天山林区不同类型群落土壤氮素对冻融过程的动态响应

季节性冻融过程对北方温带森林土壤氮素的转化与流失具有重要影响,但不同类型群落对冻融过程响应的差异尚不明确。通过在林地、草地、灌丛上设置系列监测样地,采用原位培养的方法,利用林冠遮挡形成的自然雪被厚度差异,监测分析了冻融期天山林区不同群落表层土壤(0—15 cm)的氮素动态及净氮矿化速率间的差异。结果表明:(1)不同类型群落土壤的铵态氮(NH+4-N)含量、微生物量氮(MBN)含量基本与土壤(5 cm)温度呈正相关,深冻期林地土壤铵态氮含量低于其他群落类型而硝态氮含量高于其他群落类型;(2)硝态氮(NO-3-N)为天山林区季节性冻融期间土壤矿质氮的主体,占比达78.4%。灌丛土壤硝态氮流失风险较大,融化末期较融化初期灌丛土壤硝态氮含量下降了64.6%;(3)冻融时期对整体氮素矿化速率影响显著,群落类型对氨化速率影响显著;(4)天山林区土壤氮素在冻结期主要以氮固持为主。通过揭示不同类型群落土壤氮素对冻融格局的响应,能够助益于对北方林区冬季土壤氮素循环的认识。     

天山林区不同类型群落土壤氮素对冻融过程的动态响应

季节性冻融过程对北方温带森林土壤氮素的转化与流失具有重要影响,但不同类型群落对冻融过程响应的差异尚不明确。通过在林地、草地、灌丛上设置系列监测样地,采用原位培养的方法,利用林冠遮挡形成的自然雪被厚度差异,监测分析了冻融期天山林区不同群落表层土壤(0—15 cm)的氮素动态及净氮矿化速率间的差异。结果表明:(1)不同类型群落土壤的铵态氮(NH+4-N)含量、微生物量氮(MBN)含量基本与土壤(5 cm)温度呈正相关,深冻期林地土壤铵态氮含量低于其他群落类型而硝态氮含量高于其他群落类型;(2)硝态氮(NO-3-N)为天山林区季节性冻融期间土壤矿质氮的主体,占比达78.4%。灌丛土壤硝态氮流失风险较大,融化末期较融化初期灌丛土壤硝态氮含量下降了64.6%;(3)冻融时期对整体氮素矿化速率影响显著,群落类型对氨化速率影响显著;(4)天山林区土壤氮素在冻结期主要以氮固持为主。通过揭示不同类型群落土壤氮素对冻融格局的响应,能够助益于对北方林区冬季土壤氮素循环的认识。     

雪被去除对川西亚高山云杉林土壤活性氮的影响

气候变化引发的季节性雪被改变可能对高寒森林土壤氮循环产生深刻影响.以遮雪棚去除雪被,研究了雪被去除样方和对照样方在不同关键时期(雪被初期、深雪被期和雪被融化期)土壤氮库和矿化速率的变化.结果表明: 季节性雪被对土壤具有良好的保温作用,雪被去除使得5 cm深度土壤平均温度和最低温度分别降低0.33和1.17 ℃,并明显增加了土壤冻结深度和冻融循环.土壤活性氮在不同雪被时期存在显著差异.雪被去除使得冬季土壤铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮增加38.6%、23.5%和57.3%.此外,雪被去除也促进了融化期土壤硝化和矿化速率的增加.因此,未来气候变暖引起的雪被减少可能加快川西亚高山森林冬季土壤氮循环.     

季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响

全球气候变化引发的雪被格局变化将深刻影响植被的凋落物分解、陆地生态系统的土壤养分循环等过程.森林是陆地生态系统的主体,在全球生物地球化学循环中起着不可替代的作用.本研究综述了季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响.全球气候变化情景下季节性雪被表现出因地域而异的增加或减少的变化格局,一方面通过改变环境温湿度、凋落物质量、分解者动态等直接影响分解过程,另一方面通过改变森林群落结构、植被物候、土壤养分等间接地作用于凋落物分解.同时,季节性雪被通过影响氮富集作用、雪被下土壤温湿度、冻融循环、森林群落、雪下动物和微生物等相关因子而改变森林土壤氮循环.本领域未来应开展的研究是: 1) 全面考虑全球气候变化情景下季节性雪被格局的变异性,开展不同季节性雪被格局变化的模拟研究;2) 开展季节性雪被融雪水淋溶作用对森林凋落物分解和土壤氮动态的影响研究;3) 阐明不同生态系统和气候带中季节性雪被格局变化对森林凋落物分解过程和土壤氮动态的驱动机制研究;4) 量化季节性雪被变化对森林凋落物分解和土壤氮动态在雪被覆盖期的瞬时影响和无雪期的延续影响,为阐明和模型预测陆地生态系统生物地球化学循环对全球气候变化的响应提供理论基础和数据支持.     

