黄土丘陵区刺槐叶片-土壤-微生物碳氮磷化学计量学及其稳态性特征

明确植物和微生物在植被恢复过程中的内稳态特性,对反映生物随恢复环境变化的适应性和阐明生态系统养分循环规律有重要意义。以黄土丘陵区恢复5年、10年、20年、30年和45年的刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林为研究对象,测定刺槐叶片、土壤和微生物生物量C、N、P含量及其化学计量学指标,重点揭示了叶片和微生物生物量养分在恢复过程中随土壤养分变化的稳态性特征。结果表明:(1)随着恢复年限的增加,土壤、叶片和微生物生物量C、N、P含量表现为增加趋势;(2)不同恢复年限叶片、土壤、微生物生物量C∶N分别为17.03—26.03、9.55—16.94、5.57—10.76、C∶P分别为465.04—634.48、19.89—65.81和39.64—110.53、N∶P分别为17.89—37.03、1.24—4.68和7.15—10.26,除叶片C∶N随恢复年限增加而降低外,其他指标均表现为随恢复年限增加而增加或先增加后降低;刺槐林生长后期可能面临P限制;(3)叶片和微生物生物量C、N、P及其计量比大部分指标与土壤指标的关系能够被内稳态模型很好地模拟(P0.01);其中叶片N∶P、微生物C、N对土壤养分变化较为敏感;其他指标比较稳定。研究表明植物和微生物在面对土壤养分变化时均会通过自我调节呈现内稳态性,说明刺槐在黄土丘陵区有较好的适应性;微生物对土壤养分的变化比植物更加敏感,其养分和计量比指标能较好地指示土壤恢复状况。     

土壤微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量对气候变化的响应机制

微生物和土壤酶是陆地生态系统中生物地球化学循环的重要驱动力,深入理解微生物在生态系统中的调节作用以及气候变化过程中微生物量和土壤酶的响应机制是生态学领域关注的重要科学问题.本研究从气候因素角度出发,基于生态化学计量学理论,综述了微生物和土壤酶在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用,以及土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制,即: 改变微生物代谢速率和酶活性;调整微生物群落结构;调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;改变碳氮磷养分元素利用效率.最后分析当前研究的不足,并提出了该领域亟待解决的科学问题: 综合阐明土壤微生物和土壤酶对气候变化的响应机制;探究土壤微生物和胞外酶养分耦合机理;深入探究土壤微生物量和土壤酶化学计量特征对气候变化的适应对策.     

黄土丘陵区退耕地土壤可溶性氮组分季节变化与水热关系

为探究黄土丘陵区退耕地植被恢复土壤有效氮素养分累积的季节动态变化特征及水热驱动效应,以邻近坡耕地为对照,分析了植被恢复15 a的刺槐、柠条、荒草地土壤可溶性氮组分密度、分布比例在4—10月份内的动态变化状况及其与土壤温度和含水量间的关系。结果表明,整个采样期间,0—30 cm土层土壤硝态氮、可溶性有机氮和可溶性全氮动态变化显著,且各可溶性氮组分中仅硝态氮随土层变化差异显著。其中土壤硝态氮变化幅度整体为0.13—1.71 g/m~2,占可溶性全氮的5.1%—52.1%,其最大值出现在4月份,最小值出现在10月份;可溶性有机氮整体变化幅度为0.29—2.92 g/m~2,占可溶性全氮的30.9%—85.3%,在4月份和8月份分别达最小值和最大值;铵态氮动态变化不显著,4—10月份整体变化幅度为0.17—0.74 g/m~2,占6.4%—21.4%,其最小值出现在10月份,最大值出现在4月份;可溶性全氮整体变化幅度为1.25—3.52 g/m~2。可溶性氮组分中,各组分所占比例为可溶性有机氮硝态氮铵态氮,并且可溶性有机氮与硝态氮所占比例动态变化趋势相反。刺槐、柠条林和荒草地0—30 cm土壤硝态氮平均约为耕地的3.42倍、2.54倍和1.26倍,铵态氮平均为耕地的1.71倍、1.37倍和1.30倍,可溶性有机氮约为1.64倍、1.31倍和1.23倍。可溶性氮组分受土壤含水量的影响大于土壤温度,硝态氮对土壤含水量的变化最为敏感,而可溶性全氮则对土壤温度变化最为敏感。综上所述,人工林植被恢复有利于提高土壤可溶性氮组分,增加氮的有效性,同时除铵态氮外,土壤可溶性氮组分随季节变化显著。     

