短期CO2浓度升高和干旱胁迫对白羊草土壤碳氮和微生物根际效应的影响

采用人工气候室和盆栽控水试验研究黄土丘陵区典型草本植物白羊草在倍增CO₂浓度(800 μmol·mol^-1)下和充分供水(75%～80%的田间持水量)、轻度干旱胁迫(55%～60%的田间持水量)和重度干旱胁迫(35%～40%的田间持水量)下根际和非根际土壤碳氮含量和微生物群落结构及其根际效应.结果表明: CO₂浓度升高和干旱胁迫对白羊草根际和非根际土壤有机碳、全氮和水溶性有机碳(DOC)含量及其根际效应均无显著影响.轻度干旱胁迫下CO₂浓度升高显著促进了根际土壤水溶性有机氮(DON)的消耗,导致DOC/DON升高,提高了DON的负根际效应和DOC/DON的正根际效应.干旱胁迫和CO₂浓度升高对土壤总磷脂脂肪酸(总PLFA)和细菌PLFA的根际效应无显著影响.CO₂浓度升高条件下干旱胁迫显著提高了根际土壤G⁺/G^- PLFA,降低了非根际土壤G⁺/G^- PLFA,导致其根际效应显著提高,表明根际微生物群落由自养微生物群落向异养微生物群落的转变.     

氮素添加和CO2浓度升高对白羊草根际和非根际土壤水溶性有机碳、氮的影响

采用盆栽控制试验对黄土丘陵区白羊草在不同CO₂浓度(400和800 μmol·mol^-1)和施氮水平(0、2.5、5.0 g N·m^-2·a^-1)条件下根际和非根际土壤水溶性有机碳(DOC)和水溶性有机氮(DON)的变化特征进行研究.结果表明: CO₂浓度升高对白羊草根际和非根际土壤DOC、水溶性总氮(DTN)、DON、水溶性铵态氮(NH₄⁺-N)、水溶性硝态氮(NO₃^--N)含量均无显著影响.施氮显著提高了根际和非根际土壤DTN、NO₃^--N含量和根际土壤DON含量,显著降低了根际土壤DOC/DON.在各处理条件下,根际土壤DTN、NO₃^--N和DON含量均显著低于非根际土壤,根际土壤DOC/DON显著高于非根际土壤.短期CO₂浓度升高对黄土丘陵区土壤水溶性有机碳、氮含量无显著影响,而氮沉降的增加在一定程度上改善了土壤中水溶性氮素缺乏的状况,但并不足以满足植被对水溶性氮素的需求.     

氮素添加和CO2浓度升高对白羊草根际和非根际土壤水溶性有机碳、氮的影响

采用盆栽控制试验对黄土丘陵区白羊草在不同CO₂浓度(400和800 μmol·mol^-1)和施氮水平(0、2.5、5.0 g N·m^-2·a^-1)条件下根际和非根际土壤水溶性有机碳(DOC)和水溶性有机氮(DON)的变化特征进行研究.结果表明: CO₂浓度升高对白羊草根际和非根际土壤DOC、水溶性总氮(DTN)、DON、水溶性铵态氮(NH₄⁺-N)、水溶性硝态氮(NO₃^--N)含量均无显著影响.施氮显著提高了根际和非根际土壤DTN、NO₃^--N含量和根际土壤DON含量,显著降低了根际土壤DOC/DON.在各处理条件下,根际土壤DTN、NO₃^--N和DON含量均显著低于非根际土壤,根际土壤DOC/DON显著高于非根际土壤.短期CO₂浓度升高对黄土丘陵区土壤水溶性有机碳、氮含量无显著影响,而氮沉降的增加在一定程度上改善了土壤中水溶性氮素缺乏的状况,但并不足以满足植被对水溶性氮素的需求.     

