13C脉冲标记揭示放牧对高寒草甸同化碳分配的影响

放牧是人类对草地进行利用的重要方式之一, 放牧影响草地生态系统的结构和功能, 改变植物光合碳(C)分配, 进而改变土壤有机碳的储存。青藏高原的高寒草甸是世界上海拔最高的草地生态系统, 寒冷季节长等独特的环境特点使其具有高的土壤有机碳含量。为了揭示长期轻度放牧对植物光合碳分配及植物光合碳在各库之间运移的影响, 基于在青藏高原矮嵩草草甸开展的长期冬季轻度放牧和围栏封育实验, 利用 ¹³C示踪方法揭示了放牧对光合碳在植物地上、地下组织的分配以及光合碳在植物、土壤各碳库中的运移和滞留。研究结果发现, 在 ¹³C标记之后第30天, 冬季轻度放牧样地的植物地上部分内 ¹³C约占开始时 ¹³C含量的32%, 根和土壤中的 ¹³C约占22%, 植物地上部分呼吸中的 ¹³C量约占30%。在放牧和围封这两个不同处理中, 土壤中光合碳的滞留以及光合碳随土壤呼吸释放的速率存在显著差异。长期冬季轻度放牧促使植物将更多的光合碳输入到根和土壤碳库中。与围栏封育处理相比较, 放牧处理下的 ¹³C从植物地上部分输入到地下的速率较快, 通过土壤呼吸释放的速率也快, 而植物地上部分和植物地上部分呼吸中 ¹³C的量较低。另外, 高寒矮嵩草草甸土壤C储量在冬季轻度放牧和围栏封育处理下没有显著差异。我们的研究表明, 尽管冬季轻度放牧改变了植物光合碳分配在地上和地下碳库中的分配, 但是没有显著影响土壤碳库储量。     

水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配及其对CO2升高和施氮的响应

采用¹³C-CO₂进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO₂浓度升高(800 μL·L^-1)和施氮(100 mg·kg^-1)的响应.结果表明: CO₂浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO₂浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO₂浓度升高使光合¹³C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO₂浓度升高驱动的光合¹³C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合¹³C的分配比例.综上,CO₂浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.     

双季稻系统周年内早稻光合碳对土壤有机碳的贡献

研究周年尺度的早稻光合碳对双季稻系统土壤有机碳的影响,对于理解农田碳循环及土壤固碳机制具有重要意义。通过盆栽试验,利用¹³C脉冲标记方法分别在孕穗期与灌浆期进行了2次标记处理,研究了年周期内不同时期早稻光合碳在双季稻系统中的分配和对土壤有机碳贡献的差异。研究发现,早稻植株标记1 d后,光合¹³C已向地上与地下部分转移分配。至早稻成熟期,孕穗期标记光合¹³C在"作物-土壤"系统中的回收率为74%,而灌浆期标记处理光合¹³C回收率仅为59%,且孕穗期标记碳在地下部分的分配比例要高于灌浆期标记碳。在当季及后续晚稻季,早稻孕穗期光合碳对可溶性土壤有机碳(DOC)的贡献率均显著高于早稻灌浆期光合碳,至晚稻成熟期,来自于早稻孕穗期标记碳、灌浆期标记碳在DOC中的贡献率分别为9.4%和2.6%。早稻孕穗期光合碳对土壤总有机碳(TOC)的贡献率在两季水稻收获时均显著高于灌浆期光合碳,至晚稻成熟期,早稻孕穗期光合碳对TOC的贡献率可达22%,是灌浆期光合碳贡献率的20.7倍。总体而言,相对于早稻灌浆期,早稻孕穗期光合...     