秦岭不同海拔森林土壤-植物-凋落物化学计量特征对土壤氮组分的影响

为探究不同海拔森林土壤氮组分对土壤-植物-凋落物化学计量特征的响应规律,选取太白山1300~2600 m海拔范围内4种典型森林--锐齿栎林(Quercus aliena var.acuteserrata)、辽东栎林(Quercus liaotungensis)、红桦林(Betula albo-sinensis)、牛皮桦林(Betula albo-sinensis var.septen-trionalis)为研究对象,测定土壤、叶片、凋落物、根的碳(C)、氮(N)、磷(P)及土壤铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮,分析不同森林土壤、植物、凋落物的化学计量比值的变化特征及其对氮组分的影响。结果表明:1)4种森林土壤C、N、P含量的变化范围分别为36.77~59.80、2.91~4.76、0.13~0.80 g·kg^-1。C、N含量在不同森林间变化趋势基本一致,均表现为牛皮桦林>红桦林>辽东栎林>锐齿栎林;P含量的变化趋势表现为辽东栎林>牛皮桦林>红桦林>锐齿栎林;2)锐齿栎林叶片N∶P<14,表明锐齿栎林生长较大程度受N限制;辽东栎林、红桦林、牛皮桦林叶片N∶P>16,表明辽东栎林、红桦林、牛皮桦林生长较大程度受P限制;3)不同森林间微生物量氮差异显著(P<0.05),铵态氮含量无显著差异,硝态氮含量表现为锐齿栎林(0.33 mg·kg^-1)>牛皮桦林(0.28 mg·kg^-1)>辽东栎林(0.27 mg·kg^-1)>红桦林(0.17 mg·kg^-1);4)冗余分析结果表明,土壤-植物-凋落物N∶P值是影响土壤微生物量氮的重要因子,土壤C∶N是影响铵态氮、硝态氮含量的重要因子。本研究结果为太白山森林生态系统的保护和氮循环研究奠定基础。     

秦岭锐齿栎林土壤酶活性与化学计量比变化特征及其影响因素

研究微尺度海拔梯度土壤酶活性与化学计量学比值的动态变化及驱动因素对于探讨生态系统养分循环过程具有重要意义。该研究以秦岭太白山6个海拔(分别为1 308、1 403、1 503、1 603、1 694和1 803 m)的锐齿栎(Quercus aliena var. acuteserrata)林作为研究对象, 测定锐齿栎叶片、凋落物、细根和土壤的碳(C)、氮(N)、磷(P)含量以及碱性磷酸酶(AKP)、β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)、纤维二糖水解酶(CBH)、木糖苷酶(βX)与β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)的活性, 探究不同海拔植物、土壤、酶含量如何变化及驱动土壤酶活性变化的主要因子。结果表明: 5种土壤酶活性在海拔梯度上表现出不同的变化趋势, CBH和βG活性随海拔升高整体呈先增后减趋势, βX与之相反; NAG与AKP活性在1 408-1 694 m呈下降趋势, 在1 803 m处有所升高; 土壤总体酶活性随海拔上升整体表现为降低趋势。相关性分析表明, 土壤酶活性及其化学计量比不同程度上受到植物和土壤C、N、P资源及土壤水热条件等的调控, 其中与土壤有机碳含量的相关性较高, 土壤有机碳含量可被认为是锐齿栎林中影响土壤酶活性变化的主要因子。总之, 土壤酶活性及化学计量比在微尺度海拔梯度上具有差异性, 且受到植物和土壤C、N、P资源的综合影响。     

不同林龄刺槐叶片养分重吸收特征及其对土壤养分有效性的响应

为揭示丘陵沟壑区刺槐的养分重吸收特征及其驱动因素,研究该区不同林龄刺槐叶片全氮和全磷的浓度,以及土壤有机碳、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮和速效磷浓度及其化学计量,分析了叶片氮磷重吸收效率与土壤养分特性之间的关系。结果表明: 植物和土壤的养分随林龄增长发生显著变化,而土壤总磷和速效磷浓度较低。氮重吸收效率随林分生长先增加后降低,范围为48.2%～54.0%,平均为48.5%;磷重吸收效率则显著增加,范围为45.2%～49.4%,平均为46.9%。氮重吸收效率与土壤氮素和氮磷比呈负向响应,而磷重吸收效率与氮磷比呈显著正相关,与土壤速效磷呈负相关。表明土壤养分有效性的变化负向驱动养分重吸收效率。由于该生境中刺槐林的固氮效应及磷限制,叶片养分重吸收策略对土壤氮磷比响应强烈。     

太白山不同海拔森林根际土壤微生物碳利用效率差异性及其影响因素

探索森林根际土壤微生物碳利用效率(CUE)是权衡森林生态系统微生物合成代谢和分解代谢强弱的关键过程。然而不同海拔森林根际土壤微生物CUE的变化规律与影响因子尚不清楚。该研究选取秦岭太白山6个不同海拔的森林根际土壤为研究对象,测定其理化性质、胞外酶活性、微生物群落与植被特征等指标,利用酶化学计量比计算微生物CUE,分析根际土壤微生物CUE沿海拔梯度的变化规律,定量研究其影响因子。结果表明:根际土壤微生物CUE随海拔升高总体呈上升趋势。CUE从最低海拔的0.505至最高海拔的0.527升高了4.36%,但在海拔1 603和2 405m处出现了下降。海拔梯度内根际土壤微生物CUE变化受多种环境因子综合影响,土壤基质的影响(如可溶性有机碳和铵态氮含量)占主导地位,植被因子次之,二者分别解释了CUE变化的17.0%和5.7%,且二者相互作用解释了CUE变化的31.9%。研究结果可为秦岭森林土壤微生物碳同化能力和固碳潜力,以及全球变化背景下森林土壤碳循环提供科学依据。     

