南亚热带马尾松人工林土壤氮矿化对减雨的响应

为预测降水变化对人工林生态系统土壤氮矿化过程的影响,以南亚热带马尾松（Pinus massoniana Lamb.）人工林为研究对象,采用PVC顶盖埋管法,研究穿透雨减少50%和不减雨（对照）下土壤氮矿化特征。铵态氮是南亚热带马尾松人工林无机氮存在的主要形态,土壤氮矿化以氨化作用为主。穿透雨减少显著降低了土壤净硝化速率、土壤含水量、pH、可溶性有机碳含量、过氧化物酶及丛枝菌根真菌饱和脂肪酸,而显著增加了土壤净氨化速率、硝态氮、N-乙酰-葡萄糖苷酶和蛋白酶,但是影响程度因季节和土层而异。土壤净氨化速率与N-乙酰-葡萄糖苷酶呈极显著负相关,土壤含水量是对土壤净硝化速率影响力最大的变量,β-葡萄糖苷酶、真菌饱和脂肪酸及细菌真菌饱和脂肪酸比的影响次之。表明短期降水减少显著改变了马尾松人工林的土壤理化性质、净氨化和硝化速率,这可能会进一步影响其树木生长和养分吸收。     

亚热带不同林分土壤矿质氮库及氮矿化速率的季节动态

以亚热带地区天然林、格氏栲人工林和杉木人工林为对象,采取PVC管原位培养连续取样法,对不同林分土壤净氨化速率、净硝化速率及净氮矿化速率进行为期一年(2014年9月—2015年8月)的研究,分析林分类型和季节动态对土壤矿质氮库和净氮矿化速率的影响.结果表明: 硝态氮是该地区土壤矿质氮库的主要存在形式,天然林和杉木人工林土壤硝态氮含量分别占总土壤矿质氮库的55.1%～87.5%和56.1%～79.1%,林分间土壤铵态氮含量差异不显著,硝态氮含量差异显著,其中格氏栲人工林土壤硝态氮含量显著低于天然林和杉木人工林.土壤硝态氮库和矿质氮库在不同月份间差异显著,在植物非生长季节(10月至次年2月)较大,在植物生长季节(3—9月)较小.各林分全年土壤净硝化速率均较低,净氨化速率是净氮矿化速率的主要存在形式,林分类型对土壤净氨化速率有显著影响,其中杉木人工林显著低于天然林和格氏栲人工林.月份对土壤净氨化速率有显著影响,各林分土壤净氨化速率变化规律不一致,但均在11月和2月达到一年中的最低值.重复测量方差分析显示,林分类型和季节动态对土壤矿质氮库及氮矿化速率均有显著影响.温度和水分是影响土壤矿质库及氮矿化速率的重要因素,凋落物对土壤氮矿化速率的影响主要是通过质量控制而非数量控制.     

沙地樟子松人工林土壤理化性质与微生物生物量的动态变化

为揭示不同林龄沙地樟子松人工林土壤理化性质和微生物生物量的动态和相互关系,以毛乌素沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地不同林龄樟子松人工林为对象,分析土壤理化性质、土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮变化规律。结果表明:樟子松人工林土壤理化性质随林龄增加在不同沙地中表现不同,毛乌素沙地土壤容重和养分含量明显降低,科尔沁沙地土壤孔隙度和养分含量明显升高,呼伦贝尔沙地土壤养分则呈现先增加后降低趋势。与土壤理化性质变化趋势类似,毛乌素沙地樟子松人工林土壤微生物生物量氮随着林龄的增加而降低,科尔沁沙地土壤微生物生物量氮随着林龄的增加而升高,呼伦贝尔沙地土壤微生物生物量氮随着林龄的增加呈先增加而后降低趋势。影响毛乌素沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地土壤微生物生物量碳、氮的主要因子分别是硝态氮、铵态氮和有机质含量。毛乌素与科尔沁沙地樟子松人工林主要限制因子为土壤氮,而呼伦贝尔沙地樟子松受土壤有机碳限制较强。     