13C脉冲标记法：不同生育期水稻光合碳在植物-土壤系统中的分配

定量生育期内植物光合碳在植物组织-土壤的分配规律,对于理解全球碳循环有着重要意义。采用~(13)C-CO_2脉冲标记结合室内培养,通过元素分析仪-稳定同位素联用(Flash HT-IRMS)分析植物各部分及土壤δ~(13)C值,比较了不同生育期下水稻光合碳在不同组织间的分配规律,并量化了水稻光合碳向土壤碳库的转移。结果表明:(1)水稻地上部和根系干物质量随水稻生育期的增加而呈现递增趋势,不同的生育期表现为:分蘖期拔节期抽穗期扬花期成熟期。而整个生育期的根冠比为0.2—0.4,分蘖期的根冠比最高,随着水稻生育期的增加而递减,到抽穗期以后根冠比稳定在0.2左右。(2)脉冲标记6h后,水稻地上部和地下部(根系)的δ~(13)C值在-25.52‰—-28.33‰,不同器官的δ~(13)C值存在明显分馏效应,且趋势基本一致,即茎杆(籽粒)叶片(根系);这种由于水稻生育期特性导致的各器官碳同位素分馏的现象,可用于指示不同生育期下水稻光合碳的分配和去向。(3)不同生育期~(13)C-光合碳在植物-土壤系统的分配规律不同,生长前期光合碳向根系及土壤中分配的比例高,具有较强的碳汇能力,而随生育期光合碳在根系及土壤中的分配比例呈下降趋势,但积累量不断增加。(4)不同生育期~(13)C光合碳在水稻-土壤系统中的分配比例差异明显。水稻分蘖期有近30%光合碳用于根系建成并部分通过根系分泌物进入土壤有机碳库(10%),而到成熟期则向籽粒中分配较多,而且光合碳在土壤中的分配比例也随生育期呈下降趋势。研究结果对稻田土壤有机碳循环过程和调控机制的揭示具有重要的理论意义。     

亚高寒草甸不同坡向植物光合生理和叶片形态差异

绿色植物叶片的功能性状能用来解释不同层次复杂的生态学过程,被认为对植物的生存、生长和繁殖具有重要的影响。该研究对甘南亚高寒草甸坡向梯度代表物种的叶片形态和光合特性进行测定,分析了各坡向的土壤因子,比较不同物种(矮嵩草、米口袋、蒲公英和金露梅)之间的性状差异,研究叶片光合及形态特征与土壤因子之间的相关性。结果表明:1)不同坡向的土壤因子有着显著差异,土壤含水量、土壤全磷、土壤全氮及有机碳含量总体表现为北坡南坡,而土壤温度及光照度则是南坡北坡。2)坡向上不同物种在比叶面积、净光合速率和叶δ~(13)C值等方面有着显著的差异,比如物种在北坡具有较高的比叶面积和叶片含水量,而物种在南坡具有较高的净光合速率、相对叶绿素、叶干物质量及δ~(13)C值。3)冗余分析结果显示,物种的叶片形态及光合特性与土壤因子之间都具有显著的相关关系,其中土壤含水量变化的响应最为敏感。该研究揭示了亚高寒草甸坡向梯度上植物物种在叶片功能性状上的显著分化,使得这些物种能在同一个草地群落中共存。     

植物光合与呼吸过程CO2及其δ13C的变异特征与影响因素研究进展

植物光合与呼吸作用是生态系统碳循环的关键过程,其CO₂ δ¹³C的变异特征与影响因素分析是解析植物碳分配模式、代谢关键过程以及生态系统光合与呼吸组分拆分的理论基础。然而,关于不同时间尺度上光合与呼吸CO₂及其δ¹³C的变异特征及其影响因素仍然缺少清晰认识。从植物碳过程及其同位素效应、观测技术与方法、变异特征与影响因素以及应用实践与研究进展等方面论述了植物光合与呼吸碳过程及其δ¹³C的时间变化特征,揭示了气孔、叶肉和羧化限制等生物因素以及温度、湿度和光照等非生物因素对碳过程及其同位素效应的影响。总结了存在的问题,并展望了未来的研究方向,以期为今后该领域的研究提供理论依据和有效支撑。     

氮硅添加对青藏高原高寒草甸土壤氮矿化的影响

为了解全球气候变化背景下氮沉降对土壤氮矿化的影响及硅添加对土壤氮矿化的促进作用, 该试验设置不同浓度的氮肥单独添加(0、20、40、60 g·m ^-2, 分别为对照CK、N20、N40、N60)以及与硅肥配施(硅酸4 g·m ^-2, Si4), 测定不同处理下0-20、20-40、40-60 cm土层土壤硝态氮含量、铵态氮含量、净硝化速率、净氨化速率以及净矿化速率。结果显示: (1)单独添加氮肥, 各土层土壤硝态氮和铵态氮含量均随处理浓度的增加而增加, 0-20 cm土层N20、N40、N60处理下土壤硝态氮和铵态氮分别较CK增加63.48%、126.04%、247.03%和80.66%、152.52%、244.56%; 随着土层深度增加, 土壤硝态氮、铵态氮含量均有下降, 20-40、40-60 cm土层较0-20 cm土层硝态氮含量分别平均减少53.90%、76.05%, 铵态氮含量分别平均减少48.62%、68.23%。(2)土壤净硝化速率、净氨化速率及净矿化速率随着氮肥浓度增加均呈上升趋势。相同氮肥添加浓度下, 土壤净硝化速率、净氨化速率和净矿化速率随着土层深度增加逐渐下降(除CK外)。(3)与单独添加氮肥比较, 氮硅肥配施, 土壤氮含量有显著提高, 在0-20 cm土层硝态氮和铵态氮较CK分别增加98.78%、192.62%、330.16%和99.96%、195.82%、306.32%, 20-40、40-60 cm土层也有类似趋势。同时, 氮硅配施促进了土壤氮矿化行为, 在0-20 cm土层, N60Si4处理下的土壤净硝化速率、净氨化速率较单独施氮时分别增加35.88%、27.41%。以上结果表明, 与单独氮肥添加相比, 氮硅配施不但能提高土壤氮含量, 而且能促进土壤氮的矿化作用, 对大气氮沉降有一定的缓解作用。     

