光合速率与光合条件对沙质草地土壤呼吸的调控作用

光合作用可通过为土壤呼吸提供底物来影响土壤呼吸,逐渐引起学者们的重视,因此光合与土壤呼吸的关联性成为模型构建中需要考虑的因素。本研究以科尔沁沙质草地为对象,探究沙质草地光合对土壤呼吸的影响。结果表明:土壤温度是沙质草地生态系统土壤呼吸速率最主要影响因素,呈极显著指数相关关系,不同光合条件下温度敏感性Q10值存在差异,夜间(3.03)昼间(2.12),日平均(2.41)8:00—10:00时(2.32);偏相关分析表明,光合作用是影响土壤呼吸变化的重要因素(r=0.72,P0.01),土壤呼吸随光合速率增加而增加,呈极显著线性正相关关系(R~2=0.49,P0.01),响应敏感系数为0.24;加入光合速率变量的多因素回归模型极显著提高了土壤呼吸拟合的R~2值,由0.73~0.75增至0.81~0.85,在拟合函数模型选择中,幂函数+指数、线性+指数、指数+指数等形式均具有较好的拟合效果。     

氮添加对沙质草地土壤呼吸及其温度敏感性的影响

氮添加能改变土壤微生物代谢和植物根系活性,进而影响土壤呼吸过程。本文以科尔沁沙质草地为研究对象,探讨氮添加对土壤CO2排放的影响。结果表明:1)在观测期7—9月,土壤呼吸日动态呈不对称单峰曲线;氮添加对土壤呼吸日变化有显著影响(P0.05),与对照(2.18μmol·m-2·s-1)相比,氮添加后土壤呼吸速率提高了15.2%;氮添加对昼间土壤呼吸的影响显著高于夜间(P0.05),昼间和夜间土壤呼吸速率增幅分别为17.1%和14.4%。2)土壤呼吸月动态呈先升高后降低的趋势,7月18日达到最大值(3.36μmol·m-2·s-1);T检验结果表明,氮添加对7、8月土壤呼吸影响达到极显著水平(P0.01),9月达到显著水平(P0.05)。3)对照和氮添加的Q10值分别为3.27和3.30,R10值分别为0.42和0.54μmol·m-2·s-1,说明氮添加增强了沙质草地土壤呼吸对温度的敏感性。     

氮添加对沙质草地微生物呼吸与根系呼吸的影响

土壤呼吸可以细化为根系呼吸和微生物呼吸,二者对氮添加的响应有所不同.本文以科尔沁沙质草地为研究对象,探讨氮添加对土壤CO₂排放的影响,并细化为微生物呼吸和根系呼吸的响应特征.结果表明: 在观测期(5—10月),土壤呼吸、微生物呼吸月动态均呈先升高后降低的趋势;微生物呼吸是土壤呼吸的主要贡献者,占82.6%;观测期内根系呼吸贡献率随月份而变化,根系呼吸贡献率两个峰值分别出现在5月(占49.4%)和8月(占41.9%),6个月的平均贡献率为17.4%;在10 ℃条件下,根系呼吸较微生物呼吸对氮添加的响应更为敏感,微生物呼吸速率在氮添加后降低了3.9%,而根系呼吸降低了17.7%;氮添加提高了土壤呼吸、微生物呼吸温度敏感性Q₁₀值,也提高了二者对土壤水分变化的敏感程度.     

施氮对不同抗旱性冬小麦叶片光合与呼吸的调控

在大田条件下对两个不同抗旱特性的冬小麦品种全生育期叶片光合气体交换参数、光合色素含量和呼吸值及其对氮素水平的响应进行了研究.结果表明,施氮180 kg·hm^-2处理旱地品种叶片气孔导度、总光合色素含量、光合速率较不施氮处理在全生育期分别提高了43.75%、18.54%和49.66%,水地品种分别提高了12.12%、20.88%和29.25%;而旱地品种总呼吸速率降低了4.8%,水地品种降低了4.5%.适量施氮,增强了小麦叶片的气体交换能力,提高了光合色素含量,并降低了呼吸速率,从而提高了小麦叶片光合碳同化能力.小麦品种间光合的差异主要由非气孔因素引起.旱地品种呼吸速率较低,吸收的光能较多地用于光合碳同化作用.不施氮处理叶片光合速率较高的生育时期其呼吸速率也高,而施氮处理叶片光合速率高的生育时期呼吸值较低.施氮增加了光能向光合碳同化方向的分配.施氮对提高冬小麦抗旱能力有积极作用,其机理在于氮素改善了叶片气体交换状况,提高了光合色素含量,并优化了叶片对光能吸收的分配.     

