天山林区不同类型群落土壤氮素对冻融过程的动态响应

季节性冻融过程对北方温带森林土壤氮素的转化与流失具有重要影响,但不同类型群落对冻融过程响应的差异尚不明确。通过在林地、草地、灌丛上设置系列监测样地,采用原位培养的方法,利用林冠遮挡形成的自然雪被厚度差异,监测分析了冻融期天山林区不同群落表层土壤(0—15 cm)的氮素动态及净氮矿化速率间的差异。结果表明:(1)不同类型群落土壤的铵态氮(NH+4-N)含量、微生物量氮(MBN)含量基本与土壤(5 cm)温度呈正相关,深冻期林地土壤铵态氮含量低于其他群落类型而硝态氮含量高于其他群落类型;(2)硝态氮(NO-3-N)为天山林区季节性冻融期间土壤矿质氮的主体,占比达78.4%。灌丛土壤硝态氮流失风险较大,融化末期较融化初期灌丛土壤硝态氮含量下降了64.6%;(3)冻融时期对整体氮素矿化速率影响显著,群落类型对氨化速率影响显著;(4)天山林区土壤氮素在冻结期主要以氮固持为主。通过揭示不同类型群落土壤氮素对冻融格局的响应,能够助益于对北方林区冬季土壤氮素循环的认识。     

天山林区土壤总氮矿化过程对季节性冻融的响应

森林土壤总氮矿化对冻融过程的响应机制尚不明确,氮矿化速率和转化情况尚缺乏定量刻画。通过土壤原位法与室内培养分析相结合,利用~(15)N同位素稀释技术,研究冻融期间天山林区乔木林地、灌丛、草地3种群落类型土壤总氮矿化及转化累积量的动态,分析土壤总氮矿化速率与土壤温度、含水率及微生物量氮(MBN)的相互关系。结果表明:(1)冻融过程及群落类型对总氮矿化速率和MBN含量有极显著的影响(P0.01),秋、春季冻融期的总氮矿化速率相比冻结期更高;(2)季节性冻融期间,乔木林地土壤总氨化累积量在3种群落类型中最高(163.9 kg N hm~(-2) a~(-1)),秋、春冻融期占整个时期的比值约为66%;而总硝化累积量在3种群落类型中相差较小,秋、春冻融期占比均约为77.4%;(3)土壤温度和含水率显著影响总氮矿化速率、净氮矿化速率和MBN速率,随土壤温度增加,总氨化速率(林地和灌丛)显著升高(P0.05);随土壤含水率增加,净氨化速率(灌丛)和净硝化速率(灌丛)显著降低(P0.05)。通过揭示天山林区土壤总氮矿化速率(总氨化速率和总硝化速率)及转化累积量对冻融过程的响应情况,本研究为天山森林土壤中氮的生物地球化学过程提供了有价值的基础数据。     

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

土壤微生物生物量是土壤有机质的活性部分,是反映土壤质量和碳氮循环机制的重要指标。本文以青藏高原东北缘疏勒河源高寒草甸为研究对象,对土壤微生物生物量碳（SMBC, mg/kg）和微生物生物量氮（SMBN, mg/kg）的不同季节（春、夏、秋、冬）和土层（0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm）变化特征及其影响因素进行研究。结果表明：（1）不同土层SMBC均表现为春季开始逐渐升高、夏季达到最大值、秋季逐渐降低、冬季值最小,而SMBN春季开始逐渐降低、夏季值最小、秋季逐渐升高、冬季达到最大值。（2）SMBC、SMBN随着土壤深度的增加而下降,0—10 cm层SMBC、SMBN显著高于40—50 cm层,且SMBC、SMBN0—10 cm层的季节变幅显著大于40—50 cm层。（3）0—50 cm土层SMBC/SMBN表现为春季开始逐渐升高、夏季达到最大值、秋季逐渐降低、冬季值最小,其季节变化范围为8.77—23.59,处于较高水平。（4）SMBC、SMBN、SMBC/SMBN的季节和土层变化主要受植被地下生物量和土壤温度的影响。（5）各土层SMBC/SOC均表现为春季开始逐渐升高、夏季达到最大值、秋季逐渐降低、冬季值最小,而SMBN/TN春季开始逐渐降低、夏季值最小、秋季逐渐升高、冬季达到最大值。除夏季土层间无显著差异外,SMBC/SOC与SMBN/TN均表现为0—10 cm层显著高于40—50 cm层。（6）0—50 cm土层SMBC/SOC夏秋季显著高于冬春季且其季节变化范围为0.58%—1.18%,而SMBN/TN秋冬季显著高于夏季且其季节变化范围为0.39%—0.72%。综上,季节变化和剖面深度均对SMBC、SMBN产生显著影响且0—10 cm土层对SMBC、SMBN的累积能力最强。     

