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。     

雪灾干扰后林冠开阔度对黄心树幼苗更新的影响

幼苗更新是森林更新的关键过程,而林窗对于植物幼苗更新、生长及最终存活具有重要影响。极端气候事件会使森林在短时间内形成大量林窗,从而显著影响林内幼苗更新和存活。本研究以2015年雪灾后云南省哀牢山中山湿性常绿阔叶林优势种黄心树(Machilus bombycina)幼苗为对象,对194个1 m×1 m样方中的幼苗生长和死亡动态进行为期4年的监测,利用线性混合模型(LMM)和广义线性混合模型(GLMM),分析林冠开阔度对幼苗高度相对生长率、叶片相对增长率、新增率和死亡率的影响,研究了雪灾干扰后的林冠开阔度对植物幼苗更新的影响。结果表明:(1)林冠开阔度随时间推移逐渐变小(20.07%~9.97%),且速度由快到慢;(2)2015-2016年,已有幼苗高度相对生长率与林冠开阔度呈显著正相关(P<0.05),其余年份两者间无显著相关性;2016-2017年已有幼苗叶片相对增长率与林冠开阔度呈显著正相关(P<0.05),其余年份两者间无显著相关性;(3)林冠开阔度与幼苗新增率和死亡率均无显著相关性。本研究表明,雪灾后造成的林冠开阔度增加有利于黄心树幼苗生长。     

黄土高原降水年内分布差异对旱作果园蒸散特征的影响

天然降水是雨养农业区水文循环的主要驱动因子,在一定程度上决定着土壤水分生态环境,从而影响作物的蒸散特征。本研究通过分析静宁地区历年降水年内分布特征,明确了降水的集中趋势,在2018和2019年田间定位试验基础上,探究土壤水分随降水发生的变化过程以及果园蒸散特征对降水年内分布差异的响应规律。结果表明: 试验区历年降水集中度较高,集中期多分布在7和8月,8月所占比例达75%,且各年降水集中期出现的早晚变化较大。土壤水分对降水的响应主要集中在0～40 cm土层,深层水分只有在大雨量和连续性降水出现时才会发生明显变化。同为丰水年的情况下,2018年降水集中度高,集中期早,时间短,果树日耗水强度呈单峰结构,变幅较大;2019年降水分布均匀,集中期滞后,日耗水强度呈双峰结构,变幅小,大峰靠后。果树最大需水期历时长,2018年大雨的集中分布无法满足后期果树生理需水,果实产量受损,降水利用效率较2019年下降30.2%。黄土高原地区在苹果树幼果生长期往往会出现短暂干旱,影响果实品质,需加强该时段的水分管控。     

极端干旱对草甸草原优势植物非结构性碳水化合物的影响

植物光合作用产生的非结构性碳水化合物(NSCs)水平可以反映植物和生态系统对环境变化的响应程度。近年来, 草原极端干旱事件的发生频率和持续时间增加趋势明显, 对生态系统结构和功能产生深远影响。该研究以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为研究对象, 通过连续4年减少66%生长季降水量的控制实验来模拟极端干旱事件, 分析草原6种优势物种和植物功能群NSCs各组分对极端干旱的响应规律与机制。结果显示, 由于植物生物学、光合特性以及生理生态等特性的差异, 不同物种对干旱胁迫的响应具有明显差异。这表明草地植物NSCs组分及其利用策略对干旱胁迫的响应具有物种特异性, 从而导致其生物量的不同响应。将6种植物分为禾草和非禾草两类, 发现干旱显著增加了禾草的淀粉含量, 但对其可溶性糖含量无显著影响; 相反, 干旱显著增加了非禾草功能群的可溶性糖含量, 对其淀粉含量无显著影响, 表明不同功能群采取了不同的干旱应对策略。禾草选择将光合作用固定的能量进行储存以应对干旱胁迫, 其生物量对干旱响应不敏感; 而非禾草选择将能量以可溶性糖的形式直接供植物生长利用以及抵御干旱胁迫, 其生物量对干旱响应较为敏感。这一发现可为预测在全球气候变化背景下草甸草原生态系统结构与功能对极端干旱的响应提供科学参考。     

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。     

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。     

西南山地流域NDVI变化特征及降水敏感性——以贵州沅江流域为例

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是反映植被生长的重要指标,探究其时空变化特征,对生态保护、退耕还林和灾害防治具有重要意义。选取2000—2015年贵州沅江流域典型年份NDVI,采用重心分析、标准差椭圆、地理加权回归等方法,从干旱视角探究流域NDVI变化和降水敏感性。得出以下结论:(1)2000—2015年贵州沅江流域NDVI总体处于上升趋势,植被正在改善,期间西部植被改善最为明显,退耕还林还草取得较好成果。(2)2000—2015年贵州沅江流域干旱年与正常年NDVI空间变化趋势不一致,干旱程度对植被影响具有区域差异。(3)贵州沅江流域NDVI与降水呈负相关,空间敏感性自西向东递增,降水对流域西部喀斯特山区NDVI影响更明显。(4)2000—2015年贵州沅江流域NDVI时段变化与降水主要为负相关,降水越多NDVI时段变化敏感性越弱,退耕还林还草工程应重点放在负敏感区。研究结果可为退耕还林还草和干旱灾害防治提供科学参考。     

