外源输入碳在生物结皮土壤各碳组分中的分配特征

研究外源新输入碳进入生物结皮后在各碳组分间的分配特征,可以为理解生物结皮参与碳地球化学循环过程提供数据支持和理论依据。本研究针对黄土高原典型苔藓生物结皮,借助¹³C脉冲标记技术,精确示踪外源新输入碳在生物结皮碳组分中的分配特征及其与无结皮裸地的差异,揭示生物结皮对碳循环的影响。结果表明: 1)由于生物结皮养分循环速率较慢,且与维管束植物相比,其主要生物成分苔藓的生物量有限,导致生物结皮各碳组分的¹³C丰度值均随时间变化表现相对平稳。2)生物结皮的各碳组分¹³C含量均明显高于无结皮裸地,其有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳中¹³C含量平均分别为0.258、0.078、0.004 mg·kg^-1,分别比裸地高3.1、18.5、2.6倍,且苔藓植株¹³C含量高达1.45 mg·kg^-1。3)生物结皮改变了有机碳各组分的分配特征,其新同化的碳主要分配于活性有机碳库和结皮生物中,表现为¹³C在微生物生物量碳中的分配率(30.6%)高于可溶性有机碳(1.7%),而苔藓植株的¹³C分配率为20.3%。4)生物结皮中微生物生物量¹³C的转移量和库容量分别是裸地的15.7和19.5倍,但其周转率(每月2.94次)略低于裸地(每月3.30次),相应周转期是裸地的1.1倍。综上,生物结皮改变了土壤有机碳组分的分配特征,提升了碳周转速率,在干旱荒漠生态系统碳循环中的作用不容忽视。     

生物土壤结皮演替对土壤生态化学计量特征的影响

生物土壤结皮(生物结皮)是干旱半干旱地区重要的地表覆被物,能够固定碳氮,影响养分循环,从而可能引起土壤化学计量特征的变化。以黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮为研究对象,研究该区生态恢复初期生物结皮演替对土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量特征的影响。结果表明:(1)生物结皮显著增加了生物结皮层C、N、P含量,后期藓结皮较初期藻结皮C、N、P含量分别增加了161%、127%和9%,均显著高于其下0—10 cm土壤;(2)土壤C/N随着生物结皮演替变化较小,范围为10.0—11.8,C/P和N/P在演替后期分别是初期的2.4倍和2.1倍,均显著高于其下0—10 cm土壤;(3)生物结皮土壤C/N、C/P与N/P受坡向影响较大,并与藓生物量显著正相关,与土壤容重显著负相关;(4)生物结皮显著影响土壤C、N、P含量及其化学计量特征,使生物结皮层显著不同于其下层土壤及裸地;(5)生物结皮演替加速表层土壤养分恢复,影响程度可至其下2 cm土层。研究初次从土壤化学计量特征的角度揭示生物结皮对土壤养分循环的贡献,对干旱半干旱地区生态修复和管理具有指导意义。     

短期放牧干扰对黄土丘陵区生物结皮土壤氮素累积的影响

通过野外调查结合室内分析,研究了黄土丘陵区模拟放牧干扰半年和一年后生物结皮土壤全氮、速效氮和微生物生物量氮累积的变化,以期揭示生物结皮土壤氮素对干扰响应的敏感性.结果表明: 生物结皮土壤氮素对干扰响应敏感,短期干扰可导致土壤全氮、速效氮和微生物生物量氮含量降低.干扰半年后,生物结皮层全氮和速效氮含量较不干扰分别下降0.17～0.39 g·kg^-1、1.78～5.65 mg·kg^-1;干扰一年后,分别下降0.13～0.40 g·kg^-1、11.45～32.68mg·kg^-1,生物结皮层微生物生物量氮下降69.99～330.97 mg·kg^-1,0～2 cm土壤微生物生物量氮增加25.51～352.17 mg·kg^-1.干扰对生物结皮土壤氮素累积的影响与干扰强度有关,20%和30%干扰强度下生物结皮层氮素累积变化不显著,40%和50%干扰强度下生物结皮层氮素累积显著降低.短期干扰降低了生物结皮层氮素累积,但表层5 cm土壤氮素含量变化不显著.     

黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响

生物结皮是土壤表面具有光合活性的致密复合层,是土 气界面CO₂通量的影响因子之一.本文采用改进的Li-8100土壤碳通量测量系统,研究了黄土丘陵区退耕地上不同演替阶段生物结皮对土壤CO₂通量的影响.结果表明: 光照条件下,生物结皮土壤CO₂通量较除去生物结皮显著下降,其中藻结皮和藓结皮分别下降了92%和305%;生物结皮对土壤CO₂通量的降低程度与其生物组成和生物量有关,深色藻结皮和藓结皮土壤CO₂通量较裸地分别降低了141%和484%.生物结皮土壤CO₂通量的日变化呈降低-升高-降低的趋势,而裸地CO₂通量日变化趋势为单峰曲线,藻结皮、藓结皮的碳吸收峰值分别出现在8:00和9:00前后,其CO₂通量分别为0.13和-1.02 μmol CO₂·m^-2·s^-1;藻结皮24 h CO₂通量排放总量较裸地增加7.7%,而藓结皮减少了29.6%.生物结皮对土壤CO₂通量的影响显著,在评价退耕地土壤碳循环时,应考虑生物结皮的影响.     

植被恢复过程中芒萁覆盖对侵蚀红壤氮组分的影响

氮素是限制陆地生态系统生产力的重要因子。采用时空代换法,以红壤侵蚀区未治理、恢复12年和30年的马尾松林为研究对象,对比分析了林下芒萁覆盖地与裸地表层土壤之间氮同位素、不同形态氮组分含量以及不同组分氮含量所占比例之间的差异。结果表明:在所有马尾松林中,芒萁覆盖增加了表层土壤的全氮含量,δ~(15)N值则比林下裸地显著降低了33. 8%—83.1%(P0.05)。随着恢复年限增加,林下芒萁覆盖地表层土壤δ~(15)N值显著下降,而林下裸露地δ~(15)N值没有显著变化(P0.05)。不同恢复年限马尾松林的芒萁覆盖地表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量显著高于林下裸地(P 0.05),而硝态氮含量则显著低于林下裸地(P0.05)。随恢复年限增加,表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮、铵态氮含量均呈增加趋势,而硝态氮含量则呈下降趋势,不同形态氮占全氮比例表现为:微生物生物量氮铵态氮可溶性有机氮硝态氮。相关分析表明土壤δ~(15)N值与硝态氮极显著正相关,与其他氮组分极显著负相关(P0.01)。由此可见,与林下裸地相比,芒萁覆盖在植被恢复过程中有助于提高表层土壤中全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量,降低硝态氮的淋溶损失风险,促进土壤氮保持和积累,从而有利于退化红壤生态系统的恢复。     

铜尾矿废弃地生物土壤结皮固氮微生物多样性

生物土壤结皮能够有效提高矿业废弃地有机质和氮的积累,促进植被的恢复.本研究基于固氮微生物的nifH基因多样性,以铜陵铜尾矿废弃地3种类型的生物土壤结皮(藻结皮、藓结皮和藻-藓混合结皮)为对象,利用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术研究生物土壤结皮中固氮微生物的多样性以及废弃地植物群落发育对其产生的影响.结果表明： 尾矿库裸地表面的藻结皮的固氮微生物多样性最高,其次为维管植物群落下的藻-藓混合结皮,苔藓结皮的固氮蓝藻多样性最低;随着维管植物群落高度和盖度的增加,固氮微生物多样性降低,铜尾矿废弃地的pH、水分、有机质、养分含量(氮和磷)以及有效态和总重金属浓度对固氮微生物多样性的影响均不显著.测序和系统发育分析表明,废弃地结皮中固氮微生物以蓝藻为主,主要为不具有异形胞的丝状蓝藻.
     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对土壤氮库垂直分布特征的影响