短期氮素添加和模拟放牧对青藏高原高寒草甸生态系统呼吸的影响

氮沉降和放牧是影响草地碳循环过程的重要环境因子,但很少有研究探讨这些因子交互作用对生态系统呼吸的影响。在西藏高原高寒草甸地区开展了外源氮素添加与刈割模拟放牧实验,测定了其对植物生物量分配、土壤微生物碳氮和生态系统呼吸的影响。结果表明:氮素添加显著促进生态系统呼吸,而模拟放牧对其无显著影响,且降低了氮素添加的刺激作用。氮素添加通过提高微生物氮含量和土壤微生物代谢活性,促进植物地上生产,从而增加生态系统的碳排放;而模拟放牧降低了微生物碳含量,且降低了氮素添加的作用,促进根系的补偿性生长,降低了氮素添加对生态系统碳排放的刺激作用。这表明,放牧压力的存在会抑制氮沉降对高寒草甸生态系统碳排放的促进作用,同时外源氮输入也会缓解放牧压力对高寒草甸生态系统生产的负面影响。     

水分状况与不同形态氮添加对亚热带森林土壤氮素净转化速率及N2O排放的影响

通过室内模拟试验,研究40%、70%和110%土壤饱和持水量(WHC)下,不同形态氮(硝态氮和铵态氮)添加对亚热带森林红壤氮素转化的影响.结果表明:70%WHC下土壤净矿化和氨化速率最高,40%WHC下最低;与对照相比,70%WHC下添加硝态氮使土壤净矿化和氨化速率分别降低56.1%和43.0%,110%WHC下分别降低68.2%和19.0%,但提高了氨化速率占矿化速率的比例,表明添加硝态氮抑制了硝化.110%WHC下,添加硝态氮后,土壤净硝化速率最低,但氧化亚氮(N2O)浓度最高,最大值出现在第3~7天,表明N2O产生自反硝化途径,硝态氮也在同时段降低;而40%WHC和70%WHC下,N2O浓度在培养初期最大,即使在铵态氮和硝态氮添加处理下,试验后期N2O浓度也没有显著变化,表明自氧硝化是试验前期N2O产生的主要途径.40%WHC下,土壤可溶性有机碳含量增加最多,且在铵态氮添加处理下增加最多,可见添加铵态氮促进土壤有机质矿化,增加可溶性有机碳,但是土壤水分含量增多不利于有机质矿化.在40%WHC和110%WHC下,铵态氮添加处理土壤可溶性有机氮(SON)变化速率分别显著高于对照73.6%和176.6%,而在硝态氮添加处理下,只有40%WHC下显著高于对照78.7%,表明高水分条件和添加铵态氮有利于SON的形成.     

