氮和水分添加对内蒙古荒漠草原放牧生态系统土壤呼吸的影响

土壤呼吸是生态系统碳循环的重要组成部分, 同时也是评价生态系统健康状况的重要指标, 对于评估退化草地恢复过程中生态系统功能具有重要意义。该研究在内蒙古四子王旗短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原长期放牧实验平台上进行, 该平台设置对照(CK)、轻度(LG)、中度(MG)和重度(HG) 4个放牧强度。通过在4个放牧处理区设置氮、水添加实验处理, 探讨不同放牧强度背景下, 氮、水补充对荒漠草原土壤呼吸过程的影响。结果表明: (1)历史放牧强度除2015年对土壤呼吸无显著影响, 2016和2017年都有显著影响, 放牧区3年平均土壤呼吸速率基本都高于对照区。此外, 氮和水分添加显著增加了MG区土壤呼吸速率, HG区氮、水同时添加对土壤呼吸速率有显著增加作用; (2)无论是历史放牧强度, 还是氮、水添加处理, 都没有改变荒漠草原生长季土壤呼吸速率的季节动态变化趋势, 土壤呼吸速率基本表现为单峰曲线模式, 峰值出现在水热同期的7月份; (3)不同年份生长季土壤呼吸速率对氮、水处理的响应并不相同, 氮添加至第3年产生显著影响。水分添加在平水年份(2015和2017年)对土壤呼吸产生显著影响, 但在丰水年份(2016年)无显著影响。氮、水共同添加分别在CK、LG和HG区3年平均土壤呼吸速率显著高于单独加水处理, 说明氮添加的有效性依赖于水分条件, 两者表现为协同作用; (4)不同处理下荒漠草原土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)值介于1.13-2.41之间, 平均值为1.71。在无氮、水添加时, 放牧区的Q₁₀值都小于CK区, 总体表现为CK 大于 MG 大于 LG 大于 HG; 加水和氮水共同添加处理后, Q₁₀值都有明显增加, 其中NW处理下Q₁₀值都增加到2.0以上。上述结果说明在过去受不同放牧强度影响的荒漠草原在停止放牧后的恢复过程中, 土壤水分仍是影响土壤呼吸的主导环境因子, 外源氮添加只有在满足一定水分供给的基础上才起作用, 尤其是过去的重度放牧区土壤呼吸速率对氮、水补充的响应最为强烈。该研究结果可以为评估荒漠草原恢复过程中土壤呼吸速率受养分和水分影响提供基础资料和依据。     

云杉碳氮化学计量比对土壤水分和氮有效性的响应

以西南亚高山针叶林优势种——粗枝云杉(Picea asperata)为研究对象,探究不同土壤水分状况和氮添加下云杉碳氮化学计量比的变化及其响应过程。采用两因素(水分×氮素)随机区组实验,设置5个土壤水分梯度和3个氮添加浓度,其中土壤水分梯度分别是土壤田间持水量的40%(W1)、50%(W2)、60%(W3)、80%(W4)和100%(W5),氮添加浓度分别为0(N0)、20(N1)、40(N2)gNm~(-2) a~(-1)。结果表明:(1)土壤水分和氮添加显著影响了云杉碳氮化学计量比(P0.05),具体为:云杉植株和器官碳氮比在N0W4处理下最大值,随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而降低。(2)随土壤水分有效性的降低,根和叶的碳含量显著升高(P0.05),茎和叶的碳含量随着氮添加浓度的增加而降低。此外,土壤水分有效性的降低显著提高了根和茎的氮含量(P0.05),各器官的氮含量随着氮添加浓度的增加而增加。在相同水分和氮添加浓度处理下表现为碳含量:叶茎根,氮含量:叶根茎。(3)云杉净光合速率随土壤水分有效性的降低先升高后降低,随氮添加浓度增加而增加,在N2W4达到最大。(4)根对NH~+_4和NO~-_3的净吸收速率随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而显著增加(P0.05)。此外,根对NH~+_4的净吸收速率与土壤有效氮含量呈显著负相关关系(P0.05)。本研究表明,土壤水分和氮添加影响了云杉的碳同化和氮吸收过程,改变植物的碳、氮分配策略和养分利用效率,从而导致碳氮比的变化。     