黄土丘陵区植被恢复对土壤可溶性氮组分的影响

为探究黄土丘陵地区人工植被恢复对土壤氮素养分累积与有效性的影响,研究分析了植被恢复15年刺槐、柠条、刺槐侧柏混交、刺槐山桃混交以及荒草地土壤可溶性氮组分含量及其垂直分布特征。结果表明,与耕地相比,植被恢复显著提高了0—30 cm土壤可溶性氮组分含量,这也使0—30 cm土壤可溶性氮组分密度显著增加,可溶性有机氮密度增幅表现为柠条(262.2%)刺槐(232.8%)刺槐山桃混交、刺槐侧柏混交(34.5%)荒草地(-21.5%),硝态氮密度整体表现为柠条刺槐刺槐山桃混交荒草地刺槐侧柏混交,增幅为7.9%—182.8%,铵态氮密度以刺槐山桃混交增幅最大(110.3%),荒草地最小为2.6%。可溶性有机氮、硝态氮占全氮的比例以刺槐最高,分别提升了2.4倍和0.6倍,铵态氮占全氮的比例以刺槐山桃混交最高,提升了1.0倍。可溶性氮组分受微生物量碳氮的影响大于有机质和全氮,微生物量氮与可溶性氮组分的相关性优于微生物量碳,硝态氮对土壤有机质、全氮和微生物量碳氮的变化最为敏感。综上,植被恢复能够提高土壤可溶性氮组分含量、密度及其占全氮比例,增加土壤氮的有效性,以刺槐、柠条提升效果最好。     

黄土高原子午岭林区典型树种叶片N、P再吸收特征

为揭示黄土高原子午岭林区不同演替阶段和植被类型主要树种养分再吸收特征,研究选取4种次生植被树种(白桦、山杨、辽东栎和油松)和2种人工植被树种(刺槐和侧柏),测定其成熟叶、凋落叶和林下土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量,研究了叶片N、P再吸收率及其与养分指标的关系。结果表明:(1)不同树种叶片养分和林下土壤养分含量存在显著差异,土壤C、N含量和C∶N∶P计量比均表现为演替后期林地(辽东栎和油松)演替前期林地(山杨和白桦)人工林(侧柏和刺槐);(2)不同树种叶片N、P再吸收率分别为17.18%—43.34%和27.13%—58.12%,均表现为演替后期林地人工林演替前期林地,且P的再吸收率总体高于N的再吸收率;(3)不同树种叶片N、P再吸收率与叶片养分指标的关系强于土壤,与养分计量比的相关性大于养分含量的相关性。说明子午岭典型植被会通过叶片N、P再吸收来适应养分限制环境,尤其是演替后期植被再吸收能力更强,研究可为黄土高原植被恢复提供理论依据。     

秦岭太白山不同林带土壤微生物呼吸速率及其影响因素

为探究森林土壤微生物呼吸对温度的敏感性及其影响因素,在太白山选取典型的4个不同海拔的林带（锐齿栎林、辽东栎林、红桦林、牛皮桦林）的0-10 cm表层土壤为对象,分别在15、25、35℃下进行控温培养实验并测量其土壤呼吸速率、微生物量和胞外酶活性等指标。结果表明：1）在1-20 d与20-72 d时的微生物呼吸速率分别呈现波动下降趋势与缓慢下降趋势,相比于其初始速率平均下降了68%与90%;表明高温在短期内促进土壤呼吸;2）太白山地区土壤温度敏感系数（Q₁₀）随温度的升高而降低;3）在培养过程中,出现15℃和25℃下微生物量先增多后减少,35℃下微生物量一直减少的现象,并且胞外酶是影响土壤微生物呼吸的重要因素,其中BG（β-葡萄糖苷酶）是胞外酶中最重要的影响因子;4）培养72 d以后,BG已无法为微生物生长繁殖提供充足的碳,在25℃和35℃下,由BX（β-木糖苷酶）提供的碳已成为微生物生长繁殖的重要碳源之一。在15℃和25℃下,N是培养前期限制土壤呼吸的因素,C是后期限制因素;在35℃下,N一直是限制土壤呼吸的因素。在15℃和35℃下,土壤呼吸不存在P限制;在25℃的培养前期,P是限制土壤呼吸的因子,而在培养后期不存在P限制。本研究结果阐明抑制土壤碳排放的关键在于抑制土壤微生物呼吸,揭示了在胞外酶驱动下的土壤碳循环特征,为准确预测全球未来气候变化的趋势提供理论基础。