生物土壤结皮在干旱区氮素地球化学循环中具有重要作用,研究不同生物土壤结皮下不同形态氮素含量的变化,解析生物土壤结皮对土壤养分影响过程和范围,有助于进一步理解生物土壤结皮的生态功能。本研究以古尔班通古特沙漠藻-地衣混生结皮和藓类结皮两种生物土壤结皮为研究对象,以裸沙为对照,测定生物土壤结皮层和0—100 cm内8个土层全氮、无机氮、可溶性有机氮、游离态氨基酸氮、微生物生物量氮等氮库含量,和土壤脲酶、硝酸盐还原态酶、亮氨酸氨基肽酶等土壤胞外酶活性。结果表明：1)结皮层各形态氮素含量和各土壤酶活性显著高于其下层土壤,结皮层和结皮下各层土壤氮库整体上表现为藓类结皮>藻-地衣混生结皮>裸沙;土壤氮库各形态氮素含量和土壤酶活性在垂直分布上均呈现先显著下降(0—20 cm)后稳定(20—100 cm)的趋势;在20—30 cm土层,除裸沙的无机氮、铵态氮以及藻-地衣混生结皮的硝态氮外,其余速效氮(无机氮、硝态氮、铵态氮)含量具有增加的特点。2)土壤各氮库含量与全磷、有机碳、电导率、土壤脲酶和亮氨酸氨基肽酶活性呈正相关,与pH、土壤含水率呈负相关。3)利用氮循环相关指标建立土壤氮循环多功能...     

大气沉降氮在土壤-植物系统中的留存机制

大气沉降氮在土壤和植物中的留存特征，是陆地生态系统氮截获和持续供应的关键。采用稳定性氮同位素技术标记¹⁵NO₃^-和¹⁵NH₄⁺,可以量化两种形态沉降氮的归趋动态。国内外氮同位素示踪试验的主要特点是氮添加量小(多小于250 mg ¹⁵N·m^-2),运行时间短(少于48个月),¹⁵NO₃^-和¹⁵NH₄⁺归趋的对比研究少。大气沉降氮中NO₃^-和NH₄⁺在生态系统中的留存，会因植物吸收偏好、微生物-植物氮竞争状况和生物-非生物固定过程的差异而不同。已有的研究表明，持续周转的微生物生物量氮是外源氮转化和固持的主要场所之一，土壤微生物偏好吸收利用NH₄⁺,而非NO<...     

矮化苹果氮肥施用技术

以8年生烟富3/M26/平邑甜茶为试材,采用¹⁵N同位素示踪技术,研究不同施氮方式(Ⅰ:春季1次性施氮,Ⅱ:分2次施氮,Ⅲ:集约技术施氮,即氮肥减量和分次施氮)对烟富3/M26/平邑甜茶¹⁵N-尿素吸收、利用、损失和果实品质的影响.结果表明:处理Ⅲ植株叶片的叶面积、叶绿素含量(SPAD)、光合速率(P_n)、叶片全氮含量和生物量(果实除外)显著高于处理Ⅰ和处理Ⅱ,植株根冠比也显著增加.处理Ⅲ显著提高了叶片的保护酶活性(超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶),降低了叶片丙二醛(MDA)含量.3个处理各器官从肥料中吸收分配到的¹⁵N量对该器官全氮量的贡献率(Ndff)表现一致,果实的Ndff值最大,其次是一年生枝、叶片和根,且各器官的Ndff值均以处理Ⅲ最大.在果实成熟期,处理Ⅲ的单株总氮含量为93.0 mg·kg^-1,显著高于处理Ⅰ(70.2 mg·kg^-1)和处理Ⅱ(81.9 mg·kg^-1);处理Ⅲ的¹⁵N肥料利用率为33.6%,显著高于处理Ⅰ(20.4%)和处理Ⅱ(26.0%);而¹⁵N损失率为46.9%,显著低于处理Ⅰ(56.5%)和处理Ⅱ(52.9%).不同施氮方式下植株的平均单果质量、可溶性固形物、硬度、可溶性糖、可滴定酸、糖酸比均存在显著差异,且均以处理Ⅲ最高,其次是处理Ⅱ,处理Ⅰ最低.     