间作条件下施氮量对马铃薯光合特性的调控作用

遮阴和氮供应的协同作用是建立玉米/马铃薯高效间作体系的基础。本研究采用单作和间作两种种植模式,每种种植模式设置4个氮水平(N0,0 kg·hm~(-2);N1,62.5kg·hm~(-2);N2,125 kg·hm~(-2);N3,187.5 kg·hm~(-2))的田间小区试验,探究不同氮投入量对玉米/马铃薯间作体系中马铃薯光合生理和产量的影响。结果表明:随着施氮量增加,间作产量优势逐渐降低,与单作马铃薯相比,间作马铃薯产量减幅2.66%~43.71%;间作中靠近玉米侧(I-M)和靠近马铃薯侧(I-P)的马铃薯P_n差异显著,I-PI-M;相比于等氮时的单作,间作净光合速率(P_n)降低8.41%~31.09%,光补偿点降低62.23%,暗呼吸速率降低60.90%;过量的氮肥施用和与玉米间作均导致马铃薯P_n、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(T_r)的降低,且间作后的减幅随施氮量增加而增大;合理控制施氮量有利于维持间作马铃薯较高的光合水平,降低与玉米间作后的马铃薯减产幅度,本研究中N1处理可维持较低减产幅度。     

掺混氮肥配施抑制剂对土壤氮库的调控作用

采用冬小麦盆栽试验,探讨掺混氮肥(缓释肥N∶普通尿素N=1∶1)配施氮肥抑制剂NAM对冬小麦土壤铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮和固定态铵含量及小麦产量、氮肥利用率的影响,分析不同处理土壤矿质氮库、微生物生物量氮库和固定态铵库的动态变化特征.试验共设6个处理,不施氮肥(CK)、普通尿素(U)、掺混氮肥(MU)、MU+2.5‰NAM(MUN₁)、MU+5‰NAM(MUN₂)和MU+7.5‰NAM(MUN₃).结果表明:与MU处理相比,MUN₂和MUN₃处理推迟了NH₄⁺-N峰值出现的时间;小麦整个生长季,添加NAM处理的土壤矿质氮平均含量比MU处理下降了5.3%～11.7%;分蘖期至抽穗期,MU处理的微生物生物量氮矿化量和矿化率分别为38.96 mg·kg^-1和91.5%,均高于U处理,而MUN₁、MUN₂和MUN₃处理分别为58.73 mg·kg^-1和83.3%、94.20 mg·kg^-1和94.6%、104.46 mg·kg^-1和96.3%,添加NAM处理固定态铵的释放量比MU处理提高了2.83~9.19 mg·kg^-1.通径分析结果显示,与MU处理相比,添加NAM减弱了土壤NH₄⁺-N库对NO₃^--N库的直接影响,增强了固定态铵库通过影响NH₄⁺-N库对NO₃^--N库的间接作用.同时,MUN₁、MUN₂和MUN₃处理的小麦籽粒产量较MU处理分别提高了31.6%、21.5%和22.9%,氮肥利用率分别提高了8.1%、13.5%和3.1%.综上,配施NAM通过对氮素释放及在土壤中转化的双重调控,延迟土壤NH₄⁺-N峰值出现的时间及后续向NO₃^--N的转化,提高微生物生物量氮和固定态铵的供氮作用,从而提高了作物产量和氮肥利用率.     

施氮及豆-禾混播对草地群落及土壤呼吸的影响

豆-禾混播是提高水土资源保持和利用效率、抑制土地退化和维持土壤健康的重要栽培措施。本实验以紫花苜蓿(Medicago sativa)、无芒雀麦(Bromus inermis)、羊草(Leymus chinensis)、紫花苜蓿+无芒雀麦、紫花苜蓿+羊草5种不同类型的人工草地为研究对象,以施氮水平为辅因素,通过对地上生物量、光合特性和土壤呼吸强度的比较研究,探明施氮条件下豆-禾混播草地群落动态及土壤呼吸日变化特征,以期为内蒙古东部地区人工草地合理建植与利用提供理论依据。结果表明:与苜蓿单播和羊草单播的生物量相比,混播对提高草地总体的生物量效果不显著;与苜蓿混播能在不同程度上提高禾本科牧草的净光合速率,其中无芒雀麦提升效果显著,3种牧草单播的净光合速率表现为紫花苜蓿无芒雀麦羊草;施氮提高了不同建植方式下人工草地的平均土壤呼吸强度;与苜蓿混播能显著提高禾草草地的土壤呼吸强度,且最高点一般出现在10:00—12:00。     

