全球森林土壤氮素总转化速率的调控因素及空间分布

土壤氮素总转化速率及其相对强弱决定了土壤保氮、供氮能力。分析森林土壤氮素总转化速率调控因素,对于了解森林生态系统的生产力、氮素循环及环境变化有重要的意义。本文利用随机森林模型分析了全球范围内36篇关于森林土壤氮转化的文献,结果发现,影响森林土壤氮素总矿化速率的关键因素为:全氮砂粒含量年均温凋萎系数;影响森林土壤总硝化速率的关键因素为:全氮全碳砂粒含量阳离子交换量;影响森林土壤硝酸盐异化还原为铵(DNRA)速率的关键因素为:黏粒含量土壤有效含水量凋萎系数阳离子交换量。据此,建立了全球森林土壤氮素总转化速率随机森林模型,并给出了全球尺度森林土壤总矿化速率、总硝化速率和DNRA速率的空间分布。结果发现,氮素总矿化速率的变化范围为1.672～64.016 mg N·kg~(-1)·d~(-1);总硝化速率的变化范围为0.866～16.984 mg N·kg~(-1)·d~(-1);DNRA速率的变化范围为0.030～2.045 mg N·kg~(-1)·d~(-1)。土壤氮素总转化速率具有较大的空间异质性,具体表现在:全球大部分地区3种转化速率水平均很低;而最大转化速率的空间分布有重叠,出现在北美洲西北部地区、欧洲西北部地区以及欧亚大陆连接处地区。     

森林土壤氮素转换及其对氮沉降的响应

近几十年人类活动向大气中排放的含氮化合物激增 ,并引起大气氮沉降也成比例增加。目前 ,氮沉降的增加使一些森林生态系统结构和功能发生改变 ,甚至衰退。近 2 0 a欧洲和北美有关氮沉降及其对森林生态系统的影响方面的研究较多 ,而我国少有涉及。森林土壤氮素转换是森林生态系统氮素循环的一个重要的组成部分 ,而矿化、硝化和反硝化作用是其核心过程 ,氮沉降作为驱动因子势必改变森林土壤氮素转换速度、方向和通量。根据国外近 2 0 a有关研究 ,首先介绍了森林土壤氮素转换过程和强度 ,论述森林土壤氮素在生态系统氮素循环中的作用 ,然后在此基础上 ,介绍了氮沉降对森林土壤氮素循环的研究途径 ,探讨了氮沉降对森林土壤氮素矿化、硝化和反硝化作用的影响及其机理     

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.     

浙江天童森林砍伐对土壤养分库和氮矿化-硝化特征的影响

揭示不同砍伐频率对森林土壤养分库和氮周转的影响,对于理解森林养分循环的干扰响应具有重要意义。本研究以浙江天童常绿阔叶林为对象,选择了3个具有不同砍伐频率的群落比对组,分析各组内土壤有机碳和氮磷养分库,以及氮素矿化、硝化速率的变化。结果表明:3组群落中,重复砍伐群落的土壤总氮和总有机碳储量显著减小(P0.05),而土壤总磷、铵态氮和硝态氮储量、土壤容重显著增加(P0.05)。土壤氨化速率和氮矿化速率在比对组间无显著差异(P0.05),但硝化速率在重复砍伐后显著增加(P0.05)。本研究表明,土壤养分库和氮转化对森林重复砍伐的响应方式不同。森林重复砍伐后,土壤有机碳库和氮库含量降低,磷库和无机氮库含量增加,氮素矿化和氨化速率变化不显著,硝化速率显著提高。     

异养硝化-好氧反硝化菌脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展

水体氮素污染日益严重,如何经济、高效地去除水体氮素已成为研究热点。近年来,研究人员已从不同环境中分离到许多同时具有异养硝化和好氧反硝化功能的菌株,此类菌生长迅速,可在好氧条件下同时实现硝化和反硝化的过程,并可用于脱除有机污染物,是一类应用潜力巨大的脱氮菌。目前,异养硝化-好氧反硝化菌的脱氮途径和机制主要是通过测定氮循环中间产物或终产物、测定相关酶活性、注释部分氮循环相关基因及参考自养硝化菌和缺氧反硝化菌的氮循环途径等进行研究,其完整的氮素转化途径和氮代谢机制还需要进一步明确。总结了目前异养硝化-好养反硝化菌的脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展,以期为异养硝化-好氧反硝化菌的理论研究及其在污水脱氮处理上的应用提供参考。     