喀斯特峰丛洼地土壤剖面微生物特性对植被和坡位的响应

选取广西环江县喀斯特峰丛洼地:草丛(T)、灌丛(S)、原生林(PF)(中坡位)不同植被类型,原生林上、中、下不同坡位,按土壤发生层采集淋溶层(A层,0-10 cm)、过渡层(AB层,20-30 cm,草丛和灌丛;30-50 cm,原生林)、淀积层(B层,70-100cm)样品,研究土壤微生物量碳、氮(Soil microbial biomass carbon (SMBC)、soil microbial biomass nitrogen (SMBN))、微生物碳熵、氮熵(ratio of SMBC to soil organic carbon (qMBC)、ratio of SMBN to soil total nitrogen (qMBN))、土壤基础呼吸(soil basic respiration (SBR))以及代谢熵(microbial metabolic quotient(qCO2))的剖面分异特征及其影响因素.结果表明,植被、土层深度显著影响土壤微生物量及基础呼吸,随植被恢复,SMBC、SMBN、SBR由草丛、灌丛、原生林依次上升,并随土壤发生层位的加深逐渐减少,qCO2在3种植被类型间差异显著:T＞PF＞S;原生林A层SMBC,SMBN在各坡位间均显著高于AB层、B层,SBR在A层由下坡位至上坡位递减,而在AB和B层的上、下坡位间无显著差异,qCO2坡位间无显著差异(P＞0.05);SMBC与SMBN之间存在显著正相关(r=0.825,P＜0.01,n=45),且SMBC、SMBN、SBR分别与有机碳、全氮、碱解氮均呈显著正相关.因此,随植被恢复,土壤质量明显改善,且坡位对A层土壤的影响较AB层和B层更显著,对于维持土壤微生物调节的土壤养分循环功能,调控土壤氮素营养与土壤有机质同等重要,这为合理制订喀斯特生态恢复措施提供了理论依据.     

大兴安岭北部天然针叶林土壤氮矿化特征

采用顶盖埋管法对大兴安岭地区天然针叶林(樟子松林、樟子松-兴安落叶松混交林和兴安落叶松林)土壤铵态氮(NH~+_4-N)、硝态氮(NO~-_3-N)、净氮矿化速率进行研究,并探索土壤理化性质与氮矿化之间的相关性,为大兴安岭地区森林生态系统土壤养分管理及森林经营提供帮助。结果表明:观测期内(5—10月)3种林型土壤无机氮变化范围为31.51—70.42 mg/kg,以NH~+_4-N形式存在为主,占比达90%以上,且与纯林相比混交林土壤无机氮含量较高。3种林型土壤净氮矿化、净氨化、净硝化速率月变化趋势呈V型,7、8月表现为负值,其他月份为正值。净氮矿化速率变化范围樟子松林为-0.54—1.28 mg kg~(-1) d~(-1)、樟子松-兴安落叶松混交林为-0.13—0.55 mg kg~(-1) d~(-1)、兴安落叶松林为-0.80—1.05 mg kg~(-1) d~(-1)。土壤净氨化过程在土壤氮矿化中占主要地位,占比达60%以上。3种林型土壤净氮矿化、净氨化及净硝化速率垂直差异显著,0—10 cm土层矿化作用明显高于10—20 cm土层(P0.05)。土壤氮矿化速率与土壤含水量、土壤有机碳含量、土壤C/N、枯落物全氮含量和枯落物C/N均存在显著相关性。不同类型的森林土壤及枯落物的质量也存在差异,进而影响土壤氮矿化特征。     

