陆地生态系统可溶性有机氮研究进展

可溶性有机氮(dissolved organic nitrogen DON)的流动是陆地生态系统氮循环的重要组成部分。本文就陆地生态系统DON的来源、组成、性质;森林生态系统DON的流动、季节动态以及DON在氮循环中的地位等方面作了概括和探讨。今后的陆地生态系统DON的研究应该集中在以下几个方面：确定陆地生态系统中DON的各分室DON的浓度、流量;DON的源与汇问题;量化不同生态系统中DON库的大小和组成;研究DON在氮的矿化、微生物的固持、以及植物吸收等氮循环过程中的地位;对比研究DON与DOC(dissolved organic carbon)的动态差别;探讨DON与植物营养和碳积累的关系等。     

杉木人工林生态系统中氮素的动态特征

本文介绍会同县18年生杉木人工林生态系统中氮素的分布、转化、消长和循环方面的初步研究。结果表明,该系统总氮量为12287.6公斤/公顷,其中约有97％存在土壤库中,植物固定的氮仅占总氮量的2.5％。杉木枝叶中的氮含量因受“稀释效应”的影响,表现为随时间的推移而降低,尤其是在当年生枝叶的萌发初期。该生态系统每年经水文学途径获得7.35公斤N/公顷,径流输出0.98公斤N/公顷,即该系统每年以6.37公斤/公顷的速率净积累氮,表明杉木林生态系统对氮素的保存和利用的能力较高。文章还建立了氮素动态数学模型并进行初步模拟。     

Seasonal and annual variation in nitrogen mineralization and nitrification along an elevational gradient in New Mexico

Patterns and amounts of nitrogen loss from disturbed ecosystems vary widely. The mineralization of organic nitrogen to ammonium and then nitrification to nitrate are important processes regulating nitrogen cycling rates and nitrogen losses. Nitrification is a significant process because of the production of the nitrate anion which is easily leached or denitrified. Most studies of these processes do not evaluate their seasonal and yearly variations. This study demonstrates that marked seasonal and yearly variations can occur in these processes in different ecosystems and suggests that nitrogen loss or other system properties correlated with one arbitrarily selected collection can be misleading. Spruce-fir and ponderosa pine ecosystems demonstrated little actual orpotential nitrification. Aspen and mixed conifer ecosystems demonstrated distinct seasonal patterns with increased rates of mineralization and nitrification during spring and summer months and a precipitous decline in both rates coincident with autumn foliage litterfall.The relative availability of soil nitrogen along with the amount of nitrogen circulating annually in litterfall prior to disturbance are useful predictors of the potential for nitrate production and loss following disturbance. However, other controls, including regulation by organic compounds, appear important in determining seasonal and annual variation in actual nitrification rates.     

Bryophyte-cyanobacteria symbioses and their nitrogen fixation capacity—A review

苔藓-蓝藻共生体(BCS)能固氮, 是养分贫瘠地区森林氮输入的不可忽视的来源。BCS关系与固氮能力研究为科学认识生态系统氮输入与氮循环过程和机理提供了新的视角和有效途径, 具有重要的理论价值。然而, BCS关系、固氮作用与机理的研究迄今未受到足够关注, 报道较少, 认识仍然是零星而片段化的。基于系统查阅的相关文献, 该文综述了BCS的种类组成与共生关系类型、固氮能力及所固定氮的去向及其影响因素和作用机理, 指出了存在的问题及需要深入关注和亟待突破的4个研究方向。     

中国森林生态系统N平衡现状

由于N饱和生态系统的出现,森林生态系统作为环境污染储蓄库的认识受到挑战。收集了近十余年来全国各地森林N素循环的研究资料,通过对目前大气N沉降、森林生物固N、森林生态系统N的流失、淋失、挥发等各项收支参数的分析,借助农田养分收支平衡的估算思路和方法对全国森林生态系统N平衡进行了估算。结果表明,我国森林生态系统N的输入大于输出,全国森林生态系统年容纳大气N约为736万t,其中约176万t来自于大气N沉降,约599万t来自于生物固N。而进入到森林生态系统中的N约16万t固定在木材中用以维持森林蓄积的增加,其余绝大部分则保存于森林土壤,使得森林土壤全N含量大约以每年0.002%的速率增长。但不断增加的N素输入并未导致森林生态系统N饱和,全国的森林蓄积仍保持增长的趋势,森林生态系统在N的生物地球化学循环过程中起着重要的调节作用,仍是环境N的储蓄库,对于调节气候,防治污染具有重大作用。     

