丛枝菌根真菌参与下植物-土壤系统的养分交流及调控

近几年随着有机农业的发展,丛枝菌根的作用受到特别关注。丛枝菌根是由植物根系与丛枝菌根真菌(AMF)形成的一种共生体。在植物-AMF-土壤系统中,AMF为植物提供N、P等营养的同时从根系得到所需的C。概述了植物-AMF-土壤系统中C、N、P等营养物质的交流以及AMF与土壤微生物的互作关系。丛枝菌根的形成可显著提高植物对P的吸收,且在高P条件下多余的P可储存于AMF中。AMF对土壤N循环的影响相当复杂,可能参与调控N循环的多个过程,如硝化作用、反硝化作用和氨氧化作用等。在有机质丰富的土壤中AMF菌丝可快速扩增并吸收其中的N,主要供菌丝自身所需,只有一小部分传递给植物。AMF对土壤C库的影响尚存争议,可能存在时间尺度的差异。短期内可活化土壤C,而在长期尺度上可能有利于土壤C的储存。AMF能够通过改变土壤微生物群落结构而影响植物-土壤体系的物质交流。AMF与解磷菌、根瘤菌和放线菌的协同增效作用可促进土壤有机质的降解或增强其固氮能力;AMF对氨氧化菌的抑制作用可降低氨的氧化减少N2O的释放。AMF与外生共生真菌EMF共存时,表现出协同增效作用,但EMF的优先定殖会限制AMF的侵染。AMF不同类群之间则主要表现为竞争和拮抗关系。AMF与土壤微生物之间的互作关系受土壤无机环境的影响,在养分亏缺条件下微生物之间往往表现为竞争关系。因植物、AMF与土壤微生物之间存在复杂的互作关系,为此AMF并不总是表现出其对植物营养的促进作用。目前关于AMF的作用机理仍以假说为主,需要进一步的实验验证。在植物-AMF-土壤系统中N与C的交流和P与C的交流并未表现出一致性,对N、P循环相互关系的进一步探讨有助于深入理解植物-土壤体系中的养分循环。植物、AMF和土壤微生物的养分来源及其对养分的相对需求强度和吸收效率尚未可知,因此无法深入理解AMF在植物-土壤体系中养分交流和转化的作用。在方法上,传统的土壤学方法在养分动态研究中存在局限性,现代分子生物学手段和化学计量学的结合值得尝试。     

淹水胁迫下江南牡丹生长及光合特性研究

以3年生江南牡丹品种‘凤丹白’为材料,利用盆栽淹水法,设置正常管理、轻度胁迫和重度胁迫3个水平,研究不同淹水胁迫水平对牡丹生长和光合特性的影响。结果表明：经过30 d胁迫后,正常管理、轻度胁迫和重度胁迫下的江南牡丹苗高生长量分别为3.6、1.1和0.73 cm,地径生长量分别为0.21、0.11和0.06 cm,植株总生物量增加量分别为7.0、3.0和2.75 g,淹水胁迫和正常生长差异显著,淹水胁迫严重影响了江南牡丹的生长。同时,在正常管理时,牡丹总叶绿素含量升高,而在淹水胁迫下呈下降趋势。淹水胁迫不同时间根系活力均呈下降趋势且随着胁迫程度的增加下降越大。正常管理下光合速率逐渐增加而胁迫条件下光合速率逐渐降低。同时胁迫条件下,牡丹蒸腾速率、气孔导度均明显下降;轻度淹水胁迫下胞间CO2浓度先升高后降低;而重度胁迫下胞间CO2浓度呈现逐渐升高的变化趋势。淹水胁迫对牡丹根系活力、茎段生长和叶片光合特性影响较大。该研究结果为江南牡丹耐涝胁迫机理研究奠定了理论基础。     

荒漠草原中间锦鸡儿林土壤养分效应对群落组分和多样性的影响

为系统认识荒漠草原中间锦鸡儿人工林草本植被特征及演变趋势对土壤养分的响应,采用空间代替时间的方法,以天然草地为对照,构建3个中间锦鸡儿林龄(16a、25a、37a)研究序列,调查不同中间锦鸡儿林灌丛内外土壤植被并分析二者之间的关系。结果表明:(1)随林龄增加,不同功能群植物重要值呈不同变化趋势,其中禾本科植物显著增加,豆科植物显著降低,杂草类植物先减小后增加。(2)α多样性分析显示,荒漠草原中间锦鸡儿人工林16a灌丛外物种丰富度(S)、香浓维纳指数(H)最高(P0.01);不同林龄均匀度指数(J)、优势度指数(P)未表现出明显的变化规律。(3)β多样性分析显示,Cody指数(βc)和Morisita-Horn(CMH)相似指数均表现出16a与25a、37a之间的物种差异较大、25a与37a之间物种差异相对较小、37a中间锦鸡儿林与天然草地物种组成相似,βws指数在25a中间锦鸡儿林最大。(4)人工中间锦鸡儿林存在显著的土壤碳氮"肥岛效应",其中土壤有机碳是不同林龄植物群落组成差异的显著性影响因子,土壤速效氮为不同林龄灌丛外植物多样性差异的显著性影响因子,但灌丛内植物多样性对土壤养分的响应并不显著。研究认为,中间锦鸡儿林土壤养分演替正效应提高了植物多样性,增强了植物物种的更替程度,但建植后期(37a)植物群落存在向天然草地演替趋势。     