矮化苹果氮肥施用技术

以8年生烟富3/M26/平邑甜茶为试材,采用¹⁵N同位素示踪技术,研究不同施氮方式(Ⅰ:春季1次性施氮,Ⅱ:分2次施氮,Ⅲ:集约技术施氮,即氮肥减量和分次施氮)对烟富3/M26/平邑甜茶¹⁵N-尿素吸收、利用、损失和果实品质的影响.结果表明: 处理Ⅲ植株叶片的叶面积、叶绿素含量(SPAD)、光合速率(P_n)、叶片全氮含量和生物量(果实除外)显著高于处理Ⅰ和处理Ⅱ,植株根冠比也显著增加.处理Ⅲ显著提高了叶片的保护酶活性(超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶),降低了叶片丙二醛(MDA)含量.3个处理各器官从肥料中吸收分配到的¹⁵N量对该器官全氮量的贡献率(Ndff)表现一致,果实的Ndff值最大,其次是一年生枝、叶片和根,且各器官的Ndff值均以处理Ⅲ最大.在果实成熟期,处理Ⅲ的单株总氮含量为93.0 mg·kg^-1,显著高于处理Ⅰ(70.2 mg·kg^-1)和处理Ⅱ(81.9 mg·kg^-1);处理Ⅲ的¹⁵N肥料利用率为33.6%,显著高于处理Ⅰ(20.4%)和处理Ⅱ(26.0%);而 ¹⁵N损失率为46.9%,显著低于处理Ⅰ(56.5%)和处理Ⅱ(52.9%).不同施氮方式下植株的平均单果质量、可溶性固形物、硬度、可溶性糖、可滴定酸、糖酸比均存在显著差异,且均以处理Ⅲ最高,其次是处理Ⅱ,处理Ⅰ最低.     

等量分次施氮对冬枣15N和13C利用与分配特性的影响

以4年生盆栽冬枣为试材,采用¹³C、¹⁵N双标记示踪技术,在果实发育期研究了等氮量分次追施氮肥对冬枣植株¹⁵N和¹³C吸收、利用、积累和分配的影响.结果表明: 至果实采收期,冬枣各器官Ndff值(植株器官从肥料中吸收分配到的¹⁵N量对该器官全氮量的贡献率)随追氮次数的增多而显著增大.生殖器官(果实)和营养器官(叶片、枣吊、新生枣头枝和细根)的¹⁵N分配率以4次追氮处理最高,1次追氮处理最低,贮藏器官(主干、多年生枝和粗根)¹⁵N分配率的趋势相反;4次追氮处理¹⁵N利用率分别比1次和2次追氮处理高27.4%和15.5%.追氮次数越多,植株总氮量和¹⁵N吸收量越大;随时间的推移,1次追氮处理土壤¹⁵N丰度和总氮含量持续降低,2次追氮处理呈先升高后降低的趋势,4次追氮处理变化相对最为平稳,至处理后期显著高于其他处理;果实白熟至采收期,叶片叶绿素、氮含量和净光合速率均表现为4次追氮>2次追氮>1次追氮.不同处理¹³C同化物积累与分配不同.4次追氮处理¹³C固定总量分别是1次和2次追氮处理的1.1和1.2倍.增加追氮次数,促进了¹³C同化物向果实和贮藏器官的转移,而减少了向当年生营养器官的分配.综上,果实发育期4次追氮通过保证根层稳定、充足的氮素供应,提高了对氮素的吸收和利用,进而维持了较高的净光合速率,促进并优化了光合同化物的积累和分配,最有利于冬枣树体的生长及产量和品质的提高.     

