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。     

Effects of exotic plant invasion on soil nitrogen availability

外来植物入侵对土壤氮循环和氮有效性的影响是入侵成功或进一步加剧的重要原因。通过对比相同研究地点入侵区域和无入侵区域的土壤原位氮状态差异, 探讨了外来植物入侵对土壤氮有效性的影响程度和生理生态学机制。基于107篇相关研究文献数据的整合, 发现植物入侵区域相对于无入侵区域土壤总氮、铵态氮、硝态氮、无机氮、微生物生物量氮含量显著增加, 增幅分别为(50 ± 14)%、(60 ± 24)%、(470 ± 115)%、(69 ± 25)%、(54 ± 20)%。土壤硝态氮含量增幅较大反映硝化作用增强, 这可能增加入侵植物硝态氮利用以及喜硝植物的共存。温带地区植物入侵后土壤的硝态氮含量增幅显著高于亚热带地区。固氮植物入侵后土壤的总氮和无机氮含量增幅均显著高于非固氮植物入侵。木本和常绿植物入侵后土壤的总氮含量增幅分别高于草本和落叶植物入侵; 而土壤铵态氮含量的增幅没有显著差异且与固氮入侵植物占比无明显关系; 然而硝态氮含量的增幅普遍较高且与固氮入侵植物占比显著正相关。外来入侵植物固氮功能以及凋落物质量和数量是影响土壤氮矿化和硝化过程的关键因素。该研究为理解外来植物入侵成功和加剧的机制以及入侵植物功能性状与土壤氮动态之间的关系提供了新的见解。     

Variations in the relationship between maximum leaf carboxylation rate and leaf nitrogen concentration

叶片最大羧化速率是表征植物光合能力的关键参数, 受到光照、温度、水分、CO₂浓度、叶片氮含量等多个要素的控制。准确地模拟植物叶片最大羧化速率对环境因子的响应是预测未来植被生产力和碳循环过程的前提。目前大多数陆地碳循环过程模型以Farqhuar光合作用模型为基础模拟植物的光合作用, 关于植物叶片的最大羧化速率与叶氮含量关系的模拟方法却各不相同。该文汇总了1990-2013年国内外植物叶片光合速率观测研究文献中叶片最大羧化速率与叶氮含量的关系式及相关数据, 分析了叶片最大羧化速率与叶氮含量关系随不同植被功能型和时间的变化特征, 以及环境因子变化条件下最大羧化速率与叶氮含量关系的变化特征, 探讨了二者关系变异性的可能原因以及影响因子。结果表明: 1)不同功能型植物叶片的最大羧化速率和叶氮含量的关系存在较大差异, 二者线性关系式的斜率平均值变化范围为16.29-50.25 μmol CO₂·g N^-1·s^-1。落叶植被叶片的最大羧化速率随叶氮含量的变化率和光合氮利用效率一般都高于常绿植被, 其变异主要源于植物的比叶重和叶片内部氮素分配的差异。2)叶片最大羧化速率随叶氮含量的变化存在季节和年际变异。在没有受到水分胁迫的年份中, 叶片最大羧化速率随叶氮含量变化的速率一般在春季或夏季最高, 其季节变异与比叶重和叶氮在Rubisco的分配比例的季节变化有关。受到干旱的影响, 叶片最大羧化速率随叶氮含量的变化率会升高。3)当大气CO₂浓度增加时, 由于叶片中Rubisco含量的降低, 多年生针叶叶片最大羧化速率和叶氮关系斜率值会出现降低; 当供氮水平增加时, 叶片最大羧化速率和叶片氮含量均表现出增加趋势, 二者线性关系的斜率也相应增加。在此基础上, 该文指出在模拟叶片最大羧化速率与叶氮含量的关系时, 应考虑叶片比叶重和叶氮在Rubisco中的分配比例的季节变异、水分胁迫、大气CO₂浓度和供氮水平变化对二者关系的影响。囿于数据的有限性, 今后应进一步加强多因子控制实验研究, 深入探讨叶片最大羧化速率与叶氮含量关系的变异性机理, 并获得更系统的观测数据, 以助生态系统过程模型的改进, 提高模型的模拟精度。     

Nitrogen-fixing bacteria alleviates competition between arbuscular mycorrhizal fungi and Solidago canadensis for nutrients under nitrogen limitation

