土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应

气候变暖和大气N沉降是近一、二十年来人们非常关注的全球变化现象,它们所带来的一系列生态问题已成为全球变化研究的重要议题。它们不仅影响地上植被生长和群落组成,还直接或间接地影响土壤微生物过程,而土壤微生物对此做出的响应正是生态系统反馈过程中非常重要的环节。该文分别从气候变化对土壤微生物的影响(土壤微生物量、微生物活动和微生物群落结构)和土壤微生物对气候变化的响应(凋落物分解、养分利用与循环以及养分的固持与流失)两个角度,综述近期土壤微生物对气候变暖和大气N沉降响应与适应的研究进展。气候变暖和大气N沉降对土壤微生物的影响更多地反映在微生物群落的结构和功能上,而土壤微生物量、微生物活动和群落结构的变化又会通过改变凋落物分解、养分利用和C、N循环等重要的土壤生态系统功能和过程做出响应,形成正向或负向反馈,加强或削弱气候变化给整个陆地生态系统带来的影响。然而,到目前为止土壤微生物的响应对陆地生态系统产生的最终结果仍是未决的关键性问题。     

土壤微生物学特性对土壤健康的指示作用

土壤健康是陆地生态系统可持续发展的基础。作者通过概述土壤微生物学特性(土壤微生物群落结构、土壤微生物生物量、土壤酶活性)与土壤质量的关系, 阐明了土壤微生物对土壤健康的生物指示功能。研究表明: 土壤中细菌、真菌和放线菌的组成及其所占比率在一定程度上反映了土壤的肥力水平: 在土壤性质和肥水条件较好的土壤中, 细菌所占比率较高。土壤微生物生物量与土壤有机质含量密切相关, 而且土壤微生物生物量碳与土壤有机碳的比值(C_mic : C_org)和土壤微生物代谢熵(qCO2)的变化在一定程度上反映了土壤有机碳的利用效率。一般情况下, 土壤酶活性高的土壤中, 土壤微生物生物量碳、氮含量也高。因此, 土壤微生物学特性可以反映土壤质量的变化, 并可用作评价土壤健康的生物指标。     

我国落叶松林生物量碳计量参数的初步研究

通过整理归纳落叶松(Larix)天然林和人工林的生物量文献数据,研究探讨了有关生物量碳计量参数,结果表明:1) 落叶松生物量转化与扩展因子(Biomass conversion and expansion factor, BCEF)的平均值为0.683 4 Mg·m^-3 (n=113, SD=0.355 1),其中天然林为0.555 1 Mg·m^-3 (n=56, SD=0.058 2),明显小于人工林的0.809 5 Mg·m^-3 (n=57, SD=0.465 0)(p<0.05);生物量扩展因子(Biomass expansion factor,BEF)的平均值为1.349 3 (n=134, SD=0.384 4),其中天然林为1.176 3 (n=63, SD=0.039 9),也明显小于人工林的1.502 9 (n=71, SD=0.478 0)(p<0.05)。天然林与人工林的BCEF和BEF随林龄(Stand age, A)、平均胸径(Diameter at breast height, DBH)和林分密度(Stand density, D)的增加呈现相反的变化趋势。天然林的BCEF和BEF随A和DBH的增加而增加,随D的增加而呈降低趋势。人工林随A和DBH的增加呈指数降低并趋于稳定值,随D的增加而呈增加趋势。2) 根茎比(Root∶shoot ratio,R)的平均值为0.245 6 (n=156, SD=0.092 6),其中天然林为0.237 6 (n=64, SD=0.061 8)),人工林为0.251 1 (n=92, SD=0.109 0),二者无明显差异(p<0.05)。天然林的R随A和DBH的增加分别呈明显的指数和幂函数增加,而随D的增加呈幂函数下降,而人工林的R与A、DBH和D没有显著相关性(p<0.05)。3) 群落生物量扩展因子(Community biomass expansion factor,CBEF)的平均值为1.079 2 (n=49, SD=0.100 5),其中天然林为1.103 9 (n=29, SD=0.114 9),明显大于人工林的1.043 4 (n=20, SD=0.061 4) (p<0.05)。由于天然林和人工林的某些碳计量参数(如BCEF、BEF、CBEF)间存在明显差异,在进行落叶松林生物量碳计量时需分别天然林和人工林计算,在使用有关参数时还需考虑A、DBH和D等因素,有利于降低计量中的不确定性。但是人工林的有些参数(如人工林BCEF和BEF与D的关系、天然林和人工林的CBEF等)尚需进一步研究。     

