太行山南麓坡面土壤碳氮空间变异性及其影响因素

太行山南麓是我国华北平原的重要生态屏障,研究该区域土壤养分的空间变异性对土石山区林业生态建设具有重要意义。本研究以太行山南麓典型坡面(人工林坡地和自然荒坡地)为对象,采用网格法布设采样点,运用经典统计学、地统计学和约束性排序相结合的方法对土壤养分的空间变异性进行分析。结果表明: 1)太行山南麓的土壤全碳(TC)含量为6.80～57.05 g·kg^-1,全氮(TN)含量为0.74～3.93 g·kg^-1;土壤TC、TN变异系数为25.0%～52.8%,均属于中等程度变异,该变异由随机性因素和结构性因素共同引起;养分的空间聚集性均随着滞后距的增加而下降。2)土壤养分含量从坡上到坡下均有增加的趋势,养分的高值区出现在坡下部分。3)土壤总容重、砾石含量、植被覆盖度、土壤含水量是影响太行山南麓土壤TC、TN空间变异的主要因素。4)土壤含水量是影响自然荒坡地土壤养分的主控因素,但不是影响人工林坡地的主控因素。     

涌泉根灌下水氮耦合对陕北山地苹果光合特性、产量和水氮利用的影响

以陕北山地7年生‘寒富’苹果树为试验材料,设置3个灌水水平[高水(W₁,85%～100%θ_f,θ_f为田间持水量)、中水(W₂,70%～85%θ_f)、低水(W₃,55%～70%θ_f)]和3个施氮水平[高氮(N₁,600 kg·hm^-2)、中氮(N₂,400 kg·hm^-2)、低氮(N₃,200 kg·hm^-2)],研究涌泉根灌条件下水氮耦合对山地苹果树光合特性、产量和水氮利用的影响。结果表明: 相同灌水条件下,随着施氮量的减少,苹果树叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(g_s)和瞬时水分利用效率(WUE_i)降低,但胞间CO₂浓度(C_i)增加;相同施氮条件下,随着灌水量的减少,叶片P_n、T_r、g_s和WUE_i降低,而C_i增加。W₁N₁处理的P_n、T_r日均值最大,但与W₁N₁处理相比,W₂N₂处理的WUE_i最大。苹果产量、灌溉水利用效率(IWUE)和氮肥偏生产力(NPFP)受灌水和施氮量的显著影响,W₂N₂处理的产量最高(26761 kg·hm^-2),减小灌水量和增大施氮量使IWUE显著提高,而增大灌水量和降低施氮量使NPFP显著增加。回归分析表明,产量和IWUE同时获得最优解时,灌水量和施氮量组合最接近W₂N₂处理。因此,W₂N₂处理为涌泉根灌条件下陕北山地苹果最佳的水氮组合模式。     

南亚热带马尾松-红椎混交林及其纯林土壤细菌群落结构与功能

营建乡土阔叶树种人工纯林和针阔混交林是我国亚热带地区森林经营的发展趋势,但对人工纯林和针阔混交林土壤细菌群落结构及功能知之甚少。本研究以南亚热带乡土针叶树种马尾松、阔叶树种红椎人工纯林及二者的混交林为对象,运用细菌16S rRNA基因高通量测序技术和PICRUSt基因功能预测,分析了3种人工林不同土层(0～20、20～40和40～60 cm)土壤细菌群落的结构与功能。结果表明: 混交林和马尾松林土壤细菌群落结构相似,但与红椎林差异显著,红椎林土壤细菌群落多样性、生物通路代谢功能和氮循环功能低于马尾松林和混交林;土壤全氮、硝态氮和C/N是导致红椎林与马尾松林和混交林土壤细菌群落结构及功能差异的主要土壤理化因子。就土壤细菌群落结构与功能而言,在该地区营造红椎和马尾松针阔混交林要优于红椎纯林。     

限水减氮对关中平原冬小麦氮素利用和氮素表观平衡的影响

研究限水减氮对冬小麦产量、氮素利用率和氮素表观平衡的影响,探讨限水减氮管理模式在关中平原冬小麦生产中的可行性,可为实现关中平原灌区冬小麦生产的稳产高效和环境友好发展提供科学依据。本研究于2017—2018和2018—2019年连续2年在陕西杨凌地区进行小麦田间裂区试验,灌水量为主处理,设置两个灌溉水平,1200 m³·hm^-2(常规灌溉,在越冬期和拔节期灌溉, W₂)和600 m³·hm^-2(限水灌溉,仅在越冬期灌溉, W₁);施氮量为副处理,设置4个施氮水平,300 kg·hm^-2(关中地区常规施氮量,N₃₀₀)、225 kg·hm^-2(减量施氮25%,N₂₂₅)、150 kg·hm^-2(减量施氮50%,N₁₅₀)和0 kg·hm^-2(不施氮,N₀),分析冬小麦产量、氮素利用效率、收获后土壤硝态氮积累量和氮素表观平衡。结果表明: 限水减氮能显著增加冬小麦植株和籽粒氮素含量,提升产量和氮素携出量,提高氮素利用效率、氮素收获指数、氮肥表观利用率和氮肥农学效率,减少硝态氮的淋失,降低氮素盈余量,维持氮素平衡。2017—2019年在W₁N₁₅₀处理基础上增加了灌溉量和施氮量,冬小麦产量和氮素携出量不会显著增加。2017—2018年和2018—2019年,与W₂N₃₀₀相比,W₁N₁₅₀同时期植株氮素含量分别提高0.1%～25.5%和14.0%～31.6%,籽粒氮素含量分别提高0.1%和4.6%。氮素利用效率、氮素收获指数、氮肥表观利用率和氮肥农学效率平均提高95.3%、4.2%、81.7%和33.0%,氮素盈余量分别减少97.2%和95.1%,有效减少了土壤硝态氮的淋失。综合各项指标,越冬期灌溉600 m³·hm^-2配合施氮量150 kg·hm^-2的限水减氮组合能够保证关中平原冬小麦高产、高效和环境友好发展。     

