报春巨苔的野外回归研究

中国科学家研究发现,大气氮沉降通过诱导土壤酸化效应,引起富氮森林生态系统的植物多样性显著减少。过去一般认为,大气氮沉降将降低氮限制生态系统的生物多样性而对富氮生态系统的影响甚微,人们认为在氮限制的生态系统中,氮的增加更有利于喜氮植物的生长,使其在竞争中处于优势;而在富氮的生态系统中,氮的增加对植物生长的影响不大。新研究不仅填补了国际上热带和亚热带区域氮沉降对森林植物多样性影响研究的空白,同时表明了氮沉降可能威胁“富氮”森林的植物多样性。     

土壤-植物-大气连续体系中氮的研究进展

氮素是植物最需要的重要养分元素之一.近年来,土壤-植物-大气这一连续体系(SPAC)中的氮循环成为研究的热点之一.大气中的氮素可以通过生物固定和N沉降等作用进入土壤和植物内,同时土壤和植物内的氮素又会以氨挥发和氮氧化物等方式排放到大气中.氮素通过生物固持和植物吸收等方式进入植物体内,植物器官脱落使植物损失一部分的氮素,另外雨水的淋洗和植物溢出液也会造成植物的N损失.植物氮素在植物体内的积累和分布随着生长时期和各营养器官而有所不同.另外,植物吸收氮素的过程又受到大气状况和土壤状况的制约.土壤中氮素经过矿化作用、硝化作用和反硝化作用进行转化,一部分把氮素转化成植物能吸收的营养形态,另一部分则从土壤中损失.凋落物的分解和N沉降能补充土壤中的氮素,而植物吸收、微生物固持、水文流失和N溢出等方式使氮素从土壤中损失出去.另外,凋落物的分解和根际土壤、CO2浓度和臭氧对氮素循环有着重要的作用.N污染、N沉降、碳氮循环的耦合作用是今后研究的热点问题.     

中亚热带地区氮沉降对杉木幼林土壤细菌群落多样性及组成的影响

大气氮沉降量持续增加已经成为当前关注的热点.土壤细菌群落作为土壤环境中大量存在的微生物,在养分循环过程中发挥着不可忽视的作用.在福建三明森林生态系统与全球变化研究站陈大观测点,我们在野外模拟大气氮沉降试验,通过16S rDNA扩增子测序,研究中亚热带地区杉木幼林土壤细菌群落多样性和组成对氮沉降的响应.结果表明:短期施氮对研究区的土壤细菌群落多样性和组成并未产生显著影响,但高氮处理显著改变敏感菌群相对丰度,如富营养型类群丰度增加、贫营养型类群丰度降低.土壤细菌群落的营养策略发生变化,这可能是受到了养分有效性的驱动.因此,了解土壤细菌群落和养分分配格局对氮沉降的响应,有助于提高我们对未来环境的预测能力.     

森林土壤氮素可利用性的影响因素研究综述

近几十年来 ,人类对木材、纤维和其他森林资源需求的急剧增加 ,对森林的集约化经营管理成为必然趋势。由于大部分森林生态系统缺乏Ｎ素 ,因此施肥成为经济有效的途径。但是 ,由于森林中的Ｎ肥利用效率低于农业系统 ,且Ｎ肥生产成本较高 ,易造成环境中多余Ｎ素的污染 ,所以需要更有效的经营管理方法。要改进这类方法 ,则必须很好地理解全球各种森林生态系统的Ｎ素循环和Ｎ素可利用性[3 1] 。可利用性养分 (ａｖａｉｌａｂｌｅｎｕｔｒｉｅｎｔ)是指土壤中易被植物吸收同化的养分元素或化合物的数量[4 0 ] ,可以理解为植物利用土壤中易吸收和…     

