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。     

干湿交替对科尔沁沙地人工林叶凋落物分解和养分释放的影响

在干旱/半干旱地区,土壤干湿交替现象非常明显.在全球气候变化背景下,预测未来科尔沁沙地的土壤干湿交替变化强度将进一步加剧.本研究采用室内原位土柱培养方法,模拟干湿交替对科尔沁沙地小叶杨和樟子松叶凋落物分解速率及养分释放的影响.试验设置3个处理:恒湿处理(CM)、轻度干湿交替处理(DW₁,10 d干燥+20 d湿润)和重度干湿交替处理(DW₂,20 d干燥+10 d湿润).整个培养试验共处理180 d,其中进行4次干湿交替循环处理,并在干湿交替处理结束后,将各处理置于相同土壤水分条件(60%田间持水量)延时培养60 d.结果表明: 小叶杨和樟子松叶凋落物分解及养分释放对干湿交替的响应一致.在干湿交替期间,DW₂处理显著抑制叶凋落物分解及叶凋落物C、木质素和总酚释放;与CM相比,DW₂处理叶凋落物质量、C、木质素和总酚残留率分别增加17.4%、23.8%、35.2%和32.7%,而干湿交替对叶凋落物N和P养分释放无显著影响.干湿交替处理结束和延时培养结束时,不同干湿处理叶凋落物分解及养分残留率的变化具有一致性.而延时培养期间DW₂处理凋落物分解速率、叶凋落物C和木质素释放加快,表明干湿交替对叶凋落物分解及养分释放具有短期延时效应.     

不同干湿交替频率对土壤速效养分、水溶性有机碳的影响

为了探究不同干湿交替频率对速效养分、DOC的影响机理,选择北京褐土(表层0—10cm土壤)为研究对象,采用室内模拟控制实验法,控制其他变量,设计一系列不同频率的干湿交替实验,在58d内设置了10d土壤培育期和48d试验期,其中48d试验期设置0、1、2、3、4次干湿交替,试验结束(第58天)进行速效养分、水溶性有机碳(DOC,Dissolved organic carbon)等主要土壤速效养分指标测定。采用单因素方差分析与LSD多重比较法进行数据分析,研究结果显示:恒湿组的速效钾、硝态氮含量比干湿交替组高;低频率的干湿交替使得土壤速效钾含量减少,高频率可能在后期出现释钾现象,速效钾含量随着干湿交替频率增加可能会有所增加,趋近恒湿组速效钾水平,4次干湿交替频率是出现速效钾回升的临界次数;硝态氮含量随着频率增加也有增加趋势,低频率的1次干湿交替(DW1,1 drying-rewetting cycle)硝态氮含量最低,高频率的4次干湿交替(DW4,4 dryingrewetting cycles)最高,干湿交替频率增加更频繁的打破平衡,促进矿化,干湿交替组也趋近恒湿组的硝态氮水平。经过干湿交替,土壤中速效钾、铵态氮、DOC的含量下降,硝态氮含量增加,速效磷、pH的变化不明显。在固定时间内(48d),随着干湿交替的频率增加(从1次到2、3、4次),周期变短(从48d到24、16、12d),干燥与湿润的持续时间变短(从24d到12、8、6d),干湿交替组的速效钾、硝态氮含量分别趋于恒湿组的速效钾、硝态氮水平。     

干湿交替对生物滞留系统中氮素功能微生物群落的影响

【目的】为探究生物滞留系统干湿交替下环境因子对氮素功能微生物群落的影响。【方法】应用高通量测序技术(Illumina MiSeq PE300),并以amoA和nirS功能基因为分子标记,对无植物型和植物型生物滞留系统在干湿交替下不同土壤空间位置(种植层、淹没层)的硝化和反硝化细菌的多样性和群落结构进行研究,并对微生物群落与环境因子的相互关系进行相关性分析。【结果】微生物种群的功能基因存在显著的空间差异,相比淹没层,种植层的功能细菌更丰富。种植层的OTUs高于淹没层,而进水再湿润促使两种功能基因在种植层和淹没层的OTUs占比差异性增大。群落组成分析表明,amoA型硝化细菌和nirS型反硝化细菌的优势细菌门均为变形菌门(Proteobacteria)。虽然植物根系对氮素功能微生物的多样性指数影响不显著,但在属水平上,植物系统种植层的反硝化菌群种类高于淹没层,而无植物系统则刚好相反。CCA/RDA分析表明,土壤空间位置是影响硝化和反硝化菌群结构的最重要环境因子。【结论】本研究证实干湿交替运行下生物滞留系统中的氮素功能微生物群落受土壤空间位置、水分含量和植物根系的共同调控,其机制有待进一步研究。     