施硅对增温稻田CH4和N2O排放的影响

夜间增温幅度大于白天是气候变暖的显著特征。夜间增温影响水稻生产及CH4和N2O排放。硅是作物有益元素,施硅可提高产量,减少稻田CH4排放。增温或施硅单因子对稻田CH4和N2O排放影响已有报道,但二者耦合如何影响水稻生产及稻田CH4和N2O排放,尚不清楚。通过田间模拟试验,研究了夜间增温下施硅对水稻生长、产量及温室气体持续增温/冷却潜势和排放强度的影响。采用铝箔反光膜夜间(19:00-6:00)覆盖水稻冠层进行模拟夜间增温试验。增温设2水平,即常温对照(CK)和夜间增温(NW);施硅量设2水平,即Si0(不施硅)和Si1(钢渣硅肥,200 kgSiO2/ha)。结果表明,施硅可缓解夜间增温对水稻根系活力的抑制作用,降低夜间增温对水稻地上部、地下部干重和产量的抑制作用。夜间增温显著提高CH4累计排放量,而施硅显著降低CH4累计排放量。夜间增温下施硅处理稻田CH4累计排放量在分蘖期、拔节期、抽穗-扬花期和灌浆成熟期比未施硅处理分别低48.12%、49.16%、61.59%和39.13%。夜间增温或施硅均促进稻田N2O排放,夜间增温下施硅在上述生育期以及全生育期的累计排放量依次比对照高78.17%、51.45%、52.01%、26.14%和40.70%。研究认为,施硅可缓解夜间增温对稻田综合增温潜势和排放强度的促进作用。     

长白山白桦山杨次生林细根形态特征和解剖结构对氮沉降的响应

根系作为植物与土壤物质交换和养分循环的桥梁,长期以来一直是生态学研究的热点。于2017年7月植物生长季,对长白山模拟11年氮(N)沉降控制试验样地的白桦(Betula platyphylla)山杨(Populus davidiana)天然次生林进行了根系采样,并利用根序法研究了根系形态特征和解剖结构对不同梯度N添加处理的响应,旨在探求两物种根系之间潜在生态联系。本试验共设置了三个N添加梯度,分别为对照(CK,0 g N m~(-2 )a~(-1))、低N处理(T_L,2.5 g N m~(-2 )a~(-1))和高N处理(T_H,5.0 g N m~(-2 )a~(-1))。研究结果如下:1)T_L显著抑制白桦和山杨前三级细根皮层厚度的生长。白桦通过增加皮层细胞直径(一级根增加了72.77%,二级根增加了53.22%,三级根增加了39.96%)但减少皮层层数来降低皮层厚度,而山杨主要通过皮层细胞直径的减少(一级根下降了40.80%,二级根下降了28.17%)来降低其皮层厚度。2)T_H显著抑制山杨前三级细根生长。主要通过增加皮层厚度(一级根增加了68.78%,二级根增加了50.81%,三级根增加了88.53%)以及降低导管横截面积来抑制吸收养分,从而达到影响生长的目的。3)白桦T_H相比于T_L细根直径呈抑制生长状态。其主要通过抑制中柱直径(一级根下降了17.61%,二级根下降了16.89%,三级根下降了20.62%)的生长来实现。以上结果表明,在同一立地条件下,白桦和山杨的细根对不同浓度N沉降的响应方式不同。     