季节性冻融期间川西亚高山/高山森林土壤净氮矿化特征

气候变暖情景下季节性冻融格局的改变可能显著影响高寒森林土壤氮素矿化过程.本文采用原状土壤移位培养的方法,以海拔梯度形成的温度差异模拟气候变暖,研究了川西亚高山/高山森林在生长季节和季节性冻融期间土壤的净氮矿化量和净氮矿化速率.结果表明： 在川西亚高山/高山森林,土壤铵态氮和硝态氮含量均表现为从生长季节至冻结初期明显下降,完全冻结期明显增加,而在融化初期明显降低的变化过程.季节性冻融期土壤的净氮矿化量和净氮矿化速率显著低于生长季节,并且出现明显的氮素固持现象.与低海拔相比,中海拔森林土壤的氮素固持作用相对较大,高海拔相对较小,可能与不同海拔梯度土壤温度变化及引起的冻融循环密切相关.在生长季节,土壤净氮矿化量和矿化速率均随海拔的降低呈明显增加趋势,尤其在低海拔处土壤的氮素矿化作用最为强烈.在气候变暖背景下,温度的增加明显促进了生长季节土壤氮素矿化,并且通过提高冻融循环频次、缩短冻结时间来影响土壤氮素矿化速率.这一过程可能受到微环境的影响.     

川西高山森林林窗对季节性冻融期土壤氮动态的影响

为了解高山森林林窗对土壤氮动态的影响,于2012—2013年在川西高山冷杉原始林大、中、小林窗以及林下采集了4个关键时期(初冻期、深冻期、初融期和融化末期)的土样,测定其铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮和可溶性有机氮含量。结果表明:各林窗内土壤铵态氮、硝态氮含量在融化末期显著高于其他3个关键时期;土壤微生物生物量氮在初融期最低,土壤可溶性有机氮含量在深冻期最低,而这两者含量在初冻期均最高;土壤硝态氮含量占土壤矿质氮总量的67.26%~83.59%;冬季林窗通过改变土壤微环境进而引起氮素组分的改变,林窗大小与可溶性有机氮含量呈显著正相关;土壤温度与铵态氮、硝态氮及可溶性有机氮含量呈显著正相关;冻结深度与硝态氮和可溶性有机氮呈显著负相关。经过季节性冻融期,小林窗和林下土壤具有更高的矿质氮和可溶性有机氮,为生长季内植被与土壤微生物奠定了良好的生长条件。     

长白山高山苔原带雪斑地段牛皮杜鹃群落的土壤氮矿化与净初级生产力

采用土壤温度连续观测和土壤原位培养,研究了长白山高山苔原带雪斑地段牛皮杜鹃群落的土壤温度、土壤氮矿化及净初级生产力.结果表明: 在非生长季的积雪期(10月下旬-5月上旬),土壤养分呈上升趋势,土壤以氮矿化为主,为翌年植物的生长提供了充足的氮素.其中雪斑地段土壤(平均温度-3.0 ℃)的氮矿化能力更强,速效氮增加量为3.88 g·m^-2,非雪斑地段(平均温度-7.5 ℃)为1.21 g·m^-2. 在生长季节(5月中旬-8月下旬),土壤氮素含量下降,以固持为主;秋季植物停止生长后,土壤速效氮又呈上升趋势;到冬季,由于积雪的作用,雪斑地段土壤温度维持在0 ℃左右或略低,促进了土壤氮的矿化,而非雪斑地段土壤温度则处于冻结状态.氮素矿化能力的差异是雪斑地段牛皮杜鹃群落净初级生产力高于非雪斑地段群落的主要原因,也是植被空间分异的重要驱动因子.     

