蚯蚓对土壤微生物及生物肥力的影响研究进展

蚯蚓被称为“生态系统工程师”,可以通过改善微生境(排粪、作穴、搅动)、提高有机物的表面积、直接取食、携带传播微生物等方式影响土壤微生物结构、组成和功能.蚯蚓活动形成的大孔隙(洞穴)、中、微空隙(排泄物)可以增加土壤孔隙度和通气性,有助于改善微生物微环境,促进其生长和繁殖.蚯蚓还通过取食、粉碎、混合等活动使复杂有机质转变为微生物可利用的形式,增加土壤微生物与有机质的接触面积,促进微生物对有机质的矿化作用,对土壤中碳、氮、磷养分循环等关键过程产生影响,最终促进土壤养分循环和周转速率,提高土壤生物肥力.     

Plant–herbivore interactions and ecological stoichiometry: when do herbivores determine plant nutrient limitation?

Recent studies on plant–herbivore indirect interactions via nutrient recycling have led to the hypothesis that herbivores with a low nitrogen: phosphorus ratio, feeding on plants with a higher nitrogen: phosphorus ratio, recycle relatively more nitrogen, driving plants into phosphorus limitation. We demonstrate in this paper that such a hypothesis is valid only under restricted conditions, i.e. the nitrogen: phosphorus ratio of inorganic nutrients supplied to the system must be neither too high nor too low compared with the nitrogen: phosphorus ratio of the whole plant + herbivore biomass. If plants have a greater affinity for phosphorus than for nitrogen, low herbivore nitrogen: phosphorus ratio can even promote nitrogen limitation. These results are qualitatively robust, whether grazing functions are donor-controlled or recipient-controlled. We present a graphical analysis of these conditions based on the Zero Net Growth Isocline method.     

黄土丘陵区不同类型生物结皮下的土壤生态化学计量特征

生物结皮在土壤养分累积和循环中起着重要作用.本研究以黄土丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻藓混合结皮、藓结皮、地衣结皮和普通念珠藻结皮6类典型生物结皮为对象,分析不同类型生物结皮土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量学特征,研究不同类型生物结皮对土壤养分的影响.结果表明:不同类型生物结皮土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P差异显著;生物结皮层C、N、P、C/N、C/P、N/P均显著高于0~10 cm土层土壤.6类生物结皮土壤C、N含量均随土层加深而下降,P含量受土层深度影响较小.对于生物结皮层,藓结皮C、N、P含量分别为27.07、2.42、0.67 g·kg^-1,显著高于其他类型生物结皮.念珠藻结皮的0~2 cm土层土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P显著高于其他类型生物结皮.     

Persistence of tree related patterns in soil nutrients following slash-and-burn disturbance in the tropics

Individual trees are known to influence soil chemical properties, creating spatial patterns that vary with distance from the stem. The influence of trees on soil chemical properties is commonly viewed as the agronomic basis for low-input agroforestry and shifting cultivation practices, and as an important source of spatial heterogeneity in forest soils. Few studies, however, have examined the persistence of the effects of trees on soil after the pathways responsible for the effects are removed. Here, we present evidence from a Mexican dry forest indicating that stem-related patterns of soil nutrients do persist following slash-and-burn removal of trees and two years of cropping. Pre-disturbance concentrations of resin extractable phosphorus (P), bicarbonate extractable P, NaOH extractable P, total P, total nitrogen (N) and carbon (C), KCl extractable nitrate (NO₃ ^-), and net N mineralization and nitrification rates were higher in stem than dripline soils under two canopy dominant species of large-stemmed trees with contrasting morphologies and phenologies (Caesalpinia eriostachys Benth. and Forchhammeria pallida Liebm.). These stem effects persisted through slash burning and a first growing season for labile inorganic and organic P, NaOH inorganic P, and plant-available P, and through a second growing season for labile organic P, NaOH organic P, and plant-available P. While stem effects for extractable NO₃ ^-, net nitrification rates, total N and C disappeared after felling and slash burning, these stem effects returned after the first growing season. These results support the view that tree-influenced patterns of soil nutrients do persist after tree death, and that trees contribute to the long-term spatial heterogeneity of forest soils. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

