冻融对土壤氮素损失及有效性的影响

土壤冻融交替是寒冷生态系统土壤氮素循环的重要驱动力。已有研究表明冻融交替作用能够促进氮素周转,从而缓解因土壤有效氮素缺乏而引起的植物生长限制。即便如此,冻融环境下土壤有效氮素供应量远高于其利用量,过剩的氮素会通过气态(N2O-N)排放、淋溶和径流等途径损失。论述了季节冻融环境和模拟冻融条件下土壤氮素损失状况;同时分析了影响冻融土壤N2O生产的相关因素、产生途径及冻融期N2O大量排放的机制;针对冻融交替过程中土壤氮素有效性问题,探讨了氮矿化、可溶性有机氮(DON)和微生物量氮(MBN)与氮素损失的关系。评述了土壤冻融研究中存在的不足,认为模型研究、土壤微生物功能、氮素转化中间产物、土壤-植物界面过程是未来值得关注和深入探讨的研究方向。     

冻融作用对陆地生态系统氮循环关键过程的影响效应及其机制

冻融作用是中、高纬度及高海拔地区土壤普遍存在的一种自然现象,是非生长季陆地生态系统氮循环的重要影响因素.冻融作用主要通过改变土壤的理化性质及生物学性状来影响氮素在土壤中的迁移与转化.目前,冻融作用对陆地生态系统氮循环各个过程影响的研究结果不尽一致,理论机制尚不明晰,研究方法也需进一步地探索与创新,因此有必要对现有成果进行梳理和分析,以更好地把握冻融作用下的氮循环过程.本文结合国内外已有研究成果,论述了冻融作用对陆地生态系统氮循环关键过程（氮矿化、固持、硝化与反硝化过程、氮淋溶及气态损失）的影响效应及其主要机制,对目前研究中存在的不足进行了剖析,并对未来研究中迫切需要关注的重点研究方向进行了探讨与展望.     

冻融作用下土壤物理和微生物性状变化与氧化亚氮排放的关系

在中、高纬度及高海拔地区,土壤冻融交替现象普遍存在.冻融作用影响土壤的物理和微生物性状,影响土壤的氮素转化过程和强度,导致土壤温室气体氧化亚氮排放增多,使冻融区土壤成为氧化亚氮的重要排放源.冻融作用改变了土壤水分特征和土壤团聚体的稳定性;冻融作用使土壤微生物量、微生物的组成和结构发生改变,导致微生物标识物氨基糖种类和数量改变.本文概述了上述变化与氧化亚氮排放的关系,简要提出了冻融作用下土壤氧化亚氮产生、排放的理论问题及其研究去向.     

放牧对草地土壤氮素循环关键过程的影响与机制研究进展

放牧是人类管理利用草地生态系统的最主要途径之一.食草动物的采食、践踏、卧息和排泄物归还等干扰不仅会改变草地地上植物群落,也会对土壤养分循环产生显著的影响.随着人类活动的加剧,放牧强度和频率也在逐渐增加,从而对草地土壤氮素循环关键过程产生重要影响.放牧主要通过改变土壤的物理性质、土壤氮库以及微生物的组成和结构,进而影响氮素在土壤中的迁移与转化.适度放牧会促进土壤氮素的矿化过程和硝化过程,加快氮素的周转,有利于植物吸收可利用氮素,而对于反硝化的影响与草地的水热条件和土壤类型等密切相关.目前,关于放牧强度对土壤氮素循环关键过程影响的研究结果不一致,其影响机制尚不明晰,尤其对于不同类型的草原仍存在较大的差异.本研究在大量查阅国内外已有研究结果的基础上,论述了放牧对土壤氮素循环关键过程的影响效应,总结了放牧对土壤氮素循环的影响机制,指出了目前研究过程中存在的不足,并对未来研究中值得重点关注和深入研究的科学问题进行了探讨与展望,为进一步理解放牧对草地土壤氮素循环的影响提供参考.     

