外来植物对陆地生态系统氮循环的影响途径

外来植物的引种和入侵已成为一个全球性的重要问题.许多外来植物不仅可以改变陆地生态系统的氮输入、输出,而且还可以通过改变氮素吸收、再利用,凋落物质量,土壤环境,土壤生物等因子影响陆地生态系统内都氮循环.在概述陆地生态系统氮循环基础上,系统综述了外来植物对陆地生态系统氮循环的影响方式和途径以及可能造成的生态后果,并对将来研究方向进行了展望:应更多考虑外来植物影响机制的复杂性、不同养分元素循环的相互作用和新技术手段的应用.     

外源输入氮的有效性及形态对植物生长与生理影响的研究进展

氮(N)是控制植物结构和功能以及维持生态系统稳定的重要营养元素之一,外源输入氮素的有效性及形态的差异对植物的生长发育和生理特征产生显著的影响。由于全球气候变化和人类活动的干扰,大气氮沉降量日益增加,氮形态也发生改变,严重破坏植物的正常生长和生态系统的平衡稳定,已成为研究学者关注的热点问题。本文综述了不同氮输入水平和形态对植物的生长、光合作用、养分吸收以及代谢酶活性等方面的影响,归纳出：(1)适量氮输入能促进植物生长、光合作用和养分吸收能力,但当超出植物承受的阈值后,则对其产生抑制作用;(2)由于植物对氮素形态吸收偏好的差异,铵态氮(NH₄⁺-N)和硝态氮(NO₃^--N)对植物的生长、光合作用、养分吸收以及代谢酶活性的影响效果不同,且适宜铵硝配比相较于单一某种氮素添加对大多数植物的促进作用更显著。提出未来的研究方向应着重考虑4个方面：(1)开展大尺度的长期监测控制实验;(2)利用分子生物学技术深入探究氮形态对植物影响的微观机理;(3)重点关注土壤根际环境对植物根系氮素吸收的影响;(4)综合分析氮输入与...     

土壤可溶性有机氮的研究进展

可溶性有机氮(SON)是土壤氮素组成中最活跃的组分之一,在陆地生态系统氮循环及养分平衡方面起着重要作用。研究证明,SON既能通过矿化作用转化为矿质氮,也能被植物直接吸收利用。另外,SON流失可能会造成水生生态系统的富营养化,并加剧土壤系统温室气体N_2O的排放。因此,土壤SON受到国内外多学科的广泛关注。本文概述了SON的来源、组成、提取、测试、生态功能及其流失的环境效应,并指出未来有待深入研究的问题,以期为植物吸收利用氮素及生态系统氮循环的研究提供参考依据。     

植物氮素吸收与转运的研究进展

氮素是植物生长发育所必须的基本营养元素,在植物生长发育和形态建成中起着重要作用.土壤中植物所利用的主要氮素形式是铵态氮和硝态氮,在进化过程中植物形成不同的吸收和转运铵态氮和硝态氮的分子机制.该文对植物吸收与转运氮素的生理学特征、分子机制及涉及的相关基因等研究进行概括性综述,为研究水稻中氮素吸收、转运相关基因提供理论基础...     

硝酸盐调控豆科植物与根瘤菌共生固氮的机制研究

氮是植物生长发育所需的大量营养元素之一。硝态氮不仅可以被植物直接吸收利用,还可以作为重要的信号分子调控植物对氮素的响应、吸收、代谢相关基因的表达,从而影响植物的生长和发育。豆科植物可以通过与根瘤菌共生互作来获得生长所需的氮,但共生固氮是一个耗费植物能量的过程。当土壤中存在高浓度的氮素时,氮作为信号分子会影响共生固氮基因的功能从而抑制共生固氮过程。目前的研究表明,硝酸盐通过局部和系统的调控方式抑制共生固氮过程;结瘤自主调控(Autoregulation of nodulation,AON)和NLPs(NIN-like proteins)转录因子在硝酸盐抑制豆科植物根瘤形成中有着重要的作用。本文结合最近的研究进展,重点讨论NLPs转录因子和AON途径在硝酸盐抑制共生固氮过程的作用。     