硝态氮异化还原机制及其主导因素研究进展

硝态氮(NO_3~-)异化还原过程通常包含反硝化和异化还原为铵(DNRA)两个方面,是土壤氮素转化的重要途径,其强度大小直接影响着硝态氮的利用和环境效应(如淋溶和氮氧化物气体排放)。反硝化和DNRA过程在反应条件、产物和影响因素等方面常会呈现出协同与竞争的交互作用机制。综述了反硝化和DNRA过程的研究进展及其二者协同竞争的作用机理,并阐述了在NO_3~-、pH、有效C、氧化还原电位(Eh)等环境条件和土壤微生物对其发生强度和产物的影响,提出了今后应在产生机理、土壤环境因素、微生物学过程以及与其他氮素转化过程耦联作用等方面亟需深入研究,以期增进对氮素循环过程的认识以及为加强氮素管理利用提供依据。     

盐渍化对农田氮素转化过程的影响机制和增效调控途径

本文在回顾我国盐渍化农田氮肥利用现状的基础上,总结了盐渍化对农田土壤氮素转化关键过程的影响规律,剖析了其对参与氮素转化的微生物的作用机制,归纳了盐渍化农田氮素养分增效调控的主要途径。盐渍化对农田土壤氮素矿化、硝化和反硝化过程存在阈值效应,不同范围内影响差别较大。盐分以及次生障碍对相关微生物也具有不同的影响,且同样存在阈值效应。目前盐渍化农田氮素增效调控的途径主要包括土壤改良剂改良、生物质材料改良、种植耐盐植物、优化氮素形态配比和生物抑制剂改良,最后提出盐渍化农田氮素循环过程研究目前存在的不足以及未来的研究方向。本文对盐渍化农田氮素减损增效、化肥养分高效利用与农业面源污染阻控具有重要指导意义。     

森林土壤NO产生的主要途径及其影响因素

一氧化氮(NO)在氮的生物地球化学循环、大气环境化学和全球变暖中起着重要作用。森林土壤是NO的一个重要来源。硝化、反硝化、硝化细菌反硝化以及化学反硝化是森林土壤NO产生的主要途径。当前,关于各个过程对NO排放的相对贡献以及生物和环境因子对各个过程NO产生的影响还缺乏系统性研究。因而,本文旨在综述森林土壤NO产生的主要途径,各途径来源NO的测定方法以及土壤氮循环功能基因和环境因子对不同来源土壤NO排放的影响,并在此基础上指出了研究的薄弱环节与未来研究方向。总体而言,森林土壤NO的排放主要来自硝化和反硝化作用,但是在酸性土壤中不能忽视化学反硝化过程对其排放的影响。在量化各个过程对土壤NO排放贡献时,15N-18O双同位素富集法比传统的硝化抑制剂法能更准确地区分NO的来源。土壤NO的产生是各种生物和非生物过程综合作用的结果,当前有关氮循环功能基因丰度与土壤NO排放关系的研究中,缺乏将氮循环功能基因和土壤各过程产生的NO排放联系起来研究。在探究环境因子对土壤NO排放影响时,更多关注单个环境因子对土壤硝化和反硝化过程来源NO排放的影响,而对硝化细菌反硝化和化学反硝化过程来源NO排放的研究较少,而且也缺乏多个环境因子共同作用对不同过程NO排放影响的研究。     

湖泊氮素氧化及脱氮过程研究进展

自然界中氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,由固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用来完成。过去数十年间,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化作用的发现,人们对环境中氮素循环认识逐步深入,提出了多种脱氮途径新假说。对湖泊生态系统中氮素的输入、输出及其在水体、沉积物和水土界面的迁移转化过程进行了概括,对湖泊生态系统中反硝化和厌氧氨氧化脱氮机理及脱氮效率的最新研究进展进行了探讨,并对以后的氮素循环研究进行了展望。     