易分解有机碳输入量对武夷山不同林型土壤激发效应的影响

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳储量库,其微小的变化也能使大气中CO₂浓度发生巨大的改变,植物来源碳的输入能通过激发效应促进或抑制土壤有机碳（SOC）的分解,对SOC的动态平衡产生影响。以武夷山三个林型（阔叶林、马尾松林、针阔混交林）土壤为研究对象,通过向土壤中添加不同量的¹³C标记葡萄糖（0、100、200、400 mg C/kg）研究易分解有机碳输入量对不同林型土壤激发效应的影响,并在此基础上探讨易分解有机碳输入量对土壤激发效应影响的作用机理。结果表明,葡萄糖输入对土壤激发效应的影响与葡萄糖输入量和林型有关。葡萄糖的输入均抑制了三个林型SOC的分解（即,呈现负的激发效应）。阔叶林土壤和针阔混交林土壤激效应强度随着葡萄糖输入量的增加而增加,而马尾松林土壤的激发效应强度对葡萄糖输入量的响应并不明显。然而在马尾松林土壤中由葡萄糖所引起的激发效应强度显著高于其他两种林型土壤。研究结果表明,易分解有机碳的输入可以抑制SOC的矿化,形成负激发效应,阔叶林土壤的激发效应强度与土壤可利用氮、葡萄糖添加量与微生物碳量比值有关,而针阔混交林与马尾松林土壤的激发效应强度分别与土壤中的放线菌和真菌有关。     

天山林区土壤总氮矿化过程对季节性冻融的响应

森林土壤总氮矿化对冻融过程的响应机制尚不明确,氮矿化速率和转化情况尚缺乏定量刻画。通过土壤原位法与室内培养分析相结合,利用~(15)N同位素稀释技术,研究冻融期间天山林区乔木林地、灌丛、草地3种群落类型土壤总氮矿化及转化累积量的动态,分析土壤总氮矿化速率与土壤温度、含水率及微生物量氮(MBN)的相互关系。结果表明:(1)冻融过程及群落类型对总氮矿化速率和MBN含量有极显著的影响(P0.01),秋、春季冻融期的总氮矿化速率相比冻结期更高;(2)季节性冻融期间,乔木林地土壤总氨化累积量在3种群落类型中最高(163.9 kg N hm~(-2) a~(-1)),秋、春冻融期占整个时期的比值约为66%;而总硝化累积量在3种群落类型中相差较小,秋、春冻融期占比均约为77.4%;(3)土壤温度和含水率显著影响总氮矿化速率、净氮矿化速率和MBN速率,随土壤温度增加,总氨化速率(林地和灌丛)显著升高(P0.05);随土壤含水率增加,净氨化速率(灌丛)和净硝化速率(灌丛)显著降低(P0.05)。通过揭示天山林区土壤总氮矿化速率(总氨化速率和总硝化速率)及转化累积量对冻融过程的响应情况,本研究为天山森林土壤中氮的生物地球化学过程提供了有价值的基础数据。     

荒漠土壤微生物量碳、氮变化对降水的响应

以腾格里沙漠东南缘的典型荒漠植被为研究对象,通过遮雨棚和滴灌系统设置5个降水梯度,即极端干旱处理、中度干旱处理、对照、增水处理I和增水处理II,研究了荒漠土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)和微生物碳氮比(MBC/MBN)对季节、降水和土壤深度的响应规律,以期为极端降水事件影响干旱荒漠区土壤微生物量碳、氮及其循环规律的深入研究提供科学依据。结果表明:(1)MBC、MBN和MBC/MBN对降水处理的响应存在差异,三者的变化范围为:230.14-272.87 mg/kg,13.82-17.58 mg/kg,19.78-36.06。其中,降水处理对MBC、MBN的影响显著,对MBC/MBN的影响不显著,在极端干旱处理下,MBC、MBN均显著高于其他降水处理;(2)两年间的MBC、MBN和MBC/MBN差异显著,2017年较2016年MBC、MNB显著减少,MBC/MBN显著增加;(3)MBC、MBN和MBC/MBN变化均表现季节性差异,变化范围分别为:153.31-337.09 mg/kg,7.89-22.29 mg/kg,14.82-46.04,其中MBC、MBN为春季最高、秋季最低,MBC/MBN为夏季最低、冬季最高;(4)MBC、MBN和MBC/MBN在土壤0-20 cm的变化范围为:232.57-265.15 mg/kg,14.00-17.93 mg/kg,24.37-32.07,其中土壤表层(0-5 cm)MBC、MBN显著高于中层土壤(5-10 cm)和下层土壤(10-20 cm),而不同土壤深度的MBC/MBN差异不显著。因此,在极端降水事件频发的全球气候背景下,极端干旱将影响荒漠生态系统MBC、MBN水平,进而对碳、氮平衡和循环过程产生影响,对这一问题的确切回答尚需长期系统监测研究。     

