放牧对草地土壤氮素循环关键过程的影响与机制研究进展

放牧是人类管理利用草地生态系统的最主要途径之一.食草动物的采食、践踏、卧息和排泄物归还等干扰不仅会改变草地地上植物群落,也会对土壤养分循环产生显著的影响.随着人类活动的加剧,放牧强度和频率也在逐渐增加,从而对草地土壤氮素循环关键过程产生重要影响.放牧主要通过改变土壤的物理性质、土壤氮库以及微生物的组成和结构,进而影响氮素在土壤中的迁移与转化.适度放牧会促进土壤氮素的矿化过程和硝化过程,加快氮素的周转,有利于植物吸收可利用氮素,而对于反硝化的影响与草地的水热条件和土壤类型等密切相关.目前,关于放牧强度对土壤氮素循环关键过程影响的研究结果不一致,其影响机制尚不明晰,尤其对于不同类型的草原仍存在较大的差异.本研究在大量查阅国内外已有研究结果的基础上,论述了放牧对土壤氮素循环关键过程的影响效应,总结了放牧对土壤氮素循环的影响机制,指出了目前研究过程中存在的不足,并对未来研究中值得重点关注和深入研究的科学问题进行了探讨与展望,为进一步理解放牧对草地土壤氮素循环的影响提供参考.     

不同土地利用方式土壤氨氧化微生物和反硝化微生物时空分布特征

研究不同土地利用方式下氮循环相关微生物在不同土壤剖面的分布,可为认识和理解土壤氮转化过程提供科学依据。土壤氨氧化微生物和反硝化微生物在调节氮肥利用率、硝态氮淋溶和氧化亚氮(N₂O)排放等方面有着重要作用。以北京郊区农田和林地两种土地利用方式为研究对象,分析土壤氨氧化潜势和亚硝酸盐氧化潜势在0—100 cm土壤剖面上的季节分布(春季和秋季),并通过实时荧光定量PCR方法表征土壤氨氧化和反硝化微生物的时空分布特征。结果表明,农田土壤氨氧化潜势、亚硝酸盐氧化潜势、氨氧化微生物和反硝化微生物丰度均显著高于林地土壤,且随土壤深度增加而显著降低。除氨氧化古菌amoA基因丰度在不同季节间无显著差异外,春季土壤氨氧化细菌(amoA基因)、反硝化微生物nirS、nirK和典型nosZ I基因的丰度均显著高于秋季。土壤有机质、总氮、NH~+₄-N、NO~-₃-N含量与氨氧化微生物和反硝化微生物的功能基因丰度显著相关。综上,不同土地利用方式下土壤氮循环相关微生物的丰度与土壤氮素的可利用性和转化过程紧密相关,研究结果对土壤氮素利用和养分管理提供...     

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.     

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。     

土壤硝化作用的抑制剂调控及其机理

既要保证氮肥在优质高效农业生产中的促进作用,又要保证农业和环境的可持续发展,如何提高氮肥利用率、减轻氮肥污染成了解决问题的关键.从氮素在土壤中的生物化学转化过程入手,通过抑制剂的施用来调控氮素的转化,减缓硝化过程的进行,是解决该问题的一种有效措施.本文从硝化抑制剂的定义、筛选硝化抑制剂的条件、国内外较受关注的硝化抑制剂品种以及硝化抑制机理等几个方面对目前的研究进展进行综述,并提出目前研究中存在的问题及今后的研究方向.     

干湿交替条件下土壤氮素转化及其影响研究进展

对干湿交替条件下土壤氮素的矿化、损失以及对土壤团聚体结构和土壤胀缩性、土壤微生物活性和群落等的影响进行了综合评述。研究表明,干湿交替能够对土壤氮素的矿化和损失产生影响,并且干湿交替条件下土壤中氮素的转化与土壤团聚体结构、土壤胀缩性以及土壤微生物活性和群落密切相关。此外,针对目前研究中的不足,提出了今后的研究方向,认为开展干湿交替条件下土壤氮素转化与物理性质和微生物的关系,尤其是肥料氮素的微生物转化过程,为进一步开展干湿交替条件下氮素在土壤中的转化过程,明确自然条件下土壤氮素转化机制的相关研究提供参考。     

