土壤水分时间稳定性研究进展

土壤水分是陆地生态系统中不可或缺的组成部分,在地表水文过程中起着关键作用,连接着一系列的水文、生态、气候和地质学过程,是陆地生态系统健康运行的关键。以土壤水分时间稳定性概念为主线,从时间稳定性概念、研究方法、应用和影响因素等方面,系统阐述了土壤水分时间稳定性近年来的研究进展,探讨了代表性测点的选取标准以及土壤水分时间稳定性的影响因素。结合目前的研究进展,提出了未来的研究重点:加强多因素综合作用对土壤水分时间稳定性的研究;结合"3S"技术、计算机模拟和野外实测来研究时间稳定性的尺度问题;如何高效选择代表性测点;探讨时间稳定性概念在植被恢复区和气候敏感区的研究与应用。     

高山森林林窗对苔藓及土壤微量元素含量的影响

苔藓植物和土壤在森林元素循环过程中具有重要作用,其元素含量特征可能受林窗和生长基质的影响,但有关不同林窗位置对苔藓和土壤微量元素含量影响的研究尚未见报道。为理解林窗更新对森林苔藓和土壤微量元素含量及分布特征的影响,于2016年10月,调查研究了在川西高山岷江冷杉(Abies faxoniana)原始林林下、林缘、林窗和旷地中地表苔藓和石生苔藓Na、Zn、Mg、Mn、Ca、Fe元素含量以及对应土壤有机层和矿质土壤层的元素含量。结果表明:川西高山森林地表苔藓与石生苔藓的Na、Zn、Mg、Fe、Ca含量差异不显著,地表苔藓的Mn元素含量显著高于石生苔藓;土壤有机层的Zn、Mg、Mn和Ca元素含量显著高于矿质土壤层,但Fe元素含量则相反,Na元素含量差异不显著。林窗位置对地表苔藓和石生苔藓Na、Zn、Ca和Fe元素含量具有相似的影响,均以林窗和旷地相对较高;石生苔藓与地表苔藓的Mn含量对林窗的响应存在差异,石生苔藓的Mn含量以林下最高,而地表苔藓则以林窗中心最高。但是,林窗对苔藓植物Mg元素含量的影响不显著。森林林窗位置对土壤有机层和矿质土壤层微量元素含量具有相似的影响。Na元素含量以旷地土壤最高,而Zn、Mn、Ca和Fe含量以林窗中心的土壤最高;除元素Na,所有微量元素均以林缘的土壤最低。此外,地表苔藓的Na、Zn、Mn和Ca含量显著高于土壤,而土壤中的Fe含量显著高于苔藓植物;苔藓中Ca和Mn元素含量与土壤的Ca和Mn元素含量呈显著正相关。可见,高山森林林窗更新过程在不同程度上影响了森林地表苔藓和土壤对微量元素的吸存特征,为进一步了解林窗和苔藓植物在高山森林生态系统物质循环中的作用提供了新的角度。     

基于Meta分析的中国西南喀斯特地区土壤动物群落特征研究

我国西南喀斯特地区环境容量小、生态系统变异敏感度高、灾变承受能力低,是典型的生态环境脆弱区。土壤动物是陆地生态系统的重要组成部分,对生态系统功能和稳定性具有重要的意义。通过Meta分析研究西南喀斯特地区土壤动物群落特征,得到如下结果:本区域土壤动物隶属于5门15纲31类;中小型土壤动物平均密度6.0×10~3—1.9×10~4m~(-2);中小型土壤动物密度和类群数表现为夏秋高、冬春低,土壤动物表聚性明显;喀斯特石漠化显著降低中小型土壤动物的密度和类群数量。本研究的结果表明,我国西南喀斯特地区土壤动物类群数量较为丰富,个体密度较低但可能被低估。在今后喀斯特地区生物多样性保护和脆弱生态系统的恢复工作中,应注重土壤动物群落的相关研究。     