等量分次施氮对冬枣15N和13C利用与分配特性的影响

以4年生盆栽冬枣为试材,采用¹³C、¹⁵N双标记示踪技术,在果实发育期研究了等氮量分次追施氮肥对冬枣植株¹⁵N和¹³C吸收、利用、积累和分配的影响.结果表明: 至果实采收期,冬枣各器官Ndff值(植株器官从肥料中吸收分配到的¹⁵N量对该器官全氮量的贡献率)随追氮次数的增多而显著增大.生殖器官(果实)和营养器官(叶片、枣吊、新生枣头枝和细根)的¹⁵N分配率以4次追氮处理最高,1次追氮处理最低,贮藏器官(主干、多年生枝和粗根)¹⁵N分配率的趋势相反;4次追氮处理¹⁵N利用率分别比1次和2次追氮处理高27.4%和15.5%.追氮次数越多,植株总氮量和¹⁵N吸收量越大;随时间的推移,1次追氮处理土壤¹⁵N丰度和总氮含量持续降低,2次追氮处理呈先升高后降低的趋势,4次追氮处理变化相对最为平稳,至处理后期显著高于其他处理;果实白熟至采收期,叶片叶绿素、氮含量和净光合速率均表现为4次追氮>2次追氮>1次追氮.不同处理¹³C同化物积累与分配不同.4次追氮处理¹³C固定总量分别是1次和2次追氮处理的1.1和1.2倍.增加追氮次数,促进了¹³C同化物向果实和贮藏器官的转移,而减少了向当年生营养器官的分配.综上,果实发育期4次追氮通过保证根层稳定、充足的氮素供应,提高了对氮素的吸收和利用,进而维持了较高的净光合速率,促进并优化了光合同化物的积累和分配,最有利于冬枣树体的生长及产量和品质的提高.     

控释氮肥和袋控肥对‘王林’苹果15N-尿素利用及其在土壤累积的影响

以6年生‘王林’/SH6/八棱海棠为试验材料,采用¹⁵N同位素示踪技术,研究了普通尿素(CU)、袋控缓释肥(BCRF)和控释氮肥(CRNF)对¹⁵N-尿素吸收、利用、损失和0～80 cm土层氮素累积动态的影响.结果表明: CRNF和BCRF处理较CU处理均明显提高了苹果生长后期土壤无机氮含量、果实成熟期叶片的SPAD值、氮含量、净光合速率和植株各器官对氮的吸收能力(Ndff值),但CRNF影响更显著.在0～40 cm土层不同物候期¹⁵N残留量呈降低趋势,均以CRNR最高,BCRF次之,CU最低,且CRNF降幅平缓,¹⁵N残留量主要集中在0～40 cm土层;在40～80 cm 土层不同物候期¹⁵N残留量呈增加趋势,均以CU最高,BCRF次之,CRNF最低,且CRNF增幅平缓.在果实成熟期,CRNF的¹⁵N肥料利用率为32.6%,分别是BCRF和CU 的1.11、1.56倍,而¹⁵N损失率为21.6%,显著低于BCRF(35.6%)和CU(59.6%).CRNF显著提高了果实产量,改善了果实品质,增加了经济效益.     

草甸草原土壤与植物系统自然丰度氮稳定同位素的年际变化及其指示作用

氮是陆地生态系统生产力的首要限制性养分,利用自然丰度δ¹⁵N(¹⁵N/¹⁴N)可以有效指示生态系统氮循环过程。本试验研究了内蒙古草甸草原土壤与植物系统自然丰度δ¹⁵N、土壤净氮矿化潜势的年际变化。结果表明: 2017—2020年,土壤NO₃^--N含量(9.83～14.79 mg·kg^-1)均显著高于NH₄⁺-N含量(3.92～5.00 mg·kg^-1);土壤NH₄⁺的δ¹⁵N值(13.3‰～18.3‰)显著高于NO₃^-的δ¹⁵N值(3.76‰～6.14‰),土壤NO₃^-的δ¹⁵N值与土壤NO₃^-含量呈显著负相关;干旱年NH₄⁺的δ¹⁵N值相对较高,降水较高或较低年NO₃^-的δ¹⁵N值显著降低。干旱年土壤净氮矿化速率、净氨化速率显著高于湿润年,而土壤硝化速率与年降水量无显著相关性。植物δ¹⁵N值与土壤δ¹⁵N值无显著相关性,但与植物N含量呈显著负相关;豆科植物与非豆科植物δ¹⁵N值、N含量均呈显著正相关,在一定程度上表明豆科植物对非豆科植物的N吸收具有促进作用。研究结果可为草原土壤-植物系统氮循环过程及其对降水变化的响应提供数据支撑。     