科尔沁沙地草地营造樟子松人工林对土壤化学和生物学性状的影响

以科尔沁沙地东南缘沙质草地和不同年龄樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）人工林（15、24和30年生）为对象,研究草地造林对土壤pH,土壤C、N、P含量,无机N（铵态氮、硝态氮）含量,C、N矿化速率,微生物生物量C含量以及土壤酶（脲酶、转化酶和过氧化氢酶）活性的影响.结果表明：草地造林初期,林地土壤C、N、P含量逐渐降低,随着林龄增加而逐渐恢复;与草地相比,24年生樟子松人工林土壤C、N、P含量最低,分别下降29%、34%和33%,而30年生樟子松人工林土壤C和N含量与草地差异不显著.草地造林能够影响土壤无机N存在形式,使土壤铵态氮含量逐渐增加,硝态氮含量下降.草地造林对土壤潜在N矿化速率和硝化速率影响不显著,但能够改变土壤C矿化速率,不同林龄樟子松人工林土壤C矿化速率依次为：24年生>30年生>草地>15年生.草地造林初期,土壤微生物生物量C含量和土壤转化酶活性明显降低,随着林龄的增加又逐渐增加;草地造林对土壤脲酶活性影响不显著,而使土壤过氧化氢酶活性逐渐增加.科尔沁沙地草地造林能够显著改变土壤化学和生物学性状,且随着林龄的变化而有所差异.     

沙地樟子松人工林土壤理化性质与微生物生物量的动态变化

为揭示不同林龄沙地樟子松人工林土壤理化性质和微生物生物量的动态和相互关系,以毛乌素沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地不同林龄樟子松人工林为对象,分析土壤理化性质、土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮变化规律。结果表明:樟子松人工林土壤理化性质随林龄增加在不同沙地中表现不同,毛乌素沙地土壤容重和养分含量明显降低,科尔沁沙地土壤孔隙度和养分含量明显升高,呼伦贝尔沙地土壤养分则呈现先增加后降低趋势。与土壤理化性质变化趋势类似,毛乌素沙地樟子松人工林土壤微生物生物量氮随着林龄的增加而降低,科尔沁沙地土壤微生物生物量氮随着林龄的增加而升高,呼伦贝尔沙地土壤微生物生物量氮随着林龄的增加呈先增加而后降低趋势。影响毛乌素沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地土壤微生物生物量碳、氮的主要因子分别是硝态氮、铵态氮和有机质含量。毛乌素与科尔沁沙地樟子松人工林主要限制因子为土壤氮,而呼伦贝尔沙地樟子松受土壤有机碳限制较强。     

模拟干旱和磷添加对热带低地雨林氮矿化过程的影响

土壤氮矿化作为氮转化的主要过程决定土壤供氮能力。热带森林生态系统往往受磷限制, 氮矿化过程对干旱的响应是否受磷限制的调控值得探讨。该研究以海南三亚甘什岭自然保护区热带低地雨林为研究对象, 利用2019年建立的林内穿透雨减少(50%)及磷添加双因素交互实验平台, 通过野外树脂芯原位培养法研究模拟干旱及磷添加对土壤无机氮(包括铵态氮和硝态氮)含量和氮矿化过程的影响。结果表明: 1)减雨处理显著降低了5和15 cm深度土壤的水分含量, 而对土壤温度没有显著影响。2)减雨处理和减雨与磷添加共同处理无论在旱季还是湿季对0-10 cm土壤无机氮含量均没有产生显著影响, 但磷添加处理在旱季显著降低了土壤硝态氮含量, 表明磷添加处理对氮有效性的影响主要体现在旱季, 而非湿季。3)干旱处理在旱季和湿季均显著降低了土壤净氨化速率和净氮矿化速率, 而磷添加处理和减雨与磷添加共同处理无论在旱季还是湿季对净氨化速率、净硝化速率和净氮矿化速率均没有产生显著影响, 结果表明了干旱能够显著降低土壤净氮矿化速率。4)土壤水分含量与土壤净氨化速率和净氮矿化速率呈显著正相关关系, 同时减雨处理显著影响了土壤净氨化速率与铵态氮含量的关系, 并且在铵态氮含量相等的情况, 随着干旱的影响净氨化速率下降得更快。这表明土壤水分含量变化是影响该研究样地土壤氮矿化的主要因素。上述研究结果说明, 降水变化对热带低地雨林中土壤氮矿化有重要影响, 短期磷添加没有显著影响, 减雨与磷添加对土壤氮矿化过程并没有交互效应。     