不同种植年限对花椒根际土壤理化性质和微生物群落的影响

为揭示不同种植年限对花椒根际微生态系统的影响,利用磷脂脂肪酸（PLFAs）生物标记法结合土壤养分和酶活性分析,研究了种植年限1、15、30 a的花椒根际土壤的理化性质和微生物群落变化。结果显示,随着种植年限的增加,土壤pH和多酚氧化酶活性呈下降趋势,土壤速效钾和速效磷在15、30 a时显著增加。土壤微生物总PLFA、真菌、革兰氏阴性细菌（G^-）PLFA含量均随种植年限呈增加趋势,30a时达到最大,分别为401.95、88.14、118.61 μg·g^-1。革兰氏阳性细菌（G ⁺ ）和放线菌PLFA含量随种植年限呈先增后降趋势。细菌/真菌和G⁺/G^-随种植年限增加呈下降趋势,与1 a相比,30 a时分别下降34.14%、38.87%。土壤pH与总PLFA、G^-、细菌、真菌呈显著负相关,与G ⁺ /G^-呈显著正相关;多酚氧化酶活性与真菌呈显著负相关,与细菌/真菌、G ⁺ /G^-呈显著正相关。本研究表明：花椒根际理化性质、酶活性和微生物群落结构随种植年限增加发生了显著变化,根际土壤pH、速效磷、速效钾、多酚氧化酶的变化是影响土壤微生物群落与组成的主要环境因子,真菌和G^-的增加及多酚氧化酶活性的降低可能是诱导花椒根腐病发生的重要原因。     

高山林线土壤微生物群落结构对模拟增温的响应

研究土壤微生物群落结构对模拟增温的响应,对预测全球气候变化背景下土壤碳氮磷循环具有重要意义.采用开顶式生长室(OTC)模拟增温,研究了土壤有机质层和矿质土壤层真菌(F)、细菌(B)、革兰氏阳性菌(G⁺)和革兰氏阴性菌(G^-)PLFAs微生物量,以及真菌/细菌(F/B)和革兰氏阴性菌/革兰氏阳性菌(G^-/G⁺)比值对模拟增温的响应.结果表明: OTC模拟增温使空气温度增加0.87 ℃,土壤有机质层温度增加0.5 ℃,矿质土壤层温度增加0.23 ℃.土壤有机质层微生物群落组成比矿质土壤层对模拟增温的响应更敏感.细菌比真菌对模拟增温的响应更加敏感,模拟增温显著影响了土壤有机质层的F/B和G^-/G⁺比值,对矿质土壤层的所有PLFAs含量或比值均没有显著影响.微生物的PLFAs含量及真菌/细菌和G^-/G⁺比值总体呈现非生长季低于生长季前期和生长季后期.冗余分析表明,土壤中的碳含量(可溶性有机碳DOC 12.1%、凋落物可溶性碳DC 9.5%和全碳TC 3%)是微生物群落结构的决定性因素,可溶性组分(DOC和DC)对微生物群落结构的影响大于全量养分(全碳和总氮).     

高CO2浓度、干旱及其互作对不同持绿型小麦幼苗的影响

以小麦持绿型品种‘烟农19'和非持绿型品种‘旱选3号'为试材,在开放式气室(OTC)内设置正常CO₂浓度(370 μmol·mol^-1)和高CO₂浓度(550 μmol·mol^-1),干旱(田间持水量的45%～55%)和灌溉(田间持水量的75%～85%),共4个环境处理,采用盆栽法研究高CO₂浓度、干旱及其互作对不同持绿型小麦幼苗生长性状、生物量积累和生理性状的影响。结果表明: 干旱显著抑制了小麦幼苗的生长发育;高CO₂浓度对小麦幼苗的生长发育有明显的促进作用,对分蘖数的影响更显著,干旱条件下高CO₂浓度使旱选3号和烟农19的分蘖数分别增加了61.0%和42.3%。两种水分条件下,高CO₂浓度显著增加了小麦幼苗的生物量,降低了幼苗叶片过氧化物酶和脯氨酸的含量。干旱条件下,高CO₂浓度表现出更好的“肥效作用”。此外,不同持绿型小麦品种对高CO₂浓度的响应存在差异,旱选3号对CO₂的响应更敏感。因此,在未来气候变化背景下,CO₂浓度升高时可以适当减少田间灌水量,合理利用水资源,还需注意选择适宜的品种。     