川西北高寒草地沙化过程中土壤氮素变化特征

草地沙化是我国最严重的环境问题之一,但关于草地沙化过程中氮素变化特征的研究报道多集中于干旱半干旱地区,而半湿润地区的相关报道还比较缺乏。通过野外调查,研究了川西北半湿润地区高寒沙质草地沙化过程中土壤氮素变化特征。结果表明,草地沙化对0—100cm土层土壤氮素具有显著影响,全氮、碱解氮、铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)和微生物量氮(MBN)均呈现极显著下降的变化特征,极度沙化阶段较未沙化阶段分别减少了73.95%、77.72%、76.75%、79.77%和84.12%。其中,0—20cm土层变化最显著,全氮、碱解氮、NH_4~+-N、NO_3~--N和MBN含量分别减少了86.43%、83.52%、82.11%、88.82%和91.77%。随着土层深度增加,不同程度沙化草地土壤氮素含量及其变化量逐渐减少;草地沙化过程中,不同沙化阶段土壤氮素损失数量不尽相同,其中,以轻度沙化阶段氮素损失最严重,全氮、碱解氮、NH_4~+-N、NO-3-N和MBN含量分别降低了41.18%、35.17%、46.74%、43.46%和46.88%。草地沙化过程中,土壤全氮、碱解氮、NH_4~+-N、NO_3~--N和MBN含量与土壤粉粒、粘粒含量和植被群落盖度均呈极显著正相关特征,与土壤沙粒含量呈极显著负相关特征。研究区土壤氮素损失与风蚀选择性吹蚀土壤粉粒、粘粒及地表植物覆盖状况逐渐变差密切相关,因此该区域治沙的关键是采取措施降低风蚀对地表土壤吹蚀作用,提高沙化草地地表植被覆盖。同时,还应及时对沙化前期阶段及潜在沙化的草地进行生态治理,从而避免草地沙化继续恶化。     

冻融期去根处理对小兴安岭6种林型土壤微生物量的影响

春季冻融期,在小兴安岭的阔叶红松(Pinus koraiensis)林、谷地云冷杉(Picea koraiensis-Abies nephrolepis)林、阔叶红松择伐林、白桦(Betula platyphylla)次生林、红松人工林、兴安落叶松(Larix gmelinii)人工林的去根处理样地和对照样地进行野外取土实验,分析了根去除对上述林型土壤微生物量的影响以及与土壤环境因子的关系。结果表明:冻融循环期间对照样地和去根处理样地的林型、土壤层次、取样时间均显著地影响土壤微生物量碳(MBC)(P0.05),对照样地中各林型的土壤微生物量氮(MBN)差异显著,而去根处理样地中各林型的MBN没有显著差异(P0.05);冻融循环期间去根处理显著地减少了大部分林型及土层(谷地云冷杉林0—10 cm及择伐林外)的MBC,而去根处理对大部分林型及土层(阔叶红松林0—10 cm,谷地云冷杉林和择伐林的10—20 cm除外)的MBN没有显著影响。说明在小兴安岭春季冻融期根系对土壤微生物量的影响不可忽视。     

四种温带森林土壤氮矿化与硝化时空格局

利用PVC管原位培养连续取样法测定了东北地区4种具有代表性的森林生态系统(硬阔叶林、蒙古栎林、红松林、落叶松林)土壤氮素矿化、硝化的时间动态及氮矿化的空间分布格局.结果表明:4种森林土壤氮素矿化存在明显的时空变异.蒙古栎和红松林土壤在6月份表现出强烈的氮矿化和硝化作用,而硬阔叶林及落叶松林7月份氮素矿化强烈.4种森林生态系统上层土壤的氮净矿(硝)化率显著高于下层土壤.4种林型土壤的硝化过程在氮矿化过程中占有重要地位,其NO-3-N在无机氮中的比例分别为:79.9%～91.1%(硬阔叶林)、50.7%～80.5%(蒙古栎林)、54.1%～92.0%(红松林)、63.7%～86.5%(落叶松林).生态系统构成决定了土壤氮素的矿化能力.阔叶林和针阔混交林生态系统矿化率大于纯针叶林生态系统.硬阔叶林、红松林、蒙古栎林、落叶松林的平均净矿化率分别为:(0.58±0.01) mg · kg-1 · d-1、(0.47±0.19) mg · kg-1 · d-1、(0.39±0.11) mg · kg-1 · d-1和(0.23±0.06) mg · kg-1 · d-1.4种林型氮素矿化作用与地下5 cm温度呈正相关,并受土壤表层 (0～10 cm)水分显著影响.土壤微生物量氮与土壤氮矿化呈显著正相关.     