丛枝菌根真菌(AMF)能与大多数陆生植物的根系形成共生体, 有助于宿主植物吸收养分。但营养胁迫下, 根系微生物对AMF与宿主植物间关系的影响少见报道。该研究假设: 在营养极度匮乏(如氮胁迫)环境下, AMF与宿主植物可能产生营养竞争, 而固氮菌的介入能够缓解两者对营养的竞争关系。为了验证这一假设, 该文探究了加拿大一枝黄花(Solidago canadensis)生长受限的氮浓度, 并在氮受限条件下检验了AMF、加拿大一枝黄花及固氮菌三者间的关系。结果表明: 低氮处理明显抑制了加拿大一枝黄花的地上生物量和总生物量, 尤其以0.025 mmol·L^-1 N的氨态氮对加拿大一枝黄花的负影响更甚。在此氮浓度下, 单独添加AMF总体上都进一步抑制了加拿大一枝黄花的生长, 而固氮菌的添加在一定程度上提高了氮受限条件下AMF对宿主的根部侵染率及宿主植物生物量。这表明固氮菌能够缓和氮受限条件下AMF和加拿大一枝黄花间的营养竞争关系。研究结果加深了对外来植物在极度营养胁迫环境下与多种微生物互作的入侵机制的理解。     

Relationships between carbon and nitrogen contents and enzyme activities in soil of three typical subtropical forests in China

森林类型更替是影响生态系统有机质循环的重要因素, 它对森林生态系统的生产力、碳吸存和养分保持功能有影响。然而关于中亚热带不同森林类型对土壤碳氮含量和酶活性的影响及土壤碳氮含量和酶活性之间的关系鲜有报道。该文研究了福建省三明市3种典型亚热带森林——米槠(Castanopsis carlesii)天然次生林(SF)、米槠人工促进天然更新林(AR)、马尾松(Pinus massoniana)人工林(PM)的淋溶层(A层)土壤碳氮含量和土壤微生物酶活性的关系。结果表明: 在3种森林类型表层土壤中, 可溶性有机质中可溶性有机碳、可溶性有机氮(DON)、荧光发射光谱腐殖化指数的趋势均为SF > AR > PM, 芳香化指数大小为PM > AR > SF; SF和AR的NH₄ ⁺-N显著高于PM, NO₃ ^--N在3种林分中的含量低且差异不明显, 造成这种差异的原因是树种差异和人为干扰程度不同。PM的β-葡萄糖苷酶活性显著低于SF和AR; 纤维素水解酶活性大小为AR > SF > PM; PM多酚氧化酶显著高于SF和AR, 3种林分过氧化物酶无显著差异。AR的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)显著高于其他两种林分。冗余分析显示土壤总氮和DON是驱动淋溶层土壤酶活性的主要环境因子。总之, 土壤总氮含量与NAG活性呈正相关关系, 并且可溶性有机氮可能是氮循环中的重要一环; 土壤微生物优先利用易分解碳; 且碳氮养分循环之间存在一定的耦合关系。氮提高了与土壤碳相关的水解酶活性, 从而可促进碳周转。     

Responses of exchangeable base cations to continuously increasing nitrogen addition in alpine steppe: A case study of Stipa purpurea steppe

土壤交换性盐基离子(Ca ²⁺、Mg ²⁺、K ⁺、Na ⁺)在维持土壤养分与缓冲土壤酸化中起着重要作用, 了解其对氮添加的响应有助于准确评估氮沉降背景下生态系统结构与功能的动态变化。然而, 目前关于土壤交换性盐基离子对氮添加响应的相关研究主要集中在酸性土中。鉴于目前在碱性土中研究相对较少的现状, 该研究以青藏高原高寒草原为研究对象, 依托氮添加控制实验平台, 通过连续3年(2014-2016)的测定, 考察了8个不同施氮水平(0、1、2、4、8、16、24、32 g·m ^-2·a ^-1)下土壤交换性盐基离子含量变化及其可能原因。结果显示: 随着施氮量的增加, 土壤交换性盐基离子, 尤其是Mg ²⁺与Na ⁺含量显著降低。并且, 盐基离子含量与植物地上生物量显著负相关(p < 0.05), 说明氮添加通过促进植物生长, 加速植物对盐基离子的吸收, 进而导致土壤中盐基离子含量降低。此外, 盐基离子含量也与土壤无机氮含量呈显著负相关(p < 0.05)关系, 说明施氮还通过提高土壤中无机氮含量进而导致更多NH₄ ⁺与土壤吸附的盐基离子交换, 同时加剧NO₃ ^-淋溶, 带走等电荷阳离子。需要指出的是, 虽然连续施氮导致土壤pH值下降, 但该土壤目前仍处于碳酸盐缓冲阶段, 说明通常在酸性土中报道的“因缓冲土壤酸化引起的盐基离子损失机制”在碱性土中并不成立。这些结果意味着持续的氮输入会造成碱性土中盐基离子损失, 进而影响土壤缓冲能力与植被生产力, 未来草原生态系统管理中应重视这一问题。     

