亚热带常绿阔叶林土壤胞外酶活性对碳输入变化及增温的响应

土壤胞外酶来源于土壤微生物、植物和动物, 是土壤生物地球化学过程的积极参与者, 在森林生态系统的物质循环和能量流动过程中扮演着重要角色。为探明土壤胞外酶活性对碳输入变化及增温的响应, 该研究基于长期增温、去除地表凋落物(以下简称去凋)和切根处理的云南哀牢山亚热带常绿阔叶林控制实验平台, 研究了不同处理(对照、去凋、切根、切根并增温)下表层矿质土壤(0-5和5-10 cm)与碳氮磷获取相关的胞外酶活性, 包括多酚氧化酶(POX)、过氧化物酶(PER)、β-葡萄糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(AP)。结合铵态氮(NH₄⁺-N)含量、硝态氮(NO₃^--N)含量、溶解有机碳(DOC)含量、溶解总氮(DN)含量、土壤含水量(SWC)等相关指标, 探讨凋落物碳输入、根系碳输入和温度变化对土壤胞外酶活性及其生态化学计量特征的影响。研究结果表明: 在对照样方, 除POX外其余酶活性均为0-5 cm层显著高于5-10 cm层。与对照相比, 长期的凋落物去除显著降低了0-5 cm层土壤AP和BG活性, 对NAG、PER和POX活性则无显著影响; 长期切根处理显著降低了0-5 cm层土壤BG活性, 但提高了两个土层PER活性; 长期切根并增温处理显著降低了0-5 cm层AP和BG活性, 对其余酶活性无显著影响。冗余分析结果显示SWC和NH₄⁺-N含量是驱动土壤酶活性变化的重要因子。本研究为该生态系统土壤碳氮磷生物地球化学关键过程对全球变化的响应提供了土壤酶学的依据。     

土壤增温和秸秆还田对土壤养分和胞外酶活性的影响

气候变暖和秸秆还田是影响农田生态系统碳氮循环和土壤养分周转的重要因子,然而两者的交互作用尚缺乏系统研究。通过大田模拟试验,设置土壤正常温度+秸秆不还田、土壤正常温度+秸秆还田、土壤增温+秸秆不还田和土壤增温+秸秆还田四个处理,探讨土壤增温与秸秆还田对土壤养分循环及胞外酶活性的影响。结果显示,土壤增温使硝态氮含量、土壤可溶性有机碳含量和氧化酶活性分别增加了40.4%,25.8%和6.0%,但也使土壤水分、铵态氮含量与土壤微生物量碳分别损失了10.6%,33.4%和29.9%。秸秆还田则使土壤含水量、全氮、铵态氮、有效磷与可溶性有机碳的含量分别增加了7.5%,7.2%,44.1%,32.3%和18.4%,同时也使土壤碳氮磷循环酶的活性分别增加了46.2%,22.9%和20.6%。因此研究表明,土壤增温提高了氧化酶的活性,加速了土壤碳的转化,也使土壤氮矿化与硝化反应速率提高。秸秆还田通过增加外源有机物质,丰富了土壤的碳、氮源,使土壤养分含量提高,一定程度上弥补了增温带来的养分损失。     

海拔和坡向对唐古拉山土壤胞外酶活性的影响

土壤胞外酶够将大分子有机质分解成可以被微生物利用的小分子化合物,在土壤有机质分解与转化过程中起着重要的作用。因此,土壤中酶促反应往往成为陆地生态系统中土壤有机质分解的限速步骤。然而,土壤酶活性的地理分布格局,尤其是其随着不同海拔和坡向的分布特征和驱动机制,仍不明确。为探讨土壤胞外酶的空间分布特征及影响因素,我们沿海拔梯度（2980-5120 m）在青藏高原唐古拉山的南北坡选取了6个样点,测定了参与碳、氮、磷循环的6种水解酶的活性和土壤理化性质,并结合植被和气象数据进行分析。结果显示,随海拔梯度的升高,年均温度（MAT）、土壤碳氮比（C：N）降低,年均降水量（MAP）、紫外线辐射（UV）、归一化植被指数（NDVI）、土壤碳含量（TC）、土壤氮含量（TN）升高;南坡的MAP、UV、NDVI、TC、TN显著高于北坡,而C：N显著低于北坡。不同类型的土壤胞外酶对海拔和坡向的响应不同,碳获取酶α-葡萄糖苷酶（AG）、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-木糖苷酶（BX）,以及氮获取酶N-乙酰-氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性均随海拔梯度的升高而升高,且都在南坡显著高于北坡;磷获取酶酸性磷酸酶（AP）和氮获取酶亮氨酸氨基肽酶（LAP）活性在不同海拔和坡向的分布上并没有显著差异。模型平均和相对重要性分析表明,NDVI、RB和TC是驱动碳获取酶（AG、BG、BX）活性随海拔梯度和坡向分布格局的主要因子;NDVI是驱动参与氮获取酶（NAG）活性变化的主要因子。我们的研究结果表明,不同海拔和坡向上植被和土壤特征的差异驱动了土壤胞外酶活性的空间分布,从而可能对碳循环和养分循环产生不同的影响,为预测土壤胞外酶的空间地理格局提供了科学依据。     