内蒙古不同类型草地土壤氮矿化及其温度敏感性

土壤氮矿化(Nitrogen mineralization)是土壤氮循环的重要环节,对土壤氮素供应以及植物生产力的维持具有十分重要的意义。沿中国东北草地样带(Northeastern China Transect, NECT)分别在典型草地、过渡草地及荒漠草地设置了3个实验样地,利用不同温度(5、10、15、20 ℃和25 ℃)和不同水分(30%、60%和90%土壤饱和含水量,Saturated soil moisture, SSM)的室内培养途径,探讨了不同类型草地的土壤氮矿化速率、土壤氮矿化的温度敏感性(Q₁₀)及其主要影响因素。实验结果表明:从典型草地至荒漠草地,土壤全碳、全氮、全磷、微生物生物量碳氮含量均表现为逐渐下降的趋势;类似地,土壤净氮矿化速率、硝化速率也逐渐降低。在20 ℃和60% SSM时,土壤净氮矿化速率表现为典型草地 (0.715 mg N kg^-1 d^-1) > 过渡草地 (0.507 mg N kg^-1 d^-1) > 荒漠草地 (0.134 mg N kg^-1 d^-1);相反,温度敏感性却逐渐升高,温度敏感性与基质质量指数呈负相关。草地类型和水分对于土壤净氮矿化速率、硝化速率具有显著影响,且二者间具有显著的交互效应。包含温度和水分的双因素模型可很好地拟合土壤氮矿化速率的变化趋势(P < 0.0001),二者可共同解释土壤硝化速率92%-96%的变异。土壤氮矿化沿着草地演替呈现出很好的空间格局、并与温度和水分具有密切关系,为解释内蒙古草地空间分布格局提供了理论基础。     

增温和CO2浓度加倍对川西亚高山针叶林土壤可溶性氮的影响

采用全自动微气候控制的"人工模拟气候实验系统"研究了增温和CO2浓度加倍对川西亚高山针叶林土壤硝态氮(NO_3~--N)、铵态氮(NH_4~+-N)、游离氨基酸(FAA)、可溶性有机氮(DON)和可溶性总氮(TSN)的影响。结果表明:1在种植油松苗木组,增温处理显著降低了土壤NO_3~--N含量,不同处理0—15 cm土层NO_3~--N含量均显著小于15—30 cm层;而在未种树组,增温处理显著增加了土壤NO_3~--N含量,0—15 cm土层NO_3~--N含量显著高于15—30 cm层,这表明增温促进了油松苗对NO_3~--N的吸收。2在种植油松苗木组,增温(ET)、增CO_2(EC)及两者的共同作用(ETC)均显著增加了土壤NH_4~+-N、DON和TSN含量;在未种树组,ET显著增加了土壤NH_4~+-N、FAA、DON和TSN含量,EC和ETC对NH_4~+、FAA、DON和TSN含量具有微弱影响或没有显著影响。不同处理0—15cm层土壤NH_4~+-N、FAA、DON和TSN的含量显著大于15—30 cm层。3种植油松苗木组土壤NO_3~--N、NH_4~+-N、FAA、DON和TSN含量均显著低于未种树组,这是由植物对氮素的吸收消耗造成的。研究结果表明,EC、ETC主要通过植物根系作用促进了NH_4~+-N、DON和TSN含量增加,而ET处理通过影响土壤微生物和植物根系来促进NH_4~+-N、FAA、DON和TSN含量的增加。     