氮沉降对森林土壤磷循环的影响

磷是生物体必需的大量元素之一,也是许多生态系统的主要限制因子。近年来,大气氮沉降日益加剧,已对森林生态系统磷循环产生了不可忽视的影响。关于氮沉降对生态系统磷循环的影响已开展了一系列的研究,然而尚缺少对其整体的认识。因此,通过收集国内外已发表的相关文章,从以下五个方面综述氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响及其机理:1)阐述了森林生态系统土壤磷循环的概念;2)介绍了氮沉降对森林土壤磷循环影响的研究方法,包括长期定位模拟氮沉降法、自然氮沉降梯度法和同位素示踪法等;3)概述了氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响。目前的研究结论趋向于认为长期氮沉降使森林土壤磷循环速率加快。长期氮输入易于使土壤中可溶性磷向非活性磷酸盐库迁移而难以被利用。因此,为了满足需求,土壤磷酸酶活性将增加以加速有机磷的矿化,从而加速磷素在土壤-植物-微生物之间的周转。4)探讨了氮沉降影响森林土壤磷循环的机制。氮沉降可通过改变土壤有机质的性质、微生物群落组成、磷酸酶活性以及阳离子的流动性等途径影响森林土壤磷循环;5)指出了当前研究存在的问题及未来的研究方向。     

氮添加对森林植物磷含量的影响及其机制

氮沉降对森林生态系统磷循环产生了不可忽视的影响, 尤其是加剧了植物生长的磷限制, 从而使得氮沉降背景下植物磷含量变化备受关注。该文综述了氮添加对森林植物磷含量的影响, 认为氮添加通过促进土壤磷酸酶活性进而提高土壤有效磷含量, 有利于植物的磷吸收并增加植物磷含量。同时, 森林植物磷含量对氮添加的响应还受物种、生活型以及施氮时间长短等因素的影响。基于森林植物磷含量对氮添加响应的差异性, 该文进一步探讨氮富集背景下森林植物磷含量变化的可能机制: 1)外源氮输入通过改变土壤中有效磷含量从而对植物磷的来源产生影响; 2)通过影响植物的根系分泌物、菌根共生和根系形态结构等进而影响植物的磷吸收能力; 3)通过影响植物的磷养分再分配、磷养分重吸收对植物磷利用效率产生影响。综上所述, 外源氮输入使植物磷含量发生改变, 首要原因是土壤有效磷含量的改变, 其次是植物磷吸收能力和磷利用效率的改变起调控作用。     

氮添加对森林植物磷含量的影响及其机制

氮沉降对森林生态系统磷循环产生了不可忽视的影响,尤其是加剧了植物生长的磷限制,从而使得氮沉降背景下植物磷含量变化备受关注。该文综述了氮添加对森林植物磷含量的影响,认为氮添加通过促进土壤磷酸酶活性进而提高土壤有效磷含量,有利于植物的磷吸收并增加植物磷含量。同时,森林植物磷含量对氮添加的响应还受物种、生活型以及施氮时间长短等因素的影响。基于森林植物磷含量对氮添加响应的差异性,该文进一步探讨氮富集背景下森林植物磷含量变化的可能机制:1)外源氮输入通过改变土壤中有效磷含量从而对植物磷的来源产生影响; 2)通过影响植物的根系分泌物、菌根共生和根系形态结构等进而影响植物的磷吸收能力;3)通过影响植物的磷养分再分配、磷养分重吸收对植物磷利用效率产生影响。综上所述,外源氮输入使植物磷含量发生改变,首要原因是土壤有效磷含量的改变,其次是植物磷吸收能力和磷利用效率的改变起调控作用。     

碳同位素技术在森林生态系统碳循环研究中的应用

碳同位素技术对碳素在生态系统中的迁移动态具有很好的示踪作用,在生态学各领域研究中应用广泛。土壤、大气、植物是森林生态系统的重要碳库,植物是大气和土壤交换碳元素的重要介质。本文简要总结了碳同位素技术在研究碳元素在植物体内以及植物、土壤、大气碳库之间的迁移规律和生态学过程中的应用,展望了该技术在森林界面学中的应用前景。     

