陆地生态系统氮饱和对植物影响的生理生态机制

由于化石燃料的燃烧、含氮化肥的使用以及畜牧业等人类活动的影响,向大气中排放的含氮化合物数量不断上升,从而引起大气氮沉降的增加,使得某些陆地生态系统出现氮饱和现象。丈章综述了全球氮沉降与陆地生态系统氮饱和现状,探讨了氮饱和对植物光合作用、养分平衡和抗逆性的影响机制。     

陆地生态系统氮沉降增加的生态效应

 人类活动在全球范围内极大地改变着氮素从大气向陆地生态系统输入的方式和速率，人为固定的氮素正在不断积累，并对生态系统的结构和功 能产生显著影响。该文从以下几个方面综述了大气氮沉降增加对陆地生态系统的影响：1)氮输入增加可能影响植物生产力和生态系统碳蓄积能 力，生态系统响应的方向和程度取决于系统的初始氮状况(氮限制或氮饱和)以及当地的植被和土壤特征；2)持续氮输入有可能改变土壤氮循环 过程，降低土壤固持氮的能力，甚至导致土壤酸化、盐基离子损耗，进而影响到土壤有机碳的分解；3)高的氮沉降速率和持续氮输入都可能加 速含氮痕量气体的释放，但其影响程度受生态系统初始状态的影响(例如磷限制和氮限制)；4)氮沉降增加会影响生态系统的物种丰富度、植物 群落结构和动态，促进森林扩张，改变菌根真菌的物种多样性；5)持续氮输入带来的植物群落结构和植物生理特征的变化可能影响昆虫取食特 性，进而通过食物链改变生态系统的营养结构；6) 氮沉降增加对生态系统的影响并不是孤立存在的，它与CO₂浓度升高和O₃浓度变化有协同作 用，但难以从其协同效应中区分出各自的影响。最后，该文总结了我国的氮沉降研究现状，并对今后的研究前景提出了展望。     

长白山白桦山杨次生林细根形态特征和解剖结构对氮沉降的响应

根系作为植物与土壤物质交换和养分循环的桥梁,长期以来一直是生态学研究的热点。于2017年7月植物生长季,对长白山模拟11年氮(N)沉降控制试验样地的白桦(Betula platyphylla)山杨(Populus davidiana)天然次生林进行了根系采样,并利用根序法研究了根系形态特征和解剖结构对不同梯度N添加处理的响应,旨在探求两物种根系之间潜在生态联系。本试验共设置了三个N添加梯度,分别为对照(CK,0 g N m~(-2 )a~(-1))、低N处理(T_L,2.5 g N m~(-2 )a~(-1))和高N处理(T_H,5.0 g N m~(-2 )a~(-1))。研究结果如下:1)T_L显著抑制白桦和山杨前三级细根皮层厚度的生长。白桦通过增加皮层细胞直径(一级根增加了72.77%,二级根增加了53.22%,三级根增加了39.96%)但减少皮层层数来降低皮层厚度,而山杨主要通过皮层细胞直径的减少(一级根下降了40.80%,二级根下降了28.17%)来降低其皮层厚度。2)T_H显著抑制山杨前三级细根生长。主要通过增加皮层厚度(一级根增加了68.78%,二级根增加了50.81%,三级根增加了88.53%)以及降低导管横截面积来抑制吸收养分,从而达到影响生长的目的。3)白桦T_H相比于T_L细根直径呈抑制生长状态。其主要通过抑制中柱直径(一级根下降了17.61%,二级根下降了16.89%,三级根下降了20.62%)的生长来实现。以上结果表明,在同一立地条件下,白桦和山杨的细根对不同浓度N沉降的响应方式不同。     

