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。     

川西亚高山不同演替阶段天然次生林土壤碳氮含量及酶活性特征

为了解次生林自然更新演替过程中土壤碳氮含量及酶活性的变化规律, 采用空间代替时间的方法, 在川西亚高山米亚罗林区选取环境条件基本一致的20世纪60、70和80年代采伐迹地自然更新演替的次生林(60-NSF、70-NSF和80-NSF)和岷江冷杉(Abies faxoniana)原始林(对照, CK)为对象, 研究了表层(0-20 cm)土壤碳氮含量和土壤酶活性的关系。结果表明: 表层土壤有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、轻组有机碳(LFOC)含量均随森林植被更新演替呈显著降低趋势, 而全氮(TN)和可溶性有机氮(DON)含量则表现为60-NSF < 80-NSF < 70-NSF, 但70-NSF和80-NSF间差异不显著; 次生林表层土壤有机碳氮及其活性组分含量均低于CK, 其中80-NSF的DOC和DON含量与CK差异不显著。次生林的β-葡萄糖苷酶(βG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和多酚氧化酶(PHO)活性均显著低于CK, 纤维素水解酶(CBH)和过氧化物酶(PEO)活性与CK无显著差异; 天然次生林中, 60-NSF的βG和CBH活性显著低于70-NSF和80-NSF; 80-NSF的NAG活性显著高于60-NSF和70-NSF; 4种林型之间的PEO活性无显著性差异。Pearson相关分析和冗余分析显示, 土壤TN、LFOC和DOC含量与土壤酶活性显著相关, 其中TN含量解释了酶活性变化的65.4%, 说明土壤氮含量变化可能会影响到土壤碳的水解酶活性, 同时也表明土壤微生物优先利用易分解碳和氮。因此, 次生林近60年的天然更新演替引起了TN、LFOC及DOC含量的显著下降, 导致表层土壤某些胞外酶(如βG、CBH和NAG)活性降低。从土壤酶活性角度看, 岷江冷杉原始林比早期演替阶段的次生林(<60 a)更有利于川西亚高山高海拔森林生态系统的碳氮循环。     

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.     

亚热带典型林分对表层和深层土壤可溶性有机碳、氮的影响

林分类型是影响土壤可溶性有机碳、氮库大小的重要因素,但目前对其研究主要集中在表层土壤(0～10 cm).本研究以亚热带地区天然林、毛竹林、格式栲人工林和杉木人工林为对象,用3种不同的浸提方式(冷水、热水和KCl溶液)提取表层(0～10 cm)和深层(40～60 cm)土壤中可溶性有机碳(DOC)和有机氮(DON),研究林分类型对表层和深层土壤可溶性有机碳、氮库的影响.结果表明: 林分类型对表层土壤DOC及其占土壤总有机碳(TOC)的比重有显著影响,深层土壤受林分类型的影响不显著;不同林分土壤DON含量仅在表层土壤存在显著差异,在深层土壤差异不显著.林分间土壤微生物生物量碳的差异仅在表层土壤达到显著水平.DON占土壤总氮(TN)的比重在各林分表层和深层土壤间差异均不显著.3种浸提方法得到的DOC和DON库大小顺序为热水>KCl>冷水,不同浸提方法得到的DOC库及DON库的相关性均达到显著水平,表明冷水、热水和KCl溶液浸提得到的有机碳、氮库含有相似组分.冷水和热水浸提方法得到的表层土壤DOC和DON含量及DOC占TOC比重在天然林和毛竹林均显著大于格式栲和杉木人工林,表明天然林和毛竹林土壤可溶性有机碳、氮含量高于格式栲和杉木人工林,更有利于土壤肥力的恢复.     

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.     