牲畜排泄物返还对草地土壤氮转化和氧化亚氮(N2O)排放的影响研究进展

牲畜排泄物返还被认为是对草地的一种天然的施肥措施,也是草地养分归还的一种重要途径,对于维持土壤肥力和植被生产力具有十分重要的生态学意义。论述了放牧牲畜粪便和尿液自身降解及其氮素变化、粪尿返还对草地土壤氮转化和氧化亚氮(N₂O)排放的作用机制及影响效应,指出排泄物氮输入使粪尿斑块成为草地土壤氮转化和N₂O排放的活跃点,且不同排泄物类型、土壤理化特性和气候条件等使土壤氮素矿化、固持、硝化及反硝化等关键过程具有复杂性和差异性,进而导致不同类型草地生态系统N₂O排放对牲畜排泄物返还的响应不尽相同。建议未来在全球气候变化背景下,应加强草地牲畜排泄物-植被-土壤体系氮素生物地球化学循环过程的系统研究,进一步加深天然草地关键氮素转化过程和N₂O排放的微生物作用机制方面的认识,从而有助于为优化放牧牲畜排泄物的管理模式、制定科学合理的草地土壤养分调控策略和维持草地生态系统可持续发展提供科学有效的理论指导。     

稻作系统有机肥替代部分化肥的土壤氮循环特征及增产机制

采用有机肥替代部分化肥是实现化肥使用零增长和作物稳产增产的重要途径。基于近年来的研究进展,探讨了稻作系统有机肥替代部分化肥对水稻产量、氮素利用效率、土壤氮库组分和微生物固氮、氨化、硝化和反硝化等氮循环关键过程的影响。同时,就单施化肥与有机肥替代部分化肥的氮素循环特征进行了比较。有机肥替代部分化肥通过改变稻田土壤氮素循环多个环节(增强氨化过程、协调硝化和反硝化过程、降低氨挥发和减少氮素损失等),改善土壤氮素供给状态(提高小分子有机氮供给、协调无机氮组分与比例、提高土壤微生物量氮和总氮固持),进而促进水稻氮素吸收并协调植株氮素分配过程,最终实现水稻稳产增产。     

硝化抑制剂的施用效果、影响因素及其评价

硝化抑制剂施用后其显著的农学效应、环境效应和生态效应已得到许多研究的证实,但其施用效果受多种因素的影响.本文从硝化抑制剂施用对土壤氮素转化、硝酸盐淋溶损失和温室气体排放、作物氮素利用、农产品产量和品质以及其他养分有效性的影响等几个方面进行综述,并分析影响其施用效果的因素和评价标准.     

高寒草甸退化对祁连山土壤微生物生物量和氮矿化速率的影响

为深入了解高寒草甸退化对草原生态系统中土壤微生物碳氮量、土壤氮矿化及土壤微生物相关酶的变化特征,以祁连山东缘4个不同退化程度(未退化、轻度退化、中度退化和极度退化)的高寒草甸为研究对象,采集了深度为0—10 cm的土壤样品,并对不同退化程度高寒草甸中植物因子、土壤理化性质、土壤氨化速率、土壤硝化速率、土壤净氮矿化速率以及转化氮素的相关酶和微生物进行了相关研究。结果表明:(1)随退化程度的加剧,高寒草甸土壤中氨化速率和净氮矿化速率逐渐降低,硝化速率逐渐升高;(2)高寒草甸的退化降低了有关氮素转化相关酶,如土壤蛋白酶、脲酶、亮氨酸氨基肽酶的活性,而β-乙酰葡糖胺糖苷酶的活性呈先下降后上升趋势,且在极度退化草地活性最高;(3)随退化程度的加剧,高寒草甸土壤中微生物生物量碳和氮的含量逐渐降低,同时土壤基础呼吸、土壤微生物熵和代谢熵的指数也呈下降趋势。RDA分析表明,高寒草甸中氨化速率和净氮矿化速率与微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤基础呼吸、植物高度、植被盖度、地上生物量、蛋白酶、脲酶以及亮氨酸氨基肽酶呈显著正相关,而硝化速率则表现为负相关性。因此,高寒草甸退化对土壤微生物特性以及氮素转化和循环具有重要影响。     