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．     

陆地生态系统氮沉降增加的生态效应

 人类活动在全球范围内极大地改变着氮素从大气向陆地生态系统输入的方式和速率，人为固定的氮素正在不断积累，并对生态系统的结构和功 能产生显著影响。该文从以下几个方面综述了大气氮沉降增加对陆地生态系统的影响：1)氮输入增加可能影响植物生产力和生态系统碳蓄积能 力，生态系统响应的方向和程度取决于系统的初始氮状况(氮限制或氮饱和)以及当地的植被和土壤特征；2)持续氮输入有可能改变土壤氮循环 过程，降低土壤固持氮的能力，甚至导致土壤酸化、盐基离子损耗，进而影响到土壤有机碳的分解；3)高的氮沉降速率和持续氮输入都可能加 速含氮痕量气体的释放，但其影响程度受生态系统初始状态的影响(例如磷限制和氮限制)；4)氮沉降增加会影响生态系统的物种丰富度、植物 群落结构和动态，促进森林扩张，改变菌根真菌的物种多样性；5)持续氮输入带来的植物群落结构和植物生理特征的变化可能影响昆虫取食特 性，进而通过食物链改变生态系统的营养结构；6) 氮沉降增加对生态系统的影响并不是孤立存在的，它与CO₂浓度升高和O₃浓度变化有协同作 用，但难以从其协同效应中区分出各自的影响。最后，该文总结了我国的氮沉降研究现状，并对今后的研究前景提出了展望。     

陆地农业生态系统丛枝菌根真菌物种多样性研究进展

丛枝菌根真菌(AMF)是一种古老的、在自然界中普遍存在的土壤微生物,能与大部分陆生植物形成互惠互利的菌根共生体.在这种共生关系中,AMF从植物获取自身生长所需碳源的同时,帮助宿主吸收氮、磷等营养物质.AMF在农业生态系统中具有重要作用,能够促进植物生长、改善作物品质、提高植物抗逆性、稳定土壤结构、维护生态平衡和维持农业可持续发展.本文总结了近几年来陆地农业生态系统AMF的研究进展,着重从我国陆地农业生态系统AMF物种多样性、AMF生物多样性时空分布特征及影响AMF多样性的因素等几个方面,综述了陆地农业生态系统AMF的物种多样性,并对以后的研究进行了展望.     

氮代谢参与植物逆境抵抗的作用机理研究进展

近年来,植物所受到的诸如干旱、盐、高温、低氧、重金属胁迫和营养元素缺乏等环境胁迫越来越多,严重影响了植物的生长发育及作物的质量和产量。氮素是植物生长发育所需的必需营养元素,同时也是核酸、蛋白质和叶绿素的重要组成成分,其代谢过程与植物抵抗逆境的能力息息相关。氮代谢是指植物对氮素的吸收、同化和利用的全过程,是植物体内基础代谢途径之一。氮代谢主要从氮素吸收、同化及氨基酸代谢等方面参与植物的抗逆性,并通过调节离子吸收和转运、稳定细胞形态和蛋白质结构、维持激素平衡和细胞代谢水平、减少体内活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成以及促进叶绿素合成等生理机制来影响植物抵抗非生物胁迫的能力。因此,提高植物在逆境下的氮代谢水平是减轻外界胁迫对其损伤的一种潜在途径。该文从氮素同化的基本途径出发,分别阐述了氮代谢在干旱胁迫、盐胁迫和高温胁迫等多个方面的逆境抵抗过程中的作用机理,为氮代谢参与植物抗逆性研究提供了有利参考。     

Experimental warming shifts coupling of carbon and nitrogen cycles in an alpine meadow

增温对高寒草甸生态系统碳氮循环耦合关系的影响 陆地生态系统碳吸收受土壤氮素可用性的调节。然而,全球变化背景下的不同生态系统组分的碳氮比及其所反映的碳氮循环耦合关系尚不十分清楚。本文运用数据同化的方法,将一个高寒草甸增温试验的14组数据同化到草地生态系统模型中,从而评估了增温如何影响陆地生态系统的碳氮循环耦合关系。研究结果表明,增温提高了土壤氮素的有效性,降低了土壤活性碳库的碳氮比,导致植物对土壤氮的吸收增加。但是由于植物叶片吸收的碳比吸收的氮增加更多,使得叶片中碳氮比增加,而根部的碳输入增加则低于氮的增加,导致根部的碳氮比减少。同时,增温降低了凋落物碳氮比,可能是在土壤高氮有效性的条件下,凋落物氮的固定得到增强;而且增温加速了凋落物的分解。同时增温还增加了慢速土壤有机质的碳氮比,使得该土壤碳库的碳固存潜力增大。由于大多数模型在不同的环境中通常使用相对固定的碳氮比,本研究所发现的气候变暖条件下碳氮比的差异变化可为模型参数化提供一个有效的参考,有利于模型对未来气候变化背景下生态系统碳氮耦合关系响应的预测。     

