土壤微生物量氮含量、矿化特性及其供氮作用

论述了土壤中微生物体氮的含量及其影响因素,土壤微生物量氮的矿化特性及其与土壤矿化氮间的关系,土壤微生物量氮含量与土壤供氮指标间的关系等。提出研究不同生态系统中土壤微生物量氮的含量及其变化规律,不同耕作栽培措施对土壤微生物量氮含量的影响。土壤微生物量在土壤氮素保持和释放中的作用,土壤微生物量氮的转化率与其供氮量间的关系;土壤微生物量氮与作物氮素吸收间的关系等,是土壤微生物量氮方面应重点研究的问题。     

短期放牧干扰对黄土丘陵区生物结皮土壤氮素累积的影响

通过野外调查结合室内分析,研究了黄土丘陵区模拟放牧干扰半年和一年后生物结皮土壤全氮、速效氮和微生物生物量氮累积的变化,以期揭示生物结皮土壤氮素对干扰响应的敏感性.结果表明: 生物结皮土壤氮素对干扰响应敏感,短期干扰可导致土壤全氮、速效氮和微生物生物量氮含量降低.干扰半年后,生物结皮层全氮和速效氮含量较不干扰分别下降0.17～0.39 g·kg^-1、1.78～5.65 mg·kg^-1;干扰一年后,分别下降0.13～0.40 g·kg^-1、11.45～32.68mg·kg^-1,生物结皮层微生物生物量氮下降69.99～330.97 mg·kg^-1,0～2 cm土壤微生物生物量氮增加25.51～352.17 mg·kg^-1.干扰对生物结皮土壤氮素累积的影响与干扰强度有关,20%和30%干扰强度下生物结皮层氮素累积变化不显著,40%和50%干扰强度下生物结皮层氮素累积显著降低.短期干扰降低了生物结皮层氮素累积,但表层5 cm土壤氮素含量变化不显著.     

冻融对土壤氮素损失及有效性的影响

土壤冻融交替是寒冷生态系统土壤氮素循环的重要驱动力。已有研究表明冻融交替作用能够促进氮素周转,从而缓解因土壤有效氮素缺乏而引起的植物生长限制。即便如此,冻融环境下土壤有效氮素供应量远高于其利用量,过剩的氮素会通过气态(N2O-N)排放、淋溶和径流等途径损失。论述了季节冻融环境和模拟冻融条件下土壤氮素损失状况;同时分析了影响冻融土壤N2O生产的相关因素、产生途径及冻融期N2O大量排放的机制;针对冻融交替过程中土壤氮素有效性问题,探讨了氮矿化、可溶性有机氮(DON)和微生物量氮(MBN)与氮素损失的关系。评述了土壤冻融研究中存在的不足,认为模型研究、土壤微生物功能、氮素转化中间产物、土壤-植物界面过程是未来值得关注和深入探讨的研究方向。     

洞庭湖区不同利用方式对土壤微生物生物量碳氮磷的影响

以湖南省沅江市典型湖垸为代表,通过密集取样分析,研究了洞庭湖区不同利用方式条件下农田土壤微生物生物量碳、氮、磷的变化及其和土壤碳、氮、磷的关系,发现水田土壤碳、氮和微生物生物量碳、氮明显高于旱地,水田土壤中双季稻高于一季稻;土壤磷的含量旱地稍高于水田,但土壤微生物生物量磷水田稍高于旱地.尽管在水田土壤中微生物生物量碳、氮有明显的不同,但水田土壤微生物生物量磷维持在相对稳定的水平.典型样区土壤微生物生物量碳占有机碳的比例为0.65%～7.24%,平均3.00%;土壤微生物生物量氮占全氮的比例为0.98%～7.41%,平均3.81%;土壤微生物生物量磷占全磷的比例为0.16%～7.54%,平均2.80%.土壤C/N为3.87～17.31,平均9.15;BC/BN为4.06～9.29,平均7.26.土壤微生物生物量碳、氮与土壤碳、氮之间存在极其显著的线性相关关系,但土壤微生物生物量磷占全磷之间相关关系不显著.土壤微生物生物量碳、氮、磷之间的相关关系达到了极显著水平.不同的利用方式和耕作制度导致了土壤碳、氮和微生物生物量碳、氮的差异,土壤微生物生物量碳、氮能够很好地反映洞庭湖区农田土壤碳、氮水平.     