樟子松人工林原产地与不同自然降水梯度引种地土壤和植物叶片生态化学计量特征

降水格局是影响陆地生态系统结构和过程的重要环境要素,尤其对于干旱/半干旱地区,降水变化是植物生长驱动的关键生态因子。目前,针对降水变化对陆地生态系统C、N、P等元素生物地球化学循环过程影响开展了大量研究。然而,关于沙地樟子松重要引种地科尔沁沙地自然降水梯度下沙地樟子松人工林土壤、植物生态化学计量特征的研究未见报道。因此,本研究以樟子松原产地红花尔基和引种地科尔沁沙地自然降水梯度下4个典型沙地樟子松人工林为对象,研究樟子松引种地降水变化对土壤(0—10,10—20 cm和20—40 cm)和植物(1年和2年生叶)生态化学计量特征的影响。研究结果发现:(1)与红花尔基原产地樟子松人工林相比,科尔沁沙地引种的樟子松人工林土壤C、N、P元素含量显著降低;(2)科尔沁沙地自西向东,随降水量增加,沙地樟子松人工林土壤C、N、P含量以及C∶P和N∶P表现为逐渐增加趋势,而土壤C∶N呈减少趋势;(3)随着降水量增加,樟子松叶C含量呈下降趋势,叶N含量和N∶P比值呈增加趋势,植物叶P含量无一致性规律;(4)樟子松叶片P含量与土壤C、N、P含量呈极显著正相关关系,而叶片C和N含量与土壤C、N、P含量无显著相关性。研究表明,沙地樟子松引种地科尔沁沙地土壤C、N、P养分比较缺乏,且随着降水增加土壤N养分限制降低,而土壤P养分限制增加。本研究从生态化学计量特征角度,为今后开展科尔沁沙地不同降水梯度条件下引种樟子松人工林提供理论依据。     

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。     

重度放牧对欧亚温带草原东缘生态样带土壤氮矿化及其温度敏感性的影响

以欧亚温带草原东缘生态样带为平台,以样带上未放牧和重度放牧配对样地为研究对象,开展重度放牧对欧亚温带典型草原土壤氮矿化及其温度敏感性的影响研究。结果表明:(1)在室内培养条件下,土壤氮积累量和土壤净氮矿化速率呈现出干燥度指数较大的样点显著大于干燥度指数最低的样点(P0.05)。在相对湿润的样点,土壤氮素矿化周转速率较快;(2)重度放牧对不同样点土壤氮积累量和土壤氮矿化速率的影响是不同的。在干燥度指数较高样点,重度放牧样地土壤铵态氮减少量和速率较未放牧样地低(P0.05),重度放牧显著降低了土壤硝态氮积累量、无机氮积累量、硝化速率、净氮矿化速率(P0.05);在干燥度指数较低样点,重度放牧样地土壤铵态氮减少量和速率较未放牧样地高(P0.05),重度放牧对土壤硝态氮积累量、无机氮积累量、硝化速率、净氮矿化速率影响不大(P0.05);(3)土壤氮矿化作用温度敏感性(Q_(10))变化范围在1.61—2.06,重度放牧对Q_(10)无显著影响。随着纬度的升高,Q_(10)呈升高趋势。Q_(10)与基质质量指数以及表观活化能与基质质量指数均呈显著的负相关关系(P0.05);(4)土壤硝态氮积累量、无机氮积累量、硝化速率、净氮矿化速率对重度放牧的响应比与干燥度指数呈极显著负相关(P0.01),重度放牧对欧亚温带典型草原土壤氮矿化的影响受气候条件(温度和降水)的调控。     

