局改变和区域氮沉降增加是近年来全球变化研究中的热点问题,而草地生态系统分布十分广泛,且大多位于生态脆弱带,易受到全球变化的干扰而失衡。土壤微生物及土壤酶活性是自然生态系统中土壤质量变化的敏感性指标,微生物与酶活性的变化可用来监测水、氮变化大背景下草地生态系统结构和功能的改变。基于此,综述了降雨格局改变和氮沉降增加及其双因子交互作用对草地土壤系统中微生物数量、微生物生物量、微生物多样性与酶活性变化影响的相关研究进展,为更好地预测评估并最终调控和保持草地生态系统稳定性提供科学依据,同时分析阐述了当前工作中存在的一些问题与不足,并对未来研究所面临的关键科学问题进行了探讨和展望。     

木本植物对高氮沉降的生理生态响应

从4个方面综述了木本植物对氮沉降增加的生理生态响应研究进展。(1)氮沉降增加引起木本植物组织氮浓度增加,从而改变其体内的氮代谢：(2)氮沉降影响植物的光合作用速率及与光合作用相关的含氮组分,一定范围内氮沉降会增加光合速率、光合色素和Rubisco含量：(3)氮沉降增加将导致植物的呼吸作用增强：(4)氮沉降增加不利于植物的抗逆性,导致植物的抗寒力和抗病虫害的能力下降。     

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。     

森林水文学研究进展(综述)

近年来,人们饱受了森林破坏所致的洪涝和旱魃灾难,森林水文功能因而日益受到关注,同时,也给森林水文的研究提出了挑战,森林水文学研究的简史,涉及领域及展望将在本文中阐述。     

云南松林的枯枝落叶层持水效应初探

 本文通过对天然云南松林采取去除与保留林地枯枝落叶层(即土壤的A0层)的对比试验观测,得到如下结果：去枯与留枯相比较,前者较后者,年平均地表固体径流量高13倍,液体径流量高3.3倍,地表径流系数大3.4倍,云南松林枯枝落叶层的蓄积量及其最大吸水量分别为28.9t／ha和58.7m3／ha．在干季具有枯枝落叶层覆盖的林地土壤含水量始终高于地表裸露的林地,     

Distribution of nitrogen-15 tracers applied to the canopy of a mature spruce-hemlock stand,Howland, Maine,USA

In N-limited ecosystems, fertilization by N deposition may enhance plant growth and thus impact C sequestration. In many N deposition–C sequestration experiments, N is added directly to the soil, bypassing canopy processes and potentially favoring N immobilization by the soil. To understand the impact of enhanced N deposition on a low fertility unmanaged forest and better emulate natural N deposition processes, we added 18 kg N ha⁻¹ year⁻¹ as dissolved NH₄NO₃ directly to the canopy of 21 ha of spruce-hemlock forest. In two 0.3-ha subplots, the added N was isotopically labeled as ¹⁵NH₄ ⁺ or ¹⁵NO₃ ⁻ (1% final enrichment). Among ecosystem pools, we recovered 38 and 67% of the ¹⁵N added as ¹⁵NH₄ ⁺ and ¹⁵NO₃ ⁻, respectively. Of ¹⁵N recoverable in plant biomass, only 3–6% was recovered in live foliage and bole wood. Tree twigs, branches, and bark constituted the most important plant sinks for both NO₃ ⁻ and NH₄ ⁺, together accounting for 25–50% of ¹⁵N recovery for these ions, respectively. Forest floor and soil ¹⁵N retention was small compared to previous studies; the litter layer and well-humified O horizon were important sinks for NH₄ ⁺ (9%) and NO₃ ⁻ (7%). Retention by canopy elements (surfaces of branches and boles) provided a substantial sink for N that may have been through physico-chemical processes rather than by N assimilation as indicated by poor recoveries in wood tissues. Canopy retention of precipitation-borne N added in this particular manner may thus not become plant-available N for several years. Despite a large canopy N retention potential in this forest, C sequestration into new wood growth as a result of the N addition was only ~16 g C m⁻² year⁻¹ or about 10% above the current net annual C sequestration for this site.     

Slaving the cytochrome P-450 dependent monooxygenase system by periodically applied light pulses

The light-induced enhancement of 7-ethoxycoumarin-O-deethylase activity was measured in a reconstituted system consisting of the enzyme P-450 II B1 (P-450_PB-B) and the NADPH-cytochrome P-450 reductase. The phases of the catalytic cycle of 2 · 10¹² protein complexes were locked by periodic application of light pulses (0.1 s duration, 1.2–2.5 s repetition time, and 390–470 nm 0.27 Joule/nmol P-450). More than 80% of the active reconstituted enzyme complexes worked in phase if the repetition time (1.32 s) was slightly smaller than the catalytic cycle time of the free running enzyme (1.54 s). The percentage of synchronized enzyme complexes as a function of the repetition time is shown. It is shown that the lifetime of the product-enzyme complex is shortened by the light.Abbreviations P-450 liver microsomal cytochrome P-450 - PB phenobarbitalOffprint requests to: H. Gruler     

Assessment of nitrogen flows into the Cuban landscape

The alteration of the nitrogen (N) cycle by human activities is widespread and has often resulted in increased flows of nitrogen to the marine environment. In this paper we have attempted to know the changes of N fluxes in Cuba by quantifying the N inputs to the landscape from (1) fertilizer applications, (2) atmospheric deposition, (3) biological nitrogen fixation and (4) net import of food and feeds. N-inputs to the country progressively increased until the end of the 20th century, reaching a peak during the 80s when low cost fertilizer imported from the former Soviet Union led to heavy rates of application. This rapid growth represented more than a 5-fold increase with respect to pristine values; higher than the two-fold global increase of anthropogenic N reported by Vitousek et al. (1997 Human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences. Ecol. Appl. 7:737–750). Inorganic fertilizer was the largest single source of reactive N, followed by atmospheric deposition, biological fixation, and net imports of foods and feedstocks. Nitrogen inputs peaked in 1987 and data expressed on an area basis show that N flux to the Cuban landscape, in the 80s, was one of the highest reported in the literature. During the 90s, there was a dramatic drop in nitrogen inputs mainly associated to a decrease in the use of inorganic fertilizer. Other factors reducing nutrient inflows to Cuba, during the same period, were imports of foodstuff and livestock feeds, a decrease of nitrogen oxide emissions, and a decrease in the sugar cane crop area. Using an empirical relationship (Howarth et al. 1996 Regional nitrogen budgets and riverine N & O fluxes for the drainages to the North Atlantic Ocean: Natural and human influences. Biogeochemistry 35:75–139) we present a very preliminary estimate of N-inputs to coastal waters and discuss the consequences of these changes on the coastal zone.