干湿交替条件下土壤氮素转化及其影响研究进展

对干湿交替条件下土壤氮素的矿化、损失以及对土壤团聚体结构和土壤胀缩性、土壤微生物活性和群落等的影响进行了综合评述。研究表明,干湿交替能够对土壤氮素的矿化和损失产生影响,并且干湿交替条件下土壤中氮素的转化与土壤团聚体结构、土壤胀缩性以及土壤微生物活性和群落密切相关。此外,针对目前研究中的不足,提出了今后的研究方向,认为开展干湿交替条件下土壤氮素转化与物理性质和微生物的关系,尤其是肥料氮素的微生物转化过程,为进一步开展干湿交替条件下氮素在土壤中的转化过程,明确自然条件下土壤氮素转化机制的相关研究提供参考。     

季节性雪被对高山生态系统土壤氮转化的影响

在高山生态系统中,季节性雪被对土壤氮含量及转化有着重大影响.降雪是氮沉降的一种重要形式,直接影响着土壤中的有效氮含量;降雪形成不同厚度和持续期的雪被后,造成环境因子(土壤温度和含水量)和生物因子(土壤微生物、高山植物和高山动物)的异质性,进而对土壤中氮素矿化和微生物固持过程产生复杂的影响.本文重点介绍了持续性雪被消融期冻融交替影响土壤氮素矿化和流失的机制,并针对高山地区未来季节性雪被可能发生的变化,综述了野外原位模拟实验的主要研究成果,最后提出了开展季节性雪被对土壤氮影响研究的一些建议.     

冻融作用对土壤温室气体产生与排放的影响

土壤冻融交替是中、高纬度和高海拔地区常见的自然现象,土壤在冻融期间会经历一系列物理、化学和生物变化过程。有研究表明,冻融区土壤是温室气体的重要排放源,冻融期土壤温室气体的排放量在全年总排放量中占有重要的份额,尤其是N2O。随着全球气候变暖,部分地区的土壤环境将经受更广泛和频繁的冻融交替作用,这会导致土壤温室气体排放量增加,从而又进一步促进了气候变暖。本文重点概述了冻融作用对土壤温室气体产生与排放的影响及其主要影响机制,并简要提出了目前土壤冻融研究中的一些不足以及今后值得关注和深入研究的科学问题。     

冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响

全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物-土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。     

河岸带不同植被类型土壤氮素转化过程对冻融交替的响应

河岸带是水陆交错地带氮素生物地球化学循环的热点区域,春季融雪时期的气温变化引起的冻融交替是影响土壤氮素转化过程和氮素流失重要因素之一.通过室内模拟,研究了河岸带珍珠梅、落叶松和农田3种植被类型土壤可溶性氮含量与净氮矿化速率对不同冻结温度和冻融频次的响应.结果表明,冻融频次对3种植被类型河岸带土壤可溶性氮影响显著(P＜0.05),不同植被类型土壤可溶性氮含量变化趋势相似,在第1次冻融之后达到峰值,在第10次冻融之后稳定.3种植被类型土壤无机氮含量受冻融交替影响显著升高(P＜0.05).冻融温度对土壤净氮矿化速率影响显著(P＜0.05),土壤净氮矿化速率在第1次冻融之后达到最大值,随冻融次数增加而下降.3种植被类型土壤受冻融交替影响均有一定程度的氮素流失风险,农田土壤无机氮含量本底值较高,土壤氮素随冰雪融水流失风险较大.     

盐渍化对农田氮素转化过程的影响机制和增效调控途径

本文在回顾我国盐渍化农田氮肥利用现状的基础上,总结了盐渍化对农田土壤氮素转化关键过程的影响规律,剖析了其对参与氮素转化的微生物的作用机制,归纳了盐渍化农田氮素养分增效调控的主要途径。盐渍化对农田土壤氮素矿化、硝化和反硝化过程存在阈值效应,不同范围内影响差别较大。盐分以及次生障碍对相关微生物也具有不同的影响,且同样存在阈值效应。目前盐渍化农田氮素增效调控的途径主要包括土壤改良剂改良、生物质材料改良、种植耐盐植物、优化氮素形态配比和生物抑制剂改良,最后提出盐渍化农田氮素循环过程研究目前存在的不足以及未来的研究方向。本文对盐渍化农田氮素减损增效、化肥养分高效利用与农业面源污染阻控具有重要指导意义。     

