不同土壤培肥措施下农田有机物分解的生态过程

通过在河北曲周实验站的田间试验,研究了4种不同土壤培肥措施条件下农田生态系统中几种主要土壤生物随有机物分解的变化规律、有机物的分解及其主要影响因素。研究结果表明：除土壤线虫外,其他几种主要的土壤生物的分布规律基本上是堆肥区〉原貌区〉对照区〉化肥区,与施入的有机物（小麦秸秆）的分解规律一致。在受人为扰动的堆肥区、化肥区和对照区土壤中,细菌占绝对优势,而在未开垦的原貌区中,真菌起着重要作用。 在有机物分解初期,土壤微生物能比较快地迁移到秸秆表面,秸秆表面的生物数量最多的是细菌,随着细菌的数量增加,原生动物数量亦呈现增加趋势,蚯蚓数量增多,而线虫的数量则减少。而有机物分解后期,真菌的数量逐渐减少,蚯蚓的数量也呈下降趋势,有机物的分解速度减慢。通过灰色关联度分析,9种外界因素（生物因素和环境因素）对小麦秸秆分解作用的相对重要程度排序：土壤温度（0．844）〉蚯蚓（0．777）〉真菌（0．764）〉全氮（0．754）〉线虫（0．753）〉有机质（0．742）〉细菌（O．738）〉原生动物（0．693）〉土壤含水量（0．661）,其中土壤温度和蚯蚓是影响土壤有机物分解的最重要的两个因素。     

干湿交替格局下黄土高原小麦田土壤呼吸的温湿度模型

全球气候变化的直接后果是气温升高,同时还可能引起强降雨增多和干旱频发,形成干湿交替的格局.土壤呼吸在全球变化过程中发挥着重要作用.以黄土高原沟壑区小麦田土壤为研究对象,采用3个全自动多通量箱以及相应的气象监测系统,对土壤呼吸和环境因子全天候连续测定,利用已有的单因子模型、双因子模型对测定的土壤呼吸与气温和湿度的关系进行了拟合,通过优化,根据实际情况提出E-Q(exponential-quadratic)模型.结果表明:(1)干湿交替格局下,基于气温的单因子模型(指数模型,幂函数模型和线性模型)不适合模拟土壤呼吸;(2)基于土壤湿度的单因子模型中,二次曲线模型最适合模拟干湿交替格局下土壤呼吸的响应情况;(3)基于气温和土壤湿度的双因子模型中,E-Q模型SR=aebT(c+dW+fW2)g,既能反映土壤呼吸随气温的正向指数变化,又能表现土壤湿度对土壤呼吸的双向调节作用,解释了土壤呼吸73.05%的变化情况,比其他双因子模型和单因子模型更能有效描述干湿交替情况下土壤呼吸对气温和土壤湿度协同变化的响应特征.     

西双版纳热带雨林凋落叶分解过程Ⅱ.微生物与线虫的群落动态

通过野外试验与室内模拟相结合,对西双版纳热带雨林生态系统混合凋落叶分解过程中微生物和线虫种群动态变化进行了系统研究。野外试验采用网袋法（即1mm和100μm网眼网袋,分别限制大型土壤动物和螨类的进入）,室内试验采用灭菌一接种法,以观测不同生物组成条件下线虫和微生物对凋落叶的分解作用。结果表明,伴随分解进程,微生物基本呼吸速率不断下降且与分解进程正相关。利用底物诱导呼吸法测定微生物生物量以及细菌、真菌生物量的变化表明,微生物在凋落叶分解过程中的演替遵循一定的路线。当土壤动物参与分解时,由于捕食压力的存在,微生物一般按照“双峰”型路线变化,并存在明显的生物演替现象,在这个过程中微生物对C的利用效率也不断提高;当不存在这种捕食压力时,微生物表现为“单峰-递减”式发展模式,生物量由强到弱变化,微生物对C的利用效率持续下降。土壤动物在凋落叶分解过程中表现为“单峰”型变化动态,与微生物量“双峰”动态形成互补,捕食者与被捕食者之间是一种“捕食-激发”作用下的种群消长关系,这种关系的强烈程度与捕食压力有关。“双峰”发展路线在一定程度上加速了凋落叶的分解进程。     

