北方农牧交错带温性盐碱化草地土壤呼吸对不同形态氮添加和刈割的响应

农牧交错带草地生态系统兼受农业和牧业的影响, 属于脆弱生态系统, 尤其是养分贫瘠的盐碱化草地, 其生态系统结构和功能对外界干扰的响应更加强烈。位于晋西北地区的农牧交错带盐碱化草地, 地理位置独特, 区别于天然牧区草地生态系统。由于毗邻农田, 农业氮肥的过量使用促进了活性氮气体排放, 同时使得农牧交错带草地土壤碳氮循环发生改变。刈割是北方农牧交错草地生态系统的主要管理方式, 为了深入探究氮添加和刈割管理方式对农牧交错带草地碳循环的影响, 进一步厘清该区域草地生态系统的碳动态问题, 该研究设置了一个不同形态氮添加和刈割的裂区实验, 测定土壤呼吸对不同形态氮肥添加和刈割的响应, 为进一步科学管理该区域草地提供可靠的依据。实验样地位于山西省右玉县境内的“山西农业大学农牧交错带草地生态系统野外观测研究站”, 于2017年设置不同形态氮添加和刈割处理, 实验处理包括对照(不刈割和刈割)、尿素添加、缓释尿素添加、刈割+尿素添加、刈割+缓释尿素添加, 每种处理6个重复, 共36个小区。在不同处理条件下测定土壤呼吸速率、土壤温度、土壤水分、土壤微生物生物量、土壤无机氮含量、植物地上和地下生物量, 并计算土壤累积碳排放量及CO₂通量。研究结果表明: (1)短期(2017-2018年)尿素和缓释尿素的添加显著提高了该地区土壤呼吸速率和土壤累积碳排放量。与添加缓释尿素相比, 添加尿素处理下的土壤呼吸速率和累积碳排放量更高; (2)刈割显著降低土壤呼吸速率和累积碳排放量; (3)短期氮添加和刈割的交互作用对土壤呼吸速率没有显著影响。因此, 短期氮添加促进了北方农牧交错带盐碱化草地土壤碳释放, 刈割抑制土壤呼吸, 降低了累积碳排放量, 这可能是由于刈割移除地上植物, 减少了凋落物的输入, 底物减少导致土壤微生物活性降低。但是随着处理时间的延长, 氮添加和刈割对该农牧交错带盐碱化草地土壤碳动态的影响还有待进一步探究和发现。     

亚热带不同树种凋落叶分解对氮添加的响应

为探究不同质量凋落物对氮(N)沉降的响应, 该研究采用尼龙网袋分解法, 在亚热带福建三明格氏栲(Castanopsis kawakamii)自然保护区的米槠(Castanopsis carlesii)天然林, 选取4种本区常见的具有不同初始化学性质的树种凋落叶进行模拟N沉降(N添加)分解实验(施N水平为对照0和50 kg·hm ^-2·a ^-1)。研究结果表明: 在2年的分解期内, 对照处理的各树种凋落叶的分解速率依次为观光木(Michelia odora, 0.557 a ^-1)、米槠(0.440 a ^-1)、台湾相思(Acacia confusa, 0.357 a ^-1)、杉木(Cunninghamia lanceolata, 0.354 a ^-1); N添加处理凋落叶分解速率依次为观光木(0.447 a ^-1)、米槠(0.354 a ^-1)、杉木(0.291 a ^-1)、台湾相思(0.230 a ^-1), 除杉木凋落叶外, N添加显著降低了其他3种凋落叶分解速率。N添加不仅使4种树木凋落叶分解过程中的N释放减慢, 同时还抑制凋落叶化学组成中木质素和纤维素的降解; N添加在凋落叶分解过程中总体上提高β-葡萄糖苷酶(βG)和酸性磷酸酶活性, 对纤维素水解酶的活性影响不一致, 而降低β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性和酚氧化酶活性。凋落叶分解速率与凋落叶中的碳获取酶(βG)活性以及其化学组分中的可萃取物含量极显著正相关, 与初始碳浓度、纤维素和木质素含量极显著负相关, 与初始N含量没有显著相关性。凋落物类型和N添加的交互作用虽未影响干质量损失速率, 但对木质素和纤维素的降解具有显著效应。综上所述, 化学组分比初始N含量能更好地预测凋落叶分解速率, 而N添加主要通过抑制分解木质素的氧化酶(如PHO)来降低凋落叶分解速率。     