较长时间内15N标记的氨态氮和硝态氮在小嵩草草甸中的运移规律

运用15N稳定性同位素技术,对15N标记的硝酸盐和铵盐在输入小嵩草(Kobresia pygaea C.B.Clarke)草甸11～13个月后的运移规律进行了研究.在经历11～13个月后,进入无机氮库中的15N很少,一般不超过所输入氮素的l%,而较多的1 5N为土壤有机质、土壤微生物和植物所固持.NO3--15N和NH4 -1 5N在小嵩草草甸中的运移规律差异很大.在11、12和13个月后,NO3--15N的总恢复率分别为92.83%、92.64%和79.96%;而NH4 -15N的则分别为49.6%、63.33%和66.22%.两者的差异在土壤有机质、土壤微生物和植物等库之间的分配中更加明显.输入NO3--15N时在11、12个月后植物所固持的15N最多,而土壤微生物和土壤有机质所固持的15N比较接近,而在13个月后,土壤有机质和植物所固持的15N接近,而土壤微生物所固持的15N下降许多;当输入NH4 -15N,土壤有机质所固持的1 5N比植物和土壤微生物所固持的都多,而且植物所固持的15N比较稳定,而土壤微生物所固持的15N则有较大变化.这表明在较长的时间内嵩草草甸对NO3-和NH4 的固持能力是不一样的.     

少花蒺藜草入侵对沙质草地氮库的影响

以我国北方大面积发生的入侵植物少花蒺藜草为对象,研究了其对科尔沁沙质草地土壤氮库和地上植物氮库的影响,并在室内条件下,以自然生境中少花蒺藜草伴生牧草披碱草和扁穗冰草为对照,利用¹⁵N同位素技术分析了少花蒺藜草的生物固氮能力.结果表明:与对照裸地和本地植物鹅观草样地相比,少花蒺藜草入侵地土壤总氮库分别显著增加47.5%和20.8%,土壤铵态氮库分别显著降低25.6%和25.2%.与鹅观草相比,少花蒺藜草地上部分植物氮库显著降低18.7%.少花蒺藜草的¹⁵N原子丰度、¹⁵N原子百分超、¹⁵N原子加权百分超均显著低于披碱草和扁穗冰草.少花蒺藜草和披碱草的氮肥利用率分别为48.5%和47.0%,差异不显著.与披碱草相比,少花蒺藜草生物固氮率为60.2%Ndfa.少花蒺藜草对氮素高效利用的特征,揭示了其适应沙质草地生态系统并蔓延的一种生态适应机制.     

