荒漠草原不同植被微斑块土壤粒径分布分形特征与养分的关系

采集宁夏中部干旱带荒漠草原4种植被(猪毛蒿、甘草、苦豆子、草木樨状黄芪)微斑块土壤剖面3个层次土壤,测定了各微斑块土壤颗粒粒级分布、有机质、pH值、土壤电导率(EC)、全氮、全磷和全钾等理化性质,探讨了不同植被微斑块土壤粒径分布的分形维数(D)特征及其与土壤理化性质的关系.结果表明:斑块化植被分布可影响土壤粒径分布,其影响作用以草木樨状黄芪微斑块最大(D=2.51),甘草微斑块最低(D=2.46);分形维数与黏粒、粉粒含量呈显著正相关,而与砂粒含量呈显著负相关;土壤粒径分布分形维数与pH和EC呈显著正相关,与有机质和全氮含量呈显著负相关,与全磷和全钾含量无显著相关关系.斑块化植被分布有潜在土地盐碱化和土地退化的趋势.     

模拟降水量变化对荒漠草原土壤酶活性的影响及其相关因素分析

为明确荒漠草原土壤酶活性对降水格局改变的响应机制, 该研究基于宁夏荒漠草原降水量不同梯度变化(减少50%、减少30%、自然降水、增加30%和增加50%)的野外试验(2014年开始试验), 于2016年5-7月采样, 测定分析不同降水梯度2年后对土壤酶活性的影响, 并分析酶活性与植物生物量、微生物生物量C∶N∶P生态化学计量特征以及土壤理化性质的关系。结果表明: (1)与自然降水量相比, 减少30%降水量对3种土壤酶活性均无显著影响, 减少50%降水量显著降低了土壤蔗糖酶活性(^P < 0.05); 增加降水量显著提高了土壤蔗糖酶和磷酸酶活性(^P < 0.05), 但对脲酶活性无显著影响。(2)减少降水量对植物生物量影响较小(尤其减少30%降水量), 但不同程度地降低了微生物生物量C、N、P, 提高了微生物生物量C∶N和C∶P; 增加降水量则不同程度提高了植物生物量及微生物生物量C、N、P。(3)土壤蔗糖酶和磷酸酶活性随植物及微生物生物量增加而增加; 对土壤酶活性影响显著的土壤因子包括: 含水量、NO₃^- N、NH₄⁺ N、C∶P、有机C、全N、C∶N和pH (P < 0.05)。研究认为, 减少降水量(尤其是减少30%降水量)对土壤酶活性影响较小, 增加降水量促进了植物的生长、刺激微生物活性, 进而提高了土壤酶活性, 但随着植物生物量增加, 土壤有机C输入增多, 磷酸酶活性相应增强并促进了有机P的矿化, 导致土壤微生物P限制增加。     

长期N添加对典型草原几个物种叶片性状的影响

通过一个连续4 a(2003—2006年)N添加的野外控制试验(0、1、2、4、8、16、32、64 g/m2等8个水平),探讨了N供给改变对内蒙古典型草原几个常见物种叶片性状的影响。结果表明,沿施N水平,冷蒿(Artemisia frigida)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)和砂韭(Allium bidentatum)比叶面积(SLA)呈指数增加,而克氏针茅(Stipa krylovii)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)SLA无明显变化规律;5个物种绿叶N浓度和枯叶N浓度均呈增加趋势,而绿叶P浓度和枯叶P浓度的变化趋势呈明显的物种差异性。物种间,冷蒿具有较高的SLA和叶片养分浓度,克氏针茅具有较低的SLA和叶片养分浓度。以上结果表明,N供给增加降低了植物保持N的能力,对植物P保持能力的影响随物种不同而异,反映了植物P策略对N供给改变的弹性适应。因此,大气N沉降增加改变着植物N和P利用策略,进而影响着植被-土壤系统N和P循环,而其物种差异性将对群落结构产生深远影响。     

不同水分条件下两个树种木质部栓塞对P素添加的响应

 在两种水分供给(干旱胁迫和适宜水分,土壤含水量分别为田间持水量的30%～40%和70%～80%)下,研究了耐旱树种元宝枫(Acer truncatum)和 中生树种女贞(Ligustrum lucidum )木质部栓塞(以导水率(Percentage loss of hydraulic conductivity, PLC)损失程度衡量)对P素添加的 响应。结果发现,两个树种PLC的日变化均呈现出先上升后降低的规律,表明木质部栓塞的形成与恢复是植物体的一种平常事件;除适宜水分条 件的女贞外,P素可以显著提高元宝枫和遭受干旱胁迫时女贞的PLC;两种水分条件下,干旱胁迫时元宝枫木质部栓塞明显高于适宜水分供给时 。女贞的PLC在两种水分状况下无显著差异;树种间,干旱胁迫促进了元宝枫木质部的栓塞形成,明显高于同等水分条件下的女贞。该研究结果 证实了“木质部限流耐旱假设”。     

