雪被去除对川西高山冷杉林冬季土壤水解酶活性的影响

为了解气候变暖情景下雪被减少对土壤水解酶活性的影响,采用人工遮雪的方法,研究了雪被去除对川西高山原始冷杉林(Abies faxoniana)冬季有机层和矿质层土壤转化酶、脲酶和磷酸酶活性的影响。结果表明,雪被去除显著降低了雪被形成初期至雪被融化后土壤脲酶和中性磷酸酶的活性。受土壤温度和冻融交替的影响,土壤转化酶、酸性和碱性磷酸酶活性在雪被形成初期和雪被融化后期有所提高,但不同土层的土壤酶对雪被去除的响应存在差异。雪被处理、土壤层次和采样时间及其交互作用显著影响了土壤酶的活性。此外,川西高山冷杉林有机层土壤转化酶与土壤温度和冻融循环次数呈极显著相关关系,土壤脲酶和酸性磷酸酶与土壤温度关系密切,中性磷酸酶受土壤冻融循环影响较大,而碱性磷酸酶与土壤温度和冻融循环的关系不明显。这些结果表明,未来气候变暖所引起的雪被减少及冻融变化将改变土壤酶活性特征,进而影响到与C、N和P相关的土壤生物化学过程。     

雪被去除对川西高山冷杉林冬季土壤微生物生物量碳氮和可培养微生物数量的影响

为了解气候变暖情景下雪被减少对冬季土壤微生物特征的影响,采用人工遮雪的方法,研究了雪被去除对原始冷杉林土壤微生物生物量和可培养微生物数量的影响.结果表明:雪被去除显著影响土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)以及可培养细菌和真菌数量,但土壤微生物在雪被覆盖不同阶段具有不同的响应特征.在雪被去除处理下,土壤有机层MBC和MBN在雪被形成初期和雪被融化前期显著降低,而在雪被覆盖期和雪被融化后期显著增加;在雪被形成初期至雪被覆盖期,可培养细菌数量都显著降低,但可培养真菌数量都显著增加.雪被融化后,雪被去除显著降低土壤有机层MBC和可培养真菌数量,显著增加可培养细菌数量,对MBN无显著影响.矿质土壤层MBC、MBN和可培养微生物数量在雪被去除下的变化趋势与土壤有机层基本一致,但波动较小.雪被去除还改变了川西高山冷杉林冬季土壤微生物类群比,提高了土壤可培养真菌数量的冬季优势.     

雪被斑块对川西高山森林凋落叶N和P释放的影响

采用凋落物网袋法,研究冬季不同关键时期雪被斑块对川西高山森林6种代表性树种凋落物分解过程中N和P释放的影响.结果表明: 整个雪被覆盖季节凋落物N表现为富集,P表现为释放,且雪被融化期P释放速率最大.厚型和中型雪被斑块下凋落物P释放速率大于薄型和无雪被斑块,而薄型和无雪被斑块下凋落物的N释放速率明显较高.6种凋落物N释放率和释放速率与日均温呈显著负相关;除岷江冷杉外,其他树种凋落物P释放率和释放速率与日均温表现为正相关.气候变暖情景下冬季雪被覆盖的减小将促进高山森林冬季凋落物分解过程中N释放,抑制P释放.     

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.     