短期氮素添加和模拟放牧对青藏高原高寒草甸生态系统呼吸的影响

氮沉降和放牧是影响草地碳循环过程的重要环境因子,但很少有研究探讨这些因子交互作用对生态系统呼吸的影响。在西藏高原高寒草甸地区开展了外源氮素添加与刈割模拟放牧实验,测定了其对植物生物量分配、土壤微生物碳氮和生态系统呼吸的影响。结果表明:氮素添加显著促进生态系统呼吸,而模拟放牧对其无显著影响,且降低了氮素添加的刺激作用。氮素添加通过提高微生物氮含量和土壤微生物代谢活性,促进植物地上生产,从而增加生态系统的碳排放;而模拟放牧降低了微生物碳含量,且降低了氮素添加的作用,促进根系的补偿性生长,降低了氮素添加对生态系统碳排放的刺激作用。这表明,放牧压力的存在会抑制氮沉降对高寒草甸生态系统碳排放的促进作用,同时外源氮输入也会缓解放牧压力对高寒草甸生态系统生产的负面影响。     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对土壤氮库垂直分布特征的影响

生物土壤结皮在干旱区氮素地球化学循环中具有重要作用,研究不同生物土壤结皮下不同形态氮素含量的变化,解析生物土壤结皮对土壤养分影响过程和范围,有助于进一步理解生物土壤结皮的生态功能。本研究以古尔班通古特沙漠藻-地衣混生结皮和藓类结皮两种生物土壤结皮为研究对象,以裸沙为对照,测定生物土壤结皮层和0—100 cm内8个土层全氮、无机氮、可溶性有机氮、游离态氨基酸氮、微生物生物量氮等氮库含量,和土壤脲酶、硝酸盐还原态酶、亮氨酸氨基肽酶等土壤胞外酶活性。结果表明：1)结皮层各形态氮素含量和各土壤酶活性显著高于其下层土壤,结皮层和结皮下各层土壤氮库整体上表现为藓类结皮>藻-地衣混生结皮>裸沙;土壤氮库各形态氮素含量和土壤酶活性在垂直分布上均呈现先显著下降(0—20 cm)后稳定(20—100 cm)的趋势;在20—30 cm土层,除裸沙的无机氮、铵态氮以及藻-地衣混生结皮的硝态氮外,其余速效氮(无机氮、硝态氮、铵态氮)含量具有增加的特点。2)土壤各氮库含量与全磷、有机碳、电导率、土壤脲酶和亮氨酸氨基肽酶活性呈正相关,与pH、土壤含水率呈负相关。3)利用氮循环相关指标建立土壤氮循环多功能...     

夜间增温和施氮对川西亚高山针叶林土壤有效氮和微生物特性的短期影响

开展亚高山针叶林典型林地土壤有效氮和微生物特性对气候变化的响应研究,对预测未来气候变化背景下亚高山针叶林生态系统C、N的源/汇功能具有重要意义。该文采用红外辐射加热器模拟增温结合外施氮肥的方法,研究了川西亚高山针叶林下土壤化学特性、有效氮含量以及微生物生物量对夜间增温和施氮的短期响应。结果表明:在模拟增温试验期间(2009年4月–2010年4月),空气平均温度和5cm土壤平均温度分别比对照提高了1.93和4.19℃,增温幅度分别以夏季和冬季最为显著。增温对土壤pH值、有机碳、全氮和微生物生物量无显著影响。增温在试验前期降低了土壤NH4+-N含量,增加了NO3–-N含量,其影响程度随着增温时间的延长而下降。施氮显著增加了有效氮和微生物生物量氮,降低了土壤pH值,使土壤表现出明显的酸化现象。与单独的增温和施氮处理相比,增温和施氮联合处理对林下土壤的有效氮和微生物特性有显著的交互作用,显著增加了土壤的有机碳、有效氮及土壤微生物生物量氮含量,并导致土壤进一步酸化。结果说明,川西亚高山针叶林的土壤有效氮和微生物特性对土壤氮素状况的变化反应敏感,而林下土壤有效氮和微生物特性对单独的温度升高表现出一定的适应性,但更对增温和施氮双因素结合处理反应敏感且表现出不同的响应方式。因此,该区域在未来全球变化下的氮沉降状况及气候变化的多因素协同效应值得长期深入的探讨。     