火电厂周边不同生物结皮细菌群落特征差异及其影响因素

为探究大气降尘重金属污染对矿区周边不同类型生物结皮细菌群落结构的影响,利用高通量测序技术分析位于宁东能源化工基地典型火电厂周边的3类生物结皮(藻结皮ZB、混生结皮HB、苔藓结皮TB)和对照(CK,裸土)的细菌丰度和群落结构,并探讨了影响细菌群落结构的环境因子。结果表明: 不同类型生物结皮的理化性质和重金属含量存在差异,且由于生物结皮对大气降尘重金属的富集作用造成各类结皮均达重度污染级别。在相对丰度排名前10的优势细菌门中,芽单胞菌门、蓝细菌门在不同类型生物结皮之间差异显著。细菌群落α多样性由高到低排序依次为CK>TB>HB>ZB。非度量多维排序(NMDS)结果显示,裸土细菌群落与其他3种生物结皮存在明显差异。相关性分析表明,生物结皮演替对细菌群落组成具有显著影响,细菌多样性和组成与pH、养分、重金属含量等密切相关。放线菌门、绿弯菌门相对丰度与pH值呈显著正相关关系,而与全氮(TN)、全磷(TP)、Pb、Zn、Cd均呈显著负相关关系;冗余分析结果表明,TN、pH、TP、有机碳(SOC)是影响3种生物结皮细菌群落α多样性以及一些优势菌群相对丰度的主要土壤环境因子,而重金属Pb、Zn、Cd是影响细菌群落结构的主要重金属元素,对细菌群落数量和多样性有抑制或刺激作用。说明pH、重金属和养分是影响结皮细菌群落组成的关键因子。总体而言,长期的重金属富集作用会对生物结皮的细菌多样性和群落组成产生影响。     

氮添加对荒漠草原植物群落组成与微生物生物量生态化学计量特征的影响

大气氮(N)沉降增加加速了土壤N循环, 引起微生物生物量碳(C):N:磷(P)生态化学计量关系失衡、植物种丧失和生态系统服务功能降低等问题。开展N添加下植物群落组成与微生物生物量生态化学计量特征关系的研究, 可为深入了解N沉降增加引起植物多样性降低的机理提供新思路。该文以宁夏荒漠草原为研究对象, 探讨了N添加下植物生物量和群落多样性的变化趋势, 分析了微生物生物量C:N:P生态化学计量特征独立及其与其他土壤因子共同对植物群落组成的影响。结果表明: N添加下猪毛菜(Salsola collina)生物量呈显著增加趋势, 牛枝子(Lespedeza potaninii)生物量呈逐渐降低趋势, 其他植物种生物量亦呈降低趋势但未达到显著水平; 沿N添加梯度, Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Patrick丰富度指数均呈先略有增加后逐渐降低的趋势; N添加提高了微生物生物量N含量和N:P, 降低了微生物生物量C:N; 植物群落组成与微生物生物量N含量、微生物生物量C:N、微生物生物量N:P、土壤NO₃ ^--N浓度、土壤NH₄ ⁺-N浓度以及土壤全P含量有较强的相关关系; 微生物生物量C:N:P生态化学计量特征对植物种群生物量和群落多样性变化的独立解释力较弱, 但却与其他土壤因子共同解释了较大变差, 意味着N添加下微生物生物量C:N:P生态化学计量特征对植物群落组成的影响与其他土壤因子高度相关。     

四种荒漠草原植物的生长对不同氮添加水平的响应

大气氮(N)沉降增加加速了生态系统N循环, 从而会对生态系统的结构和功能产生巨大的影响, 尤其是一些受N限制的生态系统.研究N添加对荒漠草原植物生长的影响, 可为深入理解N沉降增加对我国北方草原群落结构的影响提供基础数据.该文基于2011年在宁夏荒漠草原设置的N沉降增加的野外模拟试验, 研究了两年N添加下4个常见物种(牛枝子(Lespedeza potaninii),老瓜头(Cynanchum komarovii),针茅(Stipa capillata)和冰草(Agropyron cristatum))不同时期种群生物量和6-8月份相对生长速率的变化特征.并通过分析物种生长与植物(群落和叶片水平)和土壤碳(C),N,磷(P)生态化学计量学特征的关系, 探讨C:N:P化学计量比对植物生长养分限制的指示作用.结果显示N添加促进了4个物种的生长, 但具有明显的种间差异性, 且这种差异也存在于相同生活型的不同物种间.总体而言, 4个物种种群生物量与叶片N浓度,叶片N:P,群落N库,土壤全N含量和土壤N:P存在明显的线性关系, 与植物和土壤C:N和C:P的相关关系相对较弱.几个物种相对生长速率与植物和土壤N:P也呈现一定程度的正相关关系, 但与其他指标相关性较弱.以上结果表明, 短期N沉降增加提高了植物的相对生长速率, 促进了植物生长, 且更有利于针茅和老瓜头的生物量积累, 从而可能会逐渐改变荒漠草原群落结构.植物N:P和土壤N:P对荒漠草原物种生长具有较强的指示作用: 随着土壤N受限性逐渐缓解, 土壤N含量和N:P相继升高, 可供植物摄取的N增多, 因而有利于植物生长和群落N库积累.     