黄山松土壤可溶性有机质对氮添加的响应及其与细菌群落的关联

为探究黄山松土壤可溶性有机质(DOM)数量和质量对短期氮(N)添加的响应及其与细菌群落的关联,在福建戴云山自然保护区设置不同N添加水平(0、40和80 kg N·hm^-2·a^-1)试验,采用三维荧光与平行因子联用法,并结合高通量测序手段分别对土壤DOM和细菌群落进行分析。结果表明: 与对照相比,N添加整体降低了0～10和10～20 cm土层可溶性有机碳(DOC)含量和DOM腐殖化指数(HIX),其中,高氮(80 kg N·hm^-2·a^-1)添加下均显著降低。平行因子分析法进一步表明N添加下DOM中类腐殖质组分(C1、C2)的相对含量降低。此外,N添加减少了富营养细菌(变形菌门、酸微菌纲)的相对丰度,而增加了贫营养细菌(斯巴达杆菌纲)的相对丰度。富营养细菌的相对丰度与HIX、C1、C2呈显著正相关,与相对易分解的类富里酸组分(C3)呈显著负相关;而贫营养细菌的情况则相反。说明N添加下不同生活策略的细菌类群对DOM中难分解和易分解组分存在明显的偏好性。我们推测N沉降加剧背景下土壤微生物生活策略的转变可能有助于DOM组分的塑造。     

尕海湿地退化演替过程中土壤有机氮组分的变化特征

为探究尕海湿地退化演替过程中土壤有机氮各组分变化规律,采用野外采样与室内分析相结合的方法,研究尕海湿地未退化(UD)、轻度退化(LD)、中度退化(MD)和重度退化(HD)4个退化演替阶段的土壤总氮(TN)和有机氮组分[未知态氮(HUN)、酸解氨态氮(AMN)、酸解氨基酸态氮(AAN)以及氨基糖态氮(ASN)]含量及其分布特征。结果表明: 当尕海湿地退化演替到LD时,0～10 cm层土壤TN、HUN、AMN和AAN含量分别降低17.3%、19.4%、8.6%和-5.6%,MD时分别降低28.0%、19.4%和17.1%和0,HD时分别降低35.8%、28.8%、28.6%和55.6%;10～20 cm层,LD时上述氮素含量分别降低4.0%、10.3%、2.9%和9.1%;MD时分别降低21.0%、18.3%、-2.9%和-9.1%;HD时分别降低9.9%、38.9%、21.2%和51.4%;而20～40 cm无显著变化;4个退化阶段各酸解氮组分占TN比例大小顺序为HUN(25.9%～32.5%)> AMN(6.7%～11.1%)> AAN(4.8%～11.1%)> ASN(1.2%～4.4%)。冗余分析显示,土壤含水量是土壤有机氮组分变化的主要驱动因子。尕海湿地退化显著降低了0～10 cm层土壤TN及酸解氮各组分含量,减弱了土壤氮“汇”功能,AAN和ASN对湿地退化最为敏感。     

不同生活型被子植物功能性状与基因组大小的关系

基因组大小在被子植物物种之间存在着巨大的变异, 但目前对不同生活型被子植物功能性状与基因组大小的关系缺乏统一的认识。本研究基于被子植物245科2,226属11,215个物种的基因组大小数据, 探讨了不同生活型物种种子重量、最大植株高度和叶片氮、磷含量4个功能性状与基因组大小之间的关系。结果表明, 被子植物最大植株高度和种子重量与基因组大小间的关系在草本和木本植物中存在显著差异。草本植物最大植株高度与基因组大小的关系不显著, 但种子重量与其呈极显著的正相关关系。木本植物最大植株高度与基因组大小显著负相关, 但种子重量与其关系不显著。木本植物叶片氮含量与基因组大小呈显著正相关, 但其他生活型植物的叶片氮、磷含量与基因组大小均无显著相关性。本研究表明被子植物功能性状与基因组大小的相关性在不同生活型间存在差异, 这为深入研究植物多种功能性状和植物生活型与基因组大小的权衡关系在植物演化和生态适应中的作用提供了重要依据。     

