土壤剖面碳氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式及其影响机制

土壤碳、氮稳定同位素自然丰度(δ13C和δ15N)随土壤深度变化的研究,对揭示碳、氮元素生物地球化学循环机制具有重要意义.本文在概述土壤剖面δ13C和δ15N垂直分布特征的基础上,重点介绍了土壤δ13C和δ15N垂直分布模式的影响机制.土壤剖面δ13C垂直分布模式的影响机制主要有3种:1)植被δ13C值的历史变化;2)...     

高寒草甸植物碳氮组成及其稳定同位素特征

采用稳定同位素质谱仪Isoprime100,对采自黄河源区典型高寒草甸和人工改良草地的主要植物进行了碳、氮组成及其稳定同位素丰富度测定,判断植物光合类型,探讨稳定碳氮同位素丰富度对草地植被演替的响应。结果表明:(1)研究区58种主要植物碳元素含量在28.64%~51.55%之间,氮元素含量介于0.89%~4.04%,δ13 C值变化范围介于-29.50‰~-24.69‰,δ15 N值介于-4.57‰~8.32‰。(2)不同样地植物碳含量的大小顺序为人工草地(45.54%)未退化草甸(43.18%)轻度退化草甸(42.18%)严重退化草甸(39.68%),氮元素含量顺序为未退化草甸(2.30%)人工草地(2.28%)轻度退化草甸(2.13%)严重退化草甸(2.10%),表明草甸退化会引起植物碳氮含量的降低。(3)未退化草甸、人工草地、轻度退化草甸和严重退化草甸的δ13 C值依次为-25.63‰、-26.57‰、-26.76‰和-27.91‰,δ15 N值依次为-0.63‰、0.32‰、2.76‰和0.26‰。研究认为,黄河源区高寒草甸和人工改良草地的58种主要植物均属C3植物,没有发现C4和景天酸代谢(CAM)植物,低的年均气温可能是制约该区C4植物分布的主要因素;植物δ13 C值随草地退化程度加剧而逐渐降低,但δ15 N值的变化无规律性趋势。     

不同林龄杉木人工林细根氮稳定同位素组成及其对氮循环的指示

通过测定中国亚热带5个不同林龄(3、8、14、21、46a)杉木人工林不同序级细根氮稳定同位素(δ~(15)N)组成,研究它们对土壤净氮矿化、硝化速率的指示并将其与叶片δ~(15)N值对土壤氮循环速率的指示作用进行对比,从而探索研究植物同位素对土壤氮循环状况的指示作用。结果显示,不同林龄杉木人工林细根δ~(15)N值间具有极显著差异,3年生幼林与46年生老林显著高于其他林分。不同序级细根δ~(15)N值间的差异未达到显著水平,但具有随着序级增大δ~(15)N值逐渐降低的趋势。细根δ~(15)N值与土壤净氮矿化和净硝化速率间均具有极显著相关性,并有随着细根序级减小相关性逐渐增加的趋势,而叶片δ~(15)N值与土壤氮循环速率间则不具有显著相关性。研究结果表明,相较叶片来说,细根氮稳定同位素组成能更好地指示土壤氮循环速率,且序级越小的细根指示作用越强;细根δ~(15)N值反映出尽管中国亚热带地区氮沉降现象严重,氮素可能仍是处于速生期杉木人工林生长的限制因素。     

水体中氮稳定同位素的研究进展

随着工农业生产的发展,水体氮污染已日益严重.利用氮稳定同位素来判别水体氮污染的源和汇、研究氮循环等显得尤为重要.本文就以下几方面进行综述:1)氮稳定同位素的基本概念、氮在水体中的循环及相应的同位素分馏情况;2)系统比较了水中氮同位素测定过程中氮同位素的分离、富集和不同形态氮的转化方法;3)讨论了氮稳定同位素在研究地表水、地下水及海水中的氮循环、判断氮污染的源和汇、氮在生态系统中转化以及水体富营养化等方面的应用;4)总结了水体中反硝化作用的判断方法和水体中硝酸盐的两种自然衰减机制——反硝化作用和稀释作用;5)指出了该研究领域的不足之处.     

