模拟氮沉降对温带典型森林土壤有效氮形态和含量的影响*

通过室内模拟氮沉降试验,研究了氮沉降对温带典型森林土壤有效氮的影响.结果表明:试验期间,与对照相比,经过氮沉降处理的土壤铵态氮、硝态氮和有效氮均呈增长的趋势,增加的程度取决于森林类型、土层、氮处理类型和氮处理的持续时间.氮沉降对不同林型土壤有效氮形态和含量的影响不同,氮沉降对混交林的影响弱于阔叶林,强于针叶人工纯林;土壤A层对氮沉降的敏感程度大于土壤B层;铵态氮形态沉降对土壤铵态氮含量的影响比对土壤硝态氮含量的影响大,而硝态氮形态沉降对土壤硝态氮含量的影响比对土壤铵态氮含量的影响大,混合形态的氮沉降对二者均有促进作用,且增加幅度更高;氮沉降对土壤有效氮的影响存在累加效应.     

南亚热带森林土壤有效氮含量及其对模拟氮沉降增加的初期响应

研究了南亚热带主要森林类型 (马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林 )土壤有效氮含量对模拟氮沉降的初期响应。结果显示 :(1)马尾松林、混交林和阔叶林 0～ 10 cm和 10～ 2 0 cm两个土层有效氮 (铵态氮 硝态氮 )含量总平均分别为 6 .2 4、6 .2 2和14 .77m g/kg,其中铵态氮占 4 5 .3%、4 8.7%和 14 .5 %。 (2 )外加氮处理使 3个森林两个土层的有效氮含量都在增加 ,但其影响程度取决于土层、氮处理水平、氮处理时间和森林类型。总体而言 ,0～ 10 cm土层略比 10～ 2 0 cm土层敏感 ;氮处理水平越高土壤有效氮增加越多 ;外加氮处理时间越长 ,处理样方与对照样方的差距越大 ;阔叶林的响应稍落后于马尾松林和混交林     

鼎湖山森林土壤渗透水酸度和无机氮含量对模拟氮沉降增加的早期响应

在林地分别喷加0、50、100和150kg N hm^-1a^-1,研究鼎湖山马尾松林、马尾松针阔混交林和季风常绿阔叶林中土壤20cm深渗透水酸度和无机氮含量在开始9个月的变化。结果表明,3种森林对照样方土壤渗透水pH值为3．82—4．24,外加氮处理使其平均降低了0．08—0．18。3个森林对照样方土壤渗透水无机氮平均含量分别为6．14、6．66和11．64mg L^-1,铵态氮占15．0％、11．9％和3．0％。外加氮处理使3种森林土壤渗透水铵态氮和硝态氮含量均有不同程度的提高,这表明外加氮处理不但增加了无机氮从森林土壤流失的潜力,而且使土壤进一步酸化。     

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.     

模拟氮沉降对温带森林土壤酶活性的影响

森林土壤酶作为土壤中最活跃组分,能影响生态系统的物质循环过程,其活性能快速反映氮沉降对土壤环境的变化。以北京地带性植被辽东栎林为研究对象,利用模拟氮沉降方法,原位设计低氮(50 kg N hm~(-2)a~(-1),N50)、高氮(150 kg N hm~(-2)a~(-1),N150)两个施氮水平,每个施氮水平设置Na NO_3、(NH_4)_2SO_4、NH4NO_33个不同的施氮类型,另设置空白对照(0 kg N hm~(-2)a~(-1),N0)。从时间格局上研究不同氮素化学形态和剂量对温带森林土壤6种酶(脲酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶)活性的影响。结果表明:在氮形态和水平的交互作用下,NH4NO3-N处理的脲酶活性显著高出NO~-_3-N处理的24.20%(N50),NH~+_4-N处理对酸性磷酸酶活性的影响显著高出NO~-_3-N处理的13.82%(N150);在NH~+_4-N和NH_4NO_3-N处理中,N50水平下的脲酶活性分别高出N0处理的38.90%和24.20%,差异显著。对无氮形态和水平交互作用的酶活性分析得出,不同的施氮水平,对碱性磷酸酶和多酚氧化酶的酶活性有显著促进作用,碱性磷酸酶活性在N50和N150处理下分别比N0高20.2%和11.5%,N50和N150处理对多酚氧化酶活性的促进作用分别比N0处理高64.3%和41.8%,差异显著(P0.05);NH~+_4-N处理对β-葡萄糖苷酶活性具有显著促进作用(P0.05),不同的施氮形态,对碱性磷酸酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶的酶活性无显著影响。6种酶活性均呈现了显著的时间变化,氮添加对森林土壤酶活性的时间分异规律没有显著影响。此外,土壤微生物量碳、硝态氮和铵态氮含量与酶活性具有显著相关性(P0.05)。以上结果表明,氮添加通过改变森林土壤的环境因子,影响了土壤中的水解酶和氧化酶活性,进而改变了土壤有机碳库和养分循环。     