灰杨克隆繁殖、自身养分与土壤养分季节变化及其耦合关系的林缘——林内差异

阐明灰杨(Populus pruinosa Schrenk)克隆特征变化及受外界环境影响,是增强灰杨林生态服务功能的基础。本研究在中国新疆塔里木河上游灰杨河岸林,沿垂直河道方向在林缘(距河道200 m)、林内(距河道400 m)生境设置样方,于2014年4～10月,每隔20天调查两生境不定芽、未出土和出土克隆分株数量,测定横走侧根及土壤养分含量。结果表明:(1)横走侧根全氮、全磷、全钾、有机碳含量的变化趋势与不定芽和未出土分株数在4～6月逐渐增加、7～10月逐渐减少变化趋势基本一致,与土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量在4～6月逐渐升高或保持最高水平,在7～10月逐渐降低的变化趋势同步;横走侧根碳氮比在4～6月初逐渐降低,随后呈现增大又减小的趋势;氮磷比在4～6月逐渐减小,7月显著减小后逐渐增大(林缘)或基本保持不变(林内)。(2)不论是林缘还是林内,不定芽数量受到横走侧根全氮和氮磷比的影响,未出土分株数受到横走侧根全氮、有机碳含量、碳氮比的影响;林缘不定芽数量与土壤有机质、碱解氮及速效钾含量相关紧密,未出土分株数与土壤碱解氮和速效磷显著相关,土壤养分也与横走侧根全氮、碳氮比、氮磷比紧密相关,而在林内受到土壤养分影响的主要是横走侧根全氮和氮磷比。(3)林内的不定芽、未出土及出土克隆分株数量显著低于林缘,土壤养分含量通过影响横走侧根养分含量而影响不定芽、未出土分株、出土分株数量。灰杨是杨属为数不多的国家保护植物,具有重要的生态服务功能,我们的结果对基于克隆繁殖的灰杨林保护策略提供基础数据支持。     

油菜秸秆还田对水稻根系、分蘖和产量的影响

采用田间试验与栽培模拟试验相结合的方法,分析了油菜秸秆还田对水稻根系、分蘖和产量的影响.结果表明: 水稻移栽后0～36 d,与秸秆不还田处理相比,油菜秸秆还田处理下水稻分蘖减少1～2个,根系单株伤流量降低1.0～8.6 mg,根系谷氨酰胺合成酶(GS)、谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT) 活性分别降低0.10～6.11、0.06～0.31和0.52～0.84 μmol·g^-1·h^-1. 水稻移栽后56 d,与秸秆不还田处理相比,油菜秸秆翻埋还田处理下水稻根系单株伤流量增加3.4～11.7 mg,根系GS、GPT和GOT活性分别增加0.34～0.78、0.13～0.45和0.18～0.20 μmol·g^-1·h^-1;油菜秸秆覆盖还田处理下水稻根系单株伤流量降低19～25 mg,根系GS、GPT和GOT活性分别增加0.16～0.34、0.08～0.21和0.06～0.32 μmol·g^-1·h^-1.油菜秸秆还田处理中,全量还田处理下的水稻产量最高,其中,与全量覆盖还田相比,全量翻埋还田处理下的水稻产量增加0.13～0.48 t·hm^-2.可见,油菜秸秆还田会导致水稻生长前期根系活力下降、氮代谢酶活性降低,从而使水稻根系生长缓慢、返青延迟,但在中后期,随着根系活力和氮代谢酶活性的增强,秸秆还田会促进水稻根系生长;油菜秸秆还田对水稻产量的影响是多因素综合作用的结果,全量翻埋还田更适宜于四川油稻两熟轮作系统.     

