基于同步辐射显微CT研究冻融循环对黑土团聚体结构特征的影响

在我国东北地区,土壤不同程度的受到季节性冻融的影响。冻融作用会改变土壤微观结构,团聚体作为土壤结构的基本单元,其结构特征的改变反映了冻融作用对土壤微观结构的影响。同步辐射显微CT可以无损获取高分辨率、强对比度的内部结构图像,是研究土壤团聚体三维微结构的有效手段。采集了室内冻融循环试验下不同冻融循环次数的土壤团聚体样品,应用同步辐射显微CT扫描获取了3.25μm分辨率的团聚体内部结构图像,然后应用CT图像处理方法和Image J软件观察并定量分析了团聚体微结构特征。结果表明:随着冻融循环次数的增加,土壤孔隙度不断增大,瘦长型孔隙度占比与100μm的非毛管孔隙度不断增大;当冻融循环次数达到7次以上,团聚体孔隙连通度随冻融循环次数的增加而变大。冻融循环对黑土团聚体孔隙度、孔隙形状、孔隙分级、连通性等结构特征影响显著。该研究为春季解冻期土壤侵蚀机理的研究及水土流失的防治提供理论依据。     

4种温带森林非生长季土壤二氧化碳、甲烷和氧化亚氮通量

中高纬度森林土壤在漫长的非生长季中对重要温室气体——二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的释放或吸收在碳氮年收支中作用很大,但目前研究甚少。采用静态暗箱-气相色谱法,比较研究东北东部4种典型温带森林土壤表面CO2、CH4和N2O通量在非生长季中的时间动态及其影响因子。结果表明:4种森林土壤在非生长季中整体上均表现为CO2源、N2O源和CH4汇的功能。红松林、落叶松林、蒙古栎林、硬阔叶林的非生长季平均土壤表面CO2通量分别为(65.5±8.1)mgm-2h-1(平均值±标准差)、(70.5±10.2)mgm-2h-1、(77.1±8.0)mgm-2h-1、(80.5±23.5)mgm-2h-1;CH4通量分别为(-17.2±4.6)μgm-2h-1、(-15.4±4.2)μgm-2h-1、(-31.5±4.5)μgm-2h-1、(-23.6±4.1)μgm-2h-1;N2O通量分别为(19.3±5.1)μgm-2h-1、(11.5±2.5)μgm-2h-1、(16.4±4.0)μgm-2h-1、(14.4±5.4)μgm-2h-1;其中非生长季土壤表面CO2总排放量分别为143.4gm-2、162.8gm-2、189.9gm-2、252.7gm-2,分别占其年通量的7.3%、10.6%、8.4%和8.5%。所有林型非生长季土壤表面CO2通量在春季土壤解冻前均维持在较低水平;在解冻进程中随温度升高而增大。土壤表面CO2通量与5cm深土壤温度(T5)呈极显著的指数函数关系。在隆冬时节出现CH4净释放现象,但释放强度及其出现时间因林型而异,其中以红松林的释放强度较大,高达43.6μgm-2h-1。土壤表面CH4通量与T5呈显著的负相关。土壤表面N2O通量的时间动态格局在林型间的分异较大,但在春季土壤解冻阶段均释放出N2O,而释放峰值和出现时间因林型而异。土壤表面N2O通量与0—10cm深土壤含水量呈显著的正相关(红松林除外)。研究展示了不同温带森林类型的土壤水热条件对其非生长季土壤CO2、CH4和N2O通量的重要影响,但这3种温室气体的林型间分异的生物学机理尚需进一步研究。     

冻融循环对金川泥炭沼泽土壤微生物量及群落结构的影响

冻融作用显著改变土壤微生物活性及碳氮循环过程。以长白山金川泥炭沼泽0-15 cm和15-30 cm土壤为研究对象，进行室内冻融交替模拟实验。实验设置两个冻融幅度（-10-10℃和-5-5℃）。经过0/1/3/5/7/15次冻融循环后，分别采用氯仿熏蒸法和磷脂脂肪酸法测定泥炭沼泽土壤微生物量及磷脂脂肪酸含量，并与未进行冻融处理的FTC （0）对比。实验结果表明：冻融作用对土壤微生物量碳、氮及微生物磷脂脂肪酸含量有显著影响（P<0.001）。15次冻融交替作用后，土壤微生物碳（MBC）含量均显著增加，土壤微生物量氮（MBN）含量显著降低。两种冻融模式下，各类型微生物磷脂脂肪酸含量均显著降低。冻融作用显著改变了泥炭沼泽土壤微生物群落结构。冻融作用降低了土壤真菌/细菌比值（-5-5℃，0-15 cm土壤除外），增加了革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值。-5-5℃冻融作用下，各土壤微生物磷脂脂肪酸含量变幅大于-10-10℃，土壤MBC的变化则与其相反，在-10-10℃变化幅度更大。两种冻融幅度下MBC与大部分微生物群落在15-30 cm土壤的变幅更大，这说明冻融作用对不同深度土壤微生物量和微生物群落结构的影响存在差异。冻融次数对土壤微生物量和各类型磷脂脂肪酸含量有显著影响（P<0.01）。相关性分析结果表明多种微生物磷脂脂肪酸含量与MBN含量呈正相关关系（P<0.01），与DOC含量呈负相关关系（P<0.05）。综上，冻结作用促进了微生物的死亡，为融化期微生物生存提供更多碳源与营养物质，改变了土壤微生物群落结构。冻融期间各类型微生物磷脂脂肪酸含量降低，可能会降低泥炭沼泽土壤碳汇能力。     