土壤氮素转化的关键微生物过程及机制

微生物是驱动土壤元素生物地球化学循环的引擎.氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一,其四个主要过程,即生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用,均由微生物所驱动.近10年来,随着免培养的分子生态学技术和高通量测序技术等的发展,在硝化微生物多样性及其作用机理、厌氧氨氧化过程和机理等研究方面取得了突破性进展.本文重点阐述了我国有关土壤硝化微生物方面的研究进展,在此基础上,简要介绍了反硝化微生物和厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用的研究进展,并对今后的研究工作提出了展望.今后土壤氮素转化微生物生态学的研究,应瞄准国际微生生态学发展的前沿,加强新技术新方法的应用,结合我国农业可持续发展、资源环境保护和全球变化研究的重大需求,重点开展以下几方面的工作:(1)开展大尺度上土壤硝化作用及氨氧化微生物分布的时空演变特征及驱动因子的研究;(2)加强氮素转化关键微生物过程与机理的研究,并与相关过程的通量(如氨挥发、N2O释放)和反应速率(如矿化速率、硝化速率)关联起来;(3)在特定生态系统中系统研究各个氮转化过程的耦合关系,构建相关氮素转化和氮素平衡模型,为定向调控土壤氮素转化过程,提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据.     

土壤易矿化有机态氮和微生物态氮作为土壤氮素生物有效性指标的评价

通过盆栽试验研究了土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮与土壤净矿化氮及植物吸氮量之间的关系。结果表明,种植前土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮以及种植前后土壤易矿化有机态氮的变化量均与土壤氮素净矿化量和植物吸氮量之间存在显著的相关性。在盆栽试验条件下,土壤易矿化有机态氮和种植前土壤微生物态氮能够较好地反映土壤氮素的矿化和供应能力,可以作为土壤氮素的生物有效性指标。     

氮素添加和刈割对内蒙古弃耕草地土壤氮矿化的影响

以内蒙古多伦县恢复生态学试验示范研究站弃耕10余年的草地为研究对象,于2006年起分别设置对照、氮素添加、刈割和氮素添加+刈割4种处理,每种处理6次重复,研究弃耕草地氮素添加和刈割对土壤氮矿化的影响,结合土壤理化性质和植被地上生产力的动态变化,分析弃耕草地土壤氮矿化对植被恢复的响应,为当地草地恢复与重建提供理论依据和数据支持。实验结果表明:1氮素添加显著增加了植物地上净初级生产力(ANPP)和土壤无机氮库,与对照相比分别提高115%和196%,同时显著提高了土壤总硝化速率;但是氮素添加对总氨化速率、土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)、微生物呼吸(MR)以及呼吸熵(q CO2)均无显著影响;2总氨化速率和硝化速率对刈割处理的响应均不显著,但是刈割处理显著降低了土壤MR(P0.05);3氮素添加+刈割处理5—7a后,土壤总氨化和硝化速率均无显著变化;但是氮素添加+刈割处理显著增加了ANPP、土壤无机氮库和q CO2,同时显著降低了MBC和MBC/MBN。这说明在弃耕草地适应性管理中,氮素添加可以显著提高草地生产力,但是长期的氮添加对土壤微生物氮的转化是否有利还值得我们进一步研究。     