印度块菌-云南松菌根际土壤细菌的种群组成和群落结构

以印度块菌-云南松菌根际土壤细菌为研究对象,研究其种群组成和结构特征。(1)稀释平板法分离得到印度块菌-云南松菌根际土壤细菌的纯培养菌株,对菌株的16S rRNA序列测序分析,对测序的菌株数量和得到的OTUs数量绘制物种累积曲线,当物种累积曲线趋于平缓时,对OTUs进行系统发育分析,揭示可培养细菌的种群组成和结构特征。(2)对印度块菌-云南松菌根际土壤细菌16S rRNA基因的V3—V4区进行高通量测序,分析全部细菌类群的种群组成和结构特征。(1)分离得到菌根际可培养细菌793株,分属于3个属的61个OTUs,其中假单胞菌属(Pseudomonas)序列占总序列的86%,不动杆菌属(Acinetobacter)序列占总序列的9.8%,链霉菌属(Streptomyces)序列占总序列的6.5%。假单胞菌是印度块菌-云南松菌根际土壤可培养细菌的绝对优势类群。(2)高通量测序得到菌根际细菌序列8937条,分属于20个门、198属、2073个OTUs。隶属于变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)的OTUs占总OTUs的65.9%,变形菌门、放线菌门和酸杆菌门细菌是印度块菌-云南松菌根际土壤细菌的优势细菌。隶属于黄杆菌属(Flavobacterium)、根瘤菌属(Rhizobium)和假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomona)的OTUs占总OTUs的33%,黄杆菌属、根瘤菌属和假黄色单胞菌属细菌是印度块菌-云南松菌根际土壤细菌的优势属。印度块菌-云南松菌根际土壤可培养细菌多样性较低,假单胞菌属细菌占据绝对优势地位。印度块菌-云南松菌根际土壤细菌类群具有较高的多样性,物种种类丰富,优势菌群集中。     

基于DGGE研究喀斯特金橘接种AMF对根际细菌多样性和植株生长的影响

该研究分别以喀斯特地区的酸性土和石灰土为盆栽基质,对金橘分别接种摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae,F.m)或幼套近明囊霉(Claroideoglomus etunicatum,C.e),采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)等技术研究AMF对金橘根际细菌群落多样性及植株生长的影响。结果表明:与不接种处理相比,同类型土中分别接种C.e或F.m,金橘根际菌根侵染率相关指标(F、m、v)值均为C.e处理的最高,C.e或F.m处理后金橘根际土壤中蔗糖酶、酸性磷酸酶、蛋白酶及脲酶活性均显著提高。其中,蛋白酶和脲酶活性变化为石灰土中各处理酶活性值高于酸性土,蔗糖酶和磷酸酶活性变化则为酸性土中各处理酶活性值高于石灰土,差异均达显著水平(P0.05);两种土壤中上述四种土壤酶活性均为C.e处理的值最高;接种C.e或F.m后,金橘根际土壤细菌的DGGE图谱中,DNA条带数增多,其细菌丰富度(R)、多样性(H)和均匀度(E)指数均比不接种处理高,三种指数值均以C.e处理的最高。细菌DNA优势条带序列分析结果表明:与优势细菌同源性最高的大部分为不可培养细菌,包括酸酐菌属、变形杆菌属、根瘤菌属和放线菌属等,相似性均大于97%。此外,接种后,金橘整株生物量比不接种处理显著提高,而酸性土中接种C.e处理的金橘生物量最高。综上所述,C.e和F.m均能与金橘建立良好的共生关系,且C.e对金橘根系的侵染效果更好。     