宁夏荒漠草原不同植物群落微斑块内土壤微生物区系特征

植物群落斑块化是天然放牧草地最基本的特征之一.为探索植物群落斑块化对土壤微生物群落组成及多样性的影响,本研究以宁夏荒漠草原为研究对象,采用磷脂脂肪酸(PLFA)法对比分析了不同植物群落微斑块内土壤微生物生物量和群落结构特征的变化.结果表明: 1) 4种植物群落微斑块内土壤微生物种类丰富,且都表现为细菌含量最高,真菌和放线菌含量较少,革兰氏阳性菌含量高于革兰氏阴性菌;2)4种植物群落中,甘草微斑块的土壤微生物总量显著高于猪毛蒿、苦豆子和黄芪;3)冗余分析表明,磷脂脂肪酸总量、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、厌氧菌、真菌/细菌均与土壤有机碳呈显著正相关,与pH呈显著负相关,表明土壤有机碳、pH是荒漠草原土壤微生物生长和发育的重要影响因素.     

氮磷供给对荒漠草原土壤和白草C∶N∶P化学计量特征的影响

大气氮(N)沉降增加是全球变化的一个重要方面。长期N沉降增加会提高生态系统N:磷(P)比,导致系统P限制增加以及植物P需求增强。该试验通过对白草(Pennisetum centrasiaticum)设立的N∶P供给(在统一施用N10.0g·m~(-2)·a~(-1)的基础上,通过改变P施用量,形成6个N∶P处理水平)盆栽控制试验,研究了连续2年(2013~2014年)N∶P供给处理对土壤和白草碳(C)∶N∶P化学计量特征的影响,并分析了C∶N∶P化学计量特征对白草生长和养分利用的指示意义。结果显示:(1)降低N∶P供给(提高P施用量)能够显著降低土壤和白草的C∶P和N∶P,缓解白草生长的P受限性,从而促进白草的生物量积累。(2)随着N∶P供给进一步降低,土壤N受限性增加。(3)白草通过提高其枯叶N回收能力,减少对土壤N库的依赖,反映了白草对N受限环境的弹性适应。研究表明,人为适当的添加P能够通过调节土壤和植物C、N、P计量平衡关系,减轻土壤和植物间P的供需压力,从而缓解N添加引起的荒漠草原P受限性增强。该研究结果可为N沉降增加背景下脆弱生态系统的适应性管理提供科学指导。     

降水量变化与氮添加下荒漠草原土壤酶活性及其影响因素

土壤酶主要由植物根系和微生物分泌产生, 参与有机质降解和元素循环等重要过程。研究降水量变化和氮(N)添加下土壤酶活性及其与植物群落组成以及微生物活动间的联系, 可为深入理解全球变化背景下植被-土壤系统中元素的循环与转化机制提供科学依据。该研究基于2017年在宁夏荒漠草原设立的降水量变化(减少50%、减少30%、对照、增加30%以及增加50%)和N添加(0和5 g·m^-2·a^-1)的野外试验, 研究了2018-2019年土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性的变化, 分析了其与植物群落组成、微生物生态化学计量特征的关系。结果表明: 与减少降水量相比, 增加降水量对3种酶活性的影响较大, 但其效应与N添加以及年份存在交互作用。2018年增加降水量对3种酶活性的影响缺乏明显的规律性。2019年增加降水量不同程度地提高了3种酶活性。N添加对3种酶活性影响较小(尤其2019年); 草木樨状黄耆(Astragalus melilotoides)生物量与脲酶和磷酸酶活性负相关。糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)生物量与3种酶活性正相关。除Patrick丰富度指数外, 植物群落多样性指数普遍与3种酶活性负相关; 对酶活性影响较大的因子包括土壤pH、土壤全磷(P)含量和微生物生物量碳(C):N:P。因此, 短期内降水量变化及N添加对荒漠草原土壤酶的影响较小(尤其在减少降水量条件下); 降水量增加及N添加通过提高植物生物量、改变植物多样性、调节微生物生物量元素平衡以及增强土壤P有效性, 直接影响着土壤酶活性。鉴于土壤酶种类的多样化和功能的复杂性, 今后还需结合多种酶活性的长期变化规律, 深入分析全球变化对酶活性的影响机制。