干湿交替对半干旱区沙地樟子松人工林土壤C和N矿化速率影响

在干旱/半干旱地区,土壤干湿交替是非常普遍的自然现象。近年来,随着极端降水和极端干旱气候事件增加,干湿交替对土壤C和N循环过程影响受到广泛重视。本研究以我国北方半干旱地区科尔沁沙地樟子松人工林为对象,模拟土壤干湿交替对土壤C和N矿化速率影响及其延时效应。结果表明,土壤呼吸CO2释放速率随土壤干旱化增加不断降低,干旱土壤重新湿润后,土壤呼吸速率能够迅速恢复到初始水平。与恒湿处理相比,干湿交替变化能够降低土壤呼吸CO2释放累积量和土壤硝态氮含量;而干湿交替处理土壤呼吸CO2释放累积量、土壤硝态氮含量和净硝化速率均显著高于恒干处理。在干湿交替结束后延时期间,土壤呼吸CO2释放速率、累积释放量对干湿交替变化表现出延时性,而土壤净硝化速率在不同处理间差异不显著。研究表明,土壤水分是影响半干旱地区沙地樟子松人工林土壤C和N循环的重要环境因子,且土壤C和N矿化速率对土壤干湿交替变化的延时响应存在差异。     

半干旱区沙质退化草地造林对土壤质量的影响

采用野外调查与室内培养相结合的方法,研究了我国北方半干旱区科尔沁沙地退化草地营造樟子松人工林32年后0～10 cm表层土壤理化性状、土壤碳氮矿化量、土壤微生物量以及土壤酶活性等的变化. 结果表明32年生樟子松人工林土壤有机碳、全氮和全磷等养分含量分别下降了21%、42%和45%;5月和11月樟子松人工林土壤NH4 -N显著高于草地(P=0.001;P=0.019),而5、8和11月草地土壤NO3--N含量显著高于樟子松人工林(P＜0.001;P=0.048;P=0.031);5、8和11月樟子松人工林土壤有机碳日矿化释放的CO2-C量均大于草地,而二者土壤氮矿化率差异不显著(P＞0.05);5和8月樟子松人工林土壤微生物量碳含量与草地相比差异不显著,11月则显著高于草地;土壤养分和水分含量是影响土壤微生物量碳含量的重要因素;与草地相比,樟子松人工林土壤脲酶和蔗糖酶活性降低,而土壤过氧化氢酶活性升高. 上述结果说明半干旱区沙质退化草地营造樟子松人工林32年后土壤质量出现一定程度的下降;由于植被的改变,樟子松人工林土壤理化性状和生物学性状等表现出与草地不同的季节动态特征.造林作为我国北方半干旱区沙地退化生态系统的一种恢复手段具有一定的局限性.     

降雨量变化对樟子松生理生态特性的影响

全球气候变化背景下大气环流及水文循环的改变,可导致区域降雨格局变化,作用于区域陆地生态系统物质循环与能量流动过程,从而影响植物群落对降水量变化的生理生态响应.以科尔沁沙地樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)人工林为对象,设置野外降雨变化实验样地(天然降雨(CK)、降雨量减少30％(-30％)、降雨量增加30％(+30％)3种处理)、选择2个不同的生长季降雨格局( DRY-236 mm、WET-357 mm),研究生长季樟子松针叶的光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、叶绿素、脯氨酸、可溶性蛋白、丙二醛(MDA)、SOD活性以及生长变化,分析降雨变化对樟子松人工林的影响.结果表明,樟子松针叶光合、蒸腾速率和水分利用效率与降雨量呈正相关,降雨量变化对樟子松生理生态特征产生显著影响,其中生长季水分胁迫对樟子松生长的影响存在滞后效应,樟子松针叶N含量的变化可反映不同水分变化与土壤养分有效性共同作用模式.     