氮水添加对中国北方草原土壤细菌多样性和群落结构的影响

研究了我国北方典型温带草原土壤细菌多样性和群落结构对氮水添加及环境因素的响应.结果表明:在常规降水条件下,土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)均随氮(N)梯度增加而逐渐降低;在增加降水条件下,MBC和MBN也随N梯度增加而降低,但降水增加削弱了N的抑制效应.在常规降水条件下,土壤细菌丰富度、Shannon多样性和均匀度等α-多样性指数随N梯度没有明显变化;增加降水条件下,各N梯度处理的土壤细菌α-多样性指数都显著高于常规降水条件下相应的N处理梯度.相关分析显示,土壤含水量、硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)与土壤细菌均匀度指数呈显著负相关关系;MBC和MBN与Shannon丰富度指数和均匀度指数呈显著正相关关系.土壤细菌群落非度量多维标度排序(NMDS)显示,在常规降水和增加降水处理下,土壤细菌群落结构均随N梯度增加发生明显改变.冗余分析(RDA)表明,MBC、MBN、p H和NH4+-N是影响土壤细菌群落结构的重要环境因子.     

CO2浓度升高与氮沉降对南亚热带森林生态系统植物生物量积累及分配格局的影响

CO2浓度升高与氮沉降增加对陆地生态系统的耦合作用已成为全球变化的研究热点。应用大型开顶箱 (OTC) 人工控制手段研究了人工生态系统在1) 高CO2 (700±20μmol·mol-1) +高氮沉降 (100kg N·hm-2·a-1) (CN) ;2) 高CO2 (700±20μmol·mol-1) +背景氮沉降 (C+) ;3) 高氮沉降 (100kg N·hm-2·a-1) +背景CO2 (N+) ;4) 背景CO2+背景氮沉降处理 (CK) 4种处理条件下荷木 (Schima superba) 、红锥 (Castanopsis hystrix) 、海南红豆 (Ormosia pinnata) 、肖蒲桃 (Acmena acuminatissima) 、红鳞蒲桃 (Syzygium hancei) 等主要南亚热带森林植物的生物量积累模式及其分配格局。连续近3年的实验结果表明:不同处理条件下, 各参试植物生物量积累具有不同的响应特征, N+处理显著促进荷木、肖蒲桃及红鳞蒲桃生物量的积累;C+处理显著促进肖蒲桃、海南红豆生物量的积累;CN处理显著促进除红锥外其他物种生物量的积累, 并且具有两者单独处理的叠加效应。不同处理改变物种生物量的分配模式, N+处理降低植物的根冠比, 促进地上部分生物量的积累;C+处理增加红锥和红鳞蒲桃地下部分生物量的分配, 却促进荷木和海南红豆地上部分的积累;CN处理仅促进红磷蒲桃地下部分的积累。群落生物量的积累与分配格局取决于优势物种的生物量及其分配格局在群落中所 占的权重。     

模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林细根特性和土壤呼吸的影响

细根在森林生态系统地下碳循环过程中具有核心地位.2007年11月-2009年11月,对华西雨屏区苦竹人工林进行了模拟氮沉降试验.氮沉降水平分别为对照(CK,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)和高氮(30 g N·m^-2·a^-1)处理,研究氮沉降对苦竹人工林细根和土壤根际呼吸的影响.结果表明：不同处理氮沉降下,<1 mm和1～2 mm细根特性差异较大,与< 1 mm细根相比,1～2 mm细根的木质素、磷和镁含量更高,而纤维素、钙含量更低;氮沉降显著增加了<2 mm细根生物量,对照、低氮、中氮和高氮处理的细根生物量分别为(533±89)、(630±140)、(632±168)和(820±161) g·m^-2,氮、钾、镁元素含量也明显增加;苦竹林各处理年均土壤呼吸速率分别为(5.85±0.43)、(6.48±0.71)、(6.84±0.57)和(7.62±0.55) t C·hm^-2·a^-1,氮沉降对土壤呼吸有明显的促进作用;苦竹林的年均土壤呼吸速率与<2 mm细根生物量和细根N含量呈极显著线性相关.氮沉降使细根生物量和代谢强度增加,并通过增加微生物活性促进了根际土壤呼吸.     