增温对青藏高原高寒沼泽草甸不同时期土壤酶活性的影响

为研究青藏高原多年冻土区土壤酶活性对气候变暖的响应特征,选择北麓河地区高寒沼泽草甸为研究对象,利用开顶式生长室(OTC)进行模拟增温试验,在7月份、12月份分别对增温和对照样地土壤进行分层取样,并对不同深度土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶的活性进行分析测定。结果表明:在夏季7月份,增温作用下近地表月平均气温升高4.55℃,不同深度的土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性均有降低趋势,但未达到显著水平(P>0.05)。土壤蔗糖酶活性与土壤水分和根系生物量呈显著相关关系;在冬季12月份,增温作用下近地表月平均温度升高6.64℃,不同深度的土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性均有所提高,且在20—50 cm深度的土壤蔗糖酶和磷酸酶活性和40—50cm深度的土壤脲酶和过氧化氢酶活性变化均达到显著水平(P<0.05)。四种土壤酶活性与土壤温度和水分均呈显著相关关系。在深度变化上,夏季增温样地四种土壤酶活性总体随土层深度增加而降低,而冬季随土层深度增加而显著升高(P<0.05)。增温处理下,不同土层深度冬季四种土壤酶的活性总体均大于夏季,且在40—50 cm深度上差异显...     

增温和牦牛排泄物输入对沼泽土壤酶活性的影响

选取滇西北高原纳帕海沼泽土壤为研究对象,采用室内模拟实验,研究增温(13℃、19℃、25℃)和牦牛排泄物(粪便、尿液)输入对沼泽土壤理化性质和酶活性的影响。结果表明:(1)增温会显著降低土壤pH(P0.05),19℃时显著降低无机氮含量(P0.05),对其他土壤理化性质无显著影响(P0.05);增温对不同排泄物处理下的土壤酶活性影响存在差异。(2)排泄物输入显著影响沼泽土壤理化性质。牦牛粪便输入显著提高土壤含水率、pH、总有机碳(Total organic carbon,TOC)和有效磷含量(P0.05),显著降低土壤硝态氮含量(P0.05);牦牛尿液显著提高土壤含水率和土壤无机态氮含量(P0.05)。牦牛粪便输入显著提高蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性(P0.05);牦牛尿液显著提高脲酶活性(P0.05)。(3)增温和排泄物输入交互作用对TOC(P0.05)、pH和无机态氮(P0.01)影响显著,对蔗糖酶(P0.05)、脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性(P0.01)均影响显著。本研究阐明了增温、牦牛排泄物输入及二者交互作用对沼泽土壤理化性质和酶活性的影响,为气候变暖背景下湿地放牧干扰研究提供理论基础。     

增温对亚热带杉木人工林土壤微生物呼吸及熵值的影响

增温通过改变微生物生物量和微生物代谢状况影响土壤微生物呼吸。然而,有关亚热带地区土壤微生物呼吸如何响应长期土壤增温尚不清楚。以增温7年后的杉木人工林为研究对象,比较增温对杉木人工林土壤微生物呼吸和微生物代谢熵的影响。结果表明:(1)增温后,微生物生物量碳在8月份和12月份分别降低了32.1%和59.8%(P<0.05)。(2)增温后土壤基础呼吸与底物诱导呼吸与对照相比均无显著差异;水分添加后,与基础呼吸相比,增温和对照的土壤呼吸在8月显著增加了38.3%和104.8%;葡萄糖添加后,增温和对照的底物诱导呼吸在8月份分别显著增加了113.1%和152.9%,在12月份分别显著增加了118.0%和160.9%(P<0.05)。(3)增温后,微生物代谢熵在12月显著增加了127.7%,8月无显著变化(P<0.05)。(4)在增温和对照处理中,微生物代谢熵与可溶性有机碳和微生物生物量碳含量呈负相关,与土壤含水率正相关(P<0.05)。研究结果表明,土壤增温7年后碳的可利用性和水分的降低是影响杉木人工林土壤微生物呼吸的重要因素。     