氮沉降对温带森林土壤甲烷氧化菌的影响

大量研究显示氮沉降影响森林甲烷吸收量,但其中的微生物驱动机制仍缺乏研究。基于长白山典型温带森林长期氮沉降模拟实验平台样地,采用定量PCR和克隆测序技术,研究了长期施加不同形态氮((NH_4)_2SO_4、NH_4Cl和KNO_3)处理下森林土壤甲烷氧化菌的数量和群落组成随季节变化的特征。结果表明,夏季,森林土壤甲烷氧化菌pmo A基因丰度在不同施氮处理之间无显著性差异(每克干土1.54×10~6-3.20×10~6拷贝数);秋季,pmo A基因丰度在施加NH_4Cl和(NH_4)_2SO_4处理小区(每克干土1.93×10~5-7.6×10~5拷贝数)与对照(每克干土(4.03×10~6±1.2×10~6)拷贝数)相比有所降低,尤其在(NH_4)_2SO_4处理小区(每克干土(4.61×10~5±2.61×10~5)拷贝数)显著降低;无论夏季还是秋季,施加不同形态氮处理土壤甲烷氧化菌均以Type I型为主(相对丰度在70.6%-85.4%之间),并以Methylobacter-group(Type I)为优势类群,占Type I型的55.1%-91.7%;Methylobacter-group(Type I)的相对丰度在夏季不同形态氮处理土壤样品中无显著差异,但秋季样品中在施加(NH_4)_2SO_4(52.7%±6.5%)和NH_4Cl(56.1%±8.9%)的处理显著低于对照土壤(77.0%±2.9%),Methylococcus-group(Type I)的相对丰度则在(NH_4)_2SO_4和NH_4Cl处理土壤呈增加的趋势。这些结果表明铵态氮肥添加对温带森林土壤甲烷氧化菌的生长具有抑制作用并导致其群落结构发生改变,受夏季温度和水分的影响,这种抑制作用在秋季表现更明显,而NO_3~--N添加对土壤甲烷氧化菌的群落组成和丰度无显著影响。这些结果解释了以往观测到的施铵态氮肥显著降低秋季温带林地土壤甲烷净吸收量,而在夏季无显著影响的观测结果,解释了长期氮沉降影响森林土壤甲烷吸收的微生物机制。     