基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物是有机物分解和养分循环的主要介质,因此在维持土壤的功能多样性和持续性方面发挥着关键作用。气候变化驱动因素会影响土壤微生物的生理活动,引起其群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应,其中氮沉降和降水是全球气候变化的研究热点。土壤氮(N)的有效性有可能通过改变微生物的群落组成以调节微生物对降水变化的响应,但目前关于N沉降和降水及其交互作用对土壤微生物群落功能多样性的影响机制仍不清楚。为了准确预测未来气候条件下生态系统的功能状况,需要更好地了解土壤微生物对环境变化的响应。基于BIOLOG技术综述了氮沉降和降水变化及其交互作用对土壤微生物功能多样性影响的相关研究进展,可以为进一步研究全球气候变化背景下地下生态学的发展提供参考。另外,分析阐述了当前工作中存在的一些主要瓶颈,并对未来的研究热点进行了探讨和展望。     

土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

15N自然丰度法在陆地生态系统氮循环研究中的应用

随着氮沉降的不断增加以及人们对全球变化问题的日益关注, 稳定同位素技术在全球变化研究中得到广泛的应用。因为植物和土壤的氮同位素组成记录了氮循环影响因子的综合作用, 并且具有测量简单以及不受取样时间和空间限制的优点, 所以氮同位素自然丰度法被用于氮循环的研究中。该文从氮循环过程中植物和土壤的氮分馏入手, 总结国内外相关文献, 阐述了植物和土壤氮自然丰度在预测生态系统氮饱和和氮循环长期变化趋势中的应用; 总结了利用树轮δ ¹⁵N法研究氮循环过程中应该注意的事项以及目前尚未解决的问题。     

森林土壤微生物对干旱和氮沉降的响应

干旱和氮沉降深刻影响着人类世森林生态系统的生命活动与物质循环,进而影响全球碳平衡、并反馈作用于气候变化。土壤微生物驱动元素的生物地球化学循环和关键土壤生态过程,在气候变化生物学研究方面具有核心地位和全球重要性。本文综述了干旱和氮沉降对森林土壤细菌和菌根真菌的影响。提出未来应加强全球变化多因子交互作用对土壤微生物多样性、活性与生态功能的研究;建立野外长期定位站,强化亚热带森林生态系统与全球变化研究;注重土壤生物之间互作及网络研究;利用微生物大数据建立相关的机理模型等。从认识微生物多样性和群落组成对全球变化的响应与适应,逐步发展为调控利用微生物群落服务于森林的优化管理、生态资源的合理保护与可持续利用,为充分发挥微生物减缓全球气候变化的作用提供理论基础。     

Soil microbial legacies differ following drying-rewetting and freezing-thawing cycles

Climate change alters frequencies and intensities of soil drying-rewetting and freezing-thawing cycles. These fluctuations affect soil water availability, a crucial driver of soil microbial activity. While these fluctuations are leaving imprints on soil microbiome structures, the question remains if the legacy of one type of weather fluctuation (e.g., drying-rewetting) affects the community response to the other (e.g., freezing-thawing). As both phenomenons give similar water availability fluctuations, we hypothesized that freezing-thawing and drying-rewetting cycles have similar effects on the soil microbiome. We tested this hypothesis by establishing targeted microcosm experiments. We created a legacy by exposing soil samples to a freezing-thawing or drying-rewetting cycle (phase 1), followed by an additional drying-rewetting or freezing-thawing cycle (phase 2). We measured soil respiration and analyzed soil microbiome structures. Across experiments, larger CO₂ pulses and changes in microbiome structures were observed after rewetting than thawing. Drying-rewetting legacy affected the microbiome and CO₂ emissions upon the following freezing-thawing cycle. Conversely, freezing-thawing legacy did not affect the microbial response to the drying-rewetting cycle. Our results suggest that drying-rewetting cycles have stronger effects on soil microbial communities and CO₂ production than freezing-thawing cycles and that this pattern is mediated by sustained changes in soil microbiome structures.Subject terms: Soil microbiology, Biogeochemistry, Biodiversity, Microbial ecology     