黄土高原不同土壤微生物量碳、氮与氮素矿化势的差异

以采自于黄土高原差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,对黄土高原主要类型土壤中微生物量碳(Bc)、微生物量氮(BN)和氮素矿化势(NO)的差异性进行了比较研究.结果表明,Bc、BN和NO在不同类型土壤间存在显著差异,由关中平原至陕北风沙区,BC、Bn和NO总体呈现下降趋势,其中以土垫旱耕人为土最高,简育干润均腐土最低,黄土正常新成土和干润砂质新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土等各土类平均BC分别为305.2μg·g-1,108.4μg·g-1,161.7μg·g-1和125.4μg·g-1,BN分别为43.8μg·g-1,20.3μg·g-1,26.0μg·g-1和30.6μg·g-1,NO分别为223μ·g-1,75μg·g-1,163μg·g-1和193μg·g-1.土壤氮素矿化速率(k)则以简育干润均腐土最大,干润砂质新成土最低,土垫旱耕人为土和黄土正常新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土的k分别为0.039w-1,0.044w-1,0.031w-1和0.019w-1.不同类型土壤BC、BN与NO的差异,主要与土壤形成过程、输入土壤的植物同化产物和土壤有机质的差异等有关,从较大尺度进一步证明了在黄土高原,土壤有机质是影响BC、BN的主要因子.研究结果对分析黄土高原土壤生产力形成过程具有一定参考价值.     

免耕稻田氮肥运筹对土壤NH3挥发及氮肥利用率的影响

通过大田试验,设置5种不同的施肥比例(基肥:分蘖肥:拔节肥:穗肥-2:2:3:3(R1)、3:2:2:3(R2)、4:2:2:2(R3)、4:3:1:2(R4)与0:0:0:0(CK)),研究氮肥运筹对稻田NH₃挥发和氮肥利用率的影响。结果表明,(1)相对于不施肥,施肥显著提高了稻田NH₃挥发量。氮肥施用后,NH₃挥发损失量占施氮量的6.2%-8.5%,其中,以分蘖期NH₃挥发损失量最大,齐穗期次之,苗期和拔节期最小。施肥处理间,处理R1稻田累积NH₃挥发量最小,显著低于其它施肥处理,比处理R2、R3和R4分别低9.1%(P<0.05)、10.9%(P<0.05)和17.7%(P<0.05)。(2)相关分析表明,田面水NH₄⁺、pH值和土壤NH₄⁺和pH值均与稻田土壤NH₃挥发通量呈显著或者极显著相关;(3)处理R1水稻氮肥利用率相对于处理R2、R3和R4增加了28.4%(P<0.05)、55.4%(P<0.05)和74.9%(P<0.05)。研究表明,氮肥后移能有效降低免耕稻田NH₃挥发,提高水稻的氮肥利用率。     

The nitrogen mineralization rate of legume residues in soil as influenced by their polyphenol,lignin, and nitrogen contents

A 12-week greenhouse experiment was conducted to determine the effect of the polyphenol, lignin and N contents of six legumes on their N mineralization rate in soil and to compare estimates of legume-N release by the difference and ¹⁵N-recovery methods. Mature tops of alfalfa (Medicago sativa L.), round leaf cassia (Cassia rotundifolia Pers., var. Wynn), leucaena (Leucaena leucocephala Lam., deWit), Fitzroy stylo (Stylosanthes scabra Vog., var Fitzroy), snail medic (Medicago scutellata L.), and vigna (Vigna trilobata L., var verde) were incorporated in soil at the rate of 100 mg legume N kg^-1 soil. The medic and vigna were labeled with ¹⁵N. Sorghum-sudan hybrid (Sorghum bicolor, L. Moench) was used as the test crop. A non-amended treatment was used as a control. Net N mineralization after 12 weeks ranged from 11% of added N with cassia to 47% of added N for alfalfa. With the two legumes that contained less than 20 g kg^-1 of N, stylo and cassia, there was net N immobilization for the first 6 weeks of the experiment. The legume (lignin + polyphenol):N ratio was significantly correlated with N mineralization at all sampling dates at the 0.05 level and at the 0.01 level at 6 weeks (r²=0.866). Legume N, lignin, or polyphenol concentrations or the lignin:N ratio were not significantly correlated with N mineralization at any time. The polyphenol:N ratio was only significantly correlated with N mineralization after 9 weeks (r²=0.692). The (lignin + polyphenol):N ratio appears to be a good predictor of N mineralization rates of incorporated legumes, but the method for analyzing plant polyphenol needs to be standardized. Estimates of legume-N mineralization by the difference and ¹⁵N recovery methods were significantly different at all sampling dates for both ¹⁵N-labeled legumes. After 12 weeks, estimates of legume-N mineralization averaged 20% more with the difference method than with the ¹⁵N recovery method. This finding suggests that estimates of legume N available to subsequent crops should not be based solely on results from ¹⁵N recovery experiments.     