模拟氮沉降对温带阔叶红松林地土壤氮素净矿化的影响

以长白山阔叶红松混交林为研究对象,于2006—2008年原位模拟不同形态氮((NH4)2SO4、NH4Cl和KNO3)沉降水平(22.5和45kgN·hm-2·a-1),利用树脂芯法技术(resin-core incubation technique)测定了表层(有机层0～7cm)和土层(0～15cm)土壤氮素净矿化、净氨化和净硝化通量的季节和年际变化规律。同时,结合前人报道的有关林地碳、氮过程及其环境变化影响的结果,力求有效预估森林生态系统中氮素年矿化通量对大气氮沉降量和水热条件等因子变化的响应。结果表明,长白山阔叶红松林地土壤氮素年净矿化通量为1.2～19.8kgN·hm-2·a-1,2008年不同深度的土壤氮素年净矿化通量均显著高于2006和2007年(P<0.05)。随着模拟氮沉降量增加,土壤氮素净矿化通量也随之增加,尤其外源NH4+-N输入对净矿化通量的促进作用更为明显(P<0.05),但随着施肥年限的延长,这种促进作用逐渐减弱。与林地0～15cm土壤相比,氮沉降增加对0～7cm有机层氮素净氨化和净矿化通量的促进作用更为明显,尤其NH4Cl处理的促进作用更大。结合前人报道的野外原位观测结果,土壤氮素年净矿化通量随氮素沉降量的增加而增大,氮沉降量对不同区域森林土壤氮素净矿化通量的贡献率约为52%;氮沉降量(x1)和pH值(x2)可以解释区域森林土壤氮素年净矿化通量(y)变化的70%(y=0.54x1-18.38x2-109.55,R2=0.70,P<0.0001)。前人研究结果仅提供区域年均温度,未考虑积温的影响,这可能是造成年净矿化通量与温度无关的原因。今后的研究工作应该加强区域森林土壤积温观测,进而更加准确地预估森林土壤氮素的年净矿化通量。     

模拟氮沉降对中亚热带森林土壤Ni、Cu、Zn含量的影响

通过野外模拟实验,研究3个氮沉降水平,CK(对照,0 kg·hm^-2·a^-1)、LN(低氮,30 kg·hm^-2·a^-1)和HN(高氮,100 kg·hm^-2·a^-1)处理对亚热带针叶(杉木)和阔叶(罗浮栲、浙江桂)森林土壤中微量元素Ni、Cu、Zn含量的影响。结果表明:就不同的林分来看,3种微量元素的含量大致呈杉木林>罗浮栲林>浙江桂林,施氮3 d后,浙江桂林和罗浮栲林土壤中3种微量元素在各处理之间差异不显著,仅发现杉木林土壤中的Ni含量在CK处理与LN及HN处理之间和无凋落物土壤中Cu含量在HN与CK及LN之间的差异显著; 3片林分中土壤表面有无凋落物处理总体对3种微量元素含量的影响不大。与施氮前相比,3片林分土壤中的Ni、Cu、Zn含量均有所下降,且浙江桂林在LN处理的降幅最大。     

模拟氮沉降对鼎湖山森林土壤酸性磷酸单酯酶活性和有效磷含量的影响

采用野外原位试验模拟氮(N)沉降,研究了其对鼎湖山马尾松林、混交林和季风林3种森林类型土壤酸性磷酸单酯酶活性(APA)和有效磷(AP)含量的影响.在季风林中设置对照(0 kg N·hm-2·a-1)、低N(50 kg N·hm-2·a-1)、中N(100 kg N·hm-2·a-1)和高N(150 kg N·hm-2·a-1)处理,在马尾松林和混交林中只设置对照、低N和中N处理.结果表明:随着土层加深,土壤APA和AP含量降低.土壤APA在季风林中最高,而AP含量在3种林型中没有显著差异.N沉降增加对土壤APA的作用与林型有关.季风林中适度N沉降可使APA升高,且低N处理的APA(19.52 μmol·g-1·h-1)最高;马尾松林和混交林中,中N处理的APA最高,分别为12.74和11.02 μmol·g-1·h-1.3种林型的AP含量均在低N处理下最高,但各N处理之间的差异并不显著.土壤APA与AP含量之间呈显著正相关关系.     