Different responses of biomass allocation and leaf traits of Dodonaea viscosa to concentrations of nitrogen and phosphorus

调整叶性状和生物量分配格局是植物适应环境变化的主要途径, 研究车桑子(Dodonaea viscosa)幼苗生物量分配与叶性状对氮磷浓度的响应对认识车桑子在氮磷浓度变化下的适应策略具有重要意义。该研究通过砂培法, 测定不同氮浓度(3、5、15、30 mmol·L^-1)与不同磷浓度(0.25、0.5、1、2 mmol·L^-1)下车桑子幼苗的生长、生物量分配、叶性状的响应特征及其相互关系。结果表明: 高浓度氮(30 mmol·L^-1)促进了车桑子幼苗生长、叶片氮含量和生物量积累, 其余氮添加条件(3、5、15 mmol·L^-1)下车桑子幼苗各性状无显著差异, 但相比高氮水平, 其生物量积累和叶片氮含量显著降低, 根冠比和氮利用效率显著增加。随着磷添加浓度的增加, 车桑子幼苗生物量显著增加, 低磷条件(0.25、0.5 mmol·L^-1)限制了车桑子幼苗生长和生物量积累, 其根冠比和磷利用效率均没有发生显著变化, 但比叶面积和叶/茎生物量比例显著增加, 叶干物质含量显著降低。氮处理下, 叶片氮含量与根冠比显著负相关; 磷处理下, 叶片氮含量与比叶面积显著正相关。同时, 氮处理下, 车桑子幼苗株高、基径、总生物量等生长性状均与根冠比显著负相关, 与叶片氮含量显著正相关, 表明根冠比和叶片氮含量的调整在车桑子适应氮限制中发挥重要作用; 而磷处理下, 株高、基径、总生物量与比叶面积显著负相关, 与叶干物质含量显著正相关, 表明叶片结构性状的调整在车桑子适应低磷环境中具有重要意义。该研究表明, 车桑子幼苗生物量分配和叶性状及性状间的权衡策略对氮、磷的响应具有明显差异性, 在今后的研究中, 应关注氮和磷对植物性状影响的差异性。     

Response and adaptation of terrestrial ecosystem processes to climate warming

陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程。由于大部分生态学过程都受到温度调控, 因此气候变暖会对全球陆地生态系统产生深远的影响。近年来, 全球变化生态学的基本科学问题之一是陆地生态系统的关键过程如何响应与适应全球气候变暖。围绕该问题, 该文梳理了近年来的研究进展, 重点关注植物生理生态过程、物候期、群落动态、生产力及其分配、凋落物与土壤有机质分解、养分循环等过程对温度升高的响应与适应机理。通过定量分析近20年来发表于主流期刊的相关论文, 展望了该领域的前沿方向, 包括物种性状对生态系统过程的预测能力, 生物地球化学循环的耦合过程, 极端高温与低温事件的响应与适应机理, 不对称气候变暖的影响机理和基于过程的生态系统模拟预测等。基于这些研究进展, 该文建议进一步研究陆地生态系统如何适应气候变暖, 更多关注我国的特色生态系统类型, 并整合实验、观测或模型等研究手段开展跨尺度的合作研究。     

Effect of altered litter input and nitrogen addition on ecosystem aboveground primary productivity and plant functional group composition in a semiarid grassland