高寒草甸消费者种群稳定碳、氮同位素组成的海拔分异

通过测定青藏高原东部高寒区不同海拔主要植物和消费者种群（雀形目鸟类和小型哺乳类）的稳定碳、氮同位素比值,研究了高寒草甸消费者种群同位素组成特征及其影响因素。结果表明：植物平均稳定碳同位素随海拔升高表现出明显的增加趋势;消费者种群稳定碳、氮同位素随海拔的升高有明显的富集效应。雀形目鸟类种群稳定碳、氮同位素随海拔的升高均呈明显增加趋势;小型哺乳类稳定碳同位素随海拔上升不明显,而稳定氮同位素具有明显的增大趋势。消费者种群稳定碳、氮同位素沿海拔梯度的富集效应,一方面与植物稳定同位素在海拔梯度上的富集密切相关;另一方面与海拔和纬度变化所引起一系列环境因子的变化在一定程度上影响到动物的稳定同位素分布模式。另外,在高寒草甸地区,与雀形目鸟类相比,小型哺乳类在动物稳定同位素组成的代谢过程中更容易受到环境改变的影响。     

不同形态和水平的氮添加对内蒙古草甸草原土壤净氮矿化潜力的影响

由全球变化和工农业生产引发的大气氮沉降增加已经对生态系统结构和功能产生了不可忽视的影响, 但是氮沉降的组成成分存在多种形态, 不同形态的氮对生态系统的结构与功能的影响是否有差异目前还不清楚。因此, 该研究选择内蒙古草甸草原开展不同形态和不同水平的外源氮添加试验, 每年添加5种不同形态的氮肥, 包括: 尿素、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、缓释尿素, 添加量分别为: 0 (N0)、2 (N2)、5 (N5)、10 (N10)、20 (N20)及50 (N50) g·m ^-2·a ^-1, 均为纯氮添加量。通过野外原位取土、室内控制温度和水分(25 ℃和60%田间持水量)的培养试验测定土壤净氮矿化(mg·kg ^-1·h ^-1)潜力、土壤微生物呼吸(μg·g ^-1·h ^-1)潜力、土壤微生物生物量碳(氮)(mg·kg ^-1)的潜力以及土壤碳(g·kg ^-1)、氮(g·kg ^-1)、磷(g·kg ^-1)含量等指标, 研究添加不同形态和不同水平的氮对土壤净氮矿化潜力的影响。试验结果表明: (1)短期内不同形态、不同水平的氮添加改变了土壤中无机氮的含量、铵态氮和硝态氮的累积量, 并且表现出铵态氮肥的促进作用比硝态氮肥更加显著, 铵态氮的累积显著提高了土壤净氮矿化潜力, 短期铵态氮和硝态氮的累积可增加微生物和植物对有效氮的快速固持; (2)不同形态、不同水平氮添加导致土壤微生物活性发生改变, 包括土壤微生物生物量碳(MBC)含量、微生物生物量氮(MBN)含量及其碳氮比(MBC:MBN), 并且在低水平氮添加下显著增强土壤微生物的呼吸速率, 高水平氮添加显著降低微生物呼吸速率和呼吸熵; (3)不同形态、不同水平氮添加短期内对土壤含水量、土壤有机碳含量、土壤全磷含量、土壤全氮含量无显著影响, 但是高水平氮添加不仅提高了速效磷的含量, 而且导致土壤迅速酸化。室内培养净氮矿化潜力的结果进一步验证了内蒙古草甸草原受氮限制, 添加中低水平的氮可以通过提高土壤微生物的活性而增加该地区草原土壤的净氮矿化潜力, 从而提高草地生产力。     

内陆黑河流域植物稳定碳同位素变化及其指示意义

对黑河流域山地、绿洲和荒漠区木本植物叶片或同化枝进行稳定碳同位素分析得出,山地植物稳定碳同位素比率(δ13C)在-23‰～-29‰之间,平均值为-26.3‰;绿洲植物在-26‰～-30‰之间,平均值为-27.2‰;荒漠植物在-23‰～-28‰和-12‰～-15‰两个范围,平均值分别为-26.0‰和-13.8‰,严酷生境植物δ13C 值较高.同种植物在不同生境下的δ13C值,也表现为较差生境高于较好生境.荒漠河岸林树种胡杨(Populus euphratica)柳树形叶的δ13C值低于杨树形叶.无论是山区还是荒漠区,随着海拔高度增加,有些植物稳定碳同位素辨别力(Δ)减小,有些变化不明显,青海云杉(Picea crassifolia)的△值随着海拔升高线性递减显著.研究得出,荒漠植被中高水分利用效率(WUE)的C4植物占有一定比例.严酷生境下植物WUE高于较好生境.胡杨长条形叶的WUE最低,圆形叶的最高,由幼苗时期的柳树形叶向杨树形叶的演变中WUE在提高.青海云杉为黑河上游山区环境变化的重要指示植物.同种植物过高的δ13C值指示着植物的衰退和生境的严重胁迫.植物适应干旱环境是沿着有利于提高水分利用效率的方向发展.     