赣中亚热带森林转换对土壤氮素矿化及有效性的影响

采用原位培养法和时空替代法,对江西中部亚热带常绿阔叶林、天然马尾松林、人工杉木林、人工马褂木林的土壤氮素矿化速率及其有效性进行了比较研究,以探讨森林转换对土壤氮素矿化作用的影响。结果表明：转换前后各森林土壤无机氮库（NH4 -N、NO3--N）及氮素矿化速率(氨化速率、硝化速率)均呈现明显的季节动态,NH4 -N库冬春较大,NO3--N库夏秋较大,氨化速率与硝化速率均以夏秋强烈。森林转换改变了土壤氮素矿化格局,常绿阔叶林转变成马尾松林、杉木林、马褂木林后,土壤年均氨化速率分别降低了110.67%、100.76%、96.20%,而硝化速率提高了54.92%、24.19%、 24.46%;马尾松林年均总净矿化速率与常绿阔叶林相近,杉木林、马褂木林分别降低了24.68%、26.01%;另外,除常绿阔叶林外,马尾松林、杉木林、马褂木林的土壤氮素矿化量都小于植被吸收量。这些研究结果说明亚热带地区常绿阔叶林转换成其它次生林会增加氮素流失的危险性,氮素缺乏会成为这些森林生长的限制因子。     

模拟增温对青藏高原东部高寒灌丛土壤氮转化的影响

本文研究了青藏高原东部窄叶鲜卑花高寒灌丛生长季前期、生长季后期和非生长季3个生育期的土壤氮转化速率对模拟增温的响应,分析全球气候变暖对高寒灌丛土壤氮循环过程的影响。结果表明: 模拟增温使高寒灌丛土壤温度显著升高1.2 ℃,土壤水分显著降低2.5%。高寒灌丛生长季土壤净氮矿化(氨化和硝化)速率显著高于非生长季,但土壤净氮固持速率显著低于非生长季。土壤氮矿化在生长季前期以硝化作用为主,在生长季后期和非生长季以氨化作用为主。模拟增温对高寒灌丛土壤氮转化过程的影响在不同时期存在显著差异。模拟增温显著增加了生长季前期土壤净氨化、净硝化、净氮矿化、净氮固持速率和非生长季土壤净硝化、净氮矿化速率,并显著降低了生长季后期土壤净硝化、净氮矿化、净氮固持速率和非生长季土壤净氨化速率。但模拟增温对高寒灌丛非生长季净氮固持速率和生长季后期净硝化速率的影响不显著。未来气候变暖将显著改变青藏高原东部高寒灌丛土壤氮转化,进而加速高寒灌丛土壤氮循环过程。     

雪被斑块对川西亚高山两个森林群落冬季土壤氮转化的影响

为了解气候变暖情景下雪况变化对高寒森林冬季土壤氮转化的影响,测定了川西亚高山冷杉(Abies faxoniana)+红桦(Betula albo-sinensis)混交林(MF)和冷杉次生林(SF)三类雪被斑块(浅雪被、中厚度雪被和厚雪被)内冬季土壤氮矿化特征。结果表明:经过一个冬季(2011-2012),两个森林群落土壤净氮氨化量都为负值,净氮硝化量都为正值,且净氮硝化量显著高于净氮氨化量;冬季土壤氮氨化、硝化、矿化和固持量都是中度雪被厚度最高,但各雪被斑块之间都未达到显著水平。各雪被斑块下,冷杉次生林土壤氮矿化参数都显著高于针阔混交林,但雪被斑块和林型交互作用对冬季土壤氮矿化无显著影响。这表明,该区冬季土壤氮矿化以硝化过程为主,硝化和氨化过程可能受不同微生物群落调控;短时期内,未来气候变化所导致的雪被减少对该区森林冬季土壤氮转化影响可能不明显。     

植被类型与坡位对喀斯特土壤氮转化速率的影响

土壤氮素转化对于植物氮素营养具有重要作用,尤其是对于受氮素限制的喀斯特退化生态系统。选取植被恢复过程中4种典型喀斯特植被类型(草丛、灌丛、次生林、原生林)和3个坡位(上、中、下坡位)表层土壤(0—15cm)为对象,利用室内培养的方法,研究不同植被类型和坡位下土壤氮素养分与氮转化速率(氮净矿化率、净硝化率和净氨化率)的特征及其影响因素。结果表明,植被类型对土壤硝态氮含量、无机氮含量、氮净矿化率、净硝化率和净氨化率均有显著影响(P0.01),即随着植被的正向演替(草丛—灌丛—次生林—原生林),土壤硝态氮含量、无机氮含量、土壤氮净矿化速率和净硝化速率整体上呈增加趋势,而坡位以及坡位与植被类型的交互作用对上述土壤氮素指标无显著影响(P0.05)。冗余分析结果表明凋落物氮含量、凋落物C∶N比和硝态氮含量对土壤氮转化速率有显著影响,其中凋落物氮含量是影响土壤氮转化速率的主要因子(F=35.634,P=0.002)。可见,尽管坡位影响喀斯特水土再分配过程,但植被类型决定的凋落物质量(如凋落物氮含量等)对喀斯特土壤氮素转化速率的作用更为重要。因此,在喀斯特退化生态系统植被恢复初期,应注重植被群落的优化配置(如引入豆科植物)和土壤质量的改善(如降低土壤C∶N),促进土壤氮素转化及氮素的有效供给。     