土壤灭菌处理对入侵植物南美蟛蜞菊及其伴生种生长的影响

该研究以温室盆栽法对南美蟛蜞菊重度入侵土壤进行高温高压湿热灭菌、添加杀真菌剂灭菌和添加杀细菌剂灭菌的处理后,将三种植株定植96 d后测定各生理指标参数,研究重度入侵土壤中各微生物类群对南美蟛蜞菊及其伴生种金腰箭和狗肝菜生长的影响。结果表明:在杀真菌、杀细菌以及高温高压湿热灭菌和未处理的南美蟛蜞菊重度入侵土壤中,三种植物生长情况均存在较大差异。在高温高压湿热灭菌土壤中南美蟛蜞菊的生长受到显著抑制,与未处理土壤中的生长情况相比,株高降低了17.59%,叶片数降低了38.10%,生物量降低了56.00%,电子传递速率变化不明显。在杀真菌土壤和杀细菌土壤中金腰箭的生长也受到显著抑制,与未处理土壤中的生长情况相比较,杀真菌土壤中的金腰箭株高降低最多(为42.28%),叶片数降低了38.89%,生物量降低了16.99%,电子传递速率变化不明显;在杀细菌土壤中金腰箭株高降低了36.64%,叶片数降低最多(为38.89%),生物量降低了33.67%,电子传递速率升高了11.11%。由此可见,不含微生物的土壤对南美蟛蜞菊生长有较强的抑制作用,不含真菌和细菌的土壤对金腰箭的生长有明显抑制作用。南美蟛蜞菊重度入侵土壤不仅适合南美蟛蜞菊的生长,也适合金腰箭的生长,对狗肝菜影响不大。     

大豆不同生育期根际土壤细菌群落结构的变化

为了解大豆根际细菌群落结构多样性及根际细菌群落结构的变化,该研究以大豆苗期和成熟期的根际土壤为材料,采用Illumina高通量测序技术测定细菌16S rRNA V3+V4区序列,探究大豆不同生育期根际土壤细菌群落结构的变化。对原始数据进行拼接、过滤、去除嵌合体序列和聚类分析等数据处理,并对OTU进行分类学注释。在此基础上运用ANOVA分析物种组成变化,Alpha多样性指数研究细菌多样性变化。结果表明:细菌丰富度和多样性在不同生育期有显著变化,其中成熟期土壤中的细菌丰富度和多样性指数均明显高于苗期; 变形菌、放线菌、酸杆菌是大豆根际的优势菌门,其含量在不同生育期也有显著变化; 假诺卡氏菌属、糖丝菌属、鞘氨醇单胞菌属是大豆根际的优势菌属,这些菌属中的部分菌群属于根际促生菌,具有潜在的促生效应。这些结果证实大豆的生育期对根际土壤细菌群落结构有重要影响。     

CO2 flux dynamics and its limiting factors in the alpine shrub-meadow and steppe-meadow on the Qinghai-Xizang Plateau

高寒灌丛草甸和草甸均是青藏高原广泛分布的植被类型, 在生态系统碳通量和区域碳循环中具有极其重要的作用。然而迄今为止, 对其碳通量动态的时空变异还缺乏比较分析, 对碳通量的季节和年际变异的主导影响因子认识还不够清晰, 不利于深入理解生态系统碳通量格局及其形成机制。该研究选取位于青藏高原东部海北站高寒灌丛草甸和高原腹地当雄站高寒草原化草甸年降水量相近的5年(2004-2008年)的涡度相关CO₂通量连续观测数据, 对生态系统净初级生产力(NEP)及其组分, 包括总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸的季节、年际动态及其影响因子进行了对比分析。结果表明: 灌丛草甸的CO₂通量无论是季节还是年际累积量均高于草原化草甸, 并且连续5年表现为“碳汇”, 平均每年NEP为70 g C·m ^-2·a ^-1, 高寒草原化草甸平均每年NEP为-5 g C·m ^-2·a ^-1, 几乎处于碳平衡状态, 但其源/汇动态极不稳定, 在2006年-88 g C·m ^-2·a ^-1的“碳源”至2008年54 g C·m ^-2·a ^-1的“碳汇”之间转换, 具有较大的变异性。这两种高寒生态系统源/汇动态的差异主要源于归一化植被指数(NDVI)的差异, 因为NDVI无论在年际水平还是季节水平都是NEP最直接的影响因子; 其次, 灌丛草甸还具有较高的碳利用效率(CUE, CUE = NEP/GPP), 而年降水量和NDVI是决定两生态系统CUE大小的关键因子。两地区除了CO₂通量大小的差异外, 其环境影响因子也有所不同。采用结构方程模型进行的通径分析表明, 灌丛草甸生长季节CO₂通量的主要限制因子是温度, NEP和GPP主要受气温控制, 随着气温升高而增加; 而草原化草甸的CO₂通量多以季节性干旱导致的水分限制为主, 其次才是气温的影响, 受二者的共同限制。此外, 两生态系统生长季节生态系统呼吸主要受GPP和5 cm土壤温度的直接影响, 其中GPP起主导作用, 非生长季节生态系统呼吸主要受5 cm土壤温度影响。该研究还表明, 水热因子的协调度是决定青藏高原高寒草地GPP和NEP的关键要素。     