26年长期施肥对土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影响

研究长期小麦连作施肥条件下土壤微生物量碳、氮,土壤呼吸的变化及其与土壤养分的相关性。以陕西长武长期定位试验为平台,应用氯仿熏蒸-K2SO4提取法、碱液吸收法和化学分析法分析了长达26a不同施肥处理农田土壤微生物量碳、微生物量氮和土壤呼吸之间的差异及其调控土壤肥力的作用。长期施肥及种植作物,均能提高土壤微生物量碳、氮含量,尤其是施用有机肥,土壤微生物量碳、氮含量高于单施无机肥的处理,土壤呼吸量也提高15.91%—75.73%,而施用无机肥对于土壤呼吸无促进作用。土壤微生物生物量碳氮、土壤呼吸与土壤有机质、全氮呈极显著相关。长期有机无机肥配施可以提高土壤微生物量碳氮、土壤呼吸,氮磷肥与厩肥配施对提高土壤肥力效果最好。微生物量碳氮及土壤呼吸可以反映土壤质量的变化,作为评价土壤肥力的生物学指标。     

有机物料在维持土壤微生物体氮库中的作用

采用室内和田间培养试验,研究了有机物料矿化过程中土壤微生物体氮的变化,测定结果表明,有机物料对矿化过程和微生物体氮的影响,既与有机物料本身性质和组成有关,也与土壤肥力水平和施氮与否有关。加入Ｃ／Ｎ比高的有机物料后,微生物对矿质氮的净固定持续时间长,而加入Ｃ／Ｎ比小的则固定时间短;高肥力土壤上的固定时间比低肥力土壤短。不同有机物料对土壤微生物体氮的影响不同。从加绿豆茎叶、小麦茎叶、未腐解马粪、腐熟马粪、腐熟猪粪到厩肥,土壤微生物体氮依次减小,提供的有效能源物质丰富（如绿豆茎叶）或Ｃ／Ｎ比较高（如小麦茎叶）时影响效果突出。土壤肥力不同,有机物料对微生物体的影响效果不同,在低肥力土壤的效果突出,约为高肥力土壤的４倍,因此,在评价有机物料对土壤微生物体氮的影响时,既考虑有有机物料的性质和组成,也考虑土壤力水平、矿质氮含量和培养时期。     

川西亚高山森林土壤呼吸和微生物生物量碳氮对施氮的响应

随着全球大气氮沉降的明显增加,将有可能显著影响我国西部地区受氮限制的亚高山森林生态系统。土壤微生物是生态系统的重要组成部分,是土壤物质循环和能量流动的重要参与者。由于生态系统类型、土壤养分、氮沉降背景值等的差异,土壤呼吸和土壤生物量碳氮对施氮的响应存在许多不确定性。而施氮会不会促进亚高山森林生态系统中土壤呼吸和微生物对土壤碳氮的固定?基于此假设,选择了川西60年生的四川红杉(Larix mastersiana)亚高山针叶林为研究对象,通过4个水平的土壤施氮控制试验(CK:0 g m~(-2) a~(-1)、N1:2 g m~(-2)a~(-1)、N2:5 g m~(-2) a~(-1)、N3:10 g m~(-2)a~(-1)),监测了土壤呼吸及土壤微生物生物量碳氮在一个生长季的动态情况。结果表明:施氮对土壤呼吸各指标和土壤微生物碳氮都有极显著的影响,施氮能促进土壤全呼吸、自养呼吸、异养呼吸通量和土壤微生物生物量碳氮的增长,施氮使土壤呼吸通量提高了11%—15%,土壤微生物量碳提高了5%—9%,土壤微生物量氮提高了23%—34%。在中氮水平下(5 g m~(-2) a~(-1))对土壤呼吸的促进最显著。相关分析发现,土壤呼吸与微生物生物量碳氮和微生物代谢商极呈显著正相关,微生物量碳氮与土壤温度呈极显著的正相关,与土壤湿度呈极显著负相关。通过一般线性回归拟合土壤呼吸速率与土壤10 cm温湿度的关系,发现土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著的正相关,与土壤湿度极显著负相关(P0.001),中氮水平下土壤温度敏感性系数Q_(10)值(7.10)明显高于对照(4.26)。     