不同的草原利用方式(围封、放牧和割草等)随着大气氮沉降的不断加剧, 改变了凋落物输入量。凋落物作为连接地上-地下碳循环过程的关键环节, 对草原生态系统生产力和碳循环过程影响显著。氮是草原生产力的主要限制因子, 凋落物输入量的变化对草原生态系统结构和功能的影响仍缺乏长期实验证据支持。该研究在内蒙古半干旱典型草原建立一个凋落物输入变化和氮添加控制实验平台, 通过连续6年对群落生产力和功能群组成的监测, 研究了凋落物添加与去除和氮添加对半干旱草原群落生产力和功能群组成的影响。研究发现: 1)凋落物输入量增加和氮添加均显著提高了群落生产力, 在对照和氮添加处理下, 凋落物去除处理导致生产力分别降低了8.4%和7.6%, 而凋落物添加处理使生产力分别提高了10.7%和6.3%; 2)不同植物功能群对凋落物输入变化和氮添加的响应存在差异, 导致群落功能群结构发生变化。随着凋落物输入量增加和氮添加, 群落优势功能群多年生禾草(包括多年生丛生禾草和多年生根茎禾草)的生物量显著提高, 对群落生产力的贡献增加, 在群落中的优势地位增强; 而另一优势功能群多年生杂类草生物量对凋落物和氮添加处理均无显著响应, 进而导致在氮添加处理下其对群落生物量的贡献比例显著降低; 3)凋落物输入主要改善土壤水分状况, 而氮添加则主要通过提高土壤养分含量, 促进群落生产力, 并通过影响主要功能群生物量, 导致群落结构发生变化。以上结果表明, 适当的草原管理方式如围封禁牧和降低放牧强度等都能通过增加凋落物的输入来提高草原生产力, 维持生态系统稳定性。而适量的氮等养分添加管理也有助于提高草原生产力, 促进其恢复。     

外来植物入侵对土壤氮有效性的影响北大核心CSCD

外来植物入侵对土壤氮循环和氮有效性的影响是入侵成功或进一步加剧的重要原因。通过对比相同研究地点入侵区域和无入侵区域的土壤原位氮状态差异,探讨了外来植物入侵对土壤氮有效性的影响程度和生理生态学机制。基于107篇相关研究文献数据的整合,发现植物入侵区域相对于无入侵区域土壤总氮、铵态氮、硝态氮、无机氮、微生物生物量氮含量显著增加,增幅分别为(50±14)%、(60±24)%、(470±115)%、(69±25)%、(54±20)%。土壤硝态氮含量增幅较大反映硝化作用增强,这可能增加入侵植物硝态氮利用以及喜硝植物的共存。温带地区植物入侵后土壤的硝态氮含量增幅显著高于亚热带地区。固氮植物入侵后土壤的总氮和无机氮含量增幅均显著高于非固氮植物入侵。木本和常绿植物入侵后土壤的总氮含量增幅分别高于草本和落叶植物入侵;而土壤铵态氮含量的增幅没有显著差异且与固氮入侵植物占比无明显关系;然而硝态氮含量的增幅普遍较高且与固氮入侵植物占比显著正相关。外来入侵植物固氮功能以及凋落物质量和数量是影响土壤氮矿化和硝化过程的关键因素。该研究为理解外来植物入侵成功和加剧的机制以及入侵植物功能性状与土壤氮动态之间的关系提供了新的见解。     

外来植物入侵对土壤氮有效性的影响

外来植物入侵对土壤氮循环和氮有效性的影响是入侵成功或进一步加剧的重要原因。通过对比相同研究地点入侵区域和无入侵区域的土壤原位氮状态差异, 探讨了外来植物入侵对土壤氮有效性的影响程度和生理生态学机制。基于107篇相关研究文献数据的整合, 发现植物入侵区域相对于无入侵区域土壤总氮、铵态氮、硝态氮、无机氮、微生物生物量氮含量显著增加, 增幅分别为(50 ± 14)%、(60 ± 24)%、(470 ± 115)%、(69 ± 25)%、(54 ± 20)%。土壤硝态氮含量增幅较大反映硝化作用增强, 这可能增加入侵植物硝态氮利用以及喜硝植物的共存。温带地区植物入侵后土壤的硝态氮含量增幅显著高于亚热带地区。固氮植物入侵后土壤的总氮和无机氮含量增幅均显著高于非固氮植物入侵。木本和常绿植物入侵后土壤的总氮含量增幅分别高于草本和落叶植物入侵; 而土壤铵态氮含量的增幅没有显著差异且与固氮入侵植物占比无明显关系; 然而硝态氮含量的增幅普遍较高且与固氮入侵植物占比显著正相关。外来入侵植物固氮功能以及凋落物质量和数量是影响土壤氮矿化和硝化过程的关键因素。该研究为理解外来植物入侵成功和加剧的机制以及入侵植物功能性状与土壤氮动态之间的关系提供了新的见解。     