植物寄生对生态系统结构和功能的影响

寄生植物是生态系统中的特殊类群之一。植物寄生可以驱动生态系统中生物与非生物因子的变化,在生态系统结构与功能中起关键作用。寄生植物可以通过对寄主营养的集聚、改变凋落物的质量与数量、改变根的周转与分泌物格局、改变土壤水势,从而影响土壤理化特性。寄生植物会改变寄主的行为,改变寄主与非寄主植物之间的相互作用,从而影响植物群落的结构、多样性和动态,进而影响植被演替和植被生产力等。寄生植物与寄主均可被消费者取食,可直接或间接地影响生态系统的食草动物,包括草食昆虫等。寄生植物与寄主的其它寄生物存在竞争关系,可以直接或间接地影响寄主的其它寄生植物或病原真菌。寄生植物可以明显地改变土壤地球化学循环,将固有的不可动的成分转变为可利用的营养成分,改变土壤生物群落的结构与功能,从而显著影响地下生物群落。这些表明,植物寄生对生态系统的结构和功能有重要影响。针对特殊的被入侵的植物群落,该地寄生植物可以通过影响入侵植物寄主的生长、繁殖、生物量分配格局,改变土壤的理化特性,促进非寄主的非优势本地植物的生长,从而改变被入侵植物群落结构与多样性,达到生物防治及生态恢复的目的。     

干旱对陆地生态系统生产力的影响

该文综述了干旱对陆地生态系统生产力的影响,分析了其影响机制,并总结了植被对干旱的响应与适应及其机理机制。干旱通过抑制光合作用来降低陆地生态系统总初级生产力,干旱还可以降低生态系统的自养呼吸和异养呼吸。同时干旱还可以通过影响其它干扰形式来间接影响陆地生态系统生产力,如增加火干扰的发生频率和强度,增加植物的死亡率,增加病虫害的发生等。在生态系统水平上干旱可以降低碳固定,减弱碳汇功能,甚至把生态系统从碳汇改变成碳源。目前生态系统水平上的干旱影响研究主要通过两种方法实现,一种是模型模拟,另一种就是大型模拟实验。作为陆地生态系统生产力的实现者,在干旱胁迫条件下,植物也会采取积极的适应策略以减弱干旱对生态系统生产力的影响,其适应策略主要分以下3种:在一些周期性发生干旱的地区,植物会调整生长期以避开干旱或通过休眠来减弱干旱所造成的伤害;还有一些植物会通过调节体内的代谢过程,改变一些生理特性来抵御干旱;而长期生活在干旱条件下的植物则通过进化来改变了自身的生理生化代谢过程,形成耐旱机制。目前,植物对干旱响应的分子学机制,以及生态系统水平上对干旱的响应和适应仍然是薄弱的领域,也必然成为未来研究的重点。     

Plant controls on Late Quaternary whole ecosystem structure and function

Plants and animals influence biomass production and nutrient cycling in terrestrial ecosystems; however, their relative importance remains unclear. We assessed the extent to which mega‐herbivore species controlled plant community composition and nutrient cycling, relative to other factors during and after the Late Quaternary extinction event in Britain and Ireland, when two‐thirds of the region's mega‐herbivore species went extinct. Warmer temperatures, plant–soil and plant–plant interactions, and reduced burning contributed to the expansion of woody plants and declining nitrogen availability in our five study ecosystems. Shrub biomass was consistently one of the strongest predictors of ecosystem change, equalling or exceeding the effects of other biotic and abiotic factors. In contrast, there was relatively little evidence for mega‐herbivore control on plant community composition and nitrogen availability. The ability of plants to determine the fate of terrestrial ecosystems during periods of global environmental change may therefore be greater than previously thought.     