扎龙季节性湿草甸土壤养分和土壤微生物特性

以扎龙自然湿地典型季节性湿草甸为试验对象,研究了土壤微生物特性和土壤养分空间分布规律及其主要影响因子.结果表明:土壤养分、微生物群落数量、微生物量碳、氮均呈现明显的垂直分布特征;土壤酶活性的空间分布因受多种因素影响而表现复杂.逐步线性回归分析表明:土壤微生物生物量碳、氮均分别与β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶显著相关(P<0.05);有机碳与放线菌数量、过氧化氢酶活性显著相关(P<0.05);速效钾、全氮、水解性氮、C/N分别与放线菌数量、细菌数量、β-葡萄糖苷酶活性、土壤微生物生物量氮显著相关(P<0.05);全P、pH与土壤微生物活性无显著相关关系(P>0.05).采用主成分分析构建了湿地土壤养分的评价模型及微生物学预测模型.     

不同林龄刺槐叶片养分重吸收特征及其对土壤养分有效性的响应

为揭示丘陵沟壑区刺槐的养分重吸收特征及其驱动因素,研究该区不同林龄刺槐叶片全氮和全磷的浓度,以及土壤有机碳、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮和速效磷浓度及其化学计量,分析了叶片氮磷重吸收效率与土壤养分特性之间的关系。结果表明: 植物和土壤的养分随林龄增长发生显著变化,而土壤总磷和速效磷浓度较低。氮重吸收效率随林分生长先增加后降低,范围为48.2%～54.0%,平均为48.5%;磷重吸收效率则显著增加,范围为45.2%～49.4%,平均为46.9%。氮重吸收效率与土壤氮素和氮磷比呈负向响应,而磷重吸收效率与氮磷比呈显著正相关,与土壤速效磷呈负相关。表明土壤养分有效性的变化负向驱动养分重吸收效率。由于该生境中刺槐林的固氮效应及磷限制,叶片养分重吸收策略对土壤氮磷比响应强烈。     

三叶鬼针草与不同本地植物竞争对土壤 微生物和土壤养分的影响

入侵植物三叶鬼针草(Bidens pilosa)对我国农牧业生产造成了重大的损失。本文主要研究三叶鬼针草入侵与不同本地植物竞争对土壤微生物群落结构和土壤养分的影响。利用磷脂脂肪酸方法(phospholipid fatty acids, PLFAs)测定土壤微生物群落组成, 同时测定土壤养分和酶活性, 并利用Canoco4.5软件分析了土壤微生物、土壤养分和土壤酶活性的相关性。结果表明: (1)三叶鬼针草对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、丛枝菌根真菌等土壤微生物具有较强的聚集能力, 且其根际土壤聚集的微生物类群与本地植物种类密切相关。(2)三叶鬼针草入侵显著增加了入侵地土壤的有机碳含量, 降低了铵态氮的含量; 土壤中的速效钾、速效磷和硝态氮的含量则与本地植物种类密切相关。(3)相关性分析表明, 16:00和16:1 ω5c对铵态氮的含量影响较大, 而三叶鬼针草入侵地16:00和16:1 ω5c的含量显著高于裸土对照, 进而推测这一状况导致了铵态氮含量的降低。(4) 15:1 anteiso A和18:1 ω5c与速效钾的含量呈显著正相关, 而其含量在狗尾草(Setaria viridis)中显著高于其他处理, 三叶鬼针草与狗尾草混种处理中土壤中速效钾的含量高于其他处理。以上结果说明, 三叶鬼针草通过改变土壤微生物群落结构影响了土壤酶活性和土壤养分, 且这种改变与入侵地本地植物种类有关。     

Global patterns of nitrogen limitation: confronting two global biogeochemical models with observations