Residual nitrogen contribution from grain legumes to succeeding wheat and rape and related microbial process

The residual N contribution from faba bean (Vicia faba L.), pea (Pisum sativum L.) and white lupin (Lupinus albus L.) to microbial biomass and subsequent wheat (Triticum aestivum L.) and oilseed rape (Brassica napus L.) was studied in a greenhouse experiment. The grain legumes were ¹⁵N labelled in situ with a stem feeding method before incorporated into the soil, which enables the determination of N rhizodeposition. Wheat and rape were subsequently grown on the soil containing the grain legume residues (incl. ¹⁵N-labelled rhizodeposits) and were harvested either twice at flowering and at maturity or once at maturity, respectively. The average total N uptake of the subsequent crops was influenced by the legume used as precrop and was determined by the residue N input and the N₂-fixation capacity of the legume species. The succeeding crops recovered 8.6–12.1% of the residue N at maturity. Similar patterns were found for the microbial biomass, which recovered 8.2–10.6% of the residue N. Wheat and rape recovered about the same amount of residue N. The absolute contribution of soil derived N to the subsequent crops was similar in all treatments and averaged 149 mg N pot^–1 at maturity. At flowering 17–23% of the residue derived N was recovered in the subsequent wheat and in the microbial biomass; 70% of the residue N was recovered in the microbial biomass in the flowering stage and decreased to about 50% at maturity. In contrast, the recovery in wheat and rape constituted only 30% at flowering and increased to 50% at maturity in all treatments, indicating that the residual N uptake by the subsequent wheat was apparently supplied by mobilisation of residue N temporarily immobilised in the microbial biomass.     

石灰性土壤微生物量碳、氮与土壤颗粒组成和氮矿化势的关系

以黄土高原土壤类型和土壤肥力差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,研究了土壤微生物量碳（BC）、微生物量氮（BN）与土壤氮素矿化势（NO）、全氮（TN）、有机碳（OC）及土壤颗粒组成的关系．结果表明：BC、BN与TN、OC呈极显著正相关（P〈0．01）,表明BC、BN与土壤肥力关系密切,可作为评价土壤质量的生物学指标．BC、BN与NO均呈高度正相关,相关系数分别为0．665和0．741（P〈0．01）．BC、BN、TN、OC、NO与土壤物理性粘粒（〈0．01mm）呈显著或极显著正相关,而与物理性砂粒（〉0．01mm）呈显著或极显著负相关,与物理性粘粒和砂粒比值呈显著或极显著正相关,表明土壤有机质主要通过与土壤物理性粘粒复合而形成有机无机复合体．     

氯嘧磺隆与尿素对土壤微生物生物量碳、氮及无机氮的影响

通过室内培养试验,研究了不同浓度氯嘧磺隆(20、200、2000 μg·kg-1土)单一施用及与尿素(120 mg· kg-1土)配合施用情况下,土壤微生物生物量碳、氮和土壤铵态氮、硝态氮随时间的动态变化规律.结果表明:各浓度氯嘧磺隆单独处理在整个培养期(60 d)中对微生物生物量碳、氮均有抑制作用,且浓度越高,后期抑制作用越强;各浓度氯嘧磺隆处理在培养前期对硝态氮、铵态氮没有明显影响,中期(15 d)能显著提高土壤中铵态氮的含量,后期(30 d后)显著提高了土壤中硝态氮的含量.尿素单独施用及与氯嘧磺隆配施均能在短时间内增加微生物生物量碳、氮,但随后配施处理的促进作用减弱;尿素单独和配施均能持久增加土壤中铵态氮、硝态氮含量.