亚热带米槠林不同更新方式对土壤可溶性有机质降解性的影响

可溶性有机质(DOM)的生物降解性影响着土壤有机质的存留和释放,对深入认识森林土壤养分循环意义重大。为探究森林更新对土壤DOM降解特征的影响,选取亚热带地区米槠天然林(NF)、米槠次生林(SF)和米槠人工促进天然更新林(AR)土壤DOM溶液为研究对象,进行室内降解(42 d)试验。结果表明: 1)3种林分土壤可溶性有机碳(DOC)的降解率和易降解DOC的比例均为SF>AR>NF;可溶性有机氮(DON)和微生物生物量碳(MBC)是显著影响易降解DOC比例的因子;2)难降解组分占3种林分土壤DOC的大部分(72.3%～94.6%),其周转时间长,有利于稳定土壤有机质(SOC)的形成;3)土壤DOM最初的腐殖化指数(HIX_em)会影响易降解DOC的周转时间。DOM光谱结构随降解过程呈现动态变化,说明DOM中易降解组分被消耗完后,微生物会转而降解芳香类和疏水性物质以获取碳源。综上,米槠天然林更新为次生林和人促林后增加了易降解DOC的比例,提高了土壤DOM生物可降解性,不利于SOC的积累。     

万木林自然保护区不同林分土壤可溶性有机氮含量

对福建建瓯万木林自然保护区内细柄阿丁枫天然林(ALG)、米槠天然林(CAC)和35年生杉木人工林(CUL)土壤可溶性有机氮含量(SON)进行了研究.结果表明:3种林分中,ALG0～5cm、5～10cm和10～20cm层土壤SON含量最高,分别为95.3、78.3和72.5mg.kg-1,且与其余林分差异显著(P0.05);而CAC与CUL各土层SON含量分别为74.5、70.1、65.6mg.kg-1和78.6、68.9、69.1mg.kg-1.CAC、CUL和ALG在0～20cm土层的SON含量分别占可溶性总氮(TSN)组分的79.17%～80.78%、68.64%～74.51%和59.97%～69.66%,随着土层加深,3种林分SON含量占土壤TSN和全氮(TN)含量的比例不断增大;SON与土壤有机碳含量极显著相关(r=0.982,P0.01),与TSN、TN、铵态氮和硝态氮等土壤养分也存在不同程度的相关性.土壤SON含量与森林类型、地形、海拔以及树龄等因素有关.     

冻融变化对西南亚高山森林优势种云杉和华西箭竹根区土壤理化性质与酶活性的影响

西南亚高山森林是典型的季节性冻土区,为深入研究气候变暖背景下冻融循环变化对森林土壤环境的影响,该研究以西南亚高山森林乔木层与灌木层优势种云杉(Picea asperata)和华西箭竹(Fargesia nitida)根区土壤为研究对象,利用红外辐射加热器模拟气候变暖,研究增温对非生长季土壤冻融循环、土壤理化性质和酶活性的影响。在此基础上,开展室内培养实验,进一步验证冻融循环变化对土壤性质的影响。结果表明:(1)与对照小区比较,增温小区5cm和15cm土层温度分别升高2.85和2.13℃,冻结天数分别减少了60和32天,冻融循环次数分别由3次和1次降为0次。(2)增温增加了两物种根区土壤总氮(TN)、可溶性有机氮(DON)和微生物生物量氮(MBN)含量,但降低了土壤铵态氮(NH₄⁺-N)含量。土壤冻结天数、冻融循环次数与TN、DON含量显著负相关,与NH₄⁺-N含量显著正相关。(3)增温显著促进了两树种根区土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(NAG)活性,但显著抑制了脲酶(Ure)活性。土壤冻结天数、冻...     