Projections of future changes in land carbon (C) storage using biogeochemical models depend on accurately modeling the interactions between the C and nitrogen (N) cycles. Here, we present a framework for analyzing N limitation in global biogeochemical models to explore how C‐N interactions of current models compare to field observations, identify the processes causing model divergence, and identify future observation and experiment needs. We used a set of N‐fertilization simulations from two global biogeochemical models (CLM‐CN and O‐CN) that use different approaches to modeling C‐N interactions. On the global scale, net primary productivity (NPP) in the CLM‐CN model was substantially more responsive to N fertilization than in the O‐CN model. The most striking difference between the two models occurred for humid tropical forests, where the CLM‐CN simulated a 62% increase in NPP at high N addition levels (30 g N m^?2 yr^?1), while the O‐CN predicted a 2% decrease in NPP due to N fertilization increasing plant respiration more than photosynthesis. Across 35 temperate and boreal forest sites with field N‐fertilization experiments, we show that the CLM‐CN simulated a 46% increase in aboveground NPP in response to N, which exceeded the observed increase of 25%. In contrast, the O‐CN only simulated a 6% increase in aboveground NPP at the N‐fertilization sites. Despite the small response of NPP to N fertilization, the O‐CN model accurately simulated ecosystem retention of N and the fate of added N to vegetation when compared to empirical ¹⁵N tracer application studies. In contrast, the CLM‐CN predicted lower total ecosystem N retention and partitioned more losses to volatilization than estimated from observed N budgets of small catchments. These results point to the need for model improvements in both models in order to enhance the accuracy with which global C‐N cycle feedbacks are simulated.     

土壤微生物在植物获得养分中的作用

大量施用化肥是当今农业的一个重要特征。化肥为粮食增产做出了巨大贡献,同时也带来一系列问题,如土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放、资源耗竭等,直接威胁着农业可持续发展。土壤微生物是陆地生态系统植物多样性和生产力的重要驱动者,直接参与了植物获得养分和土壤养分循环两个过程。因此,通过调控土壤微生物的功能,有望降低农业对化肥的过分依赖。介绍了共生固氮菌、菌根真菌和根际促生菌对植物获得养分能力的影响及其机制,分析了土壤微生物对土壤氮、磷循环的影响及其与土壤养分生物有效性、养分损失的关系。依据这些知识,提出了改善植物营养、降低化肥施用的土壤微生物途径。虽然大量试验已证明了土壤微生物在改善植物营养中的重要作用,但是大面积应用土壤微生物技术来改善植物营养还存在不少问题。随着以后对这方面研究的加强以及上述问题的不断解决,土壤微生物有望在降低化肥施用量和维持农业可持续发展中做出重要贡献。     

植物与土壤微生物在调控生态系统养分循环中的作用

陆地生态系统的地上、地下是相互联系的。植物与土壤微生物作为陆地生态系统中的重要组成部分, 它们之间的相互作用是生态系统地上、地下结合的重要纽带。该文首先介绍了植物在养分循环中对营养元素的吸收、积累和归还等作用, 阐述了土壤微生物对养分有效性及土壤质量具有重要的作用。其次, 重点综述了植物与土壤微生物之间相互依存、相互竞争的关系。植物通过其凋落物与分泌物为土壤微生物提供营养, 土壤微生物作为分解者提供植物可吸收的营养元素, 比如共生体菌根真菌即可使植物根与土壤真菌达到互惠。然而, 植物的养分吸收与微生物的养分固持同时存在, 因而两者之间存在对养分的竞争。通过植物多样性对土壤微生物多样性的影响分析, 以及土壤微生物直接或间接作用于植物多样性和生产力的分析, 探讨了植物物种多样性与土壤微生物多样性之间的内在联系。针对当前植物与土壤微生物对养分循环的调控机制的争论, 提出植物凋落物是调节植物与土壤微生物养分循环的良好媒介, 植物与土壤微生物的共同作用对维持整个生态系统的稳定性具有重要意义。也指出了目前在陆地生态系统地上、地下研究中存在的不足和亟待解决的问题。     

石漠化地区苔藓结皮对土壤养分及生态化学计量特征的影响

苔藓结皮是石漠化生态系统的重要地表覆被物,但其在土壤养分累积和元素循环过程中的作用尚不明确。以我国贵州典型喀斯特高原峡谷石漠化区-花江大峡谷两岸不同等级石漠化生境下的苔藓结皮及其覆被土壤为研究对象,研究了苔藓结皮覆被对土壤养分及生态化学计量特征的影响。结果表明:(1)苔藓结皮层养分含量显著高于下层土壤,结皮覆被土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)平均含量分别为25.95、3.05、1.00、5.10 g/kg和189.61、1.59、275.10 mg/kg,较无结皮覆被的裸土分别增加46.08%、26.50%、53.62%、20.25%、25.24%、110.47%和83.76%。(2)苔藓结皮覆被土壤C/N、C/K、P/K显著高于裸土,且随土层加深而递减;N/P显著低于裸土,且随土层加深而升高。(3)苔藓结皮覆被土壤养分恢复指数为33.16%—72.48%,呈现随石漠化等级升高而增加的趋势,中度和强度石漠化阶段较无石漠化阶段分别增加83.26%和118.58。本研究表明苔藓结皮能有效促进土壤养分累积,加速石漠...     