川西高原季节性雪被覆盖下凋落物输入对土壤微生物数量及生物量的影响

为了了解季节性雪被覆盖下不同碳供应水平对高山土壤生态系统过程的影响,2010 年1 月-5 月在青藏高原东缘设计人工雪厚度梯度控制(0 cm, 30 cm, 100 cm)和凋落物添加(0 g, 5 g, 20 g 鲜卑花叶片)的原位试验,测定了土壤中的微生物数量和微生物生物量。研究发现,雪被覆盖能有效地绝缘大气和土壤,减少冻融交替的幅度和频次,显著增加了细菌和真菌数量,而对微生物生物量碳氮无明显影响。凋落物的输入降低了微生物生物量氮的含量,增加了细菌和真菌的数量。说明雪被覆盖和有机碳的输入可以通过影响冬季土壤微生物群落结构,从而对高山地区冬季生态系统过程产生实质性的影响。     

雪被去除对川西高山森林冬季土壤温度及碳、氮、磷动态的影响

气候变暖导致的雪被动态格局变化可能深刻影响高山森林生态过程.为了解气候变暖背景下雪被的减少对川西高山森林土壤生态过程的影响,2009年10月19日-2010年5月18日,采用遮雪方法,研究了雪被去除对该区冷杉原始林土壤温度和碳、氮、磷的影响.结果表明:雪被去除加大了土温日变化幅度和冻融循环频次,使土壤冻结和融化时间提前.雪被去除使土壤可溶性碳和可溶性氮、有效磷、铵态氮和硝态氮冬季含量高峰提前到雪被覆盖期;雪被覆盖期至融化期的可溶性碳和氮及硝态氮含量增加,但有效磷和铵态氮含量降低,改变了其组分比例.气候变暖引起的川西高山森林雪被减少将改变土壤外部环境条件,进而影响土壤碳、氮和磷过程.     

草地生态系统中土壤氮素矿化影响因素的研究进展

氮素是各种植物生长和发育所需的大量营养元素之一,也是牧草从土壤吸收最多的矿质元素．土壤中的氮大部分以有机态形式存在,而植物可以直接吸收利用的是无机态氮．这些有机态氮在土壤动物和微生物的作用下。由难以被植物直接吸收利用的有机态转化为可被植物直接吸收利用的无机态的过程就是土壤氮的矿化．氮素矿化受多种因子的影响,这些因子可以归结为生物因子和非生物因子．生物因子包括：土壤动物、土壤微生物和植物种类．土壤动物可以促进土壤有机质的矿化;土壤微生物种类、结构及功能与氮的分解、矿化有密切的关系;不同的植物种类对土壤氮素的矿化作用是不相同的,一般来说。有豆科植物生长的土壤比其它种类土氮素矿化的作用大．非生物因素一般可以分为环境因子和人类活动干扰．环境因子中土壤温度和含水量对土壤氮素矿化的影响是国内外众多科学家研究的方向．尽管如此,在此方面的研究还没有取得一致意见,仍然需要进行这方面的研究,而在其他诸如：不同的土壤质地与土壤类型方面,研究报道的结论也很不一致,草地生态系统中人类活动对土壤氮素矿化的影响主要包括,不同强度的放牧,割草以及施肥、火烧强度等．非生物因子对氮素矿化的影响非常直接和明显,尤其是人类活动．本文综述了近年来影响草地生态系统土壤氮素矿化有关因素的一些进展．     

Shrub expansion modulates belowground impacts of changing snow conditions in alpine grasslands

Climate change is disproportionately impacting mountain ecosystems, leading to large reductions in winter snow cover, earlier spring snowmelt and widespread shrub expansion into alpine grasslands. Yet, the combined effects of shrub expansion and changing snow conditions on abiotic and biotic soil properties remains poorly understood. We used complementary field experiments to show that reduced snow cover and earlier snowmelt have effects on soil microbial communities and functioning that persist into summer. However, ericaceous shrub expansion modulates a number of these impacts and has stronger belowground effects than changing snow conditions. Ericaceous shrub expansion did not alter snow depth or snowmelt timing but did increase the abundance of ericoid mycorrhizal fungi and oligotrophic bacteria, which was linked to decreased soil respiration and nitrogen availability. Our findings suggest that changing winter snow conditions have cross-seasonal impacts on soil properties, but shifts in vegetation can modulate belowground effects of future alpine climate change.     