森林土壤氮转化的微生物功能研究

本文研究了不同林型下土壤(A+6层和A_1层)微生物、土壤酶活性在森林土壤氮转化中的作用。结果表明不同林型下土壤具有不同的固氮作用、反硝化作用、氨化作用和硝化作用速率,即阔叶林>针阔混交林>针叶林。已经证明,固氮作用主要存在于森林土壤的A_1层,反硝化作用主要存在于A_0层。森林土壤存在2种硝化作用过程,即由自养微生物所引起的自养硝化作用过程和异养微生物所引起的异养硝化作用过程。它的存在与林型有关,某些森林土壤中这2种硝化作用过程都存在,如针阔混交林下的A_0层和A_1层。有些林型下土壤,则以异养硝化作用过程为主,如针叶林的A_0层。     

模拟氮沉降对温带阔叶红松林地土壤氮素净矿化的影响

以长白山阔叶红松混交林为研究对象,于2006—2008年原位模拟不同形态氮((NH4)2SO4、NH4Cl和KNO3)沉降水平(22.5和45kgN·hm-2·a-1),利用树脂芯法技术(resin-core incubation technique)测定了表层(有机层0～7cm)和土层(0～15cm)土壤氮素净矿化、净氨化和净硝化通量的季节和年际变化规律。同时,结合前人报道的有关林地碳、氮过程及其环境变化影响的结果,力求有效预估森林生态系统中氮素年矿化通量对大气氮沉降量和水热条件等因子变化的响应。结果表明,长白山阔叶红松林地土壤氮素年净矿化通量为1.2～19.8kgN·hm-2·a-1,2008年不同深度的土壤氮素年净矿化通量均显著高于2006和2007年(P<0.05)。随着模拟氮沉降量增加,土壤氮素净矿化通量也随之增加,尤其外源NH4+-N输入对净矿化通量的促进作用更为明显(P<0.05),但随着施肥年限的延长,这种促进作用逐渐减弱。与林地0～15cm土壤相比,氮沉降增加对0～7cm有机层氮素净氨化和净矿化通量的促进作用更为明显,尤其NH4Cl处理的促进作用更大。结合前人报道的野外原位观测结果,土壤氮素年净矿化通量随氮素沉降量的增加而增大,氮沉降量对不同区域森林土壤氮素净矿化通量的贡献率约为52%;氮沉降量(x1)和pH值(x2)可以解释区域森林土壤氮素年净矿化通量(y)变化的70%(y=0.54x1-18.38x2-109.55,R2=0.70,P<0.0001)。前人研究结果仅提供区域年均温度,未考虑积温的影响,这可能是造成年净矿化通量与温度无关的原因。今后的研究工作应该加强区域森林土壤积温观测,进而更加准确地预估森林土壤氮素的年净矿化通量。     

中亚热带丘陵红壤区森林演替典型阶段土壤氮磷有效性

在中亚热带典型丘陵红壤区选取裸露地、马尾松(Pinus massoniana)林地、针阔混交林地、常绿阔叶林地为研究对象,开展土壤氮(N)、磷(P)供应、有效性及其耦合过程的研究.结果表明,土壤有机C、全N、净矿化速率、中性磷酸酶活性表现为随森林演替进展呈现逐步提高的变化趋势;而土壤全P、C/N、C/P、氨化速率、硝化速率、树脂P、NaHCO3-P、NaOH-P、声波P、酸性P、总有效P、酸性磷酸酶活性未表现出此趋势;但反映N、P有效供应的指标,除氨化速率、树脂P和酸性磷酸酶外,在常绿阔叶林中均为最高.相关分析表明大部分N、P供应指标之间存在显著相关性(P<0.05).丘陵红壤区森林演替初级阶段P的限制性明显强于N,土壤N、P供应在森林演替进展过程中可以逐步得到优化而实现协调供应.以常绿阔叶林为中亚热带丘陵红壤区植被恢复的最终目标是可行和理想的.     