等量分次施氮对冬枣15N和13C利用与分配特性的影响

以4年生盆栽冬枣为试材,采用¹³C、¹⁵N双标记示踪技术,在果实发育期研究了等氮量分次追施氮肥对冬枣植株¹⁵N和¹³C吸收、利用、积累和分配的影响.结果表明: 至果实采收期,冬枣各器官Ndff值(植株器官从肥料中吸收分配到的¹⁵N量对该器官全氮量的贡献率)随追氮次数的增多而显著增大.生殖器官(果实)和营养器官(叶片、枣吊、新生枣头枝和细根)的¹⁵N分配率以4次追氮处理最高,1次追氮处理最低,贮藏器官(主干、多年生枝和粗根)¹⁵N分配率的趋势相反;4次追氮处理¹⁵N利用率分别比1次和2次追氮处理高27.4%和15.5%.追氮次数越多,植株总氮量和¹⁵N吸收量越大;随时间的推移,1次追氮处理土壤¹⁵N丰度和总氮含量持续降低,2次追氮处理呈先升高后降低的趋势,4次追氮处理变化相对最为平稳,至处理后期显著高于其他处理;果实白熟至采收期,叶片叶绿素、氮含量和净光合速率均表现为4次追氮>2次追氮>1次追氮.不同处理¹³C同化物积累与分配不同.4次追氮处理¹³C固定总量分别是1次和2次追氮处理的1.1和1.2倍.增加追氮次数,促进了¹³C同化物向果实和贮藏器官的转移,而减少了向当年生营养器官的分配.综上,果实发育期4次追氮通过保证根层稳定、充足的氮素供应,提高了对氮素的吸收和利用,进而维持了较高的净光合速率,促进并优化了光合同化物的积累和分配,最有利于冬枣树体的生长及产量和品质的提高.     

Measurement of rhizosphere respiration and organic matter decomposition using natural 13C

Due to the limitations in methodology it has been a difficult task to measure rhizosphere respiration and original soil carbon decomposition under the influence of living roots. ¹⁴C-labeling has been widely used for this purpose in spite of numerous problems associated with the labeling method. In this paper, a natural ¹³C method was used to measure rhizosphere respiration and original soil carbon decomposition in a short-term growth chamber experiment. The main objective of the experiment was to validate a key assumption of this method: the ¹³C value of the roots represents the ¹³C value of the rhizosphere respired CO₂. Results from plants grown in inoculated carbon-free medium indicated that this assumption was valid. This natural ¹³C method was demonstrated to be advantageous for studying rhizosphere respiration and the effects of living roots on original soil carbon decomposition.     

~(13)C-标记秸秆添加对DNA稳定性同位素探针试验结果的影响

【目的】稳定性同位素探针技术(stable isotope probing,SIP)是采用稳定性同位素示踪复杂环境中具有代谢活性微生物的有力工具。然而,在近期利用SIP技术的研究当中,我们发现~(13)C-标记物对试验本身有一定程度影响。例如研究土壤秸秆降解微生物,需将~(13)C-标记作物秸秆添加到土壤,利用微域培养实验和DNA-SIP技术解析主导降解微生物物种。但是~(13)C秸秆的添加以及不同土壤肥力水平是否会影响土壤微生物群落有待商榷。【方法】本研究采集江西鹰潭红壤试验站3种施肥处理(Control、NPK、OM)水稻土壤,分别添加自然丰度(12C)和~(13)C-标记的高丰度水稻秸秆,进行微域培养试验,研究两种秸秆添加下的响应物种以及不同丰度C对生物质气体的累积排放、细菌a-多样性以及群落结构的影响。【结果】研究发现,3种施肥土壤下,2种丰度秸秆处理间C累计排放无差异。但是,寡营养条件(Control)下,~(13)C-标记秸秆处理的细菌a-多样性高,12C秸秆处理群落异质性高,稳定性较差,无差异性物种;与~(12)C秸秆处理相比,富营养条件(NPK和OM)下,~(13)C-标记秸秆处理的细菌a-多样性和群落结构无差异,但存在差异物种,主要集中于变形菌门和稀有物种。【结论】本研究的结果表明~(13)C标记秸秆对微生物群落有一定影响,因此在后续的SIP试验中,高丰度秸秆虽可被用来作为标记底物,但需慎用。     

Individual and interactive effects of warming and nitrogen supply on CO2 fluxes and carbon allocation in subarctic grassland

Climate warming has been suggested to impact high latitude grasslands severely, potentially causing considerable carbon (C) losses from soil. Warming can also stimulate nitrogen (N) turnover, but it is largely unclear whether and how altered N availability impacts belowground C dynamics. Even less is known about the individual and interactive effects of warming and N availability on the fate of recently photosynthesized C in soil. On a 10-year geothermal warming gradient in Iceland, we studied the effects of soil warming and N addition on CO₂ fluxes and the fate of recently photosynthesized C through CO₂ flux measurements and a ¹³CO₂ pulse-labeling experiment. Under warming, ecosystem respiration exceeded maximum gross primary productivity, causing increased net CO₂ emissions. N addition treatments revealed that, surprisingly, the plants in the warmed soil were N limited, which constrained primary productivity and decreased recently assimilated C in shoots and roots. In soil, microbes were increasingly C limited under warming and increased microbial uptake of recent C. Soil respiration was increased by warming and was fueled by increased belowground inputs and turnover of recently photosynthesized C. Our findings suggest that a decade of warming seemed to have induced a N limitation in plants and a C limitation by soil microbes. This caused a decrease in net ecosystem CO₂ uptake and accelerated the respiratory release of photosynthesized C, which decreased the C sequestration potential of the grassland. Our study highlights the importance of belowground C allocation and C-N interactions in the C dynamics of subarctic ecosystems in a warmer world.     