土壤酶计量揭示了武夷山黄山松林土壤微生物沿海拔梯度的碳磷限制变化

了解土壤胞外酶活性和酶计量的变化对评估山地生态系统土壤养分有效性和微生物的营养限制状况具有重要意义.然而,亚热带山地森林土壤微生物的营养限制状况对海拔梯度变化的响应及其驱动因素尚不清楚.本研究以武夷山不同海拔(1200～2000 m)黄山松林为对象,测定了土壤基本性质、微生物生物量以及与碳(C)、氮(N)、磷(P)循环...     

黄土丘陵区植被与地形特征对土壤和土壤微生物生物量生态化学计量特征的影响

研究黄土丘陵区植被与地形特征对土壤和土壤微生物生物量生态化学计量特征影响有助于深入理解黄土丘陵区不同植被带下土壤和土壤微生物相互作用及养分循环规律.选择黄土丘陵区延河流域3个植被区(森林区、森林草原区、草原区)和5种地形部位(阴/阳沟坡、阴/阳梁峁坡、峁顶)的土壤作为研究对象,利用生态化学计量学理论研究植被和地形对土壤和土壤微生物生物量生态化学计量特征的影响.结果表明: 土壤及土壤微生物生物量碳、氮、磷含量在不同地形之间的差别主要表现在沟坡位置和阴坡高于其他坡位和阳坡.植被类型的变化对两个土层(0～10、10～20 cm)土壤和土壤微生物生物量碳、氮、磷的影响均达到显著水平,坡向对表层(0～10 cm)土壤和土壤微生物生物量碳、氮、磷的影响强于坡位,而在10～20 cm土层,坡位对土壤和土壤微生物生物量碳、氮、磷影响更显著.植被类型显著影响土壤C∶N、C∶P、N∶P和土壤微生物生物量C∶N、C∶P,坡向和坡位仅影响土壤C∶P和N∶P,植被类型的变化是影响土壤C∶N的主要因素.同时,植被类型对土壤养分和微生物生物量碳、氮、磷含量及其生态化学计量特征的影响大于地形因子.标准化主轴分析结果表明,黄土丘陵区不同植被带土壤微生物具有内稳性,特别在草原带,土壤微生物生物量生态化学计量学特征具有更加严格的约束比例.在黄土丘陵区,土壤微生物生物量N∶P或许可以作为判断养分限制的另一个有力工具,若将土壤微生物生物量N∶P与植物叶片N∶P配合使用可能有助于我们更加精确地判断黄土丘陵区的土壤养分限制情况.     

贺兰山东坡不同海拔梯度土壤酶化学计量特征

土壤胞外酶是生物地球化学循环的主要参与者,与微生物的代谢需求和养分供应密切相关。然而,对干旱区山地生态系统沿海拔梯度土壤微生物养分限制状况及其驱动因素尚不清楚。基于此,以贺兰山海拔1300-2700m范围内7个海拔梯度的土壤为研究对象,揭示贺兰山土壤理化性质、胞外酶活性及微生物养分限制的海拔分布格局,分析影响微生物养分限制的驱动因素。结果表明：随着海拔梯度的升高,土壤含水率（SWC）和有机碳（SOC）含量逐渐增加,容重（BD）和pH整体呈现逐渐降低的趋势。海拔显著影响土壤胞外酶活性,五种参与土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）循环的酶活性随着海拔的升高整体呈现逐渐上升的变化趋势,总体表现出中低海拔酶活性较低,高海拔酶活性较高。胞外酶矢量分析显示,矢量长度在中低海拔处较高,而矢量角度则在高海拔处较高,表明贺兰山土壤微生物在中低海拔和高海拔分别具有相对较强的C和P限制。土壤含水率、容重、C、N、P含量与土壤胞外酶活性及其化学计量比显著相关,是调控土壤胞外酶活性随海拔变化的主要因子,说明胞外酶在旱区山地生态系统土壤物质循环过程中具有重要的作用。该研究结果对揭示土壤微生物和胞外酶之间养分元素循环的耦合机理,为深入探讨贺兰山森林生态系统物质循环和不同海拔梯度植被有效管理提供科学依据。     

Concentrations and resorption patterns of 13 nutrients in different plant functional types in the karst region of south-western China

Background and Aims

Elucidating the stoichiometry and resorption patterns of multiple nutrients is an essential requirement for a holistic understanding of plant nutrition and biogeochemical cycling. However, most studies have focused on nitrogen (N) and phosphorus (P), and largely ignored other nutrients. The current study aimed to determine relationships between resorption patterns and leaf nutrient status for 13 nutrient elements in a karst vegetation region.