雪被去除对川西高山冷杉林冬季土壤微生物生物量碳氮和可培养微生物数量的影响

为了解气候变暖情景下雪被减少对冬季土壤微生物特征的影响,采用人工遮雪的方法,研究了雪被去除对原始冷杉林土壤微生物生物量和可培养微生物数量的影响.结果表明:雪被去除显著影响土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)以及可培养细菌和真菌数量,但土壤微生物在雪被覆盖不同阶段具有不同的响应特征.在雪被去除处理下,土壤有机层MBC和MBN在雪被形成初期和雪被融化前期显著降低,而在雪被覆盖期和雪被融化后期显著增加;在雪被形成初期至雪被覆盖期,可培养细菌数量都显著降低,但可培养真菌数量都显著增加.雪被融化后,雪被去除显著降低土壤有机层MBC和可培养真菌数量,显著增加可培养细菌数量,对MBN无显著影响.矿质土壤层MBC、MBN和可培养微生物数量在雪被去除下的变化趋势与土壤有机层基本一致,但波动较小.雪被去除还改变了川西高山冷杉林冬季土壤微生物类群比,提高了土壤可培养真菌数量的冬季优势.     

冰冻胁迫下树木管状分子内腔隙和栓塞的形成及其修复

许多树木管状分子细胞的细胞壁在冰冻期间并不随细胞内的水分迁移到细胞外冰晶上而塌陷。此时细胞内产生负压,负压的产生引起腔隙的形成,腔隙又会引起栓塞,导致树木内水分运输受阻。冻融循环可导致腔隙和栓塞的形成,或者冰冻之后,温度急剧回升时树木组织内的冰晶升华所致。在春季树木的根压得到恢复,从而使腔隙和栓塞部分消除,水分运输又得以畅通。冰冻胁迫对在高纬度和中高纬度的某些地区的树木的生长造成很大的危害,管状分子内腔隙和栓塞的形成就是其中之一,也是引起树木生长衰退或死亡的主要原因。本文对腔隙和栓塞的形成的原因、机理及其恢复进行了综述。     

雪被去除对川西亚高山云杉林土壤活性氮的影响

气候变化引发的季节性雪被改变可能对高寒森林土壤氮循环产生深刻影响.以遮雪棚去除雪被,研究了雪被去除样方和对照样方在不同关键时期(雪被初期、深雪被期和雪被融化期)土壤氮库和矿化速率的变化.结果表明: 季节性雪被对土壤具有良好的保温作用,雪被去除使得5 cm深度土壤平均温度和最低温度分别降低0.33和1.17 ℃,并明显增加了土壤冻结深度和冻融循环.土壤活性氮在不同雪被时期存在显著差异.雪被去除使得冬季土壤铵态氮、硝态氮和可溶性有机氮增加38.6%、23.5%和57.3%.此外,雪被去除也促进了融化期土壤硝化和矿化速率的增加.因此,未来气候变暖引起的雪被减少可能加快川西亚高山森林冬季土壤氮循环.     

冻融作用对小兴安岭典型湿地土壤活性有机碳的影响

以小兴安岭天然兴安落叶松沼泽湿地以及2003年、1992年、1985年开始进行排水的兴安落叶松人工林湿地为对象,研究冻融作用对不同类型湿地土壤活性有机碳的影响。结果表明:4种湿地土壤有机碳(SOC)含量差异显著(P0.05),但随着冻融次数的增加,土壤SOC含量基本不变。经历1,2,4,9次冻融循环后,-5—5℃冻融处理下,其含量比冻融前仅分别变化1.64%,9.68%,2.32%,2.17%,-25—5℃冻融处理下,分别变化2.55%,6.45%,3.00%,2.36%,表明短期的冻融交替对土壤SOC总量变化的影响不大。冻融前后,4种湿地土壤轻组有机碳(LFOC)占SOC的比重变化不明显(P0.05),但随着冻融次数的增加,土壤LFOC含量先减少后增加,且9次冻融后略高于对照。1次冻融后,土壤DOC含量达到最大值,-5—5℃冻融处理下,分别为323.45,278.21,235.68,180.53 mg/kg,-25—5℃冻融处理下,分别为314.75,256.93,238.25,204.44 mg/kg。此外,土壤微生物量碳(MBC)占SOC比重在冻融前后变化也不明显(P0.05),但总体上排水造林时间越长,土壤MBC占SOC比重变化越明显。     