氮沉降对中亚热带米槠天然林微生物生物量及酶活性的影响

氮沉降对土壤微生物的扰动可能会影响土壤的养分循环,然而关于中亚热带天然林土壤微生物及酶活性对氮沉降的响应鲜有报道。通过3 a的氮沉降模拟实验,研究中亚热带米槠天然林土壤的理化性质、土壤微生物量及土壤酶活性的响应。结果表明:氮沉降并未引起土壤的有机碳和总氮显著性变化;高氮(80 kg N hm~(-2)a~(-1))处理下,土壤p H下降,出现酸化现象;低氮(40 kg N hm~(-2)a~(-1))处理促进淋溶层(A层)中土壤纤维素分解酶(β-葡萄糖苷酶和纤维素水解酶)和木质素分解酶(多酚氧化酶和过氧化物酶)活性升高,同时促进土壤微生物生物量碳、氮的积累。冗余分析(RDA)表示,可溶性有机碳(DOC)是驱动A层土壤酶活性的重要环境因子;而在淀积层(B层),这4种酶活性并未发生显著性差异。施氮处理后,A、B层中土壤的酸性磷酸酶活性增加(P0.05)。研究表明:低水平氮沉降增加了土壤微生物生物量碳氮含量以及土壤有机碳分解相关酶活性,从而加速了土壤碳周转;这为未来氮沉降增长背景下,探索中亚热带天然林土壤碳源汇问题提供了依据。     

耕作扰动对喀斯特土壤可溶性有机质及其组分迁移淋失的影响

土壤可溶性有机质(DOM)及其组分淋失特征研究对深入理解干扰作用下土壤碳氮养分损失机制具有重要意义,本研究基于翻耕模拟试验,分析喀斯特石灰土可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、及DOM官能团组分的淋失动态特征及其对不同耕作频率的响应,并探讨其影响因子。结果表明:(1)土壤DOC与DON的淋失量均随翻耕频率的增加而增加,但4个官能团特征参数对翻耕频率响应均不显著;DOC/DON淋失比随翻耕频率的增大而减少,DON占淋溶水可溶性总氮(TDN)比例随翻耕频率增加而增加。(2)DOC和DON月淋失量同时受翻耕处理与季节变化及其交互作用的影响,4个官能团特征参数仅受季节变化的影响;翻耕处理实施后,DOC月淋失量表现为初期大、后期小,各处理间差异性逐渐降低;但DON月淋失量初期小、后期大,各处理间差异性逐渐增大。(3)DOC淋失量与4个官能团特征参数呈显著负相关(P0.05),与Ca~(2+)、NH_4~+-N的淋失量呈显著正相关;DON淋失量与4个官能团参数无显著相关关系,与Mg~(2+)淋失量呈显著正相关关系。以上结果表明耕作扰动会加剧土壤DOM淋失,但淋失组分中稳定性组分没有变化,意味着耕作干扰将导致土壤有机质的持续损失,且由于其淋失组分碳氮比(DOC/DON)随扰动频率增加而降低,DON/TDN比随扰动频率增加而增加,持续的耕作干扰将大大增加水体氮素污染风险。     

黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异

探讨了黄土丘陵区退耕种植10—40a的柠条、沙棘及刺槐林地土壤总有机碳库及其活性组分密度随退耕时间、土层分布及相对比例的变化差异。结果表明:100 cm深土壤碳库在退耕10a时仅柠条林地碳库未比坡耕地显著增加,但退耕20—40a3种林地比退耕10a时都已有显著增加,且增幅均为刺槐>沙棘>柠条,其中总有机碳的最大增幅分别达到90.92、27.87、14.89Mg/hm2,活性有机碳的分别达到30.28、10.51、9.67 Mg/hm2。各还林地碳库增加在退耕10a时主要来自0—40 cm浅层土,而40—100 cm深层土碳库到退耕20a起才开始显著增加。对比退耕10a时,到退耕40a时柠条、沙棘及刺槐林地0—20 cm表层土分别平均累积了35.4%、27.9%、27.1%的总有机碳,20.2%、45.1%、23.1%的活性有机碳,而20—100 cm各土层间对碳库累积比例大小变化无一致规律,平均每20 cm厚土层累积了17.4%的总有机碳和17.6%活性有机碳。并且相比坡耕地,各林地均使100 cm深土壤活性有机碳占总有机碳的比例提高,改良了碳库质量。综上分析,长期退耕下3种林地固碳效应有明显差异,以刺槐林地碳累积效应较强。     