湿地氮素传输过程研究进展

综述了湿地氮素传输过程的研究进展。湿地氮素传输过程包括物理过程、化学过程和生物过程 ,与土壤、植物的发生、发育紧密联系在一起 ,并形成了空气 -水 -土 -生命系统中物质循环和能量流动的复杂网络。湿地硝态氮的淋失直接威胁着湿地地下水水质安全 ,N2 O源汇转变受土壤和水体等环境因子的制约 ,氨挥发则与水体 p H值密切相关排放。湿地氮素的化学转化过程是矿质养分供给和 N2 O产生的主要机制 ,受环境因子和人类活动干扰的影响 ;动力学模型可用于描述氮素的化学转化过程。湿地植物的吸收和累积以及微生物的分解过程是湿地氮素循环的重要环节。最后分析了当前国内外研究中存在的不足 ,并对未来研究的重点领域进行了展望     

半湿润农田生态系统长期施肥对土壤团聚体中有机氮组分的影响

通过对黄土高原半湿润农田生态系统25年的田间肥料定位试验,研究了长期不同施肥模式对土壤有机氮组分及其在各级团聚体中分布的影响.结果表明:长期施肥对水解氨态氮、水解未知氮在土壤各级团聚体中分布的影响最大,对氨基酸态氮的分布有一定影响,而对氨基糖态氮分布的影响较小.长期施用化肥和有机肥能有效地影响水解氨态氮和水解未知氮与团聚体的结合作用,而氨基糖态氮在土壤氮循环转化过程中具有较强的稳定性.长期施肥条件下土壤水解全氮与有机碳、全氮以及团聚体分形维数均呈极显著正相关,其r分别为0.942,0.981,0.910(P<0.001),说明土壤有机氮组分对土壤团聚体的形成和性质具有显著影响.相关分析表明,土壤全氮或有机质对1～2mm和0.25～1mm土壤团聚体中各有机氮组分的影响较大.     

干旱区农田不同利用强度下土壤质量评价

基于2005—2007年典型干旱区塔里木盆地南缘的策勒绿洲的试验数据,根据当地农民的耕作习惯选择4种典型的农田利用强度（高投入农田、常规投入农田、新垦农田和绿洲内部农户农田）,利用产量可持续性指数(SYI)、土壤改良指数(SI)和土壤综合质量指数(QI)分析了不同土地利用强度下农田土壤质量的变化情况.结果表明：各样地的土壤有机质（SOM）、碱解氮（AN）和速效磷（AP）含量均存在显著差别;位于绿洲边缘的新垦农田在所有评价中均处于最低水平,而绿洲内部农田则处于相对较高水平.本研究结果不但有利于当地农田的合理开发利用,同时有利于农田生态环境的保护.     

浦江县土壤碱解氮的空间变异与农户N投入的关联分析

尝试以作物种植前、后土壤N的空间变化为基础与农户调查数据相结合,以GIS技术为手段,辅以地统计分析,探讨县域作物土壤环境空间变化特征及其与农户土地管理行为,特别是N投入行为间关系。其结果对更深入揭示农田碱解氮的演化规律,指导农民合理N投入,减少投入成本,提升生态环境,具有十分重要的作用。通过对Moran’s I指数分析,结果表明:农业N投入普遍偏高,过剩量大;不同区域作物N投入存在较大差异,且农户各自惯性投入依然较强。平原区变异系数大的主要原因在于种植规模化品种少,粮食作物和经济作物N投入差距大;山区和半山区的变异系数小的原因是由于规模化经营尚未形成,种植作物的多样性和N投入的不稳定性综合形成的。此外,研究还表明,GIS空间分析技术与经典试验相结合能有效分析不同农户间的作物种植前后土壤N的变化差异,对建立针对性的、差异化农地利用对策具有十分重要的作用。下一步研究可结合土地利用与覆盖变化、土壤物质循环作更深入探讨。     

氮素调控剂对不同类型土壤氮素转化的影响

采用室内培养试验方法,比较了硝化抑制剂双氰胺（DCD）和3,5-二甲基吡唑（DMP）对华北平原两种主要土壤类型潮褐土和潮土中氮素转化的调控效果,并进一步研究了DMP与脲酶抑制剂氢醌（HQ）的配合施用对潮土中氮素转化的影响.结果表明： 在两种供试类型土壤上DMP对尿素氮的硝化抑制作用均强于DCD.与单施尿素相比,在氮素转化高峰时,DMP可使土壤中NH₄⁺-N含量显著提高149.5%～387.2%,NO₃^--N含量降低22.3%～55.3%;同一抑制剂对潮土中氮素转化的调控效应较潮褐土更为明显;与DMP单施相比,DMP和HQ配施表现出明显的对氮素转化的协同抑制效果.
     