百里香无性系的克隆生长特征

植物克隆生长及其与生态适应性的关系是当今植物种群生态学研究的热点和前沿课题,但目前小半灌木克隆生长的研究开展不多。百里香(Thymus serpyllum var. asiaticus)是一种具有地面匍匐茎的草本状小半灌木,可在土壤侵蚀剧烈、基岩大面积裸露的砒砂岩区形成百里香单优群落,在维持生态系统稳定方面具有重要的生态学作用。皇甫川流域是砒砂岩大面积分布的典型区域,在这一地区对百里香无性系的克隆生长进行研究,不仅具有重要的学术价值,而且在生态环境建设方面也具有一定的现实意义。在皇甫川流域选择含三级分株的百里香无性系,对其各级分株的总生物量、各构件生物量及数量、各构件生物量占总生物量的百分比及其月变化进行了研究。结果表明: 1)母株与子代相比,在总生物量、构件生物量及数量上占有绝对优势,而且具有体型大、结构复杂的特点; 2)对生物量分配格局的研究显示,母株根的生物量在总生物量中所占的比例最大,其叶所占的比例较低。子代叶的生物量在总生物量中所占的比例最大,其根所占的比例较低;3)不同级别分株在生物量分配上的差异,揭示了相互连接的分株在功能上的差别,母株可能更侧重于养分和水分的吸收,子株则更侧重于光合生产;4)构件枝、茎、花生物量分配比月变化显示,子1代各构件的生长规律与母株的基本一致,子2代与母株和子1代的相比差异较大,分析认为这可能是分株间不同程度的生理整合作用造成的结果。     

初始克隆分株数对大米草表型可塑性及生物量分配的影响

克隆植物大米草 (Spartina anglica) 目前在我国出现了严重的自然衰退 (Dieback),为了阐明大米草衰退的机理,分析影响大米草形态可塑性的因素与自然衰退之间的相关性,以期为近缘植物互花米草 (S. alterniflora) 这一爆发种群的生物控制提供借鉴,对3种不同初始克隆分株数 (单克隆、三克隆和五克隆) 大米草的克隆生长、生物量累积与分配和异速生长特征进行了野外栽培试验。研究结果表明,初始克隆分株数对间隔子长度影响较弱;初始多克隆的分支强度高于初始单克隆;初始三克隆和五克隆在总生物量 (7.921 5~10.431 7 g 和 8.903 9~10.431 7 g)、地上生物量 (3.396 1~4.255 8 g 和3.618 4~4.338 9 g)、地下生物量 (4.286 9~5.206 6 g 和 5.298 8~6.079 3 g)和根状茎生物量 (1.318 6~1.767 7 g 和 1.499 1~2.038 7 g) 积累上均显著高于初始单克隆,不同初始克隆分株数条件下根生物量差异不显著;初始多克隆倾向于将资源更多地分配给根状茎,而初始单克隆倾向于将更多的资源分配给根系。由此推断,在不同初始克隆分株数条件下,大米草的形态可塑性和生物量分配格局的差异显示出在同样资源格局下,初始多克隆的克隆生殖能力较初始单克隆强。初始多克隆生长的大米草较初始单克隆生长的大米草更能占据优势生境,选择生境“觅养”的能力与克隆繁殖能力更强。     

土壤养分水平影响绢毛匍匐委陵菜匍匐茎生物量投资

为研究匍匐茎草本植物对基质养分供应水平的生物量分配格局的可塑性,在一盆栽实验中对绢毛匍匐委陵菜(Potentilla reptans var. sericophylla)进行了8种不同的养分处理。绢毛匍匐委陵菜植株生物量、匍匐茎数、分株数以及匍匐茎节间长在中等养分条件下最大。随土壤养分的降低,绢毛匍匐委陵菜对叶片和叶柄的生物量投资减小,而对根系的生物量投资增加。在中等养分条件下,绢毛匍匐委陵菜对匍匐茎的生物量投资倾向于最大,而在更高或更低的养分条件下倾向于减少。此生物量分配格局与de Kroon和Schieving的模型模拟结果相符合,结果表明在中等资源水平下增加对匍匐茎的生物量投资是克隆植物增加资源获取的对策之一。     