林下植被剔除对杉木林土壤呼吸和微生物群落结构的影响

以湖南会同地区26年生杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林为研究对象, 探讨剔除林下植被对土壤呼吸和微生物群落结构的影响。2012年6月将林下植被剔除后, 2012年7月-2014年7月每月测定一次土壤呼吸速率、5 cm土壤温度和含水量, 并分别于2013年7月和2014年7月测定了土壤微生物群落结构和土壤养分数据。研究结果表明: 杉木人工林土壤呼吸具有明显的季节变化规律, 且与5 cm深处的土壤温度呈极显著的正相关关系。林下植被剔除两年内土壤呼吸平均下降了32.8%, 2012年7月-2013年6月下降了42.9%, 2013年7月-2014年7月下降了22.2%。根据土壤呼吸与温度拟合的指数方程所计算出的土壤呼吸的温度敏感性Q₁₀值在对照区为2.10, 林下植被剔除区为1.87, 说明在杉木人工林系统中林下植被剔除2年降低了土壤呼吸的温度敏感性。此外, 林下植被剔除也改变了土壤微生物群落结构。林下植被剔除1年后, 土壤细菌的浓度没有发生改变, 但真菌的浓度降低, 导致真菌与细菌的浓度比值下降。此外, 革兰氏阳性细菌(G⁺)的浓度及其与革兰氏阴性菌(G^-)的比值升高。林下植被剔除2年后, G⁺浓度和G⁺与G^-的浓度比值降低。该研究表明林下植被剔除可以降低土壤呼吸, 从而减少土壤向大气中释放碳; 同时可改变土壤微生物群落结构, 而且其效应受作用时间的影响。     

CO2浓度升高和施氮条件下小麦根际呼吸对土壤呼吸的贡献

依托FACE技术平台, 采用稳定¹³C同位素技术, 通过将小麦(C₃作物)种植于长期单作玉米(C₄作物)的土壤上, 研究了大气CO₂浓度升高和不同氮肥水平对土壤排放CO₂的δ¹³C值及根际呼吸的影响. 结果表明: 种植小麦后土壤排放CO₂的δ¹³C值随作物生长逐渐降低, CO₂浓度升高200 μmol·mol^-1显著降低了孕穗、抽穗期(施氮量为250 kg·hm^-2, HN)与拔节、孕穗期(施氮量为150 kg·hm^-2, LN)土壤排放CO₂的δ¹³C值, 显著提高了孕穗、抽穗期的根际呼吸比例. 拔节至成熟期, 根际呼吸占土壤呼吸的比例在高CO₂浓度下为24%～48%(HN)和21%～48%(LN), 在正常CO₂浓度下为20%～36% (HN)和19%～32%(LN). 不同CO₂浓度下土壤排放CO₂的δ¹³C值和根际呼吸对氮肥增加的响应不同, CO₂浓度与氮肥用量在拔节期对根际呼吸的交互效应显著.     

干旱胁迫和CO2浓度升高条件下白羊草的光合特征

采用盆栽控制试验,研究了黄土丘陵区乡土种白羊草在不同水分水平(80%FC和40%FC)和CO₂浓度(375和750 μmol·m^-2·s^-1) 处理下的光合生理变化特征.结果表明： 干旱胁迫使白羊草的最大净光合速率(P_nmax)、表观量子效率(AQE)、气孔导度(g_s)、蒸腾速率(T_r)、最大光化学效率(F_v/F_m)、潜在光化学效率(F_v/F_o)和光合色素含量降低,丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量升高.水分充足条件下,与正常大气CO₂浓度相比,大气CO₂浓度倍增下白羊草的P_{n max}、MDA和Pro含量无显著差异.干旱胁迫下,CO₂浓度升高提高了白羊草的最大荧光(F_m)、F_v/F_m、F_v/F_o、叶绿素含量和AQE, P_nmax比正常CO₂浓度下高23.3%,差异达到显著水平,而MDA和Pro含量均显著降低.CO₂浓度升高对干旱胁迫引起的白羊草光合能力下降有一定的补偿作用,减轻了干旱胁迫对白羊草的伤害.     

高山森林土壤微生物群落结构和功能对模拟增温的响应

将高山森林土壤装入PVC管中(土壤有机层在上、矿质土壤层在下)培养10周,以高山森林土壤年均温为对照,采用室内人工气候箱分别模拟增温2和4 ℃,研究土壤微生物群落和土壤酶活性对温度升高的响应.结果表明: 温度升高显著降低了土壤有机层中细菌、矿质土壤层中革兰氏阴性菌(G^-)PLFAs含量,但对土壤真菌无显著影响.温度升高引起革兰氏阳性菌和阴性菌比值(G⁺/G^-)升高,改变了微生物群落结构.增温对漆酶、β-葡萄糖酶、酸性磷酸酶和N-乙酰葡糖胺糖苷酶活性没有显著影响.土壤微生物群落之间呈现出协同增长的趋势,真菌、细菌、G⁺、G^-等微生物群落之间均呈显著正相关.土壤有机层中β-葡萄糖苷酶与土壤微生物群落对碳源利用的竞争,导致β-葡萄糖苷酶活性与土壤有机层细菌、真菌、G⁺呈显著负相关.高山森林不同土壤微生物类群对增温的响应不同,细菌比真菌对温度的响应更敏感,真菌对增温有一定的耐受能力.     