氯嘧磺隆与尿素对土壤微生物生物量碳、氮及无机氮的影响

通过室内培养试验,研究了不同浓度氯嘧磺隆(20、200、2000 μg·kg-1土)单一施用及与尿素(120 mg· kg-1土)配合施用情况下,土壤微生物生物量碳、氮和土壤铵态氮、硝态氮随时间的动态变化规律.结果表明:各浓度氯嘧磺隆单独处理在整个培养期(60 d)中对微生物生物量碳、氮均有抑制作用,且浓度越高,后期抑制作用越强;各浓度氯嘧磺隆处理在培养前期对硝态氮、铵态氮没有明显影响,中期(15 d)能显著提高土壤中铵态氮的含量,后期(30 d后)显著提高了土壤中硝态氮的含量.尿素单独施用及与氯嘧磺隆配施均能在短时间内增加微生物生物量碳、氮,但随后配施处理的促进作用减弱;尿素单独和配施均能持久增加土壤中铵态氮、硝态氮含量.     

2008年雪灾对武夷山毛竹林土壤微生物生物量氮和可溶性氮的影响

2008年1月,我国南方发生了严重的冰冻雪灾,通过改变资源的有效性和异质性而对生态系统过程产生显著影响。本研究以福建武夷山遭受冰冻雪灾不同危害程度(轻、中、重3种类型)的毛竹林为试验地,探讨了08雪灾干扰后毛竹林不同土层(0～10、10～25、25～40cm)土壤微生物生物量氮和可溶性氮的变化特征。结果表明,除25～40cm土层土壤微生物生物量氮含量外,各土层土壤微生物生物量氮、硝态氮含量均随受灾程度的加重而显著增加,随土层深度的增加而减少,0～10cm土层土壤可溶性有机氮,重度受灾竹林也显著高于轻度与中度受灾竹林。不同受灾竹林间的土壤微生物生物量氮、硝态氮、可溶性有机氮含量均与土壤温度、雪灾输入林地生物量显著正相关,与竹林郁闭度显著负相关,与土壤湿度不相关。本研究结果揭示,由于雪灾导致生物与非生物因素的改变,土壤中的氮可能以硝酸盐和可溶性有机氮的形式从生态系统中流失。     

冬季作物对稻田土壤微生物量碳、氮和微生物熵的短期影响

研究不同的冬季作物马铃薯、黑麦草、紫云英、油菜在"冬季作物-双季稻"轮作种植制度下短期内对稻田土壤微生物碳、氮和微生物熵的影响,在湖南省土壤肥料研究所的实验网室内设置了小区试验.试验结果表明:几种冬季作物均提高了稻田土壤微生物碳、氮含量,黑麦草明显提高了土壤微生物量碳和微生物熵,紫云英明显提高了土壤微生物量氮.冬季作物对土壤微生物量碳和土壤微生物量氮的季节性影响变化趋势基本一致,紫云英、马铃薯处理的土壤微生物量C、N含量均在水稻生育期间8月中旬达到最大值.     

Microbes drive global soil nitrogen mineralization and availability

Soil net nitrogen mineralization rate (N_min), which is critical for soil nitrogen availability and plant growth, is thought to be primarily controlled by climate and soil physical and/or chemical properties. However, the role of microbes on regulating soil N_min has not been evaluated on the global scale. By compiling 1565 observational data points of potential net N_min from 198 published studies across terrestrial ecosystems, we found that N_min significantly increased with soil microbial biomass, total nitrogen, and mean annual precipitation, but decreased with soil pH. The variation of N_min was ascribed predominantly to soil microbial biomass on global and biome scales. Mean annual precipitation, soil pH, and total soil nitrogen significantly influenced N_min through soil microbes. The structural equation models (SEM) showed that soil substrates were the main factors controlling N_min when microbial biomass was excluded. Microbe became the primary driver when it was included in SEM analysis. SEM with soil microbial biomass improved the N_min prediction by 19% in comparison with that devoid of soil microbial biomass. The changes in N_min contributed the most to global soil NH₄⁺‐N variations in contrast to climate and soil properties. This study reveals the complex interactions of climate, soil properties, and microbes on N_min and highlights the importance of soil microbial biomass in determining N_min and nitrogen availability across the globe. The findings necessitate accurate representation of microbes in Earth system models to better predict nitrogen cycle under global change.