黄土高原小麦田土壤呼吸对强降雨的响应

全球气候变化的可能后果之一是干旱频繁，强降雨增多。土壤呼吸是全球碳循环的关键组成部分，探讨强降雨对土壤呼吸的影响，有助于预知在全球变化背景下，土壤CO2排放的可能反馈机制。然而，由于测定技术限制，目前在降雨前后，对土壤呼吸进行原位、全天候、高频率测定的研究尚不够深入。研究选取黄土高原半干旱区小麦田土壤为研究对象，采用全自动多通量箱系统，对降雨前后的土壤呼吸及环境因子在原位置进行了全天候连续监测，分析了3次强降雨前后的土壤呼吸变化。结果表明，（1）强降雨对土壤呼吸促进还是抑制取决于雨前、雨中、以及雨后的土壤水分状态。土壤水分相对亏缺条件下的强降雨促进土壤呼吸，降雨结束后土壤呼吸的平均水平是降雨发生前的1．5—2倍；湿季的强降雨整体上抑制土壤呼吸，降雨过程中观测到呼吸波谷，雨中及雨后土壤呼吸分别下降了约33％和15％。（2）土壤呼吸与土壤水分之间存在二次曲线关系，此关系同时受土壤水分状况和温度的影响。当土壤由干旱和水分相对亏缺状态过渡到湿润时，上述二次曲线关系可靠；当土壤水分充裕时，该二次曲线关系减弱。在于湿交替情况下，二次曲线拐点是土壤呼吸因土壤水分增加而受到抑制的临界点，并且当温度升高时，该临界点相应升高。（3）温度和水分共同影响土壤呼吸。在土壤水分相对亏缺时，水分的增加是影响土壤呼吸的关键因子，温度对土壤呼吸的影响处于相对次要的位置；在水分充裕时，温度是影响土壤呼吸的关键因子，水分的增加会抑制土壤呼吸，但其对土壤呼吸变化的影响相对弱化。     

蚯蚓对麦秸分解速率的影响及其对氮矿化的贡献

蚯蚓在有机物分解和土壤的碳氮循环中起着重要作用.研究采用室内微宇宙模拟试验,研究接种不同密度的蚯蚓对秸秆分解和土壤氮素矿化的贡献.设置3个处理,HDT为接种6条蚯蚓,LDT为接种2条(相当于田间蚯蚓密度水平),ZDT为不接种作为对照.结果表明:整个分解过程中,蚯蚓的引入加速了秸秆的分解,尤其在分解前期,处理ZDT与HDT、LDT处理之间无论是分解率还是分解速率差异显著(P < 0.05),随着蚯蚓密度的增加,蚯蚓在分解过程中的作用比例增大.秸秆分解的整个过程中,蚯蚓对氮的矿化速率,HDT、LDT两个处理都递减,并且到后期两个处理趋于一致(HDT处理为24.2～14.0 kg · hm-2 · a-1,LDT处理为20.3～10.7 kg · hm-2 · a-1),说明从长期来看,在田间蚯蚓密度水平上增大蚯蚓的密度并不能增大基于地下食物网的蚯蚓对氮的矿化速率.     

西双版纳热带雨林凋落叶分解的生态过程I.凋落叶分解动态

 通过野外试验和室内模拟相结合,系统研究了西双版纳热带雨林生态系统混合凋落叶分解的生态过程。野 外试验采用网袋法,即1 mm和100μm网眼网袋,分别限制大型土壤动物和螨类的进入,从而分别观测小型 土壤动物（螨类）、线虫的分解作用;室内试验则通过控制温、湿度条件,采用灭菌_接种法分别观测微 生物和线虫对凋落叶的分解。研究结果表明,凋落叶的分解是一个先快后慢的过程,在这个过程中存在分 解“滞留”阶段,分解速率变化发生波动,且波动的程度与食物链的复杂程度有关,食物链越复杂,波动 程度越强烈。利用单指数衰减模型xt/xo=exp(-kt)和双指数模型xt/xo=a×exp(-k1t)+b×exp(-k2t) 对凋 落叶分解过程进行模拟,后者将凋落叶前欺的快速分解和后期的慢速分解两个过程分别拟合,不但弥补了 分解前期单指数衰减模型与观测值之间不能吻合的缺陷,而且消除了单指数模型对长期分解进程的过高预 测,因此能更好地反映实际分解进程。利用双指数生物模型研究生物和非生物因子对凋落叶分解速率的贡 献表明,土壤动物是影响分解进程的最重要因子,占影响因子总量的78.1%,非生物因素的作用为14.1%, 微生物对分解速率的贡献只有7.8%。在热带森林生态系统中,土壤动物是最重要的分解者。     

西双版纳热带雨林凋落叶分解的生态过程I.凋落叶分解动态

通过野外试验和室内模拟相结合,系统研究了西双版纳热带雨林生态系统混合凋落叶分解的生态过程。野 外试验采用网袋法,即1 mm和100μm网眼网袋,分别限制大型土壤动物和螨类的进入,从而分别观测小型 土壤动物（螨类）、线虫的分解作用;室内试验则通过控制温、湿度条件,采用灭菌_接种法分别观测微 生物和线虫对凋落叶的分解。研究结果表明,凋落叶的分解是一个先快后慢的过程,在这个过程中存在分 解“滞留”阶段,分解速率变化发生波动,且波动的程度与食物链的复杂程度有关,食物链越复杂,波动 程度越强烈。利用单指数衰减模型xt/xo=exp(-kt)和双指数模型xt/xo=a×exp(-k1t)+b×exp(-k2t) 对凋 落叶分解过程进行模拟,后者将凋落叶前欺的快速分解和后期的慢速分解两个过程分别拟合,不但弥补了 分解前期单指数衰减模型与观测值之间不能吻合的缺陷,而且消除了单指数模型对长期分解进程的过高预 测,因此能更好地反映实际分解进程。利用双指数生物模型研究生物和非生物因子对凋落叶分解速率的贡 献表明,土壤动物是影响分解进程的最重要因子,占影响因子总量的78.1%,非生物因素的作用为14.1%, 微生物对分解速率的贡献只有7.8%。在热带森林生态系统中,土壤动物是最重要的分解者。     