季节性雪被对高山森林凋落物分解的影响

季节性雪被可能对高山森林凋落物分解产生重要影响, 但一直没有深入的研究。该文采用凋落物分解袋法, 于2010-2012年雪被覆盖下几个关键时期(冻结初期、深冻期和融化期)以及生长季节, 研究了川西高山森林代表性树种岷江冷杉(Abies faxoniana)、红桦(Betula albosinensis)、四川红杉(Larix mastersiana)和方枝柏(Sabina saltuaria)凋落叶在不同厚度冬季雪被下的分解动态。经过两年的分解, 不同雪被覆盖下岷江冷杉凋落物分解率为33.98%-39.55%, 红桦为46.49%-48.22%, 四川红杉为42.30%-44.93%, 方枝柏为40.34%-43.84%。相对于无雪被覆盖环境, 厚型雪被覆盖均小幅提高了4种凋落物两年的失重率(1.57%-5.57%)。3个针叶树种(岷江冷杉、四川红杉和方枝柏) Olson凋落物分解系数k均以厚型雪被覆盖最大, 薄型雪被覆盖最小, 而阔叶树种红桦分解系数k则表现为无雪被>薄型雪被>较厚型雪被>厚型雪被>中型雪被。尽管在第二年生长季中雪被对红桦凋落物分解的促进作用不明显, 但雪被覆盖明显促进了两年各个关键时期岷江冷杉、四川红杉和方枝柏凋落物的分解。第一年雪被期凋落物分解对当年分解总量的贡献达42.5%-65.5%, 季节性雪被变化明显改变了凋落物冬季分解格局, 对深冻期凋落物分解过程影响尤为显著。综上所述, 当前气候变化情景下冬季雪被的减少可能减缓该区森林凋落物分解过程, 但相对于易分解的阔叶凋落物, 针叶凋落物的响应特征可能更为强烈。     

雪被对川西高山植被坡向性分异的影响

在青藏高原东缘的松潘地区海拔4000 m的高山地带设置5条宽1m、长40～70m的跨山脊南北样带,相邻样带间距为50 m.按1m×1 m面积划分为251个调查样方,于2004～2005年分别进行了地植物学调查、土壤理化性质分析和冬季雪被厚度监测.以物种的相对频度为群落指标,以雪被厚度、土壤厚度、有机质含量、土壤湿度(0.25mm及2mm)、全磷、全钾、铵态氮、水解性酸、pH及坡度等参数为环境指标,运用PC-ORD软件的TWINSPAN对植物群落进行分类、CCA进行排序.结果表明,由南坡向北坡可以划分为亚菊——金露梅高山灌丛草甸、细柄茅——苔草高山草甸、细柄茅、苔草——矮柳高山灌丛草甸群落和杜鹃高山灌丛群落等4种群落类型.由南坡向北坡草本植物盖度由75%下降为39%,灌木盖度由25%增加到54%,在山脊附近50 m左右的局地范围内植被类型表现为明显的南北坡向分异格局.2005年冬季南坡平均雪厚度21cm,山脊处为26 cm,北坡34 cm,由南坡向北坡雪被厚度逐渐增加;雪被厚度与灌木盖度呈正相关(r= 0.40,p《0.01,n=248),与草本植物盖度呈负相关(r=-0.45,p《0.01,n=248).ANOVA的分析结果显示,土层厚度、风干土含水量、土壤酸度、有机质含量和全磷含量的南北坡向分异明显,由南坡向北坡逐渐增加,与雪被平均厚度存在显著的相关关系,相关系数分别为0.267、0.286、0.199和-0.183 (n=119,p 《 0.05);土壤全钾和铵态氮含量的坡向差异不明显,与雪被厚度的相关性也不显著,相关系数分别为-0.068和0.104(n=119,p》0.05).显示土壤特征的坡向分异规律在某种程度上与雪被的梯度变化存在着共轭关系.群落CCA排序及排序轴与环境指标的相关性分析也表明,坡度、雪被厚度、有机质含量和土壤湿度是导致植物群落坡向分异的主要环境因子,土壤铵态氮和全钾含量对植被坡向分异的影响不明显.     