长白山阔叶红松林采伐迹地土壤养分含量动态研究

采用对比实验,对不同采伐年限的长白山阔叶红松林采伐迹地土壤养分含量变化进行了分析与研究．结果表明,不同采伐年限的采伐迹地土壤养分含量差异很大．林地土壤pH值随着伐后时间的推移而出现一个先下降后上升的过程,表层土壤在伐后5年的酸性最强,10～20cm层土壤在伐后10年酸性最强;土壤有机质含量、全量养分含量和速效养分含量均在采伐初期2～5年增加,随后又迅速减少,尤其是表层土壤变化更为明显;土壤阳离子交换量(CEC)及交换性Ca、Mg也都表现出相同的变化趋势．因此,森林采伐后应及时人工造林、更新进行植被恢复,可将养分固定而减少和防止土壤养分的流失．     

氮沉降对森林土壤主要温室气体通量的影响

大气氮沉降已经并将继续对森林土壤主要温室气体(CO2、CH4和N2O)通量产生影响.综述了国内外氮沉降对森林土壤主要温室气体通量影响及其机理的研究现状.由于森林类型、土壤N状况、氮沉降量及沉降类型等不同,氮沉降对森林土壤主要温室气体通量的影响主要表现为抑制、促进和不显著3种效果.在N限制的森林中,氮沉降对土壤主要温室气体通量无显著影响,或促进土壤CO2排放;在"N饱和"的森林中,氮沉降可减少土壤CO2排放,抑制对大气CH4的吸收,增加N2O排放.分析了产生以上影响效果的作用机理,介绍了氮沉降对森林土壤主要温室气体通量影响的研究方法,探讨了该领域存在的问题及未来研究的方向.     

Impacts of Soil Nitrogen and Carbon Additions on Forest Understory Communities with a Long Nitrogen Deposition History

Rates of nitrogen (N) deposition have been historically high throughout much of the northeastern United States; thus, understanding the legacy of these high N loads is important for maintaining forest productivity and resilience. Though many studies have documented plant invasions due to N deposition and associated impacts on ecosystems, less is known about whether invasive plants will continue to increase in dominance with further shifting nutrient regimes. Using soil N and carbon additions, we examined the impact of both increasing and decreasing soil N on native and invasive understory plant dynamics over 4 years in a northeastern deciduous forest with a long history of N deposition. Despite applying large quantities of N, we found no difference in soil nitrate (NO₃) or ammonium (NH₄ ⁺) pools in N addition plots over the course of the study. Indicative of the potential N saturation in these forest soils, resin-available NO₃ ^? and NH₄ ⁺ showed evidence that the added N was rapidly moving out of the soil in N addition plots. Accordingly, we also found that adding N to soil altered neither invasive nor native plant abundance, though adding N temporally increased invasive plant richness. Carbon additions decreased soil N availability seasonally, but did not alter the total percent cover of invasive or native plants. Rather than being suppressed by excess N availability, native plant species in this ecosystem are primarily inhibited by the invasive species, which now dominate this site. In conclusion, understory plant communities in this potentially N-saturated ecosystem may be buffered to future alterations in N availability.     

氮添加对昆仑山高山草地土壤、微生物和植物生态化学计量特征的影响

全球范围内的氮沉降增加改变了生态系统氮(N)素循环过程,由此带来的生态学效应已成为当前研究的热点。以昆仑山高山草地生态系统2种优势植物黄花棘豆(Oxytropis ochrocephala)和针茅(Stipa capillata)为研究对象,开展人工氮肥添加试验,研究土壤-微生物-植物系统各组分生态化学计量特征对氮添加的响应特征。结果表明:①氮添加显著提高了土壤NH4^+-N和土壤NO3^--N含量(P<0.05),土壤全N、全磷(P)、速效P含量没有明显变化。②氮添加条件下针茅叶片N含量增加,P含量降低,而黄花棘豆N和P含量无明显变化。③土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的趋势,当施氮量为6N·m^-2·y^-1时呈现出最高值。土壤NH4+-N含量与土壤微生物量N含量有显著的正相关关系(P<0.01)。综合分析表明,短期氮添加有利于土壤养分和微生物量的积累,促进植物和微生物养分吸收利用。2种优势植物的生态化学计量特征对氮沉降的响应不同,过量的氮输入将会造成植物生长受到P限制,氮沉降会改变昆仑山高山草地生态系统的生物地球化学循环过程。     