铜绿假单胞菌对镉胁迫苗期水稻根系活力及叶片生理特性的影响

为揭示耐镉铜绿假单胞菌缓解镉胁迫水稻的生理效应,以无镉处理为对照,通过添加菌液、空载体、菌剂及20μmol·L^-1 Cd进行水培试验,分析了菌株对苗期水稻根系活力及叶片生理特性的影响.结果表明:镉胁迫显著抑制了水稻的根系活力,降低了叶片光合效率、抗氧化酶活性及可溶性蛋白、类黄酮与总酚含量,提高了叶片丙二醛(MDA)和超氧阴离子(O2-)含量.与镉处理相比,添加菌液、菌剂处理的水稻根系活力分别提高了36.1%~42.5%、49.4%~53.0%;叶片净光合速率提高了118.5%~147.1%、137.6%~156.9%;可溶性蛋白含量提高了37.0%~49.3%、37.7%~72.6%.菌剂处理的水稻叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性分别比Cd处理提高了36.9%~42.6%、82.7%~92.6%、43.3%~52.2%,菌液处理的SOD、POD、CAT则分别比Cd处理提高了25.8%~36.6%、40.9%~55.9%、24.0%~29.2%,菌剂对水稻叶片抗氧化酶的促进效应显著高于菌液;菌剂、菌液处理的水稻叶片MDA含量分别比Cd处理降低了44.8%~54.7%、29.4%~41.9%;O2-含量减少了9.9%~10.2%、3.0%~7.1%;菌剂处理后类黄酮、总酚含量分别比Cd处理提高了125.4%~135.7%、100.8%~119.4%;菌液处理后则分别提高了139.4%~146.7%、115.0%~134.7%.可见,铜绿假单胞菌及其菌剂通过提高苗期水稻根系活力、光合作用促进了苗期水稻的生长.铜绿假单胞菌通过增强水稻抗氧化酶活性、提高类黄酮和总酚等抗氧化物质含量,表现出显著的缓解镉胁迫效应.     

神农架常绿落叶阔叶混交林凋落物养分特征

凋落物是联结陆地生态系统植物与土壤养分的重要媒介,了解凋落物养分特征有助于理解陆地生态系统物质循环的机理。该研究于2015年收集了神农架地区常绿落叶阔叶混交林的新鲜凋落物及现存凋落物,测定其不同器官中大量元素(C、N、P、K、Ca、Mg)的含量,据此分析其养分含量、养分归还量、养分储量及化学计量比的特征。结果发现:该常绿落叶阔叶混交林新鲜凋落物的C、K养分含量显著高于现存凋落物,N、P、Ca、Mg养分含量显著低于现存凋落物;其凋落物大量元素的养分归还量及养分储量大小顺序均为C Ca N Mg K P,分别为1569.84、52.44、34.82、6.24、5.24、1.30 kg hm~(-2) a~(-1)及1835.29、87.87、51.17、12.12、3.90、1.95 kg hm~(-2) a~(-1);其新鲜凋落物及现存凋落物的C∶N∶P分别为1307.33∶27.73∶1及976.48∶26.77∶1,新鲜凋落物的C∶N、C∶P显著高于现存凋落物,N∶P无显著区别。研究表明,新鲜凋落物与现存凋落物养分含量之间的差异与不同元素在分解过程中的可淋溶性及生物固持等因素有关。该地区常绿落叶阔叶混交林凋落物养分归还量及养分储量相对于亚热带阔叶林平均水平较低;且显著低于喀斯特地区同类型森林,主要与其凋落物产量、降水量及植被类型有关。该森林生态系统新鲜凋落叶与中国及全球范围内阔叶树种凋落叶相比C∶N较低,C∶P、N∶P较高,这可能是由于该地区N沉降及P限制现象较为严重所致。     

樟树(Cinnamomum camphora)幼苗细根形态对氮磷添加和幼苗密度的响应

全球氮沉降对森林生态系统结构和功能的影响已成为现代生态学研究热点之一,我国华南地区氮沉降的增长引起了土壤酸化和磷限制加剧等一系列生态问题。密度制约着植物个体对环境资源的吸收利用,是自然界中十分重要的选择压力之一。因此研究樟树(Cinnamomum camphora)幼苗的细根形态对氮磷添加和密度的响应,有利于了解亚热带树木根系对氮沉降和磷添加与林分密度的响应过程和机制,并为全球变化背景下樟树林生态系统的管理提供依据。本研究以1年生樟树幼苗为试验材料,选择氯化铵(NH_4Cl)作为氮肥以模拟大气氮沉降,并且以二水合磷酸二氢钠(NaH_2PO_4·2H_2O)模拟磷添加,氮磷处理设置4个水平,即对照、施N、施P和施N+P;种植密度设置10、20、40和80株/m~2 4个水平。测定各处理樟树幼苗细根的根长、表面积、体积和根尖数,分析氮磷添加、密度和两者交互作用对樟树幼苗细根的影响。研究结果表明,与对照处理相比,N、P和N+P处理促进了幼苗细根长度、表面积、体积以及根尖数的增加。低密度条件下的N添加对幼苗根系形态的促进效果强于P添加。N+P处理对10、20、40株/m~2幼苗根系形态的促进效果最佳,而各处理对80株/m~2幼苗根系形态的促进效果均无显著性差异。随着种植密度的增大,幼苗细根长度、表面积、体积和根尖数均减少。樟树幼苗的细根长度、表面积、体积和根尖数在各密度间和不同氮磷添加处理间均有显著性差异,密度和氮磷处理间的交互作用对根系形态各指标均无显著影响。     