高寒矮嵩草草甸冬季CO2释放特征

冬季碳排放在高寒草地年内碳平衡中占有重要位置。为探讨高寒草地冬季碳排放特征及温度敏感性,于2003-2005年在中国科学院海北高寒草甸生态系统研究站,利用密闭箱-气相色谱法连续观测了高寒矮嵩草草甸2个冬季的生态系统、土壤呼吸通量特征。结果表明:1)高寒矮嵩草草甸冬季生态系统呼吸、土壤呼吸均具有明显的日变化和季节变化规律,温度是其主要的控制因子,能够解释44%以上的呼吸速率变异。2)冬季生态系统呼吸与土壤呼吸速率在统计上没有显著差异,土壤呼吸占生态系统呼吸的比例高达85%以上。3)2003-2004年冬季生态系统呼吸、土壤呼吸的Q₁₀值分别为1.53,1.38;2004-2005年冬季生态系统呼吸与土壤呼吸的Q₁₀值为1.86,1.68,2个冬季生态系统呼吸的Q₁₀值均高于土壤呼吸。4)未发现高寒矮嵩草草甸冷冬年份的Q₁₀值高于暖冬年份以及冬季的Q₁₀值高于生长季。     

15NO2胁迫下三角梅不同器官的氮素吸收分配动态及代谢规律

近年来研究园林植物消减大气污染物的修复技术及其原理,理清氮氧化物污染对植物生理生态的影响机制,对城市生态环境保护和文明建设具有重要意义。以三角梅(Bougainvillea spectabilis Willd)小苗为研究材料,通过人工模拟熏气法,设计短时间高浓度¹⁵NO₂胁迫处理,以CK为对照,比较8.0μL/L ¹⁵NO₂处理和4.0μL/L ¹⁵NO₂处理对三角梅各器官¹⁵N的吸收量和各器官¹⁵N-氨基酸含量的影响,探究¹⁵NO₂胁迫下三角梅各器官内氮素的吸收分配动态及代谢规律研究。结果表明,¹⁵NO₂胁迫后显著提高了三角梅各器官¹⁵N含量,其中叶片是¹⁵N的主要积累器官。8.0μL/L ¹⁵NO₂处理下三角梅各器官¹⁵     

Effects of six years atmospheric CO2 enrichment on plant,soil, and soil microbial C of a calcareous grassland

Stimulated plant production and often even larger stimulation of photosynthesis at elevated CO₂ raise the possibility of increased C storage in plants and soils. We analysed ecosystem C partitioning and soil C fluxes in calcareous grassland exposed to elevated CO₂ for 6 years. At elevated CO₂, C pools increased in plants (+23%) and surface litter (+24%), but were not altered in microbes and soil organic matter. Soils were fractionated into particle size and density separates. The amount of low-density macroorganic C, an indicator of particulate soil C inputs from root litter, was not affected by elevated CO₂. Incorporation of C fixed during the experiment (C_new) was tracked by C isotopic analysis of soil fractions which were labelled due to ¹³C depletion of the commercial CO₂ used for atmospheric enrichment. This data constrains estimates of C sequestration (absolute upper bound) and indicates where in soils potentially sequestered C is stored. C_new entered soils at an initial rate of 210±42 g C m^–2 year^–1, but only 554±39 g C_new m^–2 were recovered after 6 years due to the low mean residence time of 1.8 years. Previous process-oriented measurements did not indicate increased plant–soil C fluxes at elevated CO₂ in the same system (¹³C kinetics in soil microbes and fine roots after pulse labelling, and minirhizotron observations). Overall experimental evidence suggests that C storage under elevated CO₂ occurred only in rapidly turned-over fractions such as plants and detritus, and that potential extra soil C inputs were rapidly re-mineralised. We argue that this inference does not conflict with the observed increases in photosynthetic fixation at elevated CO₂, because these are not good predictors of plant growth and soil C fluxes for allometric reasons. C sequestration in this natural system may also be lower than suggested by plant biomass responses to elevated CO₂ because C storage may be limited by stabilisation of C_new in slowly turned-over soil fractions (a prerequisite for long-term storage) rather than by the magnitude of C inputs per se.