子午岭林区生态系统转换对土壤有机碳特征的影响

生态系统转换影响土壤有机碳的动态、循环及环境质量.本研究分析了子午岭林区农田、草地、灌丛和森林不同生态系统土壤总有机碳、活性有机碳和稳定性有机碳含量.结果显示:各生态系统中,表层(0~10 cm)土壤总有机碳含量显著高于深层土壤(40~70 cm).与农田生态系统表层土壤相比,草地、灌丛、森林生态系统土壤总有机碳含量分别增加82.07%、121.67%和183.16%,深层土壤有机碳含量也有类似的趋势;从增加的绝对值来看,表层土壤活性有机碳含量分别增加2.24、4.13和5.43 g/kg,土壤稳定性有机碳含量分别增加4.76、6.23和10.18g/kg.表明农田生态系统转换为林、草生态系统,有利于土壤有机碳的积累.而且,土壤作为碳“汇”的功能增强,更有利于CO2固定和生态环境改善.     

青海省森林土壤有机碳氮储量及其垂直分布特征

森林土壤在调节森林生态系统碳、氮循环和减缓全球气候变化中起着关键的作用。但是,由于林型、林龄以及环境因子(海拔)的差异,至今对于森林土壤碳、氮储量的估算依然存在极大的不确定性。因此,利用森林土壤实测数据估算了青海森林土壤有机碳、氮密度和碳、氮储量,分析了土壤有机碳、氮密度的垂直分布格局。结果表明:1)土壤有机碳密度随海拔的增加呈单峰曲线变化,在海拔3100—3400 m达到最大34.33 kg/m~2;氮密度随海拔的增加而增加,范围为1.39—2.93 kg/m~2。2)在0—30 cm土层,土壤有机碳、氮密度均随土层的增加而降低,范围分别为3.84—4.63 kg/m~2、0.22—0.27 kg/m~2。3)青海省森林土壤碳储量为1098.70 Tg,氮储量为61.78 Tg。4)海拔与氮含量和密度之间存在极显著正相关关系(P0.01,P0.01)。土层深度与有机碳含量存在极显著负相关关系(P0.01);与有机碳密度、氮密度存在极显著正相关关系(P0.01,P0.01)。说明海拔和土层是影响青海省森林土壤有机碳、氮分布的关键因子。     

南亚热带格木、马尾松幼龄人工纯林及其混交林生态系统碳氮储量

研究比较了南亚热带6年生格木(Erythrophleum fordii)、马尾松(Pinus massoniana)幼龄人工纯林及马尾松与格木混交林生态系统碳氮储量及其分配特征。结果表明,生态系统总碳储量依次为马尾松-格木混交林(137.75 t/hm2)格木纯林(134.07 t/hm2)马尾松纯林(131.10 t/hm2),总氮储量则为格木纯林(10.19 t/hm2)马尾松-格木混交林(8.68 t/hm2)马尾松纯林(7.01 t/hm2)。3种人工林生态系统碳氮库空间分布基本一致,绝大部分储存于0—100 cm土壤层,平均占生态系统总储量的81.49%和96.91%,其次为乔木层(分别占17.52%和2.69%),林下植被和凋落物层所占比例最小。林地土壤碳主要集中于表土层,其中0—30 cm土层平均碳储量为52.52 t/hm2,占土壤总碳储量(0—100 cm)的47.99%,土壤氮的分布则无明显规律。相比于纯林,与固氮树种混交的营林方式表现出更大的碳储存能力。3种幼龄人工林生态系统较低的地上与地下部分碳氮分配比,表明其仍具有较强的碳氮固持潜力。     

太湖流域上游竹林河岸带土壤反硝化酶活性及其影响因素

本研究以太湖流域上游竹林河岸带为对象,采用乙炔抑制法分析了夏季河岸带土壤反硝化酶活性(DEA)及其影响因素,以期为竹林河岸带在减少河流氮污染方面的生态功能评估提供数据支持。结果表明: 河岸带土壤DEA为6.32～23.22 μg N·kg^-1·h^-1,平均值为14.65 μg N·kg^-1·h^-1。河岸带土壤有机碳(SOC)、总氮、硝态氮含量、含水量和碳氮水解酶活性共同影响着DEA的垂直分布,使DEA随土壤深度(0～40 cm)的增加而递减;而DEA在水平方向上(同一土壤深度离水距离不同)的变化主要受SOC含量的影响。太湖流域上游竹林河岸带土壤在夏季可能会由于缺乏相对充足的可溶性有机碳而对DEA产生一定的限制。     