施氮对亚热带樟树林土壤呼吸的影响

人类活动引起全球范围内大气氮沉降量的升高,增加了陆地生态系统氮输入,从而影响土壤CO2排放.为揭示生态系统氮输入升高对土壤呼吸的影响,2010年6月至2012年1月,对亚热带樟树林(Cinnamomum camphora)进行模拟氮添加试验,每月上、下旬采用红外分析法测定4种氮输入水平(CK,0 gm-2a-1;低氮LN,5gm-2a-1;中氮MN,15 g m-2 a-1;高氮HN,30gm-2a-1)下的土壤呼吸速率.结果表明:(1)樟树林土壤呼吸存在明显的季节动态,最高值出现在6月,最小值出现在1月.氮添加处理显著抑制了樟树林的土壤呼吸,LN、MN、HN处理土壤呼吸年累积量分别较对照CK下降37.66％、30.62％、38.95％,各施氮处理间无显著差异,施氮对土壤呼吸的抑制作用随时间推移而减弱;(2)氮添加不影响土壤呼吸昼夜波动特征,但显著抑制土壤呼吸速率;(3)土壤呼吸与土壤温度间存在极显著的指数关系,与土壤湿度相关性不显著,CK、LN处理Q10相近,MN处理最小:(4)氮添加处理促进了土壤中氮的淋失,且随施氮水平的升高而增大.     

不同施氮水平对冬小麦生长期土壤呼吸的影响

在目前全球氮沉降不断增加的背景下, 研究农田土壤呼吸对氮沉降的响应有助于理解未来生态系统碳循环对全球变暖的潜在影响。为探讨不同施氮浓度对华东地区冬小麦(Triticum aestivum)生长期土壤呼吸的影响, 该实验设计了对照组(不施加氮肥)和3种浓度施氮处理组(低浓度施氮15 g·m^-2·a^-1, 中等浓度施氮30 g·m^-2·a^-1, 高浓度施氮45 g·m^-2·a^-1)。使用便携式土壤CO₂通量观测仪LI-8100测定不同施氮浓度处理下冬小麦生长期(2013年12月至2014年5月)的土壤呼吸速率, 并探讨土壤呼吸与土壤温度、湿度等环境因素的关系。结果表明: 低、中、高3种浓度施氮处理的土壤呼吸速率平均值分别为5.29、6.17和6.75 μmol·m^-2 ·s^-1, 与对照组(土壤呼吸速率平均值为4.90 μmol·m^-2·s^-1)相比, 分别增加了7.8%、23.6%和37.8%; 地上生物量分别增加39.9%、104.4%和200.2%, 并与冬小麦生长季的总土壤呼吸正相关。5 cm深度土壤的温度与土壤呼吸速率呈指数关系(p < 0.05), 土壤呼吸季节变化的65%-75%由土壤温度引起, 其温度敏感性为2.09-2.32。结果表明, 添加氮肥促进了植物的生长, 增加了生物量, 从而增加了冬小麦农田的土壤呼吸速率。     

添加氮素对沙质草地土壤氮素有效性的影响

通过氮素添加(20g.m-2.a-1)试验,研究了科尔沁沙地东南部沙质草地生态系统土壤氮矿化及有效氮的季节变化。对2006年生长季的观测发现,添加氮素显著提高了沙质草地生长季土壤铵态氮、硝态氮、矿质氮的含量以及9月1日至10月15日的净氮矿化速率与硝化速率;添加氮素导致土壤有效氮的季节变异增大,净氮矿化(1.29～11.60mg.kg-1.30d-1)与硝化(-4.15～11.20mg.kg-1.30d-1)速率随时间呈上升趋势,铵态氮含量逐渐降低,硝态氮与矿质氮(6.49～20.66mg.kg-1)含量的变化呈"V"型,最小值出现在生物量生长高峰期的7月中旬。该沙质草地土壤氮的有效性较低,施氮肥可明显提高土壤供氮能力。     

光合作用调控土壤呼吸研究进展

了解土壤呼吸机理并准确预估土壤呼吸大小是评价全球碳收支的重要基础.以往构建的土壤呼吸预测模型常常忽略光合作用为根源呼吸提供底物这一生理生态过程,因此在预估土壤呼吸机理方面存在缺陷.鉴于此,本文概述了光合作用调控土壤呼吸的机理及其研究进展,介绍了主要的研究方法,并提出当前光合作用对土壤呼吸影响研究中存在的问题及未来该领域的研究重点.     