Mechanisms of plant species impacts on ecosystem nitrogen cycling

Plant species are hypothesized to impact ecosystem nitrogen cycling in two distinctly different ways. First, differences in nitrogen use efficiency can lead to positive feedbacks on the rate of nitrogen cycling. Alternatively, plant species can also control the inputs and losses of nitrogen from ecosystems. Our current understanding of litter decomposition shows that most nitrogen present within litter is not released during decomposition but incorporated into soil organic matter. This nitrogen retention is caused by an increase in the relative nitrogen content in decomposing litter and a much lower carbon‐to‐nitrogen ratio of soil organic matter. The long time lag between plant litter formation and the actual release of nitrogen from the litter results in a bottleneck, which prevents feedbacks of plant quality differences on nitrogen cycling. Instead, rates of gross nitrogen mineralization, which are often an order of magnitude higher than net mineralization, indicate that nitrogen cycling within ecosystems is dominated by a microbial nitrogen loop. Nitrogen is released from the soil organic matter and incorporated into microbial biomass. Upon their death, the nitrogen is again incorporated into the soil organic matter. However, this microbial nitrogen loop is driven by plant‐supplied carbon and provides a strong negative feedback through nitrogen cycling on plant productivity. Evidence supporting this hypothesis is strong for temperate grassland ecosystems. For other terrestrial ecosystems, such as forests, tropical and boreal regions, the data are much more limited. Thus, current evidence does not support the view that differences in the efficiency of plant nitrogen use lead to positive feedbacks. In contrast, soil microbes are the dominant factor structuring ecosystem nitrogen cycling. Soil microbes derive nitrogen from the decomposition of soil organic matter, but this microbial activity is driven by recent plant carbon inputs. Changes in plant carbon inputs, resulting from plant species shifts, lead to a negative feedback through microbial nitrogen immobilization. In contrast, there is abundant evidence that plant species impact nitrogen inputs and losses, such as: atmospheric deposition, fire‐induced losses, nitrogen leaching, and nitrogen fixation, which is driven by carbon supply from plants to nitrogen fixers. Additionally, plants can influence the activity and composition of soil microbial communities, which has the potential to lead to differences in nitrification, denitrification and trace nitrogen gas losses. Plant species also impact herbivore behaviour and thereby have the potential to lead to animal‐facilitated movement of nitrogen between ecosystems. Thus, current evidence supports the view that plant species can have large impacts on ecosystem nitrogen cycling. However, species impacts are not caused by differences in plant quantity and quality, but by plant species impacts on nitrogen inputs and losses.     

全球变化下菌根真菌的作用及其作用机制

全球气候、环境、经济与社会的发展变化,对环境与资源造成严重挑战和新的发展机遇。菌根真菌是陆地生态系统中的重要生物组份,占据不可替代的重要地位,充当调控生态系统稳定和保持可持续发展的多重角色。分析了全球变化对菌根真菌的影响,探讨了全球变化下菌根真菌的地位、角色和作用,以及菌根真菌应对全球变化的可能作用机制,旨在为加强全面应对全球变化提供新的思路和途径。     

Constrained preferences in nitrogen uptake across plant species and environments

Knowledge of determining factors for nitrogen uptake preferences and how they are modified in changing environments are critical to understand ecosystem nitrogen cycling and to predict plant responses to future environmental changes. Two ¹⁵N tracer experiments utilizing a unique differential labelled nitrogen source were employed in both African savannas and greenhouse settings. The results demonstrated that nitrogen uptake preferences were constrained by the climatic conditions. As mainly indicated by root δ¹⁵N signatures at 1:1 ammonium/nitrate ratio, in the drier environments, plants preferred nitrate and in the wetter environments they preferred ammonium. Nitrogen uptake preferences were different across different ecosystems (e.g. from drier to wetter environments) even for the same species. More significantly, our experiments showed that the plant progeny continued to exhibit the same nitrogen preference as the parent plants in the field, even when removed from their native environment and the nitrogen source was changed dramatically. The climatic constraint of nitrogen uptake preference is likely influenced by ammonium/nitrate ratios in the native habitats of the plants. The constancy in nitrogen preference has important implications in predicting the success of plant communities in their response to climate change, to seed bank use and to reforestation efforts.     

根系氮吸收过程及其主要调节因子

氮（N）是植物根系吸收最多的矿质元素之一．全球变化将使土壤中N的有效性发生改变,影响陆地生态系统碳分配格局与过程．研究根系N吸收及其调控对预测生态系统结构和功能具有重要理论意义．由于土壤中存在多种形态的N源,长期的生物进化和环境适应导致植物根系对不同形态N的吸收部位、机理及调控有较大差别．因此,植物长期生长在以某一形态N源为主的土壤上就形成了不同的N吸收机制和策略．本文简述了近年来在植物根系N吸收和调控方面的最新研究进展,重点评述了不同形态N在土壤中的生物有效性,根系N吸收部位,N在木质部中的装载和运输,不同形态N（NO3^-、NH4^＋和有机氮）的吸收机制,以及根系N吸收的自身信号调控和环境因子对根系N吸收的影响．在此基础上,提出了目前根系N吸收研究中存在的几个问题．     

Decoupling the direct and indirect effects of nitrogen deposition on ecosystem function

Elevated nitrogen (N) inputs into terrestrial ecosystems are causing major changes to the composition and functioning of ecosystems. Understanding these changes is challenging because there are complex interactions between 'direct' effects of N on plant physiology and soil biogeochemistry, and 'indirect' effects caused by changes in plant species composition. By planting high N and low N plant community compositions into high and low N deposition model terrestrial ecosystems we experimentally decoupled direct and indirect effects and quantified their contribution to changes in carbon, N and water cycling. Our results show that direct effects on plant growth dominate ecosystem response to N deposition, although long-term carbon storage is reduced under high N plant-species composition. These findings suggest that direct effects of N deposition on ecosystem function could be relatively strong in comparison with the indirect effects of plant community change.