秸秆、氮肥和食细菌线虫交互作用对土壤活性碳氮和温室气体排放的影响

采用3因素2水平交互设计室内恒温培养试验,通过调控秸秆施用、氮肥用量及食细菌线虫,探讨三者对土壤微生物生物量碳氮(C_mic和N_mic)、可溶性碳氮(DOC、DON)、矿质氮(NH₄⁺-N和NO₃^--N)及温室气体排放(CO₂、N₂O和CH₄)的交互影响.结果表明： 施用秸秆显著增加了食细菌线虫数量、C_mic和N_mic,而随着氮肥用量增加,C_mic和N_mic降低,食细菌线虫对C_mic和N_mic的影响则依赖于秸秆和氮肥用量.秸秆、氮肥和食细菌线虫对可溶性碳氮和矿质氮表现出强烈的交互作用,其中秸秆和氮肥均增加了DOC、NH₄⁺ -N和NO₃^--N;食细菌线虫对DOC的抑制作用和对矿质氮的促进作用达到显著水平.秸秆处理对CO₂、N₂O的促进及对CH₄的抑制均达到显著水平,而线虫和氮肥的影响则更多表现出交互作用.在培养第56天,有秸秆时,低量氮肥下食细菌线虫显著促进了CO₂的排放,而高量氮肥下则表现出对CO₂和N₂O显著的抑制作用.总之,土壤生态功能的发挥不可忽视土壤动物的作用.     

栽培模式对沙棘人工林土壤微生物群落结构和参与氮循环功能基因的影响

以沙棘×油松混交林、沙棘×侧柏混交林、沙棘×刺槐混交林、沙棘纯林的土壤为研究对象,对其土壤微生物种群结构、参与氮循环功能基因丰度进行了检测.结果表明: 沙棘与油松或侧柏混交能显著增加林地土壤总磷脂脂肪酸(总PLFA)、细菌脂肪酸(BPLFA)和革兰氏阳性菌脂肪酸(G⁺PLFA)含量,而真菌脂肪酸 (FPLFA)含量无明显变化.两种混交林地土壤的nifH、amoA、nirK和narG基因丰度明显高于沙棘纯林土壤.土壤总PLFA、G⁺PLFA、革兰氏阴性菌生物量(G^-PLFA)和4种功能基因的丰度均与土壤pH、土壤有机碳、总氮、NH₄⁺-N、速效钾呈显著正相关.不同栽培模式人工林土壤微生物群落和基因丰度的差异主要与土壤理化特性有关.沙棘与油松或侧柏混交为当地2种较好的栽培模式,能有效地改善土壤质量.     

利用海拔差异模拟增温对高山森林土壤溶解性有机碳和有机氮含量的影响

在2010年5月—2011年4月和2011年5月—2012年4月2个培养周期内,采用原状土柱野外控制试验,利用海拔梯度变化研究了温度增加对川西高山森林土壤溶解性有机碳(DOC)和有机氮(DON)动态的影响.结果表明: 经模拟增温处理(降低海拔)的土壤有机层和矿质土壤层DOC和DON含量在2个连续培养周期内的各关键时期均呈现明显的动态变化.海拔3300和3000 m样地比海拔3600 m 样地土层DOC含量分别增加6.8和26.6 mg·kg^-1.海拔3600、3300和3000 m样地土层DOC含量均在第1个培养周期的生长季末最高,分别为408.0、317.9和448.2 mg·kg^-1,在第2个培养周期的生长季节中期最低, 分别为33.1、32.4和36.5 mg·kg^-1.与海拔3600 m样地相比,海拔3300和3000 m样地土层DON含量分别增加2.3和30.4 mg·kg^-1.除海拔3000 m样地以外,海拔3600和3300 m样地土层DON含量在第1个培养周期内的生长季节中期最高,分别为65.9和64.6 mg·kg^-1,在第1个培养周期内的融化期最低,分别为31.9和37.1 mg·kg^-1.模拟增温处理增加了样地内土壤有机层DOC和DON含量,降低了矿质土壤层DOC含量、土壤有机层及矿质土壤层DOC/DON值.土壤有机层DOC/DON值与DOC含量呈显著正相关,与DON含量呈显著负相关;矿质土壤层DOC/DON值与DOC含量呈显著负相关,与DON含量呈显著正相关.未来全球气候变暖可能通过影响高寒森林土壤温度和冻融循环格局,增加整个土层DOC和DON含量,进而影响高寒森林土壤碳、氮循环过程.     