黄土高原小麦田土壤呼吸季节和年际变化

本研究采用自行开发的全自动多通道通量箱法对黄土高原小麦田土壤呼吸变化特征进行了连年原位监测,在此基础上,采用斜率同质性模型（homogeneity-of-slop model, HOS模型）对农田土壤呼吸季节和年际变化的成因进行了解析。结果表明,在日尺度上,土壤呼吸主要受土壤温度的影响,呈现出明显的单峰变化趋势,在12：00左右达最大值。季节尺度上,土壤呼吸冬季较低,春季上升,7月下旬达最大值,之后下降,土壤呼吸季节变化主要受土壤温度和湿度的影响。土壤呼吸年际间变化较大,其变化幅度为815.72 g C?m-2? yr-1～980.12 g C?m-2?yr-1。土壤温度是引起土壤呼吸年际变化最重要的因素,逐步回归分析表明,土壤温度和土壤含水量均与土壤呼吸呈显著的正相关,可以用Rsoil = 1.761 0.119Tsoil - 1.30SWC,（R2=0.48, p<0.0001）来描述土壤呼吸与土壤温度和土壤水分的关系。降水量与土壤呼吸没有显著的相关关系。用HOS模型对土壤呼吸年际变化的成因进行分析的结果表明,功能变化（function change, FC）、环境因子季节变化、环境因子年际变化以及随机误差分别可以解释年际变化的10.6%、 58.4%、4.5%、和 26.5%,功能变化对土壤呼吸年际变化的影响要大于土壤温度年际变化的影响。因此,在土壤呼吸的预测中,不能仅仅依靠环境因子的变化来预测土壤呼吸的变化,还必须考虑到功能变化对土壤呼吸的影响。     

黄土高原冬小麦地N2O排放

从2007年7月1日到2009年6月30日对黄土高原冬小麦地氧化亚氮(N₂O)排放采用静态箱气相色谱法进行了为期2a 的监测。设置2个处理,有小麦田(有小麦生长),无小麦田(出芽初期拔去麦苗)。研究结果表明有小麦田、无小麦田N₂O排放量年际变化不大。有小麦田年均的N₂O 排放量为2.05 kg · N₂O · hm^-2 · a^-1,无小麦田年均的N₂O 排放量为2.28 kg · N₂O · hm^-2 · a^-1 。在冻融交替期,施肥后、翻地后和降雨后无小麦田和有小麦田N₂O排放明显增加,N₂O的季节变化受到这些短期事件的显著影响;有小麦田N₂O排放与地温(P<0.01),气温(P<0.01)和WFPS(P<0.05)显著相关,而无小麦田N₂O排放与这些环境土壤因子都不相关;有小麦田和无小麦田两个处理土壤的WFPS通常都低于60%,可以推断在本地区,硝化反应是N₂O的重要生成源。     

西双版纳热带雨林凋落叶分解过程Ⅱ.微生物与线虫的群落动态

通过野外试验与室内模拟相结合,对西双版纳热带雨林生态系统混合凋落叶分解过程中微生物和线虫种群动态变化进行了系统研究。野外试验采用网袋法（即1 mm和100 μm网眼网袋,分别限制大型土壤动物和螨类的进入）,室内试验采用灭菌-接种法,以观测不同生物组成条件下线虫和微生物对凋落叶的分解作用。结果表明,伴随分解进程,微生物基本呼吸速率不断下降且与分解进程正相关。利用底物诱导呼吸法测定微生物生物量以及细菌、真菌生物量的变化表明,微生物在凋落叶分解过程中的演替遵循一定的路线。当土壤动物参与分解时,由于捕食压力的存在,微生物一般按照“双峰”型路线变化,并存在明显的生物演替现象,在这个过程中微生物对C的利用效率也不断提高;当不存在这种捕食压力时,微生物表现为“单峰-递减”式发展模式,生物量由强到弱变化,微生物对C的利用效率持续下降。土壤动物在凋落叶分解过程中表现为“单峰”型变化动态,与微生物量“双峰”动态形成互补,捕食者与被捕食者之间是一种“捕食-激发”作用下的种群消长关系,这种关系的强烈程度与捕食压力有关。“双峰”发展路线在一定程度上加速了凋落叶的分解进程。