Source of inorganic N affects the cost of growth in a legume tree species (Virgilia divaricata) from the Mediterrean-type Fynbos ecosystem

Aims In Mediterranean-type ecosystem, the Cape Fynbos, legumes may be able to switch between soil N and atmospheric N 2 sources during growth to adjust the carbon costs of N acquisition. This study investigated the utilization of different inorganic N sources by Virgilia divaricata, a native legume from the Mediterranean-type ecosystem of the Cape Floristic Region.Methods Plants were cultivated in sterile quartz sand, supplied with 25% strength Long Ashton nutrient solution, modified to contain 500 μM Phosphate. At the phosphate level (500 μM), plants were treated with 500 μM NH 4 NO 3 (treatment named N), or grown in N-free nutrient solution and inoculated with effective Burkholderia sp. (Bact.) or treated with combined N sources (500 μM NH 4 NO 3) and inoculated with effective Burkholderia sp. (N+Bact.).Important findings The application of NH 4 NO 3 to the legumes resulted in a greater increase in plant dry matter. Carbon construction costs were higher in plants that were supplied with mineral and symbiotic N sources. Maximum photosynthetic rates per leaf area was maintained, irrespective of the N sources. Although the plant roots were nodulated, the plant dependence on N 2 fixation decreased with addition of N. Roots and nodules of the plants solely reliant on N 2 fixation showed an increase in glutamine content. These results show that V. divaricata is highly adapted for growth at the forest margin. Fynbos and possibly anthropic soils by utilizing both atmospheric and soil N sources.     

模拟氮沉降对温带阔叶红松林地土壤氮素净矿化的影响

以长白山阔叶红松混交林为研究对象,于2006—2008年原位模拟不同形态氮((NH4)2SO4、NH4Cl和KNO3)沉降水平(22.5和45kgN·hm-2·a-1),利用树脂芯法技术(resin-core incubation technique)测定了表层(有机层0～7cm)和土层(0～15cm)土壤氮素净矿化、净氨化和净硝化通量的季节和年际变化规律。同时,结合前人报道的有关林地碳、氮过程及其环境变化影响的结果,力求有效预估森林生态系统中氮素年矿化通量对大气氮沉降量和水热条件等因子变化的响应。结果表明,长白山阔叶红松林地土壤氮素年净矿化通量为1.2～19.8kgN·hm-2·a-1,2008年不同深度的土壤氮素年净矿化通量均显著高于2006和2007年(P<0.05)。随着模拟氮沉降量增加,土壤氮素净矿化通量也随之增加,尤其外源NH4+-N输入对净矿化通量的促进作用更为明显(P<0.05),但随着施肥年限的延长,这种促进作用逐渐减弱。与林地0～15cm土壤相比,氮沉降增加对0～7cm有机层氮素净氨化和净矿化通量的促进作用更为明显,尤其NH4Cl处理的促进作用更大。结合前人报道的野外原位观测结果,土壤氮素年净矿化通量随氮素沉降量的增加而增大,氮沉降量对不同区域森林土壤氮素净矿化通量的贡献率约为52%;氮沉降量(x1)和pH值(x2)可以解释区域森林土壤氮素年净矿化通量(y)变化的70%(y=0.54x1-18.38x2-109.55,R2=0.70,P<0.0001)。前人研究结果仅提供区域年均温度,未考虑积温的影响,这可能是造成年净矿化通量与温度无关的原因。今后的研究工作应该加强区域森林土壤积温观测,进而更加准确地预估森林土壤氮素的年净矿化通量。     