干湿交替频率对不同土壤CO2和N2O释放的影响

干旱、半干旱和地中海气候区,乃至一些湿润地区,由干湿交替引起的土壤碳、氮的短暂脉冲式释放很大程度上决定着长时间尺度温室气体释放的总量,是土壤碳、氮温室气体释放的关键过程.选择我国降雨梯度下的森林、农田、草地和荒漠生态系统,采集土样进行实验室统一控制条件下的多重干湿交替循环,对比探讨不同生态系统土壤干湿交替频率对CO2和N2O释放的影响模式.结果表明:(1)干湿交替能够显著的激发土壤中CO2和N2O的释放,森林、农田、草地和荒漠土壤CO2和N2O释放速率对干湿交替的响应模式基本一致,其响应强度与土壤本底中碳和氮的含量有关;(2)在一定培养时间内,随着干湿交替频率的增加,土壤再湿润阶段CO2释放速率降低,但是,气体释放的总量较之于恒湿对照组有所增加.(3)不同土壤N2O的释放总量对于湿交替频率的响应模式表现出很大的差异,其中农田和荒漠土壤响应模式类似.     

测定时间对干湿循环条件下高寒湿地土壤呼吸的影响

土壤呼吸是土壤重要的生态过程之一,对全球碳循环有着重要的影响.准确测定不同干湿循环条件下的土壤呼吸,是评价土壤碳排放的重要基础.本研究以若尔盖高寒湿地土壤为对象,设置不同的干湿循环强度和频率,通过持续测定多个连续干湿循环周期下的土壤呼吸,将多次测定值进行累加,计算出土壤呼吸量,并分别与单次测定值所估算的土壤呼吸量进行比较,筛选出具有代表性的土壤呼吸测定时间.结果表明,在高频率干湿循环中(8天·周期^-1),高、低强度下土壤呼吸的最佳测定时间均为干湿交替周期的第4天;在低频率干湿循环中(16天·周期^-1),高、低强度下的最佳测定时间存在差异,分别为第6天和第4天.若统一不同干湿循环强度和频率下的土壤呼吸测定时间,则可选择在循环周期的第4天进行首次测定,之后每隔8天测定一次,此时估算的土壤呼吸量较为准确.以上结果表明,若尔盖高寒湿地土壤呼吸的最佳测定时间随干湿循环的变化而发生改变,在干湿交替循环周期的中间时段测定土壤呼吸,可以提高实验效率,较为准确地估算土壤呼吸,对评价和预测气候变化下高寒湿地生态系统土壤碳排放具有重要意义.     

固沙植被区两类结皮斑块土壤呼吸对不同频率干湿交替的响应

由降水的不连续性引起的土壤干湿交替是荒漠生态系统土壤呼吸的重要影响因素。本文研究了腾格里沙漠东南缘天然固沙植被区以藓类和藻类为优势的2类结皮斑块土壤呼吸对相同总降雨量(20 mm)不同降雨频率(10和20 d)条件下的多重干湿交替的响应。结果表明:2类结皮斑块土壤呼吸速率均在降雨后迅速升高,并在0.5~2 h达到峰值,然后逐渐下降并恢复到降雨前水平;随着干湿交替过程的依次进行,土壤呼吸速率峰值、平均值以及累积碳释放量均呈现逐渐减小的趋势,但随着干旱期的延长,这种减小的程度降低;两类结皮斑块土壤10 d循环条件下的累积碳释放量均低于20 d循环;相同条件下的藓类结皮斑块土壤碳释放量均高于藻类结皮斑块土壤。说明地表覆盖和干湿交替频率均是影响荒漠生态系统土壤呼吸对干湿交替响应的重要因素。