雪被斑块对川西亚高山冷杉林土壤氮转化酶活性的影响

在2012和2013年冬季雪被形成的3个关键时期(雪被形成期、稳定期和消融期),测定川西亚高山岷江冷杉林3类雪被斑块(厚雪被斑块、中厚度雪被斑块和浅雪被斑块)土壤有机层和矿质土壤层的脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性特征.结果表明:整个冬季,厚雪被斑块土壤温度比中厚度雪被斑块和浅雪被斑块土壤温度分别增加46.2%和26.2%,浅雪被斑块的3种土壤氮转化酶活性是厚雪被斑块的0.8~3.9倍.在雪被形成期和消融期,浅雪被斑块显著增加了土壤有机层和矿质土壤层3种氮转化酶活性;而在雪被稳定期,中厚度雪被斑块或厚雪被斑块土壤具有较高的氮转化酶活性,但与浅雪被斑块的土壤氮转化酶活性差异均不显著;整个冬季,雪被对土壤氮转化酶活性的影响与采样时期、土壤层次和酶种类有关;3种土壤氮转化酶活性在整个冬季均具有明显动态变化;土壤有机层的氮转化酶活性显著高于矿质土壤层;脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性与温度、水分密切相关.短期内气候变暖情景下冬季雪被减少可能提高土壤氮转化酶活性,进而加速了亚高山森林冬季土壤氮转化过程.     

雪被斑块对川西亚高山两个森林群落冬季土壤氮转化的影响

为了解气候变暖情景下雪况变化对高寒森林冬季土壤氮转化的影响,测定了川西亚高山冷杉(Abies faxoniana)+红桦(Betula albo-sinensis)混交林(MF)和冷杉次生林(SF)三类雪被斑块(浅雪被、中厚度雪被和厚雪被)内冬季土壤氮矿化特征。结果表明:经过一个冬季(2011-2012),两个森林群落土壤净氮氨化量都为负值,净氮硝化量都为正值,且净氮硝化量显著高于净氮氨化量;冬季土壤氮氨化、硝化、矿化和固持量都是中度雪被厚度最高,但各雪被斑块之间都未达到显著水平。各雪被斑块下,冷杉次生林土壤氮矿化参数都显著高于针阔混交林,但雪被斑块和林型交互作用对冬季土壤氮矿化无显著影响。这表明,该区冬季土壤氮矿化以硝化过程为主,硝化和氨化过程可能受不同微生物群落调控;短时期内,未来气候变化所导致的雪被减少对该区森林冬季土壤氮转化影响可能不明显。     

雪被斑块对高山森林两种灌木凋落叶质量损失的影响

高山/亚高山森林灌木层植物凋落物的分解对于系统物质循环等过程具有重要意义, 并可能受到冬季不同厚度雪被斑块下冻融格局的影响。该文采用凋落物分解袋法, 研究了高山森林典型灌层植物华西箭竹(Fargesia nitida)和康定柳(Salix paraplesia)凋落物在沿林窗-林下形成的冬季雪被厚度梯度(厚型雪被斑块、较厚型雪被斑块、中型雪被斑块、薄型雪被斑块、无雪被斑块)上在第一年不同关键时期(冻结初期、冻结期、融化期、生长季节初期和生长季节后期)的质量损失特征。在整个冻融季节, 华西箭竹和康定柳凋落叶的平均质量损失分别占全年的(48.78 ± 2.35)%和(46.60 ± 5.02)%。冻融季节雪被覆盖斑块下凋落叶的失重率表现出厚型雪被斑块大于薄型雪被斑块的趋势,而生长季节无雪被斑块的失重率明显较高。尽管如此, 华西箭竹凋落物第一年分解表现出随冬季雪被厚度增加而增加的趋势, 但康定柳凋落物第一年失重率以薄型雪被斑块最高, 而无雪被斑块最低。同时, 相关分析表明冻融季节凋落叶的失重率与平均温度和负积温呈极显著正相关, 生长季节凋落叶的失重率与所调查的温度因子并无显著相关关系, 但全年凋落物失重率与平均温度和正/负积温均显著相关。这些结果清晰地表明, 未来冬季变暖情境下高山森林冬季雪被格局的改变将显著影响灌层植物凋落物分解, 影响趋势随着物种的差异具有明显差异。     