外源酚酸对欧美杨‘I-107’水培幼苗硝态氮吸收利用的影响

连作杨树人工林地力衰退可能与土壤中累积的酚酸存在密切的关系。土壤氮素供应是决定杨树生长发育的重要因素, 而硝态氮是土壤无机氮化合物的主要形式之一。研究酚酸作用下杨树对硝态氮的吸收利用对于揭示酚酸化感机理、明确林地改良的途径和方法具有重要意义。以欧美杨‘I-107’ (Populus × euramericana ‘Neva’)水培苗为试验材料, 采用改良Hoagland营养液培养, 以二代杨树连作人工林土壤酚酸的实际含量为参照浓度(X), 设置5个酚酸浓度水平(0, 0.5X, 1.0X, 1.5X, 2.0X), 分析不同浓度酚酸混合物对杨树硝态氮吸收利用的影响。分别在酚酸处理后第1、5、10、20、30和40天测定分析与硝态氮吸收利用密切相关的生理特性。试验结果表明: 酚酸处理导致根系伤害度明显提高, 根系活力受到酚酸物质的明显抑制, 处理后第40天各处理间表现出显著差异(p < 0.05); 48 h动态测定发现酚酸物质对硝态氮的吸收存在显著的抑制作用(p < 0.05); 处理后第40天, 低浓度酚酸(0.5X, 1.0X)导致硝态氮在植株体内发生积累, 而高浓度酚酸(1.5X, 2.0X)导致植株硝态氮含量下降; 酚酸物质明显抑制植株硝酸还原酶活性, 处理后第40天各处理间表现出显著差异(p < 0.05), 酚酸物质处理后期则引起亚硝态氮含量的升高。酚酸浓度与处理时间对杨树水培苗硝态氮的生理效应关系可以用多元线性模型描述。     

矿质养分输入对森林生物固氮的影响

生物固氮是森林生态系统重要的氮素来源,并且在全球氮循环中占有重要的地位。近代以来,因人类活动加剧而导致氮沉降的增加以及其它矿质养分元素(如磷、钼、铁等)输入的改变已成为影响森林生态系统生物固氮的重要因素之一,并引起了学术界的普遍关注。综述了国内外关于森林生物固氮对矿质养分输入的响应及机理。主要内容包括:(1)森林生物固氮的概念及主要的测定方法;(2)矿质养分输入对森林生物固氮的影响。整体上讲,氮素输入抑制了森林生物固氮,磷和其他营养元素输入则表现为促进作用。氮和磷、磷和微量元素同时添加均提高了森林的固氮量;(3)矿质养分改变森林生物固氮的机理。包括生物作用机制(如改变地表层固氮菌的数量或群落丰度、改变结瘤植物的根瘤生物量和附生植物的丰度或盖度)和环境作用机制(如引起土壤酸化、改变碳源物质的含量);(4)探讨了矿质养分输入对森林生物固氮影响研究中所存在的问题,并对未来该领域的研究提出建议。     

氮锌复合作用对混播系统白三叶生长与固氮及氮转移的影响

选用南方草地土壤——山地黄棕壤进行盆栽试验,研究了氮锌复合作用对混播系统白三叶生长、根瘤发育、固氮及固氮产物转移的影响。结果表明,氮锌复合作用对白三叶生长、根瘤发育、固氮及氮转移在白三叶不同生长阶段、不同氮锌施用范围表现出不同的效应。生长前期氮锌复合作用对白三叶茎叶及根系产量的协同效应表现在氮0-30mg/kg、锌0-6mg/kg的范围内,而生长后期协同范围扩大到氮0-90mg/kg与锌0-20mg/kg的不同组合处理中;在高于上述氮锌施用范围,氮锌之间表现为拮抗效应。与不施氮相比较,施氮显著降低了白三叶根瘤数量及生长前期固氮百分数,但适量施氮（30mg/kg）显著增加了白三叶根瘤重量及生长后期固氮百分数。在所有施氮水平中,施锌6mg/kg显著增加了根瘤数量、根瘤重量及固氮百分数。与茎叶及根系生长氮锌协同范围相比较,氮锌对根瘤发育与固氮作用的协同范围较小。固氮产物转移与白三叶根瘤衰败有密切相关。试验为我国南方牧场科学施肥提供理论依据.     