苔藓-蓝藻共生体关系与固氮能力研究进展

苔藓-蓝藻共生体(BCS)能固氮, 是养分贫瘠地区森林氮输入的不可忽视的来源。BCS关系与固氮能力研究为科学认识生态系统氮输入与氮循环过程和机理提供了新的视角和有效途径, 具有重要的理论价值。然而, BCS关系、固氮作用与机理的研究迄今未受到足够关注, 报道较少, 认识仍然是零星而片段化的。基于系统查阅的相关文献, 该文综述了BCS的种类组成与共生关系类型、固氮能力及所固定氮的去向及其影响因素和作用机理, 指出了存在的问题及需要深入关注和亟待突破的4个研究方向。     

草甸草原土壤与植物系统自然丰度氮稳定同位素的年际变化及其指示作用

氮是陆地生态系统生产力的首要限制性养分,利用自然丰度δ¹⁵N(¹⁵N/¹⁴N)可以有效指示生态系统氮循环过程。本试验研究了内蒙古草甸草原土壤与植物系统自然丰度δ¹⁵N、土壤净氮矿化潜势的年际变化。结果表明: 2017—2020年,土壤NO₃^--N含量(9.83～14.79 mg·kg^-1)均显著高于NH₄⁺-N含量(3.92～5.00 mg·kg^-1);土壤NH₄⁺的δ¹⁵N值(13.3‰～18.3‰)显著高于NO₃^-的δ¹⁵N值(3.76‰～6.14‰),土壤NO₃^-的δ¹⁵N值与土壤NO₃^-含量呈显著负相关;干旱年NH₄⁺的δ¹⁵N值相对较高,降水较高或较低年NO₃^-的δ¹⁵N值显著降低。干旱年土壤净氮矿化速率、净氨化速率显著高于湿润年,而土壤硝化速率与年降水量无显著相关性。植物δ¹⁵N值与土壤δ¹⁵N值无显著相关性,但与植物N含量呈显著负相关;豆科植物与非豆科植物δ¹⁵N值、N含量均呈显著正相关,在一定程度上表明豆科植物对非豆科植物的N吸收具有促进作用。研究结果可为草原土壤-植物系统氮循环过程及其对降水变化的响应提供数据支撑。     

Research progress on the effects of grazing on grassland ecosystem

全球草地占据30%左右的陆地面积, 在全球气候变化、碳氮及养分循环、保持水土、调节畜牧业生产等方面具有重要的作用。目前草地的主要利用方式之一就是放牧, 不同的牲畜种类、放牧强度、年限、历史和制度等, 会影响草地植物群落、生物多样性及土壤微生物, 进而影响草地生态系统结构、功能和过程。该文围绕放牧对草地生态系统结构、功能和过程的影响, 1)回顾了20世纪50年代到现在各个历史阶段放牧对草地生态系统影响的研究; 2)利用文献计量分析的方法, 剖析了放牧对草地影响研究的热点内容、重要区域和关键词等; 3)阐明了放牧对草地植物生长、群落特征、碳氮及养分循环、生产力及土壤质量等的各方面影响的研究进展及国内相关研究的优势及存在的主要问题和不足; 4)基于上述分析, 从草地放牧精准管理、经典假说验证、放牧和全球变化研究相结合等方面, 提出未来研究的前沿方向和优先领域。该文在系统总结放牧对草地生态系统影响的研究进展、研究优势及存在问题的基础上, 提出未来的研究应与全球变化相结合, 为我国的草地放牧生态学研究、适应性管理和可持续利用等提供科学基础。     