冻融末期川西亚高山/高山森林土壤水解酶活性特征

冻融末期是连接冬季与生长季节的关键时期,期间强烈的温度变化可能深刻影响土壤生态过程.为了解冻融末期川西亚高山/高山森林土壤的生化过程,2009年3月5日-4月25日土壤融化期间,研究了该区典型冷杉原始林、针阔混交林和冷杉次生林土壤转化酶、脲酶和磷酸酶(中性、酸性和碱性磷酸酶)活性特征.结果表明:在土壤完全冻结期,3个森林群落各水解酶的活性仍相对较高.在土壤融化前期,随土壤温度升高,除中性磷酸酶外,其他水解酶活性均出现了一个爆发性增高然后迅速降低的过程.随后,除转化酶外,其他水解酶活性均随土壤温度的升高而持续增高.相对于矿质土壤层,冻融末期土壤有机层的水解酶活性更高,对土壤温度变化的响应更加明显.     

季节性冻融期间川西亚高山/高山森林土壤净氮矿化特征

气候变暖情景下季节性冻融格局的改变可能显著影响高寒森林土壤氮素矿化过程.本文采用原状土壤移位培养的方法,以海拔梯度形成的温度差异模拟气候变暖,研究了川西亚高山/高山森林在生长季节和季节性冻融期间土壤的净氮矿化量和净氮矿化速率.结果表明： 在川西亚高山/高山森林,土壤铵态氮和硝态氮含量均表现为从生长季节至冻结初期明显下降,完全冻结期明显增加,而在融化初期明显降低的变化过程.季节性冻融期土壤的净氮矿化量和净氮矿化速率显著低于生长季节,并且出现明显的氮素固持现象.与低海拔相比,中海拔森林土壤的氮素固持作用相对较大,高海拔相对较小,可能与不同海拔梯度土壤温度变化及引起的冻融循环密切相关.在生长季节,土壤净氮矿化量和矿化速率均随海拔的降低呈明显增加趋势,尤其在低海拔处土壤的氮素矿化作用最为强烈.在气候变暖背景下,温度的增加明显促进了生长季节土壤氮素矿化,并且通过提高冻融循环频次、缩短冻结时间来影响土壤氮素矿化速率.这一过程可能受到微环境的影响.     

温度对川西亚高山3种森林土壤氮矿化的影响

川西亚高山森林群落土壤氮循环对全球气候变化非常敏感。采用室内培养法,研究川西3个森林群落(天然针叶林、云杉人工林和桦木次生林)土壤有机层和矿质土壤层无机氮含量在两个培养温度(20℃和10℃)下4周内动态变化。结果表明:培养4周后,在20℃培养条件下天然针叶林、云杉人工林和桦木次生林硝态氮含量比在10℃培养条件下分别高出104.32%、52.11%和25.57%;而铵态氮含量仅高出10.18%、24.06%和44.82%。有机层土壤氨化速率、硝化速率和净氮矿化速率大多表现为20℃显著高于10℃;相反,温度对矿质土壤层氮转化速率影响大多不显著。此外,天然林土壤净氨化速率、硝化速率和净氮矿化速率均高于桦木次生林和云杉人工林。实验期间,3个森林群落土壤净硝化速率20℃比10℃高79.03%—128.89%,而净氨化速率仅高37.81%—63.33%。综上所述,温度变化对川西亚高山森林土壤氮矿化具有显著影响,而温度效应因森林类型、土壤层次和氮形态而不同。与矿质土壤层相比,土壤有机层氮矿化对温度变化更为敏感。     