降水变化与氮添加对晋北盐碱化草地土壤净氮矿化的影响

于2018年在晋北典型农牧交错带盐碱化草地设置增减降水和氮添加处理试验,2019年生长季(5-9月)采用原位顶盖PVC埋管法测定不同水、氮处理下土壤净氮矿化速率,研究盐碱化草地土壤净氮矿化速率对降水格局变化和氮沉降的响应.结果表明:土壤净氮矿化速率表现出明显的季节动态.单独增减降水(±50％)和氮添加(10g·m-2·...     

若尔盖草甸退化对土壤碳、氮和碳稳定同位素的影响

为了解不同退化阶段高寒草甸土壤碳、氮和碳稳定同位素的差异,对若尔盖湿地内沼泽草甸、草原化草甸、退化草甸3个阶段土壤的碳、氮和碳稳定同位素进行了分析.结果表明:若尔盖湿地草甸土壤δ¹³C 值介于-26.21‰～-24.72‰之间,土壤δ¹³C 值随土层加深而增大.土壤δ¹³C 值与有机碳含量对数值呈线性负相关.表层土壤(0～10 cm)δ¹³C值大小顺序为草原化草甸>退化草甸>沼泽草甸,β值大小顺序为草原化草甸>沼泽草甸>退化草甸.沼泽草甸、草原化草甸、退化草甸0～30 cm 土壤碳含量分别为105.32、42.11和31.12 g·kg^-1,氮含量分别为8.74、3.41和2.81 g·kg^-1,C/N分别为11.26、11.23和10.89.随着草甸的退化,土壤碳、氮呈降低趋势,退化草甸C/N值低于沼泽草甸和草原化草甸.随着土层深度加深,碳、氮含量呈现降低趋势.草甸退化导致的土壤δ¹³C 值差异主要发生在表层0～10 cm.3个退化阶段中,退化草甸土壤的β值和C/N最低,表明退化草甸土壤矿化作用较强.     

异龙湖近百年来湖泊沉积物有机碳、氮稳定同位素变化及其环境指示意义

通过对异龙湖沉积物岩芯(YLH-1)样品有机碳、氮及其稳定同位素、C/N值测定,结合人类活动的阶段性特征,分析了近百年来异龙湖沉积物有机质的来源,探讨受人类活动影响下湖泊的生态环境变化过程。结果表明:异龙湖沉积物中有机质的碳、氮稳定同位素分别为-25.9‰～-22.5‰和0.5‰～4.7‰,C/N值16.4～20.4,表明异龙湖有机质主要受大型水生植物影响,而藻类和陆源有机质贡献较小。δ¹³C逐渐偏负的过程反映了异龙湖富营养化加剧的过程,可能与藻类吸收有机质降解产生的CO₂有关,而δ¹⁵N的变化则与流域内工业污染物、农业化肥和大气氮沉降有关。异龙湖的生态环境变化可以分为3个阶段:19世纪80年代至20世纪60年代初期,湖泊初级生产力较低,水质好,受人类活动干扰较小; 20世纪60年代中后期至20世纪90年代,随着人类活动的加强,湖泊生产力迅速提高,富营养化程度加剧,水质恶化,藻类大量繁殖; 20世纪90年代之后,湖泊处于高生产力水平,湖泊富营养化严重。因此,未来管理部门要重视人类活动对湖泊生态环境影响,加强湖泊生态环境治...     

增温、增雨对荒漠草原植物和土壤总氮及稳定氮同位素的影响

剖析气候变化下植物和土壤氮含量关系,有助于了解植物—土壤氮循环,揭示植物群落和土壤演替趋势。收集了增温(环境温度、增温2℃和4℃)增雨(自然降水量、降水量增加25%和50%)6年析因实验处理后荒漠草原优势物种和土壤样品,通过对叶片和土壤的总氮(Total nitrogen, TN)、有效氮(Available nitrogen, AN)以及稳定氮同位素(Stable nitrogen isotopes, δ¹⁵N)测定分析,探究了增温增雨后荒漠草原植物和土壤氮含量变化趋势以及控制植物—土壤氮循环的主要因子。结果表明：(1)单独增温和同时增温增雨使土壤TN、AN和δ¹⁵N值升高但不显著(P>0.05);单独增雨显著降低了土壤AN(P<0.05)。(2)单独增温使短花针茅(Stipa breviflora)和栉叶蒿(Neopallasia pectinata)叶片TN升高,而冷蒿(Artemisia frigida)和蒙古葱(Allium mongolicum)叶片TN降低;单独增雨和同时增温增雨显著降低了4个物种叶片TN(P<...     

