基于15N示踪技术的植物-土壤系统氮循环研究进展

同位素示踪技术是指外源添加与生物体内的元素或物质完全共同运行的示踪物,用来指示生物体内某元素或物质变化过程的一种方法。利用氮稳定同位素示踪技术,能从本质上揭示生态学过程发生的机理,从而成为生态学科研工作十分重要的工具之一。对近年来15N示踪技术应用于土壤氮素固定、植物氮素营养和植物-土壤系统氮迁移的研究进展进行了综述,并对稳定氮同位素技术在解决相关生态学难题可能的前景和不足方面进行了展望。     

不同氮处理下速生柳对水体氮的吸收、分配及生理响应

采用水培法,研究了旱柳苗在外源添加不同氮水平(贫氮、中氮、富氮、过氮)的铵态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO-3-N)的生长、氮吸收、分配和生理响应。结果表明:一定范围氮浓度的增加能够促进旱柳苗的生长,但过量氮会抑制其生长,且NH+4-N的抑制作用大于NO-3-N;两种氮处理下,旱柳表现出对NH+4-N的吸收偏好,在同一氮水平时,旱柳各部位氮原子百分含量Atom%15N(AT%)、15N吸收量和来自氮源的N%(Ndff%)均为NH+4-N处理大于NO-3-N处理,且随着氮浓度的增加,差异增大,且在旱柳各部位的分布为根﹥茎﹥叶;2种氮素过量和不足均会对旱柳根和叶生理指标产生不同的影响,其中在过氮水平时,NH+4-N和NO-3-N处理下根系活力比对照减少了50.61%和增加了19.53%;在过氮水平时,NH+4-N处理柳树苗根总长、根表面积、根平均直径、根体积和侧根数分别对照下降了30.92%、29.48%、19.44%、27.01%和36.41%,NO-3-N处理柳树苗相应的根系形态指标分别对对照下降了1.66%、5.65%、1.49%、5.06%和25.72%。可见,高浓度NH+4-N对旱柳苗的胁迫影响大于NO-3-N,在应用于水体氮污染修复时可通过改变水体无机氮的比例,削弱其对旱柳的影响,从而提高旱柳对水体氮污染的修复效果。     

雪被和土壤水分对典型半干旱草原土壤冻融过程中CO_2和N_2O排放的影响

土壤冻融期间的温室气体排放量会显著增加,并在全年总排放量中占有重要的份额。但目前开展的土壤冻融循环模拟实验大多是在土壤冻结之前调节土壤水分含量,而忽视了雪被在整个土壤冻融过程中的作用,因此导致室内模拟研究的结果与野外原位观测的结果差异较大。为探索开展室内模拟土壤冻融实验的优化方案,采用人工浇水和覆雪两种方式调节土壤水分含量,研究了雪被和土壤水分对内蒙古典型半干旱草原土壤冻融过程中CO2和N2O排放的影响。结果表明,浇水和覆雪两种处理对冻融循环过程中土壤CO2排放影响的差异不显著,CO2排放量在消融期都会明显增加并随着冻融循环次数的增加而逐渐减小。当土壤孔隙含水率达50%左右时,浇水处理中的N2O排放量在第1次土壤冻融循环中最高并随冻融循环次数增加而降低,但在覆雪处理中,N2O在第1次冻融循环中的排放较小,而在后两次冻融循环中的排放量更为显著。造成两种处理N2O排放规律出现显著不同的原因可能是土壤剖面水分动态变化过程和微生物性状等方面的差异。土壤冻融过程中CO2和N2O排放量随土壤含水量升高而增加,但N2O在土壤含水量较低时排放不明显,这表明可能只有当土壤含水量达到一定阈值时,冻融作用才会对N2O的排放产生显著影响。这些结果显示,雪被和土壤水分显著影响土壤冻融过程中的CO2和N2O排放,室内模拟土壤冻融实验应进一步优化。     