冻融对温带土壤可溶性氮库、氮转化过程及细菌群落多样性的影响

土壤冻融会影响土壤氮的有效性。氮的转化与土壤微生物密不可分,而土壤冻融对温带土壤细菌群落的影响并不十分清楚。假设: 冻融影响细菌群落结构多样性及其组成,从而改变土壤可溶氮含量和氮转化过程。为了验证这一假设,本研究设计了不同冻融循环次数(分别为6次和15次循环)的培养试验,并以2 ℃恒温培养作为对照。结果表明: 随着冻融循环次数的增加,可溶性全氮、可溶性无机氮、微生物生物量氮和净氮矿化率均显著降低。冻融循环次数对细菌α多样性(包括Chao1和Shannon指数)无显著影响,恒温培养的培养周期数与细菌的α多样性呈显著正相关。冻融处理显著影响细菌群落功能和组成,但冻融循环次数对细菌群落结构的影响较小。偏冗余分析表明,冻融处理下细菌群落结构和功能多样性与土壤可溶氮含量和氮转化过程密切相关。     

植物氮形态利用策略及对外来植物入侵性的影响

氮是影响外来植物入侵性的重要因素之一, 但相关研究多关注土壤氮水平的效应, 较少考虑氮形态的作用。为从土壤氮形态利用的角度阐释外来植物的入侵机制, 本文在植物氮形态利用策略分析的基础上, 综述了外来植物氮形态利用的偏好性及其对入侵性的影响。植物的氮形态利用策略有偏好性和可塑性两种, 这可能与植物对土壤氮形态特性的长期适应有关; 植物不仅可以对土壤氮形态做出响应, 而且还能改造土壤氮形态, 并对改变后的土壤氮形态做出反馈响应。很多外来植物入侵硝态氮占优势的干扰生境, 偏好硝态氮的外来植物与本地植物竞争硝态氮; 而偏好铵态氮的外来植物通过抑制土壤硝化作用, 营造铵态氮环境, 促进自身生长, 同时抑制偏好硝态氮的本地植物生长。然而, 植物氮形态利用策略不是一成不变的, 而是受多种生物和非生物因素共同作用影响的复杂过程, 今后应加强多因素交互作用对外来入侵植物氮形态利用策略的影响及机制研究, 更好地揭示氮形态利用策略, 尤其是氮形态利用的可塑性与外来植物入侵性的关系。     

天津盐渍化农田土壤盐分变化特征

通过对天津农田土壤合盐量及盐分组成的分析,研究了该区盐渍化农田盐分的组成状况和累积特征.结果表明:与蓟县背景对照土壤相比,东丽、津南和汉沽三区盐渍化农田的盐分组成均呈现很大的差异性;非盐渍化农田盐分呈表层累积特征,含盐量随土壤剖面深度的增加而减小,而盐渍化农田表层呈强烈的洗盐、脱盐现象,底层则呈明显的积盐现象;非盐渍化和盐渍化农田盐分的阴离子组成均以HCO3-为主,而阳离子组成则由无盐渍化农田的以Ca2+为主逐渐过渡到盐渍化农田的以Na+为主;盐渍化农田剖面盐分的空间变异性较强,Na+、C1-与SO42-均为表层低深层高,且pH、残余碳酸钠(RSC)、钠吸附比(SAR)及碱化度(ESP)也均比非盐渍化农田高,并呈现出盐化和碱化同步发生的特征.     

森林土壤氮素的转化与循环

森林土壤氮素转化与循环在森林生态系统功能中占有极其重要的意义。本文综述了森林土壤氮素转化与循环的研究历程和现状 ;介绍了凋落物的归还、施肥、大气沉降、自生固氮、氨化、硝化、反硝化、植物吸收、NH3 的挥发、NO3 -淋溶等土壤氮素输入、转化和输出的途径和过程 ;最后从研究目标、研究方法、研究对象和研究内容 4个方面归纳了森林土壤氮素转化与循环的发展趋势。