枣粮间作生态系统土壤氮空间分布特性

基于枣粮间作复合生态系统内部异质性,通过在不同位置采样测定,探讨了枣粮间作系统内土壤氮素空间分布特性.结果表明:(1)枣粮间作生态系统中,在小麦收获期和玉米收获期两个时期,土壤全氮和硝态氮含量均存在明显的垂直和水平两个方向空间变异性.而土壤铵态氮含量极低且没有明显的空间变异;(2)与全氮相比,枣粮间作系统中硝态氮空间变异性更强,且随着时间变化其空间分布特性有明显变化;(3)氮素施用量对土壤全氮和硝态氮空间变异有正向作用,而植株对氮的吸收利用可以降低土壤氮素分布空间差异程度.各因子对土壤全氮空间变异影响强弱顺序为氮吸收量＞氮素施用量＞土壤含水量;对土壤硝态氮空间变异影响强弱顺序为氮素施用量＞土壤全氮含量＞氮素吸收量＞土壤含水量.     

A non‐lethal approach to estimate whole‐body 13C and 15N stable isotope ratios of freshwater amphipods using walking legs

To analyze the stable isotope ratios of small‐bodied invertebrates, the entire animal is typically sacrificed and processed, which is problematic for threatened or endangered species. Appendages which are regenerated could be used to infer whole‐body isotope ratios, but differences in turnover rates and isotopic signatures among tissues may confound such an approach. We tested the hypothesis that the δ¹³C and δ¹⁵N of whole‐body tissue for freshwater amphipods could be predicted from the δ¹³C and δ¹⁵N of walking legs, with the goal of estimating body δ¹³C and δ¹⁵N of Gammarus acherondytes, a United States federally endangered species. To test this, we analyzed the δ¹³C and δ¹⁵N of walking legs and bodies of five species of amphipods from geographically distant areas (Idaho, Illinois, and Washington) in the United States. The general relationships of whole‐body isotope ratios of C and N as a function of leg isotope ratios were linear and had slopes of one. In the range of the data, leg δ¹³C was slightly lower than body δ¹³C, indicating some tissue‐specific fractionation, while δ¹⁵N was similar for legs and bodies. Our data suggest that legs can be used to predict body isotope ratios in freshwater amphipods. This approach provides an additional tool to help researchers understand the biology of small, endangered invertebrates without sacrificing individuals. This is especially useful in cave ecosystems where populations are naturally sparse.     

Ecosystem productivity is independent of some soil properties at equilibrium

Long runs of a mechanistic model of forest carbon (C) and nitrogen (N) dynamics (Edinburgh Forest Model) suggest that, when in a steady state, ecosystem productivity may be insensitive to the specific rate of N mineralization of soil organic matter (SOM). At equilibrium, productivity and other vegetation properties are determined primarily by climate. This is so because, given time, modelled ecosystems tend to generate amounts of SOM that are able to supply N at rates which do not greatly limit plant growth. When specific N mineralization rates are low, large amounts of SOM accumulate, whereas when specific N mineralization rates are high, small amounts of SOM accumulate. However, it may take several millenia for equilibrium conditions to be reached following disturbance (particularly following degrading disturbance) and during that time N mineralization rates determine the speed of progress toward equilibrium.     

氮素添加对科尔沁沙质草地物种多样性和生产力的影响

物种多样性和生产力是生态系统结构和功能的重要指标.以科尔沁沙质草地为对象,通过对其进行不同梯度的氮素添加处理,研究氮素添加对沙质草地生态系统物种组成、物种多样性和生产力的影响.结果表明：氮素添加改变了群落物种组成和群落中的优势种,使植被的高度和盖度增加,植被的透光率减小;随着氮素水平的增加,群落中物种丰富度减小,物种多样性降低;不同水平的氮素添加均显著增加了(P<0.01)群落地上生物量;物种丰富度与植被透光率呈线性正相关(P<0.01),与植被盖度呈线性负相关关系(P<0.01),说明长期的氮沉降与人为氮素输入将影响沙地生态系统的物种组成、物种多样性以及生产力.     