Cd污染及其与大气CO2浓度升高、N添加复合作用对大叶相思生长的影响

为了解Cd污染胁迫下树木对CO_2浓度升高、N添加及其复合作用的响应,应用开顶箱,探讨Cd及其与CO_2、N的复合作用对大叶相思(Acacia auriculiformis)基径、树高和生物量的影响。结果表明,Cd添加抑制大叶相思基径、树高和生物量的增长,并且具有时间滞后性;大气CO_2浓度升高、N添加及CO_2+N均有缓解Cd对植物生长抑制作用的趋势,其中, N添加更能促进大叶相思基径的生长,树高生长则对CO_2升高更为敏感;在Cd污染土壤中,N添加的缓解作用最显著。因此,氮肥管理是重金属污染土地修复初期促进植物修复的重要策略。     

模拟氮沉降对长白山岳桦林下草本植物和土壤肥力的短期影响

选取长白山岳桦林中的岳桦-蟹甲草群落（Comm.Betula ermanii-Parasenecio forrestii）、岳桦-藜芦群落（Comm.Betula ermanii-Veratrum nigrum）和岳桦-小叶章群落（Comm.Betula ermanii-Deyeuxia purpurea）开展野外模拟氮沉降实验,采用野外原位模拟实验方法,设置对照（0 kg·hm^-2·a^-1）、低氮（30 kg·hm^-2·a^-1）、中氮（50 kg·hm^-2·a^-1）和高氮（100 kg·hm^-2·a^-1）4个氮处理水平,测定草本植物生长状况和土壤肥力,研究岳桦林下草本层植物和土壤肥力对氮沉降的短期响应。结果显示：（1）岳桦林下草本植物随氮沉降量的增加而加速生长,小叶章对氮沉降的响应较为敏感,藜芦次之,蟹甲草最弱;（2）氮添加造成林下土壤肥力发生变化,有机质含量下降,特别是岳桦-小叶章群落下的土壤有机质含量下降最明显;土壤总氮和速效氮含量增大,岳桦-蟹甲草群落下的土壤总氮和速效氮增加最多;土壤总磷和速效磷含量减小,岳桦-小叶章群落下的土壤总磷和速效磷含量的减少最多。本研究结果表明氮添加在短期内会促进长白山岳桦林下草本植物生长,尤其是小叶章的生长,加快土壤有机质的分解和磷的释放,逐步改变土壤肥力并反馈给植物,促使其进一步变化。     

降水变化与氮添加对晋北盐碱化草地土壤净氮矿化的影响

于2018年在晋北典型农牧交错带盐碱化草地设置增减降水和氮添加处理试验, 2019年生长季(5—9月)采用原位顶盖PVC埋管法测定不同水、氮处理下土壤净氮矿化速率,研究盐碱化草地土壤净氮矿化速率对降水格局变化和氮沉降的响应。结果表明: 土壤净氮矿化速率表现出明显的季节动态。单独增减降水(±50%)和氮添加(10 g·m^-2·a^-1)以及氮添加+增加50%降水处理对土壤净氮矿化速率影响不显著,氮添加+减少50%降水处理显著提高土壤净硝化速率和净氮矿化速率,分别提高10.8和8.6倍。土壤净氮矿化速率与土壤含水量呈显著正相关,与土壤pH值呈显著负相关。氮添加在不同降水条件下对晋北盐碱化草地土壤氮矿化速率的影响存在差异,土壤含水量与pH值是晋北盐碱化草地土壤净氮矿化速率的主要影响因素。因此,全面评估草地土壤氮矿化过程对全球变化的响应模式,需要考虑降水格局变化与氮沉降增加的交互作用,以及盐碱化草地土壤理化性质的特殊性。     

三级串联垂直潜流人工湿地的脱氮性能及微生物学特征

探究了3种水力负荷(HLR)下三级串联垂直潜流人工湿地(T-VFCWs)对农村生活污水的处理效果,并解析了系统中的氮素转化机制。结果表明: 当系统HLR由0.10增至0.20 m³·m^-2·d^-1时,T-VFCWs始终保持着对农村生活污水高效的处理效果,系统出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。T-VFCWs中顺次连接的3个VFCW单元(标记为V-1、V-2和V-3)在限氧环境下因其进水水质的差异可形成各自不同的氮素转化途径,并通过协同作用实现系统的高效脱氮。当T-VFCWs在试验期间连续运行时,V-1、V-2和V-3中主要的脱氮途径分别为短程硝化/反硝化作用、基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)作用和反硝化作用,上述3单元对进水中总氮(TN)和NH₄⁺-N去除的贡献率分别为(51.3±4.4)%和(63.7±2.6)%、(30.9±4.8)%和(35.5±4.5)%、(17.8±5.0)%和(0.8±0.1)%。该研究可为组合式人工湿地的研发及工程化应用提供科学依据和技术支撑。     