桂东南柳杉人工林碳氮储量及其分配格局

以广西六万林场31年生3种密度柳杉(Cryptomeria fortunei)人工林为对象,对其碳、氮储量以及碳、氮分配格局进行研究。结果表明:低、中、高3种密度的柳杉人工林生态系统碳储量分别为355.72、417.21和378.71t.hm-2,氮储量分别为17.91、22.13和19.99t.hm-2,均表现为中密度﹥高密度﹥低密度;低、中、高密度植被层碳储量分别为127.71、101.98和100.12t.hm-2,分别为土壤层碳储量的56.01%、32.35%、35.94%,表现为低密度﹥中密度﹥高密度;植被层氮储量分别为1048.85、674.26和705.69kg.hm-2,为土壤层氮储量的6.22%、3.14%、3.66%,则表现为低密度﹥高密度﹥中密度。充分说明桂东南柳杉人工林生态系的碳、氮储量受林分密度的影响,且碳、氮储量主要分布在土壤层。     

模拟氮沉降对温带森林土壤线虫群落组成和代谢足迹的影响

已有研究表明氮沉降可显著影响土壤线虫群落组成和多样性。然而,目前大多数研究集中在无机氮沉降的影响,而对于不同氮素形态对土壤线虫群落影响的研究还不是很清楚。利用运行5年的模拟氮沉降试验平台,开展了4个氮添加处理即对照(无氮添加,CK)、无机氮(硝酸铵,IN),有机氮(尿素和甘氨酸1∶1混合,ON)和混合氮(无机氮和有机氮7∶3混合,MN)添加对温带森林土壤线虫群落组成和多样性的影响研究,采用浅盘法分离线虫,土壤性质如p H、含水量、全碳全氮分别采用电位法、烘干法和元素分析仪法进行测定,应用营养类群组成、区系分析和代谢足迹分析不同形态氮沉降下土壤线虫群落结构特征。共分离线虫50个属,其中在CK样地中共发现29个属,在IN,ON和MN处理中分别发现线虫属37个,34个和29个,盘旋属Rotylenchus和大节片属Macroposthonia在所有处理中均为优势属。结果表明,与CK相比,IN处理、ON处理和MN处理均显著增加了土壤硝态氮含量。与无机氮相比,混合氮处理显著降低了食真菌线虫数量,有机氮处理显著增加了捕食杂食性线虫数量。与对照相比,无机氮处理显著增加了线虫多样性指数(H'),IN处理的均匀度指数(J)显著高于CK和MN处理,混合氮处理对应的优势度指数(λ)显著高于其他3个处理。在CK和ON处理,线虫的结构指数(SI)较高,富集指数(EI)较低,表明这两个处理的土壤受干扰程度较小,食物网处于结构化状态。在IN和MN处理,土壤线虫富集指数和结构指数均较高(50),表明食物网稳定成熟。食真菌线虫代谢足迹和生物量碳在无机氮处理最高。有机氮和混合氮处理显著增加了捕食杂食性线虫代谢足迹和生物量碳。以上结果表明,不同氮素形态不仅对土壤线虫群落组成产生了影响,而且其代谢足迹也发生了显著的变化,这一结果有助于揭示温带森林对氮沉降的响应机制。     

氮肥形态及配比对花椰菜产量、品质和养分吸收的影响

采用大田试验研究了氮肥不同形态及配比对春茬花椰菜产量形成、品质和植株氮、磷、钾吸收的影响.结果表明:硝态氮肥易增加花球中硝酸盐的积累量、提高可溶性糖含量,当NO₃^--N∶NH₄⁺-N处于3∶7～5∶5范围内时可以减少花球中硝酸盐积累量,处于5∶5～7∶3范围内时可获得较高的可溶性糖含量.铵态氮肥(包括酰胺态氮肥)有利于花球中Vc含量的提高.施氮肥可以提高植株中氮、磷、钾的积累量,其中莲座期各处理植株氮、磷、钾含量均为最高.在整个生长期铵态氮有利于促进氮含量的提高,硝态氮有利于钾含量的提高,但在不同时期磷含量受氮源的影响变化不一致.与单一氮肥形态相比,当NO₃^--N∶NH₄⁺-N处于3∶7～5∶5范围内时易获得高产.因此硝态氮肥与铵态氮肥以适当的比例配合施用可以提高花椰菜的品质、生物产量和经济效益.     