天山中部巴音布鲁克高寒草原大气无机氮沉降

随着我国经济的不断发展,人为活动导致的大气氮沉降显著升高,并已影响到偏远地区的生态系统.为了系统评价天山中部巴音布鲁克高寒草原的大气氮沉降现状,2010年5月至2011年12月对研究区域的氮素干、湿沉降进行观测分析.结果表明:研究区气态HNO3、NH3和NO2的年沉降通量分别为1.47、0.68和0.13 kg N·hm-2,颗粒物中铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)的年通量分别为0.23、0.25 kg N·hm-2;降水中NH4+-N和NO3--N的年沉降通量分别为2.47和1.59 kg N·hm-2.巴音布鲁克高寒草原的大气氮沉降通量为6.82kg N·hm-2.其中,湿沉降为4.06 kg N·hm-2·a-1,干沉降为2.76 kg N·hm-2·a-1.研究区氮沉降具有明显的季节变化特征:干沉降主要集中在春、夏季,占干沉降总量的72.1%;湿沉降主要集中在夏、秋季,占湿沉降总量的78.3%.     

褐藻裙带菜中PSⅡ复合物及其亚复合物的分离和特性研究

用不连续梯度蔗糖密度超离心,从经Triton X-100增溶的褐藻裙带菜类囊体膜中分离到3种色素蛋白复合物条带,分别是捕光复合物、具有光氧化活性的PSⅡ复合物颗粒（区带Ⅱ）以及PSⅠ（区带Ⅲ）。PSⅡ颗粒经毛地黄皂苷增溶后,再次超离心分离得到3条PSⅡ的亚复合物条带。吸收和荧光激发谱显示其中的区带Ⅱ-1为墨角藻黄素-Chl a／c-蛋白复合物,区带Ⅱ-2为Chl a／c-蛋白复合物,两者都只含20kDa多肽;而鲜绿色的区带Ⅱ-3为不含捕光复合物的活性PSⅡ核心。     

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。     

CO2浓度升高与氮沉降对南亚热带森林生态系统植物生物量积累及分配格局的影响

 CO₂浓度升高与氮沉降增加对陆地生态系统的耦合作用已成为全球变化的研究热点。应用大型开顶箱(OTC)人工控制手段研究了人工生态系统在1)高CO₂(700±20 μmol·mol^–1)+高氮沉降(100 kg N·hm^–2·a^–1)(CN); 2)高CO₂(700±20 μmol·mol^–1)+背景氮沉降(C＋); 3)高氮沉降(100 kg N· hm^–2·a^–1)＋背景CO₂(N＋); 4)背景CO₂＋背景氮沉降处理(CK) 4种处理条件下荷木 (Schima superba)、红锥(Castanopsis hystrix)、海南红豆(Ormosia pinnata)、肖蒲桃(Acmena acuminatissima)、红鳞蒲桃(Syzygium hancei)等主要南亚热带森林植物的生物量积累模式及其分配格局。连续近3年的实验结果表明: 不同处理条件下, 各参试植物生物量积累具有不同的响应特征, N＋处理显著促进荷木、肖蒲桃及红鳞蒲桃生物量的积累; C＋处理显著促进肖蒲桃、海南红豆生物量的积累; CN处理显著促进除红锥外其他物种生物量的积累, 并且具有两者单独处理的叠加效应。不同处理改变物种生物量的分配模式, N＋处理降低植物的根冠比, 促进地上部分生物量的积累; C＋处理增加红锥和红鳞蒲桃地下部分生物量的分配, 却促进荷木和海南红豆地上部分的积累; CN处理仅促进红磷蒲桃地下部分的积累。群落生物量的积累与分配格局取决于优势物种的生物量及其分配格局在群落中所占的权重。