青藏高原典型冰川小流域土壤微生物生物量及胞外酶活性分布特征

土壤微生物释放的胞外酶是决定碳(C)、氮(N)、磷(P)生物地球化学循环的关键因素,为了阐明青藏高原典型小流域土壤微生物生物量和胞外酶活性沿海拔和土层的分布特征并揭示影响该分布格局的主要养分限制状况,于2021年8月采集了青藏高原廓琼岗日冰川小流域5个海拔梯度(4900 m; 5000 m; 5100 m; 5200 m; 5300 m)中4个土壤发生层(A层：腐殖质层、E层：淋溶层、B层：淀积层和C层：母质层)的土壤样品,定量分析了土壤基本理化性质、微生物生物量、胞外酶活性等指标。结果表明：1)微生物生物量碳氮磷的海拔差异变化规律不同,随着土层加深微生物生物量碳氮磷随海拔变化越小。同时,各海拔之间微生物生物量均有随土层加深而显著降低的趋势(P<0.05);2)四种酶活性的海拔间变化规律各异,但整体呈现随海拔升高而升高的趋势且在表层(A和E层)增长趋势更明显,而且随土层加深显著降低(P<0.05);3)该区域土壤微生物受到碳和磷共同限制,土层越深限制越高,而且海拔越高C限制越强,但P限制降低;4)青藏高原典型冰川小流域土壤微生物生物量和胞外酶活性在海拔和土层之间存在较明显的...     

亚热带杉木人工林土壤胞外酶活性对隔离降雨的季节响应

土壤酶在养分矿化过程中起着至关重要的作用,是预测土壤向植物提供养分能力的特殊传感器。土壤酶的催化、生产和降解速率受水分调节,而全球气候变暖所引起的降水减少将对中亚热带地区森林生态系统造成深刻影响,但是关于中亚热带杉木人工林土壤酶活性对降水变化响应的研究还是相对匮乏。通过隔离降雨模拟实验减少50%的降水,探究干湿两季中亚热带杉木人工林表层土壤的理化性质、胞外酶活性和有效养分对降水减少的响应。研究的胞外酶有:参与碳循环的β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)、酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO)。冗余分析结果显示:干季时的土壤酶活性主要是受土壤含水量、硝态氮和可溶性有机碳(DOC)的影响,湿季则主要受微生物量碳、DOC和铵态氮的影响。湿季的土壤酶活性总体大于干季的土壤酶活性。除了干季的酚氧化酶外,无论干季或是湿季,几乎所有土壤酶活性在降水减少后均有所提高,其中βG活性变化最为显著。这可能是因为中亚热带地区降水丰富,尽管进行了隔离降雨处理,但水分仍然未达到限制水平;也可能是酶活性对降水减少这种不利的环境变化做出的响应或适应策略。本研究也为未来气候变化降水减少下对预测碳循环和养分循环提供了一定的科学依据。     

野外模拟增温对亚热带杉木叶片膜脂过氧化及保护酶活性的影响

温度通常被认为是植物生长和生产的重要限制因子, 全球变暖严重影响生态系统, 但全球变暖对亚热带杉木(Cunninghamia lanceolata)叶片膜脂过氧化及保护酶活性的影响并不甚清楚。该研究在野外利用电缆对土壤增温, 设置对照和增温2种处理, 每个处理5个重复。通过测定渗透调节物质、内在水分利用效率、保护酶活性及丙二醛等指标, 探究增温对杉木生理生化特征的影响。研究表明: 1)增温提高渗透调节能力, 但对杉木叶片膜脂过氧化作用不明显; 2)增温显著提高杉木的水分利用效率和固碳效益, 即降低了固碳耗水成本; 3)增温降低超氧化物歧化酶活性和过氧化物酶活性, 却显著提高过氧化氢酶活性和抗坏血酸过氧化酶活性。由此可见, 杉木主要通过提高保护酶(特别是过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化酶)活性以减轻高温胁迫伤害, 这有助于维持杉木细胞代谢稳定。因此, 该区域在未来全球变化背景下的温度升高效应值得长期而深入的探讨。     