Effects of desertification on the C:N:P stoichiometry of soil,microbes, and extracellular enzymes in a desert grassland

为探讨荒漠草地沙漠化对“土壤-微生物-胞外酶”系统生态化学计量的影响机理, 该研究采用空间序列代替时间演替的方法, 研究了宁夏盐池荒漠草地沙漠化过程中土壤、土壤微生物及土壤胞外酶碳(C)、氮(N)、磷(P)生态化学计量的变异特征。结果表明: (1)随着荒漠草地沙漠化的不断加剧, 土壤C、N、P含量和土壤C:P、N:P均呈降低趋势, 而土壤C:N逐渐增加。(2)荒漠草地沙漠化过程中, 土壤微生物生物量C (MBC):微生物生物量P (MBP)、微生物生物量N (MBN):MBP和土壤β-葡萄糖苷酶(BG):N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)逐渐降低, 而土壤BG:磷酸酶(AP)和NAG:AP基本表现为增加趋势。(3)随着荒漠草地沙漠化程度的加剧, 土壤微生物C利用效率CUE_C:N和CUE_C:P与土壤微生物N利用效率NUE_N:C和土壤微生物P利用效率PUE_P:C的变化趋势相反。(4)荒漠草地土壤、土壤微生物生物量和土壤胞外酶C:N化学计量(C:N, MBC:MBN, BG:NAG)与土壤、土壤微生物生物量和土壤胞外酶N:P化学计量(N:P, MBN:MBP, NAG:AP)显著负相关, 而土壤和胞外酶C:N化学计量(C:N, BG:NAG)与土壤和胞外酶C:P化学计量(C:P, BG:AP)显著正相关。土壤N:P与土壤MBN:MBP显著正相关, 而与土壤NAG:AP显著负相关。分析表明, 荒漠草地沙漠化过程中土壤微生物生物量及胞外酶活性随着土壤养分的变化而发生变化; 微生物-胞外酶C:N:P生态化学计量与土壤养分存在协变关系, 为理解荒漠草地土壤-微生物系统C、N、P循环机制提供理论依据。     

Response of soil enzyme activities to litter input changes in two secondary Castanopsis carlessii forests in subtropical China

酶在土壤有机质分解中起重要作用。为深入了解全球变化背景下森林凋落物产量的改变对森林生态系统过程的影响, 以亚热带米槠(Castanopsis carlesii)人促更新次生林(米槠人促林)和米槠次生林为研究对象, 设置凋落物加倍(DL)、凋落物去除(NL)和对照(CT) 3种处理, 探讨土壤6种胞外酶活性的变化。研究结果表明: 米槠次生林中土壤纤维素水解酶(CBH)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酚氧化酶(PhOx)和过氧化酶(PerOx)活性高于米槠人促林, 而酸性磷酸酶(AP)和β-葡萄糖苷酶(βG)活性没有差异; NL和DL处理均降低了两种不同更新方式森林土壤的AP、βG和NAG活性, CBH和PerOx活性均无显著变化, 而PhOx活性仅在DL处理后降低; 除NAG活性外, 米槠人促林的AP、βG、PhOx活性在凋落物处理后下降的幅度均高于次生林; Pearson相关分析和冗余分析表明, 土壤酶活性与土壤含水量、碳(C)、氮(N)含量和微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量显著相关。因此, 凋落物输入的改变(无论增加和减少), 引起了土壤含水量、C、N以及MBC和MBN含量的下降, 进而可能会导致亚热带米槠次生林和米槠人促林土壤某些胞外酶(如AP、βG和NAG)活性降低。从土壤酶活性角度看, 米槠次生林比米槠人促林更有利于亚热带森林生态系统C、N养分循环。