放牧对草地生态系统影响的研究进展

全球草地占据30%左右的陆地面积, 在全球气候变化、碳氮及养分循环、保持水土、调节畜牧业生产等方面具有重要的作用。目前草地的主要利用方式之一就是放牧, 不同的牲畜种类、放牧强度、年限、历史和制度等, 会影响草地植物群落、生物多样性及土壤微生物, 进而影响草地生态系统结构、功能和过程。该文围绕放牧对草地生态系统结构、功能和过程的影响, 1)回顾了20世纪50年代到现在各个历史阶段放牧对草地生态系统影响的研究; 2)利用文献计量分析的方法, 剖析了放牧对草地影响研究的热点内容、重要区域和关键词等; 3)阐明了放牧对草地植物生长、群落特征、碳氮及养分循环、生产力及土壤质量等的各方面影响的研究进展及国内相关研究的优势及存在的主要问题和不足; 4)基于上述分析, 从草地放牧精准管理、经典假说验证、放牧和全球变化研究相结合等方面, 提出未来研究的前沿方向和优先领域。该文在系统总结放牧对草地生态系统影响的研究进展、研究优势及存在问题的基础上, 提出未来的研究应与全球变化相结合, 为我国的草地放牧生态学研究、适应性管理和可持续利用等提供科学基础。     

Effects of western juniper (Juniperus occidentalis) control on ecosystem nitrogen stocks in central Oregon,USA

控制西美圆柏数量对美国俄勒冈州中部生态系统氮储量的影响 在美国俄勒冈州,控制西美圆柏(Juniperus occidentalis)的数量是一种公认的牧场管理措施,该做法 有助于恢复蒿草草原(sagebrush steppe)生境,该生境对野生动物和家畜都十分重要。然而,尽管控制木本 植物数量会对当地的流域管理和区域性氮库造成重要影响,但砍伐西美圆柏对生态系统中氮元素的影响问题尚未得到很好的解决。本文定量研究了两个相邻流域生态系统中的氮储量,其中一个流域经过处理(流域内的大部分圆柏已被清除掉),而另一个流域未处理(圆柏未被清除)。在圆柏被移除13年后,我们测定了两个流域里圆柏树林、灌木丛、草丛和枯枝落叶层的地上氮储量,以及两个流域中两个土层(0–25和25–50 cm)内的地下氮储量(根系和土壤氮储量)。研究结果表明,未处理流域的地上氮储量是处理流域 的6.9倍,因为未处理流域的地上生物量要大得多。然而,由于砍伐圆柏导致林下植被的根系生物量增加,所以处理流域的根系氮储量是未处理流域的3.1倍。0–25和25–50 cm土层氮储量没有受到圆柏砍伐的影响。总体而言,生态系统总氮储量在处理流域(9536 kg N ha⁻¹)和未处理流域(9456 kg N ha⁻¹)之间并没有显著差异。在两个流域里,生态系统中最大的氮积累量(至少95%的生态系统总氮量)均存在于地下(0–25 cm深的土壤以及根系)。这项研究证明,清除圆柏并不会显著影响生态系统的储氮能力。     

氮素添加对内蒙古草甸草原生态系统CO2交换的影响

氮沉降增加将影响草原生态系统固碳, 但如何影响草原生态系统CO₂交换目前为止还没有定论。同时, 不同类型和剂量氮素对生态系统CO₂交换影响的差异也不明确。选取内蒙古额尔古纳草甸草原, 开展了不同类型氮肥和不同剂量氮素添加条件下生态系统CO₂交换的野外测定。实验设置尿素和缓释尿素2种类型氮肥各5个剂量水平(0、5.0、10.0、20.0和50.0 g N·m^-2·a^-1)。结果显示, 生长季初期及中期降雨量低时, 氮素添加抑制生态系统CO₂交换; 而生长季末期降雨量较高时促进生态系统CO₂交换。随着氮素添加水平的提高, NEE和GEP均显著增加, 当氮素添加量达到10 g N·m^-2·a^-1时, NEE和GEP的响应趋于饱和。2种氮肥(尿素和缓释尿素)仅在施氮量为5 g N·m^-2·a^-1时, 缓释尿素对生态系统CO₂交换的促进作用显著大于尿素, 在其它添加剂量时差异不显著。研究结果表明: 氮素是该草甸草原生态系统的重要限制因子, 但氮沉降增加对生态系统CO₂交换的影响强烈地受降雨量与降雨季节分配的限制, 不同氮肥(尿素和缓释尿素)对生态系统CO₂交换作用存在差异。     