水位和施氮对若尔盖高寒湿地土壤非共生固氮的影响

高寒湿地中土壤微生物固氮是氮元素进入生态系统的主要途径之一,环境因子变化对土壤固氮功能的影响仍不明晰。在四川若尔盖高寒湿地搭建了由27个生态模拟箱组成的中宇宙实验系统,通过控制水位和模拟氮沉降,研究水位变化和施氮对土壤非共生固氮的影响。实验设计了3水位水平×3施氮水平共9个处理,测定了生态模拟箱中表层土壤的非共生固氮速率,土壤碳、氮含量,以及地上植物生物量和植物氮含量,比较不同水位和施氮处理下非共生固氮速率的变化规律并分析其与土壤和植物碳、氮含量的关系。研究发现：生态模拟箱中土壤非共生固氮速率范围是0.003-7.35 μg N g^-1 d^-1,从不淹水到淹水的处理土壤非共生固氮速率提高约2倍。施氮处理中固氮速率随土壤含水量升高而增强的敏感性高于施氮对照处理,且施氮处理下的生态模拟箱中土壤有机碳含量显著升高,据此推测施氮可能使淹水的生态模拟箱中的浮游植物提高生产力而释放可利用有机碳,从而间接促进土壤非共生固氮。本研究获得以下结论：（1）若尔盖高寒湿地中土壤水位是限制固氮速率的重要因子;（2）施氮背景下土壤含水量对非共生固氮的促进效应更明显。     

Effects of intercropping on photosynthetic rate and net photosynthetic nitrogen use efficiency of maize under nitrogen addition

研究间作后作物光合碳同化和光合氮利用效率(PNUE)对氮投入的响应, 对阐释间作产量优势的氮调控效应, 指导间作氮肥管理有重要意义。本研究设置玉米(Zea mays)单作、玉米间作两种种植模式的4个氮水平(N0, 0 kg·hm ^-2; N1, 125 kg·hm ^-2; N2, 250 kg·hm ^-2; N3, 375 kg·hm ^-2), 分析间作与施氮量对玉米叶片特征、光合参数、PNUE和产量的影响。结果表明: 与单作相比, 间作显著增加玉米叶片的叶干质量和比叶质量; 各施氮水平(除N3)下, 间作中靠近马铃薯(Solanum tuberosum)侧的玉米叶面积均显著高于单作玉米。单间作对比发现, 间作提高了玉米光饱和点和暗呼吸速率。单作、间作靠玉米侧(I-M)、间作靠马铃薯侧(I-P)的玉米PNUE均随施氮量增加而降低, 降幅以I-P最大; 施氮量低于250 kg·hm ^-2时, 相同施氮量下的玉米PNUE和净光合速率(P_n)均以I-P最高, I-M和单作次之。间作显著提高了玉米产量(土地当量比>1)。该研究中当施氮量≤250 kg·hm ^-2时, 间作I-P的玉米叶片P_n和PNUE显著提高可能是间作玉米产量提高的重要原因。     

15N自然丰度法在陆地生态系统氮循环研究中的应用

随着氮沉降的不断增加以及人们对全球变化问题的日益关注, 稳定同位素技术在全球变化研究中得到广泛的应用。因为植物和土壤的氮同位素组成记录了氮循环影响因子的综合作用, 并且具有测量简单以及不受取样时间和空间限制的优点, 所以氮同位素自然丰度法被用于氮循环的研究中。该文从氮循环过程中植物和土壤的氮分馏入手, 总结国内外相关文献, 阐述了植物和土壤氮自然丰度在预测生态系统氮饱和和氮循环长期变化趋势中的应用; 总结了利用树轮δ ¹⁵N法研究氮循环过程中应该注意的事项以及目前尚未解决的问题。     

Responses of soil respiration to reduced water table and nitrogen addition in an alpine wetland on the Qinghai-Xizang Plateau