The use of natural abundance of nitrogen isotopes in plant physiology and ecology

Nitrogen stable isotope (¹⁵N, ¹⁴N) natural abundance has been much less used than carbon isotopes (¹³C, ¹²C) in plant physiology and ecology. Analytical problems, the lower fractional abundance of ¹⁵N than of ¹³C in the biosphere, the greater complexity of the N cycle relative to the C cycle, and smaller expressed discriminations in nature, are contributing factors. The major N pools, globally, have different isotope signatures: atmospheric N₂ is ¹⁵N-depleted relative to organic N (including sedimentary N), a situation resulting from a greater expressed discrimination in the organic N to N₂ (via denitrification) reaction than of diazotrophy during accumulation of the reduced N. Essentially all of the enzymes except nitrogenase which transform N compounds show discrimination against ¹⁵N, although for glutamine synthetase, and the amination of 2-oxoglutarate and pyruvate, this is only seen in terms of NH₄⁺ rather than the true substrate, NH₃. Discrimination is expressed in various N interconversions within plants, leading to substantial differences in δ¹⁵N (up to 12‰) among N compounds and macroscopic plant parts. N isotope fractionation during assimilation of exogenous combined N is often much lower than that expected from studies of isolated enzymes due to processes which show very little discrimination, such as limitation by transport through aqueous solution and membranes. Application of ¹⁵N/¹⁴N discrimination studies to plant ecology have concentrated largely on distinguishing diazotrophy from N supplied from combined N, based on the lower ¹⁵N/¹⁴N in diazotrophs due to the higher ¹⁵N/¹⁴N of combined N sources not being offset by fractionation during uptake. While potentially very useful, a number of pitfalls are discussed in its ecological use in both terrestrial and aquatic systems. N isotope discrimination is also useful in tracking N through food webs, and hence, back to combined N sources for plants.     

降水和氮沉降增加对草地土壤酶活性的影响

为探究降水和氮沉降增加对草地生态系统土壤酶活性的影响,于2014年生长季在内蒙古温带典型羊草草原开展了野外原位控制实验。试验共设置降水(对照,W0,自然降水;W15,增加15%的年均降水量)、施氮(对照,CK,0 kg N hm~(-2)a~(-1);低氮,LN,25 kg N hm~(-2)a~(-1);中氮,MN,50 kg N hm~(-2)a~(-1);高氮,HN,100 kg N hm~(-2)a~(-1))及其交互作用等8个不同的处理水平来模拟降水和氮沉降增加的全球变化情景,分别定量探讨了不同水、氮添加条件下草地表层土壤中与氮循环相关的蛋白酶,脲酶,硝酸还原酶,亚硝酸还原酶活性的月动态变化及其与土壤理化性质之间的相关性。研究结果表明:在自然降水条件下,不同施氮水平蛋白酶、脲酶和硝酸还原酶活性无显著差异,亚硝酸还原酶活性相比于对照显著降低;在增加降水条件下,不同施氮水平对蛋白酶和硝酸还原酶活性未产生显著性影响,高氮水平显著降低脲酶和亚硝酸还原酶活性。不同施氮水平是否添加降水对亚硝酸还原酶活性无影响,而增添降水使低氮处理的蛋白酶活性和中、高氮处理水平的硝酸还原酶活性增加、高氮处理的脲酶活性降低。降水在影响蛋白酶和硝酸还原酶活性方面具有主效应,氮沉降在影响亚硝酸还原酶活性方面具有主效应,而降水和施氮处理未表现出明显地交互作用。土壤亚硝酸还原酶活性与土壤碳氮比和NH~+_4-N含量极显著正相关,与NO-3-N含量显著正相关。     