川西高山林线土壤活性碳、氮对短期增温的响应

随着温室效应的加剧,受低温限制的高山林线生态系统对全球气候变暖较为敏感,可能直接影响到植物的生长和土壤碳氮过程.本研究假设气候变暖会改变高山生态系统土壤活性碳氮含量,在四川省理县米亚罗高山生态系统定位站,采用开顶式模拟增温装置(OTC)模拟增温对土壤活性碳、氮的短期影响.分别于2017年4、7和10月,采集OTC以及对照样地(CK)内土壤有机层和矿质土壤层的原状土壤,测定土壤可溶性有机碳(DOC)、土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤可溶性有机氮(DON)和土壤微生物生物量氮(MBN)含量.结果表明: 模拟增温使年均气温升高0.88 ℃,土壤有机层和矿质土壤层的年均温度分别提高0.48和0.23 ℃.模拟增温没有显著改变土壤有机质和含水量,但显著提高了矿质土壤层的pH值,同时显著降低了非生长季矿质土壤层的DOC、DON含量;季节变化对两个层次的DOC、DON和MBN含量有极显著影响,而MBC没有明显的季节动态;增温和季节交互作用对矿质土壤层的DOC和DON有显著影响.土壤有机层的MBC、MBN含量显著高于矿质土壤层.土壤活性碳、氮与土壤有机质和含水量呈极显著正相关,MBC、MBN与土壤pH呈极显著正相关,MBN与土壤温度呈显著负相关.     

川西北高寒沙地不同生态治理模式下土壤碳氮磷储量及生态化学计量特征

选取单植牧草、单植灌木、灌草间作、灌药间作4种生态模式治理5年后的川西北高寒沙地为研究对象,以未治理裸沙地为对照,分析了土壤碳氮磷含量及生态化学计量比特征。结果表明:生态治理能显著提升土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)含量和储量以及C/N、C/P、N/P,其中灌草间作提升效果最显著,其0～10和10～20 cm土层的SOC、TN含量均显著高于其他模式,且0～40 cm土层SOC储量分别比单植牧草、单植灌木、灌草间作、对照高13.4%、15.6%、17.1%、43.2%。0～10和10～20 cm土层土壤碱解氮、速效磷、速效钾、含水量与SOC、TN和TP含量呈显著正相关,土壤容重则与SOC、TN和TP含量呈显著负相关;土壤碱解氮、速效磷、速效钾和含水量与C/N、C/P在10～20 cm土层呈显著正相关。川西北高寒沙地土壤碳氮磷及其化学计量比受生态治理措施和土层深度的影响,本研究条件下灌草间作模式最有利于改善沙地土壤环境质量。     

土壤动物对川西亚高山和高山森林凋落叶第一年不同分解时期N和P元素动态的影响

土壤动物对高寒森林凋落物养分元素动态具有重要影响, 但这种影响受控于凋落物质量及环境条件。为了解土壤动物对高寒森林凋落物不同分解时期凋落物中N和P元素动态的影响, 采用凋落物分解袋的方法, 于凋落物第一年分解的不同时期, 即冻结前期、冻结期、融化期、生长季节初期、生长季节中期和生长季节末期, 研究了3.00和0.04 mm孔径凋落物袋中川西亚高山和高山森林的代表性植物——康定柳(Salix paraplesia)、方枝柏(Sabina saltuaria)、红桦(Betula albosinensis)和岷江冷杉(Abies fargesii var. faxoniana)凋落物中的N和P元素动态特征。结果表明: 康定柳和红桦凋落物中的N元素呈现出释放—富集—释放的模式, 方枝柏、岷江冷杉凋落物中的N元素则表现为释放—富集模式; 凋落物P元素总体表现为释放模式, 但4种植物凋落物均在生长季节中期具有明显的富集过程; 从凋落物分解的第一年来看, 土壤动物明显促进了4种植物凋落物N的释放, 而抑制了P的释放; 不同时期土壤动物对凋落物中N和P释放量的影响存在显著差异, 且分别与正积温呈极显著正相关和极显著负相关关系; 相对于阔叶植物凋落物, 土壤动物对针叶植物凋落物中N和P元素动态的影响更为显著。这些结果为深入了解高寒森林生态系统土壤动物与凋落物分解等物质循环过程的相互联系具有重要意义。