土壤氮磷添加下豆科草本植物生物固氮与磷获取策略的权衡机制

豆科草本植物固氮是陆地生态系统重要的自然氮输入方式, 影响着草地生产的经济性和可持续性。为探讨氮磷交互作用影响豆科草本植物生物固氮率的潜在生理生态机制, 该研究选取8种豆科草本植物分别种植在对照、氮肥添加、磷肥添加和氮磷耦合添加处理的土壤中, 进行野外盆栽实验。测定了初花期植物生物量和营养含量、根部碳水化合物含量、根际pH、根际柠檬酸含量、根际有效磷含量、植物根瘤生物量、磷含量及其生物固氮率。主要结果: 依赖于豆科物种, 氮添加显著促进了豆科草本植物根际磷的活化, 降低了根生物量分配以及根系非结构性碳水化合物含量。在两种磷添加处理下, 氮添加导致8种豆科草本植物根瘤生物量平均下降27%-36%, 生物固氮率平均下降20%-33%。磷添加降低了根际的磷活化, 但促进了豆科草本植物根系发育和非结构性碳水化合物的积累。在施氮和不施氮条件下, 磷添加分别使8种豆科草本植物的生物固氮率提高了45%-69%和0-47%。氮添加降低豆科草本植物生物固氮率, 其原因是氮添加提高了植物磷需求, 为活化更多磷, 豆科草本植物降低根系生物量和根系非结构性碳水化合物的含量, 导致根瘤发育受到限制。在氮添加的同时进行磷添加, 能够改善土壤氮磷平衡, 促进根系生长和非结构性碳水化合物积累, 缓解了增氮对生物固氮的抑制作用。     

草地土壤有机质不同组分氮库对长期氮添加的响应

土壤氮库对生态系统的养分循环至关重要。目前多数研究主要关注氮沉降对土壤总氮的影响, 而对土壤不同有机质组分的氮库对氮沉降响应的研究较为缺乏。该研究基于内蒙古典型草地的长期多水平施氮(0、8、32、64 g·m^-2·a^-1)实验平台, 利用土壤密度分级方法, 探究氮添加处理13年后典型草地中两种土壤有机质组分(颗粒态有机质(POM), 矿质结合态有机质(MAOM))氮含量的变化及调控机制。结果显示: 土壤总碳含量、POM和MAOM的碳含量在施氮处理间均没有显著差异。土壤总氮含量则随着施氮水平增加呈显著增加的趋势, 同时施氮处理下POM的氮含量显著上升, 而MAOM的氮含量没有变化。进一步分析发现, 施氮促进植物地上生物量积累, 增加了凋落物量及其氮含量, 从而导致POM的氮含量增加。由于MAOM主要通过黏土矿物等吸附土壤中小分子有机质形成, 其氮含量受土壤中黏粒与粉粒含量影响, 而与氮添加水平无显著相关关系。该研究结果表明长期氮添加促进土壤氮库积累, 但增加的氮主要分布在稳定性较低的POM中, 受干扰后容易从生态系统中流失。为了更准确地评估和预测氮沉降对陆地生态系统的氮循环过程的影响, 应考虑土壤中不同有机质组分的差异响应。     

非结构性碳水化合物与氮分配对美洲黑杨和青杨耐盐能力的影响

土壤盐渍化是阻碍林业发展的重要原因, 杨树(Populus spp.)是中国主要的人工林树种, 探究盐胁迫下植物的碳氮代谢特征与抗盐胁迫能力, 将有助于杨树人工林的可持续发展。该研究利用美洲黑杨(P. deltoides)和青杨(P. cathayana)两个物种, 采用去叶与不去叶处理, 在盐胁迫下研究两种杨树的抗逆性差异。研究发现, 盐胁迫下美洲黑杨的总生物量和光合能力均显著高于青杨。盐胁迫与去叶处理导致美洲黑杨叶绿素浓度和光系统II最大光量子效率显著高于青杨, 表明去叶对美洲黑杨影响较小, 但是加重了盐对青杨的毒害作用。美洲黑杨茎叶Na⁺浓度显著低于青杨, 表明美洲黑杨能够有效地限制Na⁺向地上部分运输。在盐胁迫条件下, 美洲黑杨茎和根比青杨能够维持更高浓度的淀粉、可溶性糖以及蔗糖, 前者较高的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性促进了光合产物向淀粉转换, 保证植物有充足的非结构性碳水化合物来参与渗透调节和维持其他生命活动, 而去叶使得青杨非结构性碳水化合物严重不足, 受盐胁迫影响更严重。盐胁迫下, 青杨分布在脂溶性蛋白(膜系统相关蛋白质)的氮浓度显著下降, 而NH₄⁺、谷氨酸脱氢酶活性与脯氨酸浓度显著升高。研究结果证明, 非结构性碳水化合物的积累、转化和分配是植物抗逆性的重要特征。