春季冻融期兴安落叶松林土壤微生物的时间动态及其影响因子

春季冻融期土壤微生物动态会影响生长季的碳和养分循环.在春季冻融期,每隔3~7d取样一次,采用磷脂脂肪酸法(PLFA)研究了兴安落叶松林4种土壤基质的微生物群落时间动态.结果表明:1)土壤微生物PLFAs总量、各类群的PLFAs量和相对丰度、革兰氏阳性细菌/革兰氏阴性细菌(G^+/G^-)、饱和脂肪酸/不饱和脂肪酸(S/NS)和细菌/总真菌(真菌+丛枝菌根真菌)(B/F)均存在显著的取样时间差异;2)在冻融前期土壤总有机碳(TOC)和土壤全氮(TN)是影响土壤微生物的主要因子,在冻融中期土壤湿度和土壤TOC、TN含量是主要影响因子,在冻融后期土壤微生物受到土壤温湿度、土壤TOC、TN含量及土壤碳氮比(C/N)的共同影响;3)土壤微生物PLFAs总量、各类群的PLFAs量和相对丰度(细菌丰度除外)、B/F、G^+/G^-、S/NS在土壤基质间均存在显著差异,土壤TOC、TN和C/N的不同是引起差异的主要环境因素.春季冻融期土壤温湿度和资源有效性是影响土壤微生物群落的主要因子,但影响程度因冻融阶段和微生物类群的不同而存在差异.     

Elevated temperatures and carbon dioxide concentrations: effects on selected microbial activities in temperate agricultural soils

Human activities have increased greenhouse gas concentrations in the atmosphere. Research has demonstrated this increased concentration will affect our climate by causing increases in temperature and altered weather patterns. The effects of climate change have been studied, including effects on some ecosystems throughout the world. There are studies that report changes in the soil due to climate change, but many did not extend their research to the microorganisms that inhabit soils. In our analysis of soil microorganisms that may be affected by climate change, two microbial outcomes emerged as having particular ecological and societal importance. Perturbations in the soil environment could lead to community shifts and altered metabolic activity in microorganisms involved in soil nutrient cycling, and to increasing or decreasing survival and virulence of soil-mediated pathogenic microorganisms. Alterations in CO₂ concentrations and temperature may alter soil respiration, soil carbon dynamics, and microbial community structure. Microbial-mediated processes that play an important role in the nitrogen cycle may also be influenced as a result of climate change. The potential for an increase in frequency of horizontal gene transfer due to changing climatic factors is of concern due to possible evolutionary changes in soil-borne pathogen populations, including the spread of virulence factors and genes that aid in environmental survival. We suggest that soil microbial communities in temperate agricultural systems continue to be researched for alterations to community structure, specifically the increase or decrease of soil activity and respiration, nitrification and denitrification, pathogen survival and alterations to horizontal gene transfer.     

Nitrogen transformations in boreal forest soils—does composition of plant secondary compounds give any explanations?

Two major groups of plant secondary compounds, phenolic compounds and terpenes, may according to current evidence mediate changes in soil C and N cycling, but their exact role and importance in boreal forest soils are largely unknown. In this review we discuss the occurrence of these compounds in forest plants and soils, the great challenges faced when their concentrations are measured, their possible effects in regulating soil C and N transformations and finally, we attempt to evaluate their role in connection with certain forest management practices. In laboratory experiments, volatile monoterpenes, in the concentrations found in the coniferous soil atmosphere, have been shown to inhibit net nitrogen mineralization and nitrification; they probably provide a C source to part of the soil microbial population but are toxic to another part. However, there is a large gap in our knowledge of the effects of higher terpenes on soil processes. According to results from laboratory experiments, an important group of phenolic compounds, condensed tannins, may also affect microbial processes related to soil C and N cycling; one mechanism is binding of proteins and certain other organic N-containing compounds. Field studies revealed interesting correlations between the occurrence of terpenes or phenolic compounds and C or net N mineralization in forest soils; in some cases these correlations point in the same direction as do the results from laboratory experiments, but not always. Different forest management practices may result in changes in both the quantity and quality of terpenes and phenolic compounds entering the soil. Possible effects of tree species composition, clear-cutting and removal of logging residue for bioenergy on plant secondary compound composition in soil are discussed in relation to changes observed in soil N transformations.