CO2加富下水氮耦合对黄瓜叶片光合作用和超微结构的影响

以‘津优35号’黄瓜为试材,采用裂区-再裂区设计,研究了CO₂加富下水氮耦合对黄瓜叶片光合作用和超微结构的影响.主区设大气CO₂浓度(400 μmol·mol^-1,A)和加富CO₂浓度(800±20 μmol·mol^-1,E)2个CO₂浓度处理,裂区设无干旱胁迫(田间持水量的95%,W)和干旱胁迫(田间持水量的75%,D)2个水分处理,再裂区设施氮量450 kg·hm^-2(低氮,N₁)和900 kg·hm^-2(高氮,N₂)2个氮素处理.结果表明: 在干旱和高氮条件下,CO₂加富提高了黄瓜的株高,且使高氮下的叶面积显著增加.正常灌溉条件下,高氮处理的光合速率、气孔导度和蒸腾速率高于低氮处理,而干旱条件下则相反;CO₂加富提高了黄瓜叶片的水分利用效率,并且随着施氮量的增加,其水分利用效率提高.干旱胁迫下,黄瓜近轴面气孔密度增加,而CO₂加富和高氮却显著降低了气孔密度.高氮处理增加了黄瓜叶片叶绿体数量而减少了淀粉粒数量,干旱胁迫使叶绿体数量减少,但使淀粉粒数量呈上升趋势.干旱胁迫增加了叶绿体长度和宽度,显著增加了淀粉粒的大小,而高氮降低了叶绿体和淀粉粒的长度和宽度.CO₂加富和高氮均使基粒厚度和片层数增加(ADN₂除外),并且EDN₂处理的片层数显著高于ADN₂.综上所述,CO₂加富和适宜的水、氮条件能促进黄瓜叶片叶绿体类囊体膜系的发育,显著增加基粒厚度和基粒片层数,有效改善黄瓜的叶绿体结构,增强光合性能,提高黄瓜植株对CO₂和水、氮的吸收利用能力.     

CO2加富下水氮耦合对黄瓜叶片光合作用和超微结构的影响

以‘津优35号’黄瓜为试材,采用裂区-再裂区设计,研究了CO₂加富下水氮耦合对黄瓜叶片光合作用和超微结构的影响.主区设大气CO₂浓度(400 μmol·mol^-1,A)和加富CO₂浓度(800±20 μmol·mol^-1,E)2个CO₂浓度处理,裂区设无干旱胁迫(田间持水量的95%,W)和干旱胁迫(田间持水量的75%,D)2个水分处理,再裂区设施氮量450 kg·hm^-2(低氮,N₁)和900 kg·hm^-2(高氮,N₂)2个氮素处理.结果表明: 在干旱和高氮条件下,CO₂加富提高了黄瓜的株高,且使高氮下的叶面积显著增加.正常灌溉条件下,高氮处理的光合速率、气孔导度和蒸腾速率高于低氮处理,而干旱条件下则相反;CO₂加富提高了黄瓜叶片的水分利用效率,并且随着施氮量的增加,其水分利用效率提高.干旱胁迫下,黄瓜近轴面气孔密度增加,而CO₂加富和高氮却显著降低了气孔密度.高氮处理增加了黄瓜叶片叶绿体数量而减少了淀粉粒数量,干旱胁迫使叶绿体数量减少,但使淀粉粒数量呈上升趋势.干旱胁迫增加了叶绿体长度和宽度,显著增加了淀粉粒的大小,而高氮降低了叶绿体和淀粉粒的长度和宽度.CO₂加富和高氮均使基粒厚度和片层数增加(ADN₂除外),并且EDN₂处理的片层数显著高于ADN₂.综上所述,CO₂加富和适宜的水、氮条件能促进黄瓜叶片叶绿体类囊体膜系的发育,显著增加基粒厚度和基粒片层数,有效改善黄瓜的叶绿体结构,增强光合性能,提高黄瓜植株对CO₂和水、氮的吸收利用能力.