Direct and indirect control by snow cover over decomposition in alpine tundra along a snowmelt gradient

We assessed direct and indirect effects of snow cover on litter decomposition and litter nitrogen release in alpine tundra. Direct effects are driven by the direct influence of snow cover on edaphoclimatic conditions, whereas indirect effects result from the filtering effect of snow cover on species’ abundance and traits. We compared the in situ decomposition of leaf litter from four dominant plant species (two graminoids, two shrubs) at early and late snowmelt locations using a two-year litter-bag experiment. A seasonal experiment was also performed to estimate the relative importance of winter and summer decomposition. We found that growth form (graminoids vs. shrubs) are the main determinants of decomposition rate. Direct effect of snow cover exerted only a secondary influence. Whatever the species, early snowmelt locations showed consistently reduced decomposition rates and delayed final stages of N mineralization. This lower decomposition rate was associated with freezing soil temperatures during winter. The results suggest that a reduced snow cover may have a weak and immediate direct effect on litter decomposition rates and N availability in alpine tundra. A much larger impact on nutrient cycling is likely to be mediated by longer term changes in the relative abundance of lignin-rich dwarf shrubs.     

雪被厚度对色季拉山急尖长苞冷杉林土壤线虫群落的影响

为了解雪被覆盖对青藏高原高寒森林土壤线虫群落的影响,选取藏东南色季拉山急尖长苞冷杉林为研究区,采用高通量测序技术分析不同雪被厚度0、10、20、30 cm下土壤线虫群落特征。结果表明：随着雪被增厚,有机质和全氮含量显著降低(P<0.05),全钾含量显著升高(P<0.05)。雪被增厚对线虫群落Shannon指数、Simpson指数、Pielou指数以及成熟度指数、线虫通路比值(NCR)均未产生显著影响,但NCR值有升高的趋势。雪被增厚使刺嘴纲(Enoplea)及食细菌性线虫的相对丰度增多,同时使20 cm和30 cm雪被下土壤线虫群落结构发生显著变化(P<0.05)。土壤有机质、全氮和全钾含量是影响土壤线虫群落的最关键的3个土壤环境因子。研究表明雪被厚度会对青藏高原色季拉山急尖长苞冷杉林土壤线虫群落产生影响,雪被增厚意味着较为稳定和温暖的土壤环境,利于土壤细菌数量增加,继而利于土壤有机质分解及钾的释放,为刺嘴纲及食细菌性线虫的增多提供了资源与环境条件。目前仍需对青藏高原地区土壤进行系统调查,以更深入的了解该生态脆弱区土壤线虫分布及其响应环境变化的规律。     

Relation of the snow cover to the structure of vegatation in the alpine communities of the eastern Tsinghai-Tibet Plateau

The type of snow cover considerably influences the sctructure of vegetation and production-related processes in alpine communities of diverse regions. The relation of snow cover thickness to the structure of apline plant communities in the eastern Tsinghai-Tibet Plateau (Sichuan, People's Republic of China) was studied by analyzing the vegetation in 251 sample areas grouped in five transects along the gradient of mesotopographic conditions and wintertime snow cover thickness. Considerable differentiation of plant communities related to snow cover thickness in revealed along the line from the northern to the southern slope. It is shown that the influence of snow cover on the distribution of particular plant species is significantly greater than the influence of soil properties (pH, content of humus, total phosphorus, potassium, and ammonia nitrogen in the upper strata of soil). Among the 56 herbaceous plant species and 7 shrub species studied, 52 herbaceous and all the 7 shrub species showed significant (P < 0.05) correlation (positive or negative) to snow cover thickness. Snow cover thickness appeared also significantly correlated to a number of soil properties: soil thickness, content of water, total phosphorus, and humus. But, in contrast to the alpine communities of the Caucasus and the Alps, no considerable acidification of the soil under snowflakes, due to perpetual removal of cations by melt water, was observed.     