植物对有机氮源的利用及其在自然生态系统中的意义

近来大量实验研究表明,许多植物能够在不经矿化的情况下直接吸收、利用环境介质中的生物有机氮,尤其氨基酸类。而且,有些植物利用氨基酸的效率可以与矿质氮源(NH4 、NO3)相当或更高。自然界植物赖以生存的土壤生境中同时存在多种有机氮和矿质氮养分,这是导致植物(至少部分植物)进化产生利用各种不同氮源能力的环境驱动力。土壤中的游离氨基酸尽管含量不高,但其周转快、通量大,理论上可远大于植物的氮需求。尽管植物在与土壤微生物的有机氮源竞争中处于根本性劣势,但土壤中氨基酸的巨大潜在通量和植物相对于微生物的生命周期仍可使植物在长期竞争中获取数量可观的氮。基于植物根对氨基酸的吸收能力、土壤中游离氨基酸库的大小和通量、植物与土壤微生物对氨基酸氮源的竞争以及有关的原位实验结果,近来许多研究者都认为植物有机氮营养在多种生态系统中是重要或潜在重要的。尤其是在一些极地、高山、亚高山、北方针叶林或泰加林生态系统中,由于低温等因素限制有机氮矿化,土壤氨基酸浓度常超过矿质氮(NH4 、NO3-)浓度,氨基酸可能代表着植物的一个主要氮源。认识到现实生态系统中植物对有机氮源利用的重要性意味着传统的矿质营养观念的更新,这将在很大程度上改变人们对某些重要生态过程的理解,并导致对若干生态学中心问题的再认识。研究以森林生态系统为例,阐述了我国开展该领域研究的科学意义和基本框架。     

Stable isotope analysis of archived roach (Rutilus rutilus) scales for retrospective study of shallow lake responses to nutrient reduction

1. There is increasing interest in the use of stable isotope analysis of archived materials to study the long-term impacts of lake perturbations, including nutrient manipulation or species invasion. We tested the utility of this approach in a shallow productive lake using the zooplanktivorous early life stages of roach ( Rutilus rutilus ), a fish species that is widespread throughout Eurasian lakes.
2. Barton Broad is a shallow lake with a well-documented history of earlier eutrophication followed by nutrient reduction, including sediment removal from 1997 to 2000. Using scale samples collected pre- and post-sediment removal, we demonstrated a strong, positive relationship between roach scale δ ¹³C and total phosphorus. We argue that this reflects a decrease in the phytoplankton production which had dominated dissolved inorganic carbon dynamics, and a relative increase in the contribution of respired carbon in the food web.
3. We also derived a scale : muscle isotope relationship for roach which allowed us to model changes in fish muscle against putative prey. Concomitant isotopic shifts in preserved zooplankton samples indicated that the phosphorus reduction measures had an ecosystem-wide impact and that changes in roach scale isotope values were not a result of fish switching diet.
4. Roach scale δ ¹⁵N increased after sediment removal. Since this was not due to a switch in fish diet, we suggest that it probably reflects the loss of nitrogen-fixing, heterocystous cyanobacteria from the plankton.     

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。     

丛枝菌根利用氮素研究进展

氮素是植物需求量最大的元素,丛枝菌根真菌与植物形成共生体后能从土壤中获取无机氮、简单的氨基酸,还能利用一些复杂的有机态氮.考虑到NH+4在土壤中的移动性低及丛枝菌根真菌的专性共生菌的特点,丛枝菌根真菌吸收NH+4对植物的贡献较大.近年来的研究发现丛枝菌根真菌内存在与氮素代谢有关的鸟氨酸循环,而精氨酸则是菌丝内氮素转移的主要形式.综述最近的AMF对氮素的吸收、转运、同化、交换等方面的文献,旨在揭示丛枝菌根真菌氮素利用特点,阐明丛枝菌根真菌在氮循环系统中的重要作用.