Immobilization of soil nitrogen as a possible method for the restoration of sandy grassland

Abstract. Experiments were designed to test the applicability of nitrogen immobilization as a means of accelerating the recovery of an endemic open sandy grassland (Festucetum vaginatae danubiale) on old fields in the Great Hungarian Plain. Effects of various carbon sources (sucrose, starch, cellulose and sawdust) and their combinations in different quantities were studied in laboratory microcosms. Carbon addition decreased nitrogen availability in all cases, the intensity and timing of change being dependent on the type of carbon source applied. The combination of 2 g each of sucrose and polysaccharides (starch, cellulose, sawdust) per kg soil was found to be the most effective, as sucrose decreased available nitrogen content of soil intensively and the polysaccharides maintained the immobilized nitrogen for a longer period. In a follow‐up experiment, sucrose and sawdust were selected for field application to test their effectiveness in immobilizing N and accelerating restoration. The field experiment was established to test the importance of abiotic site differences in the immobilization of soil nitrogen. Selected sites were located along an elevation, moisture and productivity gradient. Soil organic matter, microbial biomass‐C and decomposition rate varied between sites depending on the elevation gradient. At two sites with lower soil moisture and organic matter levels carbon addition increased microbial activity and nitrogen immobilization significantly.     

Variations in the nitrogen saturation threshold of soil respiration in grassland ecosystems

Over the last century, anthropogenic activities have increased nitrogen (N) deposition considerably, which significantly affects ecosystem processes and has the potential to induce N saturation in the future. The continuous increase in N deposition may cause a non-linear response in soil respiration (Rs), an important component of carbon (C) cycling. However, little is known about N saturation threshold of soil respiration. In this study, we conducted coordinated experiments in four grassland types across northern China with four N addition levels to explore patterns in the Rs saturation threshold. Our results showed that an Rs saturation threshold generally exists in grassland ecosystems in response to N addition gradients. The N saturation threshold of Rs occurred at an average rate of 50 kg N ha⁻¹ yr⁻¹, but varied widely with grassland type; the N saturation threshold occurred at rates of 100, 50, 50, and 25 kg N ha⁻¹ yr⁻¹ in the alpine meadow, meadow steppe, typical steppe, and desert steppe, respectively. Autotrophic respiration (Ra) and heterotrophic respiration (Rh) responded to N addition gradients differently. Ra increased initially and became saturated at a rate of 50 kg N ha⁻¹ yr⁻¹ and declined thereafter. In contrast, Rh decreased monotonically after N addition. Structural equation models further confirmed that the effects of N addition gradients on Rs were primarily determined by the non-linear response of belowground biomass. Interestingly, the compiled global dataset showed that the N saturation threshold of Rs increased with precipitation and soil moisture. These findings indicate that the stimulating effect of N deposition on Rs and Ra might diminish with increasing N deposition in the future, especially in dry grassland ecosystems.

     

CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献

依托FACE技术平台,采用稳定13C同位素技术,通过将小麦(C3作物)种植于长期单作玉米(C4作物)的土壤上,研究了大气CO2浓度升高和不同氮肥水平对土壤排放CO2的δ13C值及根际呼吸的影响.结果表明:种植小麦后土壤排放CO2的δ13C值随作物生长逐渐降低,CO2浓度升高200 μmol·mol-1显著降低了孕穗、抽穗期(施氮量为250 kg·hm-2,HN)与拔节、孕穗期(施氮量为150 kg·hm-2,LN)土壤排放CO2的δ13C值,显著提高了孕穗、抽穗期的根际呼吸比例.拔节至成熟期,根际呼吸占土壤呼吸的比例在高CO2浓度下为24％～48％ (HN)和21％ ～48％ (LN),在正常CO2浓度下为20％ ～36％ (HN)和19％～32％(LN).不同CO2浓度下土壤排放CO2的δ13C值和根际呼吸对氮肥增加的响应不同,CO2浓度与氮肥用量在拔节期对根际呼吸的交互效应显著.     