雪被斑块对高山森林两种灌木凋落叶质量损失的影响

高山/亚高山森林灌木层植物凋落物的分解对于系统物质循环等过程具有重要意义, 并可能受到冬季不同厚度雪被斑块下冻融格局的影响。该文采用凋落物分解袋法, 研究了高山森林典型灌层植物华西箭竹(Fargesia nitida)和康定柳(Salix paraplesia)凋落物在沿林窗-林下形成的冬季雪被厚度梯度(厚型雪被斑块、较厚型雪被斑块、中型雪被斑块、薄型雪被斑块、无雪被斑块)上在第一年不同关键时期(冻结初期、冻结期、融化期、生长季节初期和生长季节后期)的质量损失特征。在整个冻融季节, 华西箭竹和康定柳凋落叶的平均质量损失分别占全年的(48.78 ± 2.35)%和(46.60 ± 5.02)%。冻融季节雪被覆盖斑块下凋落叶的失重率表现出厚型雪被斑块大于薄型雪被斑块的趋势,而生长季节无雪被斑块的失重率明显较高。尽管如此, 华西箭竹凋落物第一年分解表现出随冬季雪被厚度增加而增加的趋势, 但康定柳凋落物第一年失重率以薄型雪被斑块最高, 而无雪被斑块最低。同时, 相关分析表明冻融季节凋落叶的失重率与平均温度和负积温呈极显著正相关, 生长季节凋落叶的失重率与所调查的温度因子并无显著相关关系, 但全年凋落物失重率与平均温度和正/负积温均显著相关。这些结果清晰地表明, 未来冬季变暖情境下高山森林冬季雪被格局的改变将显著影响灌层植物凋落物分解, 影响趋势随着物种的差异具有明显差异。     

高寒草甸地下根系生长动态对积雪变化的响应

2013年11月至2014年8月在青藏高原东缘红原县高寒草甸通过人工堆积的方法,进行了积雪量野外控制试验。以自然降雪的积雪量为对照(CK),设置了S1、S2和S3(积雪量分别为自然对照的2倍、3倍和4倍)3个处理,运用微根窗法追踪研究了积雪量改变后高寒草甸植被根系生长动态,并测定了积雪变化对土壤温度的影响。结果表明:高寒草甸植被根系生长存在明显的季节性变化,随着时间的推移,根系表面积、根尖数量及现存量逐渐增加并在8—9月达到最大值;当冬季积雪量达到143.4mm(S1),对根系生长最为有利(根系表面积、根尖数量、现存量及生产量最大),根系生长旺盛期(净生产速率较高)有所提前和延长,但随着积雪量进一步增加,积雪对根系生长的正效应逐渐降低,根系生长旺盛期逐渐推迟甚至消失;研究还发现,随着积雪量增加,0—10 cm土层土壤温度逐渐降低,相似的变化规律也出现在10—20 cm土层,但在时间上有所延迟;相关性分析表明,在不同土层中,根系生长与土壤温度均呈正相关。因此,积雪变化通过改变土壤温度影响高寒草甸植物根系的生长发育,最终可能会影响高寒草甸生态系统的碳分配与碳循环过程。     

冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响

全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物-土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。     

雪被期川西高山林线交错带两种地被物凋落物分解与土壤动物多样性

以针叶林代表性地被植物锦丝藓和高山冷蕨为研究对象,采用凋落物分解网袋法,研究了高山林线交错带(暗针叶林-林线-高山草甸)的锦丝藓植物残体、高山冷蕨凋落叶及混合凋落物经过一个雪被期分解后的质量损失与土壤动物群落结构特征.结果表明: 雪被期林线交错带上两种地被物的质量损失率在高山草甸最大,锦丝藓表现更为显著,两种凋落物混合促进了分解过程且在林线上表现尤为显著.在交错带凋落物中共获取土壤动物968头,隶属于5纲10目35科,优势类群以弹尾目和蜱螨目为主.在林线上凋落物中获得的土壤动物个体数和类群数高于高山草甸和暗针叶林.典范对应分析(CCA)表明,土壤动物类群与雪被期平均温度关系最为密切,特有物种如等翅目和地蜈蚣目仅在暗针叶林出现,半翅目和啮目仅在高山草甸出现.地被物种类对土壤动物多样性的影响在暗针叶林和高山草甸大于林线.多元回归分析表明,日平均温度和雪被厚度能够解释凋落物质量损失率变异的30.8%,而土壤动物因子能解释质量损失率变异的8.3%,它们共同解释质量损失率变异的34.1%.雪被是影响高山两种地被物凋落物分解的最关键因子.