大气和土壤增温对杉木幼苗叶片功能性状的影响

为了探讨杉木幼苗叶片功能性状对全球气候变暖的响应与适应机制,在福建三明森林生态系统与全球变化研究站陈大观测点,设置大气增温(开顶箱被动增温,不增温)×土壤增温(电缆增温4℃,不增温)双因子试验,对杉木幼苗叶片生理代谢、形态属性、化学计量学特征等功能性状进行为期1年的研究。结果表明,虽然土壤增温和大气增温对4月和7月的叶片净光合作用速率和水分利用效率没有显著影响,但土壤增温对11月的叶片净光合作用速率有显著促进作用,而大气增温和土壤增温对11月的水分利用效率有显著促进作用。大气增温显著增加比叶面积和叶含水率,并降低叶厚度;而土壤增温则对其均没有显著影响。土壤增温、大气增温均显著增加杉木叶氮浓度,但只有同时大气增温和土壤增温处理才显著提高叶磷浓度。研究结论表明,从叶功能性状角度看,同时大气增温和土壤增温可能更有利于促进杉木幼苗生长。     

土壤增温对杉木幼苗细根生长量及形态特征的影响

为了揭示杉木人工林对全球变暖的地下响应,在福建省三明市陈大国有林场开展杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温试验,采用内生长环法探讨增温实验开始后第2年(2015年1月、7月取样)和第3年(2016年1月、7月取样)杉木幼苗细根生长量和形态特征(比根长,SRL;比表面积,SRA;组织密度,RTD)的变化。结果表明:(1)随着苗木的生长,土壤增温对细根生长量的影响趋势是先抑制,再无显著影响,最后促进。(2)土壤增温对细根形态特征的影响在不同取样时间有差异:土壤增温对7月份(夏季)取样的细根SRL或SRA有显著促进作用,对1月份(冬季)取样的细根SRL、SRA均无显著影响。(3)土壤增温对第二、第三次取样的1—2 mm细根RTD有促进作用。表明土壤增温对杉木幼苗细根生长量的影响与苗木生长阶段有关;同时苗木可通过细根形态的调整(增大SRL和RTD)以适应土壤增温引起的土壤资源变化和环境胁迫,维持自身的生长。     

土壤增温对杉木幼苗细根生理生态性质的影响

为了揭示我国最重要人工林树种杉木对全球变暖的地下响应及其适应性,通过在福建省三明市陈大国有林场设置杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温实验(增温+5℃和不增温两个处理,各5个重复),用土钻法和内生长环法探讨土壤增温约1年后的杉木幼苗细根生物量和形态特征(比根长,SRL;比表面积,SRA),化学计量学特征(C、N、P)和代谢特征(包括呼吸和非结构性碳水化合物,NSC)的变化。结果表明:1)与对照相比,土壤增温处理0—1 mm细根生物量显著下降,1—2 mm细根生物量没有变化,细根形态亦未有显著变化;2)土壤增温处理细根N浓度显著增加,细根P浓度没有显著变化,细根C/N显著降低而N/P显著增加;3)土壤增温处理细根呼吸没有出现驯化现象,细根NSC显著下降。可见,土壤增温改变了杉木细根生物量分配格局,并引起一定的营养失衡和代谢失衡现象,从而对杉木生长和生产力产生影响。     

土壤增温、隔离降水及其交互作用对杉木幼苗细根生产的影响

为了揭示我国最重要的人工林树种杉木对全球变暖和降水格局改变的地下响应及其适应性,在福建省三明市陈大国有林场开展杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗土壤增温和隔离降水双因子试验,包括对照(CK)、土壤增温5℃(W)、隔离降水50%(P)和土壤增温+隔离降水(WP)4个处理,用微根管法探讨试验1a期间土壤增温、隔离降水及其交互作用对杉木幼苗细根生产量(以细根出生数量表征)的影响。双因素方差分析发现,土壤增温和隔离降水对细根总出生数量没有影响,但两者的交互作用则极显著。与CK相比,W细根总出生数量显著增加,而WP处理细根总出生数量则显著低于W处理和P处理。土壤增温、隔离降水与季节的重复测量方差分析发现,土壤增温×季节、隔离降水×季节对细根出生数量均有显著影响;与CK相比,W处理春季细根出生数量显著增加,P处理秋季细根出生数量显著增加,而WP处理夏季和冬季细根出生数量显著下降。土壤增温、隔离降水与径级的三因素方差分析表明,土壤增温×隔离降水×径级存在显著影响;0—1 mm径级细根出生数量W处理显著高于CK,但WP处理则显著低于W处理和P处理。土壤增温、隔离降水与土层的3因素方差分析表明,土壤增温、隔离降水与土层之间不存在显著的交互作用;仅在20—40 cm土层发现P处理细根出生数量显著高于CK。研究结果表明,土壤增温和隔离降水对杉木幼苗细根生产的影响存在显著的交互作用,这种交互作用还因不同的季节和径级而异。     