脉冲式降水对不同类型草地土壤微生物呼吸碳释放量的影响

降水事件引起土壤短时间内释放大量CO_2的现象常称为降水脉冲效应。降水事件发生后,由于水分和养分可获得性快速提升使土壤微生物呼吸速率快速升高至正常水分状况的数倍,从而导致土壤CO_2大量释放并一定程度上影响着生态系统碳循环过程和土壤碳平衡,尤其在干旱或半干旱地区。利用自主研发的能快速测定土壤微生物呼吸速率的装置,对内蒙古三类典型草原(草甸草原、典型草原和荒漠草原)土壤分别开展土壤复湿实验(60%饱和含水量),并采用高频测定(48 h测定288次)。在土壤复湿后在所有温带草地类型中均发生了明显的脉冲效应,降水脉冲过程中单位有机质(土壤有机碳,SOC)最大呼吸速率(R_(SOC-max))整体表现为荒漠草原(1.59 mg C g~(-1) SOC h~(-1))草甸草原(0.73 mg C g~(-1) SOC h~(-1))典型草原(0.50 mg C g~(-1) SOC h~(-1));而脉冲效应的持续时间(Duration)则表现为典型草原(2.5 h)草甸草原(1.5 h)荒漠草原(0.67 h)。在土壤复湿48 h内,单位土壤微生物呼吸累积量(A_(R_(Soil)))的大小规律与单位土壤微生物呼吸速率R_(Soil)一致,均为典型草原草甸草原荒漠草原;然而,如果用土壤有机质进行标准化,单位有机质呼吸累积量A_(R_(SOC))表现为荒漠草原(9.74 mg C g~(-1) SOC)典型草原(6.54 mg C g~(-1) SOC)草甸草原(3.54 mg C g~(-1) SOC),与当地年降雨频率呈负相关关系,表明降水脉冲效应与土壤长期经历的干旱状况存在密切关系。本研究结果不仅证明在干旱半干旱区域降水脉冲效应的普遍性,同时还启发我们应从国家或区域尺度开展研究,以进一步揭示土壤基质含量、土壤干旱状况等对降水脉冲效应的影响。     

微生物脂肪酶稳定性研究进展

脂肪酶广泛应用于食品、药物、生物燃料、诊断、生物修复、化学品、化妆品、清洁剂、饲料、皮革和生物传感器等工业领域,微生物脂肪酶是商品化脂肪酶的重要来源。高温、酸性、碱性和有机溶剂等恶劣的工业生产环境使得脂肪酶的进一步工业应用受到限制,获取稳定性好的脂肪酶成为打破这一限制的关键环节。本文重点对提高微生物脂肪酶稳定性的策略进行了综述:挖掘极端微生物脂肪酶资源;利用定向进化、理性设计和半理性设计等蛋白质工程策略改造脂肪酶;利用物理吸附、封装、共价结合和交联等酶的固定化技术提高脂肪酶的稳定性;利用物理/化学修饰、表面展示以及多种改良策略相结合提高脂肪酶的稳定性。结合作者前期对酶工程的研究发现,新型酶催化剂的获得应该基于明确的设计思路,结合多种改造方法,基于定向进化-理性设计、定向进化-半理性设计、蛋白质工程-酶的固定化、蛋白质工程-物理/化学修饰、酶的固定化-物理/化学修饰等组合改造,比单一的改造方法具有更高的效率。     

橘全爪螨春季高峰发生程度与气象因素的关系

本文探讨了橘全爪螨高峰发生程度与气象因素及天气过程的关系。结果表明：春季高峰由２次连续的高峰组成,且第二次高峰大于第一次高峰;第一次高峰发生在４月下旬到５月中旬,其发生程度主要受 ３月 ２０日～ ４月 ３０日气象因子和天气过程的影响,即日均温度≥ １２℃,降雨≤ ２ｍｍ、相对湿度（ＲＨ）≤８５％,持续时间越长发生程度越重;第二高峰发生在５月下旬至６月中旬,主要受５月１１日～６月 １０日气象因子和天气过程的影响,即日均温度 ２０～ ３０℃、降雨≤ １０ｍｍ的持续时间越长该螨的发生程度越严重。说明重庆地区橘全爪螨春季高峰严重发生的主要因素是在相应的时间内降雨少、气温变幅低,积温多和特定气象因子组合的天气持续过程。