Nitrogen enrichment regulates calcium sources in forests

Nitrogen (N) is a key nutrient that shapes cycles of other essential elements in forests, including calcium (Ca). When N availability exceeds ecosystem demands, excess N can stimulate Ca leaching and deplete Ca from soils. Over the long term, these processes may alter the proportion of available Ca that is derived from atmospheric deposition vs. bedrock weathering, which has fundamental consequences for ecosystem properties and nutrient supply. We evaluated how landscape variation in soil N, reflecting long‐term legacies of biological N fixation, influenced plant and soil Ca availability and ecosystem Ca sources across 22 temperate forests in Oregon. We also examined interactions between soil N and bedrock Ca using soil N gradients on contrasting basaltic vs. sedimentary bedrock that differed 17‐fold in underlying Ca content. We found that low‐N forests on Ca‐rich basaltic bedrock relied strongly on Ca from weathering, but that soil N enrichment depleted readily weatherable mineral Ca and shifted forest reliance toward atmospheric Ca. Forests on Ca‐poor sedimentary bedrock relied more consistently on atmospheric Ca across all levels of soil N enrichment. The broad importance of atmospheric Ca was unexpected given active regional uplift and erosion that are thought to rejuvenate weathering supply of soil minerals. Despite different Ca sources to forests on basaltic vs. sedimentary bedrock, we observed consistent declines in plant and soil Ca availability with increasing N, regardless of the Ca content of underlying bedrock. Thus, traditional measures of Ca availability in foliage and soil exchangeable pools may poorly reflect long‐term Ca sources that sustain soil fertility. We conclude that long‐term soil N enrichment can deplete available Ca and cause forests to rely increasingly on Ca from atmospheric deposition, which may limit ecosystem Ca supply in an increasingly N‐rich world.     

全球森林土壤N2O排放通量的影响因子

森林生态系统在全球变暖格局下的地位和作用,尤其是土壤氮库对大气氮沉降增加的响应逐渐成为全球变化研究的热点。本文通过对已有文献资料的调研和整理,分析了1984—2009年间全球38个森林土壤N2O排放通量的野外原位观测结果的分布特征,评估了森林土壤N2O年排放累积通量对大气氮素沉降量和水热条件等因子变化的响应。结果表明,全球森林土壤N2O排放通量的平均值为0.47kgN·hm-2·a-1,而且土壤N2O释放通量随着纬度增加逐渐降低。作为一个复杂的生态过程,土壤N2O累积释放量同样受到年均温、年降水量以及土壤属性的显著影响。其中全球森林土壤N2O释放温度敏感性系数(Q10值)约为1.5。另外,森林土壤N2O排放通量也随着氮沉降量的增加而显著增大,大气氮沉降量可解释土壤N2O排放通量在不同区域之间53%的差异;土壤pH、年均温和大气氮沉降量可以解释区域森林土壤N2O排放通量变化的55%。     

模拟大气氮沉降对中国森林生态系统影响的研究进展

人类活动加剧了活性氮的生产和排放,并导致氮沉降日益增加并全球化。目前,人类活动对全球氮循环的干扰已经超出了地球系统安全运行的界限。中国已成为全球氮沉降的高发区域,高氮沉降已经威胁到生态系统的健康和安全,并成为生态文明建设过程中亟待理清和解决的热点问题。对国际上和中国森林生态系统模拟氮沉降研究的概况进行了综述,并从生物学和非生物学两大过程重点阐述模拟氮沉降增加对中国主要森林生态系统影响的研究进展。中国自2000年以后才开始重视大气氮沉降产生的生态环境问题,中国科学院华南植物园在国内森林生态系统模拟氮沉降试验研究上做出了开创性的贡献。模拟氮沉降研究表明,持续高氮输入将会显著改变森林生态系统的结构和功能,并威胁生态系统的健康发展,特别是处于氮沉降热点区域的中国中南部。森林生态系统的氮沉降效应依赖于系统的氮状态、土地利用历史、气候特征、林型和林龄等。最后,对未来的研究提出了一些建议,包括加强长期跟踪研究和不同气候带站点之间的联网研究,特别是在森林生态系统对长期氮沉降响应与适应的过程机制、地下碳氮吸存潜力研究、以及与其他全球变化因子的耦合研究等方面,以期为森林生态系统的可持续发展提供理论基础和管理依据。     