近20年来, 青藏高原高寒湿地经历了明显的气候变化, 从而导致多数湿地水位下降和氮沉降的增加。对于湿地生态系统来说, 水位下降意味着土壤通气性能的改善, 可能会导致土壤呼吸的增加; 而氮沉降的增加可能会降低土壤微生物生物量和pH值, 从而可能抑制土壤呼吸。为此, 在青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站利用中宇宙(Mesocosm)实验方法, 探讨了青藏高原高寒泥炭型湿地土壤呼吸对水位降低和氮添加的响应。结果表明: (1)水位降低显著增强了土壤呼吸, 而氮添加对土壤呼吸的影响依赖于水位的变化: 对照水位下, 氮添加显著抑制土壤呼吸; 而水位降低时, 氮添加对土壤呼吸速率无显著影响。(2)土壤呼吸速率与地上生物量、枯落物累积量之间呈显著正相关关系, 而与根系生物量无显著相关关系。(3)水位降低显著提高了土壤呼吸的温度敏感性, 而氮添加对其无显著的影响。因此预测: 随着氮沉降的升高, 高寒泥炭湿地土壤CO₂的排放量将会减少; 然而随着暖干化背景下水位的降低, 青藏高原高寒湿地会排放更多的CO₂。     

蓝藻固氮对人工湿地颗粒物有机氮的贡献

固氮蓝藻能为水生态系统输入新氮,生物固氮对水体氮的贡献观点不一。人工湿地中固氮蓝藻输入的新氮对除氮效率的影响仍不明晰。本研究通过连续监测,比较了北京野生动物救护中心水禽栖息的人工湖和净化其水质的人工湿地中的浮游植物组成、颗粒物有机氮(PON)和水体固氮速率(Rn),分析固氮蓝藻鱼腥藻属(Anabaena)和非固氮蓝藻微囊藻属(Microcystis)藻细胞密度的季节变化,及其与水体PON和Rn相关性。通过IsoSource软件分析15N自然丰度,计算了各个来源(大气N_2、鸟粪、沉积物和水体硝酸盐)对人工湖和人工湿地中PON的贡献率。结果显示,人工湖中鱼腥藻和微囊藻交替爆发,Rn与PON和鱼腥藻细胞密度均呈正相关(P0.05),说明鱼腥藻输入的新氮可能被微囊藻利用转化为PON。大气N_2对生长季人工湖和人工湿地PON贡献率分别为0.5%~82.0%和50.0%~86.0%,9月水体固氮速率达到最高时大气N_2对PON贡献率可达80%以上。本研究表明,人工湖中的鱼腥藻固氮能为微囊藻提供可利用氮,可能是人工湖夏季微囊藻水华的原因之一。由于浮游植物在表流人工湿地较难沉淀和吸附,浮游植物增多使人工湿地去除PON的能力降低,因此鱼腥藻固氮可能间接降低人工湿地除氮能力。     

Effects of different levels of nitrogen fertilization on soil respiration during growing season in winter wheat (Triticum aestivum)

 在目前全球氮沉降不断增加的背景下, 研究农田土壤呼吸对氮沉降的响应有助于理解未来生态系统碳循环对全球变暖的潜在影响。为探讨不同施氮浓度对华东地区冬小麦(Triticum aestivum)生长期土壤呼吸的影响, 该实验设计了对照组(不施加氮肥)和3种浓度施氮处理组(低浓度施氮15 g·m^–2·a^–1, 中等浓度施氮30 g·m^–2·a^–1, 高浓度施氮45 g·m^–2·a^–1)。使用便携式土壤CO₂通量观测仪LI-8100测定不同施氮浓度处理下冬小麦生长期(2013年12月至2014年5月)的土壤呼吸速率, 并探讨土壤呼吸与土壤温度、湿度等环境因素的关系。结果表明: 低、中、高3种浓度施氮处理的土壤呼吸速率平均值分别为5.29、6.17和6.75 μmol·m^–2 ·s^–1, 与对照组(土壤呼吸速率平均值为4.90 μmol·m^–2·s^–1)相比, 分别增加了7.8%、23.6%和37.8%; 地上生物量分别增加39.9%、104.4%和200.2%, 并与冬小麦生长季的总土壤呼吸正相关。5 cm深度土壤的温度与土壤呼吸速率呈指数关系(p < 0.05), 土壤呼吸季节变化的65%–75%由土壤温度引起, 其温度敏感性为2.09–2.32。结果表明, 添加氮肥促进了植物的生长, 增加了生物量, 从而增加了冬小麦农田的土壤呼吸速率。