林下植被去除与氮添加对樟子松人工林土壤化学和生物学性质的影响

通过析因试验设计,研究了科尔沁沙地樟子松人工林生态系统内土壤无机氮(NO3--N+NH4+-N)含量,潜在净氮矿化(PNM)、硝化速率(PNN),微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)及MBC/MBN,土壤脲酶、酸性磷酸单酯酶活性和土壤有效磷(Olsen-P)含量对林下植被管理(对照和去除)和氮添加(对照和添加8g·m-2)的短期响应.结果表明:林下植被去除显著降低了土壤NH4+-N含量、PNM、MBC和MBC/MBN比值,提高了土壤Olsen-P含量,而对土壤NO3--N含量、PNN和土壤酶活性的影响不显著.氮添加提高了土壤NO3--N含量、PNM和PNN,但对其他指标的影响不明显,可能与试验处理时间较短有关.土壤NH4+-N含量对林下植被去除与氮添加的交互作用的响应显著;而NO3--N含量虽对林下植被去除与氮添加处理的交互作用响应不显著,但在氮添加同时进行林下植被去除的样地中的土壤NO3--N含量比只进行氮添加处理的样地提高了27％,有可能导致土壤中NO3-的淋失.林下植被是影响樟子松人工林土壤化学和微生物学性质的重要因素,因此在森林管理和恢复过程中,不能忽视林下植被的作用.     

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(10 g·m^-2·a^-1)以及氮添加+增加50%降水处理对土壤净氮矿化速率影响不显著,氮添加+减少50%降水处理显著提高土壤净硝化速率和净氮矿化速率,分别提高10.8和8.6倍。土壤净氮矿化速率与土壤含水量呈显著正相关,与土壤pH值呈显著负相关。氮添加在不同降水条件下对晋北盐碱化草地土壤氮矿化速率的影响存在差异,土壤含水量与pH值是晋北盐碱化草地土壤净氮矿化速率的主要影响因素。因此,全面评估草地土壤氮矿化过程对全球变化的响应模式,需要考虑降水格局变化与氮沉降增加的交互作用,以及盐碱化草地土壤理化性质的特殊性。     

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。     

不同土地利用类型对丹江口库区土壤氮矿化的影响

氮(N)素是陆地生态系统净初级生产力的重要限制因子, 土地利用类型的变化对生态系统氮循环过程有着重要的影响。采用PVC顶盖埋管原位培养的方法, 对丹江口库区清塘河流域相邻的侧柏(Platycladus orientalis)人工林、人工种植灌木林地和农田3种土地利用类型的氮素矿化和硝化作用进行了研究。结果表明, 侧柏人工林、灌木林地和农田的NH₄⁺-N浓度(mg·kg^-1)依次为1.33 ± 0.20、1.67 ± 0.17和1.62 ± 0.13, 不同土地利用类型间的NH₄⁺-N浓度无显著性差异; 而3种土地利用类型下土壤NO₃^--N浓度(mg·kg^-1)差异显著, 农田NO₃^--N浓度(9.00 ± 0.73)显著高于侧柏人工林(1.27 ± 0.18)和灌木林地(3.51 ± 0.11)。NO₃^--N在灌木林地和农田中分别占土壤无机氮库的67.8%和84.8%, 是土壤无机氮库的主要存在形式; 而侧柏人工林中NO₃^--N和NH₄⁺-N浓度则基本相等。土壤硝化速率(mg·kg^-1·30 d^-1)从农田(7.13 ± 2.19)、灌木林地(2.56 ± 1.07)到侧柏人工林(0.85 ± 0.10)显著性降低。侧柏人工林、灌木林地和农田的矿化速率(mg·kg^-1·30 d^-1)依次为0.98 ± 0.12、2.52 ± 1.25和6.58 ± 2.29。矿化速率和硝化速率显著正相关, 但是矿化速率在不同的土地利用类型间差异不显著。培养过程中灌木林地和农田NH₄⁺-N的消耗大于积累, 氨化速率为负值, 导致灌木林地和农田矿化速率小于硝化速率。氮素的矿化和硝化作用受土壤含水量和土壤温度的影响, 并对土壤含水量更为敏感。土壤C:N与土壤矿化和硝化速率显著负相关。研究结果表明: 土地利用类型的变化会改变土壤微环境和土壤C:N, 进而会影响到土壤氮循环过程。