牧鸡密度与取样时间对沙质草地土壤氮素有效性的影响

以科尔沁沙质草地为对象,设置5个牧鸡密度D1(10羽·200 m-2)、D2(10羽·400 m-2)、D3(10羽·600 m-2)、D4(10羽·800 m-2)、CK(0羽·200 m-2),研究牧鸡密度与取样时间对土壤无机氮、氮矿化与硝化、微生物生物量等的影响.结果表明:与对照相比,高牧鸡密度(D1、D2)显著增加了8月、10月土壤潜在净氮矿化、硝化速率,而低牧鸡密度(D3、D4)对土壤潜在净氮矿化、硝化速率的影响均不显著;牧鸡显著提高了土壤硝态氮含量、土壤潜在净氮矿化、硝化速率,对土壤铵态氮含量影响不显著;土壤无机氮含量、潜在净氮矿化、硝化速率对取样时间的响应均达到显著水平,对牧鸡密度与取样时间交互作用的响应不显著.牧鸡对土壤微生物生物量碳、氮及微生物生物量碳/氮的影响均不显著.研究认为,牧鸡可以增加土壤的供氮能力,且随牧鸡密度的增加呈上升趋势,最适牧鸡密度为250 ～500羽·hm-2.     

沙地杨树人工林生理生态特性

自然条件下(5~10月份),利用Li-6400便携式光合作用测定系统对北京大兴地区集约栽培欧美107杨(Populus×euramericanacv.“74/76”)生理生态特性进行研究,探讨叶片在水分胁迫状态下光合作用、呼吸作用和蒸腾作用动态规律,并揭示其主要影响机理。实验结果表明叶片净光合速率(Pn)日变化均为单峰曲线,且Pn日平均值从春季到秋季呈下降趋势。从整个生长季来看,光合有效辐射PAR(r=0·815)和气孔导度Gs(r=0·805)与Pn的相关性显著,通过每月相关性分析,5、8月份影响Pn的主导因子为PAR和Gs,6、7月份影响Pn的主导因子为Gs,9、10月份影响Pn的主要因素为PAR。根据Fsrquhar和Sharkey提出的气孔限制和非气孔限制判断方法对Pn日变化进行分析,5月份8:00Pn达到峰值后由于气孔导度降低引起Pn下降,16:00以后由于非气孔因素PAR的降低,使得Pn继续降低;6、7月份8:00以后Pn降低限制因素同5月份一样由气孔导度降低引起,但是14:00左右,由于植物体内水分严重亏缺,叶片气孔不能正常开启使得叶片Pn、R和Tr均不能正常进行,8~10月份Pn降低主要受PAR限制。叶片呼吸速率(R)的主要影响因子为温度,且R的日变化和季节变化与大气温度(Ta)变化趋势基本一致,一天中清晨、傍晚Ta和R均为低点,14:00左右Ta和R都达到最大值,同样在季节变化中R和Ta在6、7月份最高,10月份最低。蒸腾速率(Tr)日变化全为单峰曲线,其最大值出现在12:00~14:00左右,Tr变化与许多环境因子和生理因子都具有密切的相关性,就整个生长季来说,PAR是其最主要的影响因子,然而叶片气孔限制值(LS)、Gs、叶片大气水汽压差(VpdL)、Ta等生理生态因素在不同月份分别起着极其重要的作用。     

氮添加对多伦草原土壤微生物呼吸及其温度敏感性的影响

人类活动导致氮和磷输入到草原生态系统,对土壤有机碳循环产生影响,但是土壤微生物呼吸(Soil microbial respiration,Rs)及其温度敏感性(Q₁₀)对于氮沉降和磷有效性增加的响应还存在争议。因此,依托多伦草原氮添加样地(0、50 kg N hm^-2 a^-1和100 kg N hm^-2 a^-1),并添加磷进行室内恒温培养(10℃和15℃),研究氮添加和磷有效性增加对Rs及其Q₁₀的影响。结果发现:氮添加显著降低胞壁酸含量和显著增加真菌丰富度(Fungal richness, F-richness)。与N0处理相比,N50和N100处理使累积呼吸量显著降低了61.2%和67.1%,但Q₁₀显著升高了32.7%和50.8%;磷有效性增加没有对累积呼吸量及其Q₁₀产生显著影响。逐步回归结果表明,F-richness和pH值分别是累积呼吸量及其Q₁₀最重要的影响因子。研究表明氮添加...