增温和施氮对亚热带杉木人工林土壤溶液养分的影响

在增温和氮沉降等气候变化背景下,土壤溶液养分元素供应是否平衡对加速或减弱土壤养分循环起着至关重要的作用。为探究增温和施氮对亚热带杉木人工土壤溶液养分动态的影响,分别于各样地的0—15、15—30cm和30—60cm土层安装土壤溶液采集器。利用真空泵的负压原理采集土壤溶液,对其有机组分及无机组分进行了两年的动态监测。结果显示:增温及增温+施氮显著增加了各土层溶解性总氮(DTN)及硝态氮(NO-3)浓度,而施氮促进了植被对其的大量吸收而未呈现显著的促进作用。整体而言,短期增温和施氮处理显著降低了可溶性有机碳(DOC)浓度,对土壤溶液K~+、Ca~(2+)、Na~+、Mg~(2+)等离子含量影响较小。但相比于施氮,增温对土壤溶液中矿质元素的影响远大于施氮。增温导致的土壤孔径增大,通透性增强可极大地促进Fe~(3+)、Al~(3+)淋溶,同时导致表层Na~+、Mg~(2+)离子含量显著降低。增温+施氮交互作用对土壤溶液各养分的影响存在叠加效应,但并不是增温和施氮单因子的简单累加,要深入了解土壤养分对未来气候变迁的内部机制需进一步长期监测。     

连栽杉木人工林参与土壤碳氮转化过程酶活性及其与土壤理化因子的相关性

选取福建三明不同连栽代数杉木人工林(一代、二代、三代)及格氏栲天然林为研究对象,运用冗余分析法研究不同林地土壤理化性质、养分含量与参与碳,氮转化过程酶活性之间的相互关系,以探究中亚热带连栽杉木人工林土壤酶的季节变化及其影响因素,为揭示杉木人工林养分循环特点和林地土壤质量评价提供依据。结果表明:连栽杉木人工林地土壤pH显著低于天然林,但一、二、三代杉木林间无显著差异。12月份土壤全碳、全氮含量在不同连栽代数杉木林中无显著差异,并且二代和三代林土壤全碳、全氮含量均显著高于天然林(P<0.05);6月份杉木三代林土壤全碳含量显著高于一代林(P<0.05),但与二代林和天然林无显著差异。12月份土壤铵态氮和硝态氮含量在一、二、三代杉木林间无显著差异。6月份杉木一代林土壤硝态氮含量显著高于二代林和天然林(P<0.05),但与三代林无显著差异。12月份天然林土壤脲酶活性显著高于连栽杉木人工林(P<0.05),而一、二、三代杉木林土壤脲酶活性无显著差异;杉木一代、二代林和天然林土壤天冬酰胺酶活性无显著差异,均显著高于三代林(P<0.05)。冗余分析表明,土壤含水量、NO...     

大气和土壤增温对杉木幼苗地上物候及生长的影响

为了探讨全球变暖对杉木幼苗地上物候和生长的影响,在福建三明森林生态系统与全球变化研究站陈大观测点开展大气温度控制(ambient, open-top chamber)和土壤温度控制(ambient, ambient+4℃)双因子试验,设置对照、单独大气增温、单独土壤增温、大气和土壤同时增温4种处理,大气增温采用开顶箱被动式增温,土壤增温采用电缆增温。建立48个单株水平的根箱,每个根箱内种植1棵1年生2代半短侧枝杉木幼苗,于2016年开始对杉木幼苗地上物候和生长动态进行为期1年的研究。结果表明:(1)大气温度控制对杉木幼苗物候和生长具有显著影响;与无大气增温相比,大气增温使杉木幼苗顶芽膨胀、顶芽展开和顶芽新稍生长时间显著提前,树高生长季长度显著延长,杉木幼苗树高生长得到显著促进。(2)土壤温度控制对杉木幼苗的物候和生长均没有显著影响。(3)大气温度控制和土壤温度控制的交互作用对杉木幼苗生长具有显著影响,大气和土壤同时增温处理的杉木幼苗树高和侧枝生长显著大于单独大气增温处理。表明全球气候变暖可能对杉木生产力具有一定的促进作用。