排水对小兴安岭森林沼泽湿地溶解性有机碳和有效氮磷的影响

选取不同排水年限的兴安落叶松人工林湿地(1974年排水、1985年排水、1992年排水、2003年排水)和天然森林沼泽湿地(兴安落叶松沼泽湿地)为研究对象,探讨排水对小兴安岭森林沼泽湿地土壤溶解性有机碳(DOC)和有效氮磷的影响。结果表明,天然沼泽排水后,在土壤垂直剖面上,不同排水年限的森林湿地与天然沼泽湿地的土壤溶解性有机碳含量均呈递减变化。与天然森林沼泽湿地相比,排水湿地各土层DOC含量均显著低于天然沼泽湿地(P0.05)。天然森林沼泽,表层(0—10 cm)的土壤SOC含量、DOC/SOC、土壤有效氮含量均大于排水森林沼泽,但是有效磷含量却低于排水森林沼泽(P0.05)。在土壤表层(0—10 cm),排水年限与DOC、SOC、DOC/SOC、土壤有效氮呈显著性负相关,与有效磷呈显著性正相关(P0.05)。天然沼泽排水后,表层(0—10 cm)土壤的DOC含量与有效氮(铵态氮、硝态氮)含量成正比,与有效磷含量成反比(P0.05)。     

武夷山不同海拔森林表层土壤轻组有机质特征

土壤轻组有机质是土壤有机质的重要组分,研究轻组有机质在不同森林生态系统土壤中的变化规律对理解土壤有机质形成与转换具有重要意义。以福建省武夷山国家级自然保护区不同海拔的常绿阔叶林（海拔600 m）、针阔混交林（海拔1000 m）和针叶林（海拔1400 m）为研究对象,利用密度分组方法分离了表层（0-5 cm和5-10 cm）土壤轻组有机质,研究了不同海拔森林土壤轻组有机质特征及其影响因素。结果表明：针阔混交林表层土壤的轻组有机质含量大于针叶林和常绿阔叶林（P < 0.05）,并且轻组有机碳的含量变化亦是如此（P < 0.05）,而轻组有机氮的含量无显著差异（P > 0.05）。表层土壤对应土层的轻组C：N大于土壤C：N,针阔混交林轻组C：N和土壤C：N均大于其他林分类型。0-5 cm与5-10 cm土层针阔混交林的轻组有机碳、氮储量均大于针叶林和常绿阔叶林（P < 0.05）,并且针阔混交林的轻组有机碳、氮储量所占土壤有机碳与总氮的比重均大于其余两种林分。0-10 cm土层针叶林土壤有机碳与总氮含量与储量最高,并随海拔降低而减小,但差异不显著（P > 0.05）。相关分析结果表明,轻组有机碳、氮储量与SOC、DOC、MBC和细根生物量具有显著相关关系（P < 0.05）,而与年凋落物量无关（P > 0.05）,说明地下细根可能是土壤轻组有机质的重要来源。因此,在未来气候和植被变化共同作用下,地下细根对土壤轻组有机质的形成可能具有不可忽视的作用。     

四川省森林植被碳储量的空间分异特征

森林植被碳储量的空间分异特征研究可为以减排增汇为目标的森林生态系统碳库管理提供重要的基础数据.根据实测的林分含碳量和区域生物量-蓄积量回归模型计算了四川省森林植被碳储量,使用ArcGIS软件绘制和分析了四川森林植被碳储量的空间分异特征.结果表明,四川省森林植被的平均碳密度为38.04 MgC·hm-2(12.15～59.51 MgC·hm-2).受青藏高原隆升和人类活动干扰及其叠加效应的影响,四川森林植被碳密度空间分异明显,总体上表现出随纬度、海拔高度和坡度的增加而增加,随经度的增加而减小,高海拔地区和陡坡地带具有较高的碳密度.减少人类活动对森林的破坏及采取森林分区经营管理是稳定和增强四川森林碳汇功能的有效途径.