杉木人工林土壤微生物生物量碳氮特征及其与土壤养分的关系

研究了湖南会同红黄壤区杉木人工林和常绿阔叶林土壤微生物量和养分状况.结果表明,该区杉木人工林取代地带性常绿阔叶林和杉木连栽后,土壤微生物碳、氮和土壤养分含量下降,土壤严重退化.在0～10 cm土层内,常绿阔叶林土壤微生物碳和氮含量为800.5和84.5 mg·kg^-1,分别是第1代杉木林的1.90和1.03倍、第2代杉木林的2.16和1.27倍;在10～20 cm土层内,常绿阔叶林土壤微生物碳和氮含量为475.4和63.3 mg·kg^-1,分别是第1代杉木纯林的1.86、1.60倍和第2代杉木林的2.11和1.76倍.在0～10 cm 和10～20cm土层内,杉木人工林取代常绿阔叶林和杉木栽植代数增加后,土壤全氮、全钾、铵态氮和速效钾含量均明显降低,但差异并不显著.人工杉木林林分组成单一,其凋落物分解慢、归还养分数量少;炼山等造成的表土流失是杉木人工林土壤微生物量和养分库退化的重要原因.土壤微生物碳与土壤全氮、铵态氮、全钾和速效钾含量呈极显著的正相关,土壤微生物氮与土壤养分含量也达到极显著水平.     

潜流湿地和表面流湿地的净化效果与植物生长比较

分别以砾石和土壤为填料构建成潜流人工湿地和表面流人工湿地,处以较大水力负荷的污水处理。比较了两种湿地对污水的净化效果,结果表明在较大水力负荷条件下两种湿地的净化效果都较差,但潜流湿地对各种污染物的净化能力都优于表面流湿地;土柱法测量了湿地植物的根系生物量,结果显示湿地植物地上部分长势差异不明显,但潜流湿地的根系生物量显著低于表面流湿地的根系生物量(P<0.05)。结合前期实验结果得出湿地净化效果不仅与湿地植物根系生物量有相关关系,还与其他因素有一定的相关关系。     

落叶松人工林细根动态与土壤资源有效性关系研究

树木细根在森林生态系统C和养分循环中具有重要的作用。由于温带土壤资源有效性具有明显的季节变化, 导致细根生物量、根长密度 (Rootlengthdensity, RLD) 和比根长 (Specificrootlength, SRL) 的季节性变化。以 17年生落叶松 (Larixgmelini) 人工林为研究对象, 采用根钻法从 5月到 10月连续取样, 研究了不同土层细根 (直径≤ 2mm) 生物量、RLD和SRL的季节动态, 以及这些根系指标动态与土壤水分、温度和N有效性的关系。结果表明 :1) 落叶松细根年平均生物量 (活根 +死根 ) 为 189.1g·m-2 ·a-1, 其中 5 0 %分布在表层 (0~ 10cm), 33%分布在亚表层 (11~ 2 0cm), 17%分布在底层 (2 1~ 30cm) 。活根和死根生物量在 5~ 7月以及 9月较高, 8月和 10月较低。从春季 (5月 ) 到秋季 (10月 ), 随着活细根生物量的减少, 死细根生物量增加 ;2 ) 土壤表层 (0~ 10cm) 具有较高的RLD和SRL, 而底层 (2 1~ 30cm) 最低。春季 (5月 ) 总RLD和SRL最高, 分别为 10 6 2 1.4 5m·m-3 和 14.83m·g-1, 到秋季 (9月 ) 树木生长结束后达到最低值, 分别为 2 198.2 0m·m-3 和 3.77m·g-1;3) 细根生物量、RLD和SRL与土壤水分、温度和有效N存在不同程度的相关性。从单因子分析来看, 土壤水分和有效N对细根的影响明显大于温度, 对活根的影响大于死根。由于土壤资源有效性的季节变化, 使得C的地下分配格局发生改变。各土层细根与有效性资源之间的相关性反映了细根功能季节性差异。细根 (生物量、RLD和SRL) 的季节动态 (5 8%~ 73%的变异 ) 主要由土壤资源有效性的季节变化引起。     

杉木人工林土壤活性有机质变化特征

在中国科学院会同森林生态实验站对第一代、第二代杉木林和地带性阔叶林土壤活性有机质主要组分进行了研究.结果表明,土壤活性有机质各组分含量均为杉木林低于阔叶林,而第二代杉木林又低于第一代杉木.第一代杉木林活性有机质总量、微生物生物量碳、水溶性有机碳和碳水化合物含量分别为18.79 g·kg^-1、421.7 mg·kg^-1、22.2 mg·kg^-1和136.3 mg·kg^-1,上述活性有机质组分在第二代杉木林中的含量分别是第一代杉木林的73.6%、87.9%、66.3%和3.2%,地带性阔叶林则分别为22.31 g·kg^-1、800. mg·kg^-1、361.1 mg·kg^-1和220.1 mg·kg^-1.相关性分析结果表明,土壤活性有机质各组分之间具有不同程度的相关性,其中土壤微生物生物量碳与其它活性有机质组分的相关性相对较高.