长期氮添加对草甸草原生态系统氮库的影响

大气氮沉降增加深刻影响生态系统物种多样性、生产力及其稳定性,研究草原生态系统N库如何响应不断增加的大气氮沉降至关重要。本研究在内蒙古额尔古纳草甸草原开展刈割和不同水平外源氮添加试验,设置6个氮添加水平: 0、2、5、10、20和50 g·m^-2·a^-1,同时设置刈割处理,分为刈割和不刈割2个水平。在连续处理的第7年,采集群落中优势植物地上部分、群落根、地表凋落物和0～100 cm分层土壤样品,测定N含量并计算N库储量。结果表明: 氮添加显著增加植物地上部分和凋落物N含量,以及羊草、植物群落和凋落物的N库及生态系统N库总量。刈割处理显著增加羊草叶片和凋落物N含量,降低羊草、植物群落和凋落物N库,但并不改变它们对氮添加的响应格局。此外,刈割和氮添加对植物群落N库存在显著的交互作用。在不刈割处理下,高水平氮添加使更多的氮储存在凋落物中等待分解,植物群落N库的饱和阈值出现在10 g·m^-2·a^-1;在刈割处理下,植物群落N库表现为随氮添加量增加而不断增加,并且在相同水平氮添加条件下刈割后进入到植物群落N库中的氮更多。刈割可以缓解氮沉降不断增加对生物多样性和生态系统稳定性造成的不利影响,并可以在一定程度上推迟氮沉降增加引起的生态系统氮饱和的发生。     

宁夏东部风沙区固定沙丘土壤性质小尺度空间变异特征

随着流动沙丘的不断固定,不同地形部位的土壤机械组成、有机碳(SOC)和全氮(TN)含量的变化存在差异。为了探明固定沙丘的土壤机械组成与土壤养分空间变异特征,本研究以宁夏黄沙古渡固定沙丘为对象,分析了固定沙丘不同部位、不同土层的风沙土机械组成、SOC和TN特征。结果表明: 各土层土壤机械组成均以中沙和细沙为主。SOC和TN有明显的表聚作用,SOC和TN含量最大值分别为5.781和0.412 g·kg^-1,分布在丘间地,脊线和背风坡含量最少。随着土层深度的增加,背风坡和迎风坡的SOC含量逐渐减少,丘间地的SOC含量先减少后增加。SOC和TN在小尺度上均表现出明显的空间异质性;SOC和TN与粉沙和极细沙含量呈显著正相关,与中沙和粗沙含量呈显著负相关。土壤机械组成对SOC和TN含量有明显影响,而且SOC和TN含量随着细颗粒含量的增加而增加,表明土壤细颗粒对有机质的吸附和积累起着重要作用。     

氮沉降和施生物质炭对毛竹林土壤N2O通量的影响

本研究于2019年7月—2020年7月在浙江省杭州市典型毛竹林布置野外控制实验,采用静态箱-气相色谱法测定毛竹林土壤N₂O通量,分析生物质炭(10 t·hm^-2)、氮沉降(60 kg N·hm^-2·a^-1)、生物质炭+氮沉降混合处理对土壤N₂O通量的影响,并探讨了土壤N₂O通量与环境因子的关系。结果表明: 与对照相比,氮沉降处理使毛竹林土壤N₂O年累积排放量增加了14.6%,而施用生物质炭及其与氮沉降混合处理则分别降低了20.8%和10.6%。相关分析表明,在所有处理下,毛竹林土壤N₂O排放速率与土壤温度、硝态氮含量、脲酶和蛋白酶活性之间均呈极显著相关,与土壤铵态氮含量均呈显著相关。在氮沉降背景下,施用生物质炭对毛竹林土壤N₂O通量仍具有显著的减排效应。     

太行山南麓坡面土壤碳氮空间变异性及其影响因素

太行山南麓是我国华北平原的重要生态屏障,研究该区域土壤养分的空间变异性对土石山区林业生态建设具有重要意义。本研究以太行山南麓典型坡面(人工林坡地和自然荒坡地)为对象,采用网格法布设采样点,运用经典统计学、地统计学和约束性排序相结合的方法对土壤养分的空间变异性进行分析。结果表明: 1)太行山南麓的土壤全碳(TC)含量为6.80～57.05 g·kg^-1,全氮(TN)含量为0.74～3.93 g·kg^-1;土壤TC、TN变异系数为25.0%～52.8%,均属于中等程度变异,该变异由随机性因素和结构性因素共同引起;养分的空间聚集性均随着滞后距的增加而下降。2)土壤养分含量从坡上到坡下均有增加的趋势,养分的高值区出现在坡下部分。3)土壤总容重、砾石含量、植被覆盖度、土壤含水量是影响太行山南麓土壤TC、TN空间变异的主要因素。4)土壤含水量是影响自然荒坡地土壤养分的主控因素,但不是影响人工林坡地的主控因素。