切根和浅耕翻措施对退化草地生长季土壤性质及植物群落的影响

草地退化是我国主要生态问题之一,研究草地不同改良措施的生态效应对于科学有效地恢复草地生态系统具有重要意义。以切根、浅耕翻两种典型改良措施为对象,在内蒙古锡林郭勒盟毛登草原内蒙古大学生态学研究基地研究了两种改良措施对土壤硝化速率、羊草群落植物生物多样性和生物量的影响。结果表明:与对照相比,浅耕翻措施显著降低了土壤硝化速率(P0.05),切根措施对土壤硝化速率有提高效果,且土壤硝化速率呈现出明显的时间动态,土壤硝化速率6月份显著最高、9月份显著最低;浅耕翻措施显著降低了羊草群落植物多样性和生物量(P0.05),而切根处理则显著提高了羊草群落植物多样性(P0.05),切根处理对植物生物量提高有作用但效果不显著。研究结果表明不同草地恢复措施显著影响了土壤性质和植物群落,在短期内,浅耕翻措施不是草地恢复的有效措施,而切根处理有助于提高退化草地生物多样性。     

Long‐term antagonistic effect of increased precipitation and nitrogen addition on soil respiration in a semiarid steppe

Changes in water and nitrogen (N) availability due to climate change and atmospheric N deposition could have significant effects on soil respiration, a major pathway of carbon (C) loss from terrestrial ecosystems. A manipulative experiment simulating increased precipitation and atmospheric N deposition has been conducted for 9 years (2005–2013) in a semiarid grassland in Mongolian Plateau, China. Increased precipitation and N addition interactively affect soil respiration through the 9 years. The interactions demonstrated that N addition weakened the precipitation‐induced stimulation of soil respiration, whereas increased precipitation exacerbated the negative impacts of N addition. The main effects of increased precipitation and N addition treatment on soil respiration were 15.8% stimulated and 14.2% suppressed, respectively. Moreover, a declining pattern and 2‐year oscillation were observed for soil respiration response to N addition under increased precipitation. The dependence of soil respiration upon gross primary productivity and soil moisture, but not soil temperature, suggests that resources C substrate supply and water availability are more important than temperature in regulating interannual variations of soil C release in semiarid grassland ecosystems. The findings indicate that atmospheric N deposition may have the potential to mitigate soil C loss induced by increased precipitation, and highlight that long‐term and multi‐factor global change studies are critical for predicting the general patterns of terrestrial C cycling in response to global change in the future.     

Plant response to variations in nitrogen availability in a desert shrubland community

Spatial variations in nitrogen availability were studied in a desert community codominated byLarrea tridentata (DC.) Cov. andProsopis glandulosa Torr. Measurements of natural ¹⁵N values in tissues suggested thatProsopis obtains approximately half of its nitrogen through direct symbiotic fixation. Soils were collected under 1)Prosopis shrubs, 2)Larrea shrubs 2 m fromProsopis (LP), and 3)Larrea 2 m from otherLarrea but> 5 m from the nearestProsopis (LL).Prosopis soils showed significantly higher rates of nitrogen mineralization than LL soils in both A and B horizons. Rates of mineralization in LP soils were significantly higher than rates in LL soils only in the B horizon and were not significantly different from rates inProsopis soils. Leaf nitrogen concentrations were significantly higher in LP shrubs (2.06%) than in LL shrubs (1.78%), although ¹⁵N values did not differ between the two shrub types. Nitrogen concentrations inPerezia nana Gray, a perennial herb, were greater in plants underProsopis shrubs (2.09%) than under LP shrubs (1.93%) or LL shrubs (1.67%). Despite apparent differences in nitrogen availability, biomass ofLarrea and density ofPerezia did not differ significantly among these sites.     

内蒙古典型草原马粪分解过程中氮素组分的变化

2008年6月至2009年9月,在野外条件下,采用堆置于地表和埋入地下2种处理方式,研究了内蒙古典型草原马粪分解过程中氮素组分的变化特征.结果表明： 2种处理残留马粪中,氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮在分解前期(0~90 d)维持较高浓度,后期(330~450 d)浓度显著降低;酸解未知氮和非酸解未知氮浓度随分解呈升高趋势,分解后期升高幅度更为明显.鲜马粪中,铵态氮是无机氮的主要存在形态,随分解呈逐渐降低趋势;鲜马粪中的硝态氮浓度较低,其在残留马粪中的淋溶损失较低,随分解逐渐累积.马粪埋入地下,对铵态氮以气态氨的挥发过程有显著影响,对其他氮素组分的影响不明显.马粪分解前期,氮素矿化的主要有机氮源为氨态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮,后期主要为酸解未知氮和非酸解未知氮.铵态氮的生物有效性主要体现在马粪分解前期,硝态氮则体现在分解后期.