Methods

Plant and soil samples were collected from four vegetation types in the karst region of south-western China and divided into eight plant functional types. Samples of newly expanded and recently senesced leaves were analysed to determine concentrations of boron (B), calcium (Ca), copper (Cu), iron (Fe), potassium (K), magnesium (Mg), manganese (Mn), molybdenum (Mo), N, sodium (Na), P, sulphur (S) and zinc (Zn).

Key Results

Nutrient concentrations of the karst plants were lower than those normally found in other regions of China and the rest of the world, and plant growth was mainly limited by P. Overall, four nutrients revealed resorption [N (resorption efficiency 34·6 %), P (48·4 %), K (63·2 %) and Mg (13·2 %)], seven nutrients [B (–16·1 %), Ca (–44·0 %), Cu (–14·5 %), Fe (–205·5 %), Mn (–72·5 %), Mo (–35·6 %) and Zn (–184·3 %)] showed accumulation in senesced leaves and two nutrients (Na and S) showed no resorption or accumulation. Resorption efficiencies of K and Mg and accumulation of B, Ca, Fe and Mn differed among plant functional types, and this strongly affected litter quality. Resorption efficiencies of N, P and K and accumulation of Ca and Zn increased with decreasing concentrations of these nutrients in green leaves. The N:P, N:K and N:Mg ratios in green leaves predicted resorption proficiency for N, K and Mg, respectively.

Conclusions

The results emphasize the fact that nutrient resorption patterns strongly depend on element and plant functional type, which provides new insights into plant nutrient use strategies and nutrient cycling in karst ecosystems.     

长白山低山区森林土壤有机碳及养分空间异质性

以吉林延边汪清林业局金仓林场境内森林土壤为对象,采用多元线性回归方法和地统计学回归克里格方法,研究了土壤有机碳及养分的垂直分布规律,预测了其空间分布,并对预测结果进行插值.结果表明: 0～60 cm深度土壤有机碳密度为(16.14±4.58) kg·m^-2.随土壤深度增加,土壤有机碳含量、有机碳密度以及土壤全N、全P、全K、有效P及速效K含量都呈减小趋势,其中不同土层间土壤有机碳含量、有机碳密度差异显著(P<0.01).0～60 cm土层土壤有机碳含量和碳密度的拟合方程中,地形因子中高程和坡向余弦值是最优的拟合因子,方程的决定系数分别为0.34和0.39(P<0.01).0～20和0～60 cm土层的半方差函数模型分别为高斯模型和指数模型,利用回归克里格插值方法得到土壤有机碳的空间分布图.与普通克里格法相比,回归克里格法的空间预测精度改进了18%～58%.利用回归克里格插值方法预测了土壤全N的空间分布特征.     

曲靖植烟土壤养分空间变异及土壤肥力适宜性评价

采用GPS技术在云南曲靖烟区布置了2088个采样点,测定其耕作层(0～20 cm)土壤主要养分含量,利用经典统计方法和地统计学方法对植烟土壤养分状况的总体特征和空间变异特征进行分析,并采用模糊数学方法对植烟土壤肥力适宜性进行综合评价.结果表明:曲靖植烟土壤pH、有机质、有效硫和水溶性氯含量适宜,全氮和碱解氮含量偏高,速效钾、有效钙、有效镁、有效铜、有效铁、有效锌、有效钼和有效锰含量丰富,速效磷含量中等,全磷、全钾和有效硼含量偏低;区域内植烟土壤养分指标均表现为各向异性分布,其中速效磷和有效硼的空间变异主要受随机性因素的影响,其他养分指标的空间变异是结构性因素和随机性因素共同作用的结果.植烟土壤肥力适宜性指数为优的区域缺乏,为良的区域占8.0%,一般的区域占51.6%,中等的区域占39.0%,为差的区域占1.4%.