冻融作用对大兴安岭多年冻土区土壤节肢动物的影响

利用室内模拟冻融试验,以5 ℃未冻融为对照,研究冻融强度(-5～5 ℃、-10～5 ℃)和冻融频次(1、5、10、15次)对我国大兴安岭多年冻土区土壤节肢动物群落结构的影响。结果表明: 试验共分离到土壤节肢动物4198只,隶属于4纲9目24 科 33属;强冻融(-10～5 ℃)显著降低了土壤节肢动物的个体数和类群数,而轻冻融(-5～5 ℃)尤其是短期(1次冻融循环)处理则使某些类群的个体数增加;在轻冻融处理中类群数、Margalef指数和Shannon指数随着冻融频次的增加显著降低,但在强冻融处理中并未表现出规律性变化;越冬虫态是土壤节肢动物抵御低温胁迫的生存策略之一,同时蜱螨亚纲具有较好的耐寒性。土壤节肢动物对冻融作用的差异性响应、物种间的协同作用以及土壤环境均是影响其群落组成的主要因素。本研究将为我国中高纬多年冻土区土壤节肢动物多样性研究和保护提供数据支持和理论依据。     

冻融作用对三江平原湿地土壤活性有机碳及酶活性的影响

为了研究冻融作用对不同类型土壤活性有机碳组分及酶活性的影响,选取三江平原未受干扰小叶章湿地（UDAW）,干扰小叶章湿地（DDAW）和水稻田（RP）土壤（0-10 cm,10-20 cm和20-30 cm）进行室内冻融模拟实验。实验设置（-10-10℃）和（-5-5℃）两个冻融幅度。将经过3次、6次、10次和15次冻融循环处理后的土壤活性有机碳和酶活性分别与未经过冻融处理的FTC（0）对比。结果表明：冻融循环增加了3种湿地土壤可溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon,DOC）浓度。随着活动层深度的增加,同一类型土壤DOC增量降低,不同类型土壤DOC增量为UDAW最高,其次是DDAW,RP增量最低。与此相反,冻融循环均降低了土壤微生物量碳（Microbial Biomass Carbon,MBC）浓度和纤维素酶、蔗糖酶和淀粉酶的活性。随着土壤深度的增加,冻融循环对MBC和3种酶活性的影响逐渐减弱,不同类型间MBC浓度和3种酶活性降低幅度为UDAW高于DDAW,RP降低幅度最小。冻融幅度对DOC浓度的影响为-5-5℃大于-10-10℃,而对MBC浓度和3种酶活性的影响则是-10-10℃大于-5-5℃。冻融次数显著影响土壤活性有机碳组分（DOC与MBC）及3种酶活性（P < 0.05）。随着冻融次数的增加,DOC浓度先升高后降低,MBC浓度和3种酶活性则先降低后升高。此外,UDAW和DDAW土壤活性有机碳组分和土壤酶活性显著正相关（P < 0.01）,暗示DOC浓度的增加,MBC起着重要作用。而在RP土壤中,二者的相关性降低,或许与人类的强烈干扰有关。     

冻融循环对川西亚高山森林土壤酶活性的影响

土壤酶活性的研究有助于认识植物-微生物-土壤有机质之间的相互关系,土壤酶的生产遵循"经济法则",冻融循环将会改变生产土壤酶的资源分配,最终影响土壤的有机质分解过程。亚高山森林土壤具有明显的季节性冻融循环,为深入研究亚高山森林冬季土壤生态过程,以川西亚高山针阔混交林、针叶林以及阔叶林土壤为研究对象,通过室内培养研究冻融循环对6种与碳(C)、氮(N)、磷(P)相关土壤酶活性的影响。结果表明,与N和P相关的土壤β-N-乙酰葡萄糖苷酶、磷酸酶活性受冻融循环影响显著,其中,β-N-乙酰葡萄糖苷酶活性在整个冻融处理过程中表现出先升高后降低并趋于平稳的趋势,磷酸酶活性在后期明显增加。与C相关的土壤纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化物酶、多酚氧化酶在冻融循环过程中没有显著变化。林型对土壤酶活性产生了显著影响。其中,阔叶林的土壤纤维素酶活性显著低于针叶林;阔叶林的土壤过氧化物酶活性显著低于针阔混交林和针叶林;针叶林的土壤磷酸酶活性显著高于针阔混交林和阔叶林。冻融循环和林型的交互作用对土壤酶活性没有显著影响。结果表明,该地区土壤酶活性对冻融循环响应存在差异,气候变化引起的冻融循环将进一步影响川西亚高山森林土壤生态系统的有机质分解过程。