土壤碳氮比对平邑甜茶幼苗生长和碳氮分配的影响

为探讨土壤碳氮比(C:N)对苹果(Malus pumila)植株生长和碳氮分配特性的影响, 采用碳氮双标记示踪技术, 以二年生平邑甜茶(Malus hupehensis)幼苗为试验材料, 研究了6个不同土壤C:N处理(T1-T6分别为4.70、9.78、14.70、19.96、25.60和28.83)下平邑甜茶的生长状况和氮素吸收、利用分配以及碳水化合物的运转特性。结果表明, 随着土壤C:N的逐渐增大, 平邑甜茶幼苗根系干重逐渐增加, 而株高、茎粗、地上部干重和植株总干重呈先增加后降低的趋势, 以T4处理最大。土壤C:N显著影响了平邑甜茶幼苗的 ¹⁵N利用率, 从T1到T4处理, 植株的 ¹⁵N利用率逐渐升高, T4处理(18.46%)是T1处理(10.65%)的1.73倍; 随着土壤C:N的进一步增加, 植株的 ¹⁵N利用率逐渐降低, T5和T6处理分别比T4处理降低了1.59%和2.58%。土壤C:N较低的T1和T2处理, 平邑甜茶幼苗各器官从肥料中吸收分配到的 ¹⁵N量对该器官全氮量的贡献率(Ndff)大小顺序为根>叶>茎, 随着土壤C:N的进一步增大, 叶片的Ndff均为最大, 其次是根, 茎最少。随着土壤C:N的增大, 叶片 ¹⁵N分配率逐渐升高, ¹³C分配率逐渐降低; 而根系 ¹⁵N分配率逐渐降低, ¹³C分配率逐渐升高。综合考虑植株生长和氮素利用状况, 本试验条件下适宜平邑甜茶生长的土壤C:N为21-23。     

栓皮栎叶片δ13C和δ15N的纬向趋势及其影响因子

以东亚广布种栓皮栎为例,通过对南北样带(26°-40° N)上7个群体的调查取样,并结合2个生活史阶段,探讨栓皮栎碳氮同位素比值随纬度环境的变异规律.结果表明: 在纬向梯度上,栓皮栎叶片δ¹³C和δ¹⁵N随纬度的增加分别呈现非线性的增加和下降趋势,且成年树叶片δ¹³C和δ¹⁵N均显著高于幼树;同时,树龄和纬度对叶片δ¹⁵N和δ¹³C均无显著交互作用,表明栓皮栎幼树和成年树纬向环境变化的响应较为一致.随机森林模型结果显示,栓皮栎叶片δ¹⁵N主要受土壤养分,如土壤有机质、磷和氮含量的影响,而叶片δ¹³C主要受水分因子,如空气相对湿度、降水量等的影响.     

13C and 15N isotopic signatures of plant-soil continuum along a successional gradient in Dinghushan Biosphere Reserve

Aims The optimal patterns of plant community for water use and nutrient utilization, the responses of soil carbon and nitrogen turnover processes to forest succession, and the mechanisms of soil organic carbon accumulation, are three critical issues in forest ecosystem study. It is difficult to accurately detect these ecological processes with conventional methodologies in the short term, yet the application of ¹³C and ¹⁵N natural abundance technique may yield important information about these processes.Methods This study was conducted in Dinghushan Biosphere Reserve. We investigated the natural isotopic abundance of both ¹³C and ¹⁵N of plant-soil continuum along a successional gradient from Pinus massoniana forest (PF) to coniferous and broad-leaved mixed forest (MF), and monsoon evergreen broad-leaved forest (BF). We also analyzed the correlations of foliar stable carbon isotope ratio (δ¹³C) and stable nitrogen isotope ratio (δ¹⁵N) with foliar elemental contents and the variations of soil δ¹³C and δ¹⁵N along soil profiles at different successional stages.Important findings A significant positive correlation between foliar δ¹³C and foliar C:N was observed. In both litter and soil, the δ¹³C values tended to decrease along the forest succession, with the order as PF > MF > BF. Foliar δ¹⁵N was positively correlated with foliar N content. The δ¹⁵N values of litter and upper soil (0-10 cm) increased with successional status. Both soil δ¹³C and δ¹⁵N values increased with increasing soil depth at all three forests. Our results imply that 1) trade-off between water use efficiency and nitrogen use efficiency did not necessarily exist in subtropical forests of China; 2) the application of isotopic technique could assist understanding of the mechanisms of soil carbon accumulation in subtropical forests, especially in old-grow forests; 3) the ¹⁵N natural abundance of plant-soil continuum could be a potential indicator of soil nitrogen availability and ecosystem nitrogen saturation status.