葡萄糖存在下选择性抑菌剂对土壤氮素转化的影响

采用2种氮源并分别加入选择性微生物抑制剂进行室内培养,通过测定样品中NH₄⁺-N和NO₃^--N及土壤中氨基葡萄糖和胞壁酸含量,研究土壤微生物氮素固持时间特征及其相对贡献.结果表明,加入青链霉素明显地降低了NH₄⁺-N的转化速率,且影响远大于真菌抑制剂放线菌酮;氨基葡萄糖和胞壁酸的相对比例急剧增加,而后趋于平衡;加入放线菌酮后NO₃-N转化速率持续下降,氨基葡萄糖的合成受到抑制,但加入细菌抑制剂青链霉素对其转化无显著影响.培养初期,细菌在葡萄糖存在下能快速固持NH₄⁺-N和NO₃^--N,并以NH₄⁺-N为首选氮源;培养后期,氮转化主要为真菌所推动,且真菌对NO₃^--N的利用能力显著大于细菌.     

旱地土壤铵态氮和硝态氮累积特征及其与小麦产量的关系

在陕西永寿和河南洛阳分别进行了11处和7处小麦大田试验,设对照(不施氮)和施氮(150 kg N·hm^-2)2个处理,测定了小麦生物量、籽粒产量及不同土层(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土壤铵态氮、硝态氮浓度.结果表明: 两地土壤铵态氮浓度均很低,而硝态氮浓度较高,其中硝态氮数量占铵态氮、硝态氮总量的91%,在反映土壤供氮特性方面与两者之和有完全一致趋势.不施氮情况下,永寿0～40、0～60、0～80和0～100 cm土层累积的硝态氮与小麦生物量和产量显著相关;而洛阳无显著相关关系.施氮后,永寿不同深度土层累积的硝态氮与小麦生物量和产量的相关关系显著下降,而洛阳出现负相关;两地小麦产量增量与0～80 和0～100 cm土层累积的硝态氮显著或极显著相关.小麦苗期主要依赖0～20 cm土层硝态氮;返青期、拔节期分别利用0～40 cm和0～60 cm土层硝态氮,成熟期则能利用0～100 cm土层累积硝态氮.小麦收获后对照土壤的铵态氮浓度与播前起始值无明显差异,而硝态氮大幅下降.     

大气CO2浓度升高对稻田土壤氮素的影响

利用中国稻/麦轮作FACE(Free-Air Carbon=Dioxide Enrichment)试验平台,研究大气CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1(周围大气中CO₂浓度约370 μmol·mol^-1)对稻季各生育期不同深度土壤溶液NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度的影响.结果表明：高CO2浓度条件下耕层土壤溶液NH₄⁺-N浓度在水稻生育前期有所增加,但在生育后期明显下降;大气CO₂浓度升高增加了稻季5、15、30、60和90 cm处土壤溶液NO₃^--N浓度,分别比对照平均提高了46.5%、36.8%、23.3%、103.7%和42.7%,在60和90 cm处差异分别达到统计上的极显著和显著水平.     

脲酶-硝化抑制剂对减缓尿素转化产物氧化及淋溶的作用

利用原状土柱模拟试验,研究了脲酶抑制剂氢醌(HQ),硝化抑制剂包被碳化钙(ECC)和双氰胺(DCD)以及它们的不同组合对尿素转化产物土壤持留、氧化以及淋溶的影响.结果表明,与其它抑制剂处理相比,HQ+DCD组合能有效抑制尿素水解产物的氧化,使其以交换态NH₄⁺的形式在土壤中长时间持留;氧化作用的抑制不仅减少了氧化产物NO₃^-的累积,也降低了NO₃^-淋溶潜势,使其淋入下层土壤的深度仅限在5～10 cm范围内,且淋溶量显著降低.