浙北地区不同土地利用下乡村草本层植物多样性研究

该文以浙江省安吉县两个典型乡村—繅舍村和赋石村为例,选取公园、农耕区、河道、人工林地四种不同土地利用类型,用Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Sorensen指数为标识多样性的指标,分析不同生境下草本植物多样性差异。结果表明：乡村生境中共记录物种162种,分属47科123属,其中禾本科与菊科物种数占总数的31.48％;农耕区生境的Shannon-Wiener指数、Simpson指数最高,分别为2.76和0.91,农耕区与河道的Sorensen指数最高为0.57。从农耕区、河道、公园到林地生境,草本物种多样性整体呈减小趋势。另外,发现人工绿化措施会导致草本物种减少,如从种植水稻单一作物到复合作物,草本层植物随之改变。单一稻田与复合种植区比较,草本植物主要的科属组成无明显变化,莎草科、菊科、禾本科植物仍占主体;但草本植物群落主要物种组成发生变化,稻田转变成农耕区后,牛筋草、黑麦草,碎米荠、小飞蓬、喜旱莲子草成为草本层群落主要构成植物,水竹叶覆盖度减少,小飞蓬和喜旱莲子草的覆盖度增加。此外,还发现4种生境中共有喜旱莲子草、加拿大一枝黄花、土荆芥三种入侵物种,但未能对本土物种构成显著影响。这表明不同土地利用方式会严重影响草本群落物种组成及物种多样性;土地利用方式的变化,会引起草本植物主要群落构成发生改变;土地利用类型的多样化有利于本土草本物种多样性生存。该研究结果有助于为城镇化进程中保护乡村植物多样性、加速推进美丽中国建设提供技术支撑。     

速生柳树苗对土壤铅的耐性、积累与分配特性研究

耐性植物为环境污染植物修复提供了一条良好的途径。通过盆栽试验研究了垂柳(Salix babylonica Linn.)和苏柳172(Salix jiangsuensis J172)扦插苗对人工添加土壤铅污染的耐性及其对铅的积累和分配。结果发现:柳树生物量与土壤有效铅含量呈显著负相关关系,中低浓度的铅污染对两种柳树的根系生物量影响不大,Pb2+浓度为1600 mg·kg-1时显著降低垂柳根系生物量,苏柳172在Pb2+浓度为1 200和1 600 mg·kg-1时根系生物量极显著降低,说明垂柳对高浓度的Pb2+耐性要好于苏柳172;垂柳和苏柳172根系长度、根表面积、根体积和根直径随着土壤铅浓度的增加持续下降,在Pb2+浓度为1600 mg·kg-1时,垂柳根系长度、根表面积、根体积和根直径分别比对照下降了50.40%、45.15%、44.44%、9.10%,苏柳172分别下降了45.00%、45.88%、47.02%、37.14%。柳树吸收的铅绝大部分积累在根部,迁移到茎部和叶部的数量较少,铅在2种柳树体内不同部位的积累量均为根茎叶。当Pb2+浓度为800 mg·kg-1时,垂柳和苏柳172的耐性指数为91.15%和84.26%,其对土壤中铅的吸收量达140.20和149.49 mg,表明两种柳树对中等土壤铅污染的修复具有较大潜力。     

浙江赋石水库集水区板栗林土壤氮素迁移特征

本研究通过在板栗林地设置径流小区,于2013年1—10月间采集径流水样进行测试,同时结合雨季前后土壤氮素数据,分析了浙江北部赋石水库集水区板栗林土壤氮素迁移特征.结果表明: 板栗林地的10次地表径流事件中,各径流小区径流水量差别较大,最大达0.51 m³;其中氮是主要的流失元素,硝态氮(NO₃^--N)、铵态氮(NH₄⁺-N)、总氮(TN)和化学需氧量(COD_Mn)的浓度分别为0.02～1.87、0.04～3.53、1.69～5.33和5.30～14.07 mg·L^-1,各水质指标受径流水量影响较大,且用一元一次方程可以较好地拟合氮素流失量与径流水量之间的相关关系;雨季前后板栗林地径流场上部、中部和下部3个位置的土壤中,氮素含量差异较大;总的变化趋势是随着海拔升高氮素含量增加,随着土层深度加深氮素含量降低.比较雨季前后4种土壤氮素(NO₃^--N、NH₄⁺-N、TN 和水解性氮Hydro-N)的差异发现,差异较大的为Hydro-N和TN,平均差异值为20.21和307.49 mg·kg^-1.该区氮素随径流流失风险较大,对赋石水库水体富营养化构成潜在压力,需重点关注.