不同类型高寒草地群落结构与生产对施氮的响应及其敏感性

大气氮沉降增加被认为是目前重要的环境问题,会引起生物多样性的丧失和生态系统稳定性的降低。但作为草地改良的管理措施,养分添加被广泛应用于退化草地的恢复。但由于不同类型草地所处气候与群落组成的差异,对氮输入的响应可能不同。通过在藏北高原高寒草甸与高寒草甸草原设定长期氮添加梯度试验(对照, 25, 50, 100, 200 kg N hm~(-2) a~(-1)),来探讨氮输入对生物多样性与生产的影响,并估算不同类型高寒草地的氮饱和阈值。施氮对高寒草甸物种多样性指数无影响,而随着施氮量的提高高寒草甸草原植物物种数和多样性指数均逐渐降低。开始施肥前两年,随着施氮量提高高寒草甸地上生物量呈现逐渐增加趋势,随着施肥时间的延长地上生物量呈现先增加后降低的趋势。在高寒草甸草原随着施氮量提高地上生物量均呈现先增加后降低的趋势。随着施氮量提高,开始施氮前三年高寒草甸禾草植物地上生物量逐渐提高;随着施氮时间的延长,禾草和豆科植物地上生物量呈现先增加后降低的趋势。高寒草甸莎草植物地上生物量由施氮开始时的逐渐增加转变为先增加后降低趋势,最后变为逐渐降低的趋势,这说明施氮不利于莎草植物的生长。施氮只在施肥第四年显著提高杂草植物地上生物量。高寒草甸草原呈现不同的规律,开始施氮前三年随着施氮量提高,禾草植物地上生物量呈现先增加后降低的趋势;随着施氮时间的延长,禾草地上生物量逐渐提高。莎草和杂草植物地上生物量呈现先增加后降低趋势。利用对氮输入响应最敏感的植物功能群禾草生物量估算的高寒草甸和高寒草甸草原的氮饱和阈值分别是109.5、125.8 kg N hm~(-2) a~(-1),这说明高寒草甸氮敏感性显著高于高寒草甸草原。由此可见,未来氮沉降增加会对不同类型高寒草地产生不同的影响,在不同类型高寒草地进行施肥恢复时也应将氮饱和阈值的差异考虑在内。     

全球降水格局变化下土壤氮循环研究进展

自然和人为因素导致全球降水格局发生改变,降水变化势必影响土壤氮循环,从而影响陆地生态系统生产力和多样性,然而不同降水变化类型对土壤氮循环的影响仍然缺乏足够的认识。因此,本文综合分析了全球和我国降水格局变化特征,简要介绍了6种降水格局变化下土壤氮循环的研究方法（长期降水固定观测、野外降水控制实验、自然降水梯度、室内培养、模型和遥感）,系统综述了3种降水变化类型（降水波动、干旱、干湿交替）,以及降水与温度、氮沉降等交互作用对土壤氮循环影响的研究进展与存在的问题,并展望了未来研究方向,为评估和预测未来降水变化对陆地生态系统功能的影响提供理论依据。     

基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物是有机物分解和养分循环的主要介质,因此在维持土壤的功能多样性和持续性方面发挥着关键作用。气候变化驱动因素会影响土壤微生物的生理活动,引起其群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应,其中氮沉降和降水是全球气候变化的研究热点。土壤氮(N)的有效性有可能通过改变微生物的群落组成以调节微生物对降水变化的响应,但目前关于N沉降和降水及其交互作用对土壤微生物群落功能多样性的影响机制仍不清楚。为了准确预测未来气候条件下生态系统的功能状况,需要更好地了解土壤微生物对环境变化的响应。基于BIOLOG技术综述了氮沉降和降水变化及其交互作用对土壤微生物功能多样性影响的相关研究进展,可以为进一步研究全球气候变化背景下地下生态学的发展提供参考。另外,分析阐述了当前工作中存在的一些主要瓶颈,并对未来的研究热点进行了探讨和展望。