Soil functional responses to ecological restoration treatments in frequent‐fire forests of the western United States: a systematic review

We investigated general effects of ecological restoration treatments on soil function in frequent‐fire forests of the western United States using a systematic review methodology. We searched numerous publication databases for original research papers and used well‐defined criteria developed a priori to select papers for review. We used meta‐analysis and qualitative summaries to compare reported responses of macronutrients, nitrogen cycling, and soil respiration among tree thinning (thin), prescribed fire (burn), and thinning plus prescribed fire treatments (composite). Results of meta‐analysis showed that mean differences in macronutrients were consistently higher in composite treatments (standardized using controls) when compared to thin‐only and burn‐only treatments. Mean responses related to nitrogen cycling showed similar patterns, with significant increases detected in composite treatments for all nitrogen cycling variables (mineralization, ammonification, and nitrification) and insignificant responses for the majority of the burn‐only and thin‐only treatments. Mean difference in response for soil respiration following composite treatments showed increases as compared to the controls, and no significant differences were detected in response to burn‐ and thin‐only treatments. While soil function, nutrient cycling, and soil respiration differed among treatments, the most significant effects were observed for nitrogen and carbon responses, net mineralization and nitrification, ammonium availability, and soil respiration rate, which experienced the greatest increase following treatments that were both thinned and burned.     

Gross Nitrogen Turnover of Natural and Managed Tropical Ecosystems at Mt. Kilimanjaro,Tanzania

In our study at Mt. Kilimanjaro, East Africa, we quantified gross rates of ammonification, nitrification, nitrogen immobilization, and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in soils across different land uses, climate zones (savanna, montane forest ecosystems, extensive agroforest homegarden, and intensively managed coffee plantation), and seasons (dry, wet, and transition from dry to wet season) to identify if and to what extent conversion of natural ecosystems to cultivated land has affected key soil microbial nitrogen turnover processes. Overall variation of gross soil nitrogen turnover rates across different ecosystems was more pronounced than seasonal variations, with the highest turnover rates occurring at the transition between dry and wet seasons. Nitrogen production and immobilization rates positively correlated with soil organic carbon and total nitrogen concentrations as well as substrate availability of dissolved organic carbon and nitrogen r > 0.67, P < 0.05), but did not correlate with soil ammonium and nitrate concentrations. Soil nitrogen turnover rates were highest in the montane Ocotea forest (ammonification 29.84, nitrification 12.67, NH₄ ⁺ immobilization 38.92, NO₃ ^? immobilization 10.74, and DNRA 1.54 µg N g^?1 SDW d^?1) and progressively decreased with decreasing annual rainfall and increasing land-use intensity. Using indicators of N retention and characteristics of soil nutrient status, we observed a grouping of faster, but tighter N cycling in the (semi-) natural savanna and Ocotea forest. This contrasted with a more open N cycle in managed systems (the homegarden and coffee plantation) where N was more prone to leaching or gaseous losses due to high nitrate production rates. The partly disturbed (selected logging) lower montane forest ranged between these two groups.     

毛竹林和阔叶林凋落物互置对土壤氮矿化的影响及微生物贡献

凋落物输入方式的改变导致凋落物数量和质量发生变化,进而对森林土壤氮矿化产生影响。选择未被入侵的次生阔叶林和毛竹入侵后形成的毛竹纯林为对象,对地表凋落物进行保留、去除与置换处理,采用室内培养法同时添加抗生素(链霉素和放线菌酮)分析真菌和细菌在土壤氮素矿化中的贡献。结果表明：(1)去除凋落物处理使阔叶林土壤净氨化速率增加27.0%,净硝化速率降低11.4%;毛竹林土壤净氨化速率增加23.4%。(2)置换凋落物处理使阔叶林土壤净氨化速率增加43.8%,净硝化速率降低33.5%;毛竹林土壤净硝化速率增加73.1%。(3)添加抗生素后,凋落物置换处理与对照相比,置换凋落物后阔叶林土壤真菌和细菌在净氨化中发挥主要作用;真菌在两种林分土壤净硝化中发挥主要作用,细菌在阔叶林土壤净硝化中发挥主要作用。(4)结合测定的凋落物化学性质可知,置换凋落物后引起真菌和细菌在土壤氮素矿化中贡献发生变化,是由于输入凋落物中木质素和纤维素含量的变化。综上,凋落物去除和置换改变了土壤氮素矿化速率,置换凋落物后改变了真菌和细菌对土壤氮素矿化的贡献。解析凋落物质量在土壤氮素矿化中的作用及微生物群落的相对贡献,有助于阐明毛竹入...