不同林龄麻栎林地下部分生物量与碳储量研究

探讨不同林龄麻栎林地下部分根系的生物量与碳储量,为麻栎林的经营管理及碳汇管理等提供科学依据。以江苏省句容市不同林龄(幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林)的麻栎林为研究对象,采用全根挖掘法获取麻栎各级根系及灌草层根系,并测定其生物量、碳含量,构建麻栎根系生物量模型,估算麻栎林地下部分根系碳储量及麻栎林群落碳储量。通过11种数学回归模型的比较,构建麻栎各级根系生物量幂回归模型,计算得到幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林麻栎根系生物量分别为14.81t/hm~2、41.15t/hm~2、50.36t/hm~2、53.75t/hm~2,各级根系生物量大小顺序是:根桩粗根大根细根;灌木与草本植物根系生物量分别为0.48—1.71t/hm~2、0.13—0.60t/hm~2;不同林龄麻栎林群落根系生物量为15.42—56.06t/hm~2,且随林龄的增大而增大。麻栎根系碳含量大小顺序为:根桩粗根大根细根,且碳含量差异显著;灌木与草本植物根系碳含量分别为41.84%—43.79%、34.03%—38.48%,随林龄变化均无明显变化规律。麻栎林乔木根系碳储量随林龄增大而增大,幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林根系碳储量分别为6.01t/hm~2、17.41t/hm~2、21.79t/hm~2、21.99t/hm~2;灌木与草本植物根系碳储量均随林龄增大而增大;幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林群落根系碳储量分别为6.26t/hm~2、17.74t/hm~2、22.37t/hm~2、22.94t/hm~2,且乔木层灌木层草本层。麻栎林地下部分根系生物量与碳储量随林龄的增大而增大,幼龄林到近熟林生长过程中生物量与碳储量增加快速,近熟林后生物量与碳素积累缓慢,且与成熟林接近。     

不同林龄油茶人工林土壤酶化学计量及其影响因素

土壤酶化学计量比是揭示微生物生长代谢过程及评价土壤养分资源限制状况的重要指标。油茶是中国南方主要的木本油料作物,近年来愈来愈受关注,但鲜有从生态化学计量学的角度深入理解人工经济林的土壤微生物养分限制状况。本文以亚热带地区不同林龄油茶人工林土壤为研究对象,采用时空互代法在区域尺度上随机选取32个不同林龄油茶人工林并将其分为四个林龄组(9年幼龄林;9—20年近熟林;21—60年成熟林; 60年过熟林),通过测定土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)转化酶活性(β-葡糖苷酶(BG)、α-纤维素酶(CBH)、β-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、酸性磷酸酶(AP))及土壤理化因子,探讨不同林龄油茶人工林土壤C、N、P转化酶化学计量特征及其与土壤理化因子的关系。结果表明:五种C、N、P转化酶活性均有随林龄增大而增加的趋势,且AP活性显著高于其它四种酶活性。相关分析结果表明,五种土壤C、N、P转化酶活性均与土壤有机碳和总氮显著相关,与土壤总磷和速效磷含量不相关。土壤酶化学计量比ln(CBH+BG)∶ln(NAG+LAP)、ln(CBH+BG)∶ln(AP)和ln(NAG+LAP)∶ln(AP)均随林龄增大而一定程度增加。亚热带区油茶人工林土壤酶C∶N∶P化学计量比为1∶1∶1.5,这与全球生态系统土壤酶C∶N∶P化学计量比1∶1∶1相偏离,表明亚热带地区油茶人工林土壤微生物生长受磷素限制。冗余分析(RDA)进一步揭示土壤有机碳含量是影响土壤酶活性和酶化学计量比的主要因子。因此,在油茶人工林经营管理中应考虑磷和外源碳的投入,提高土壤微生物酶活性,缓解油茶人工林生态系统的磷限制。研究结果可为亚热带区油茶人工林土壤养分管理和可持续利用提供基础理论支撑。