模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林凋落物养分输入量的早期影响

2007年11月至2010年12月对华西雨屏区苦竹人工林进行了模拟氮(N)沉降试验,氮沉降水平分别为：对照(0 g N.m_–2.a_–1),低氮(5 g N.m_–2.a_–1),中氮(15 g N.m_–2.a_–1),高氮(30 g N.m_–2.a_–1)。在氮沉降2 a后,于2010年1月开始收集各样方的凋落物样品,连续收集12个月,测定凋落物量和养分输入量。结果表明：氮沉降显著增加了凋落物量;同时显著增加了凋落叶中的N、P、K、Ca、Mg元素含量和这几种养分元素的年输入量。本研究表明模拟氮沉降处理增加了凋落物对土壤养分的输入量,这对于维持苦竹林地肥力与保持苦竹林分的长期生长力具有重要的作用。     

Ecological risks in anthropogenic disturbance of nitrogen cycles in natural terrestrial ecosystems

Anthropogenic addition of reactive nitrogen (Nr) to the biosphere is increasing globally and some terrestrial ecosystems are suffering from a state of excess Nr for biological nitrogen (N) demand, termed N saturation. Here, we review the ecological risks in relation to N saturation and prospective responses to N saturation. Excess Nr increases the risks of local extinction of rare plant species, encouragement of exotic plant species, disturbance of nutrient balance in plant organs, and increase of herbivory in plant communities. On the ecosystem scale, excess bioavailable N induces forest decline, disturbance of nutrient cycling within ecosystems, depending on vegetation, soil, land-use, and N-loading history. These Nr risks will increase in the Asian region, where impacts of Nr in natural terrestrial ecosystems have been scarcely studied. Whether much of the terrestrial ecosystems on a global level are in the sate of N saturation or not is still controversial, but the potential risks of excess Nr seem to be increasing. The fundamental ways to mitigate Nr risks are to reduce Nr production, prevent Nr translocation, and promote conversion of Nr to N₂. Temporal, but promising actions against ecological N risks may include management of forests and riparian zones, and carbon addition in grassland.     

不同频率氮添加对内蒙古典型草原植物叶绿素的影响

大气氮沉降会影响植物功能性状的变异和进化,进而作用于植物个体和生态系统功能。研究草地生态系统植物功能性状在不同氮添加模式下的响应差异,对更准确地评估植物对环境变化的适应性至关重要。基于内蒙古草原野外长期氮沉降模拟实验平台,研究氮添加频率对优势物种羊草和冰草叶绿素含量的影响,结果表明每年一次氮添加使羊草叶绿素含量增加最多(15.21%),而每月一次氮添加对冰草叶绿素含量影响最大(增加了14.74%)。氮添加尤其是每年一次氮添加显著增加了土壤铵态氮、硝态氮和无机氮含量,并使土壤pH显著降低。这些结果表明:羊草叶绿素含量对低频率氮添加响应更明显,而高频率氮添加对冰草叶绿素含量的影响更显著,这两类物种间养分吸收策略存在明显差异。启示低频率氮添加可能高估了氮沉降对羊草叶绿素含量的影响,而低估了对冰草叶绿素含量的影响,这对准确预测植物叶片功能性状对大气氮沉降的变异具有重要意义,并将有助于应用到植物功能性状预测生态系统功能和过程响应未来全球变化的模型中。