森林生态系统土壤碳库对氮沉降的响应研究进展

大气氮沉降的不断加剧,改变了土壤理化性质,直接影响植物的生长与发育,间接影响了陆地生态系统碳库,进而可能改变全球气候变化进程。森林是陆地生态系统的主体,因此,弄清氮沉降如何影响森林生态系统碳库,对预测全球气候变化具有重要意义。笔者旨在详细分析氮沉降对森林生态系统土壤碳库输入和输出的影响,阐述氮沉降对森林生态系统凋落物分解、细根周转和土壤呼吸的影响研究进展和作用机制。截至目前,关于氮沉降对于陆地生态系统的影响研究报道较多,且国内外诸多学者也在森林生态系统土壤碳库对氮沉降的响应领域开展了较多试验研究,但多集中于碳输入和输出的总量分析,而对输入和输出各个组分的研究相对较少。笔者综述了国内外有关森林生态系统碳库输入和输出各组分对氮沉降响应的相关研究,为进一步揭示其响应机制和途径提供参考依据。     

黎麦幼苗对水氮耦合变化的可塑性响应

采用盆栽试验方法,研究了不同水氮条件对藜麦幼苗生长指标、根系生长指标及其生理指标的影响。结果表明:藜麦各测试指标与氮肥用量、灌水控制水平关系极为密切。在同一灌溉水平下,藜麦叶面积、生物量、根系总体积等幼苗及根系生长指标均随氮肥用量的增加呈先增加后下降趋势,而根系过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量等生理指标均随氮肥用量的增加呈先下降后增加的趋势;施氮量相同时,叶面积、生物量、根系总体积等形态指标均随灌水量的增加而增大,而POD活性、MDA含量等生理指标均随灌水量的增加而减小,且各处理间差异均达到显著水平;水氮交互作用对各指标均有影响,对叶面积、生物量、根系总体积、POD活性的影响均达到显著水平。在试验设置的水氮范围内,藜麦均表现出不同程度的表型可塑性;在中度或重度干旱胁迫下,施肥均能缓解干旱对藜麦的胁迫。综合考虑,土壤含水量为田间持水量的75%~85%、施氮量为1~2g/kg的组合最优。     

藜麦幼苗对水氮耦合变化的可塑性响应

采用盆栽试验方法,研究了不同水氮条件对藜麦幼苗生长指标、根系生长指标及其生理指标的影响。结果表明:藜麦各测试指标与氮肥用量、灌水控制水平关系极为密切。在同一灌溉水平下,藜麦叶面积、生物量、根系总体积等幼苗及根系生长指标均随氮肥用量的增加呈先增加后下降趋势,而根系过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量等生理指标均随氮肥用量的增加呈先下降后增加的趋势;施氮量相同时,叶面积、生物量、根系总体积等形态指标均随灌水量的增加而增大,而POD活性、MDA含量等生理指标均随灌水量的增加而减小,且各处理间差异均达到显著水平;水氮交互作用对各指标均有影响对叶面积、生物量、根系总体积、POD活性的影响均达到显著水平。在试验设置的水氮范围内,藜麦均表现出不同程度的表型可塑性;在中度或重度干旱胁迫下,施肥均能缓解干旱对藜麦的胁迫。综合考虑,土壤含水量为田间持水量的75%~85%,施氮量为1~2g/kg的组合最优。     

不同龄级辽东栎幼苗根系形态对幼苗生长的影响

为了探究混交林内辽东栎实生幼苗高死亡率的原因,以植物根系生长为切入点,探讨实生幼苗根系的变化规律,以期了解根系形态对幼苗生长的影响,对黄土高原子午岭地区油松(Pinus tabulaeformis)+辽东栎(Quercus liaotungensis)混交林中3个龄级（1龄、2龄、3龄）辽东栎实生幼苗的形态、生物量、根系长度和表面积等进行研究。结果表明：随龄级的增加,幼苗根冠比、根系长度与表面积呈上升趋势,表明2、3龄幼苗地下部分需要更多的光合产物。幼苗根系形态研究表明,随龄级增加,根系组成变化使幼苗细根细化,这将导致幼苗生物量分配趋向地下。根系细化与细根表面积减小对于根系的稳定性与吸收作用均有影响。相关分析表明,地上生物量与根系形态间存在相关性,但并非线性,表明根系形态与生物量间关系复杂,应用连续测定与控制试验将有利于揭示两者之间深层次的关系。混交林内,幼苗根系形态的变化对其稳定性和幼苗生物量分配均产生影响,但此类影响是复杂的。对于根系变化如何影响幼苗生长及其对资源的竞争能力,还需进一步的研究与探索。     

北方森林细根对氮沉降和二氧化碳浓度升高的响应

北方森林是全球第二大生物群区,约占全球森林面积的30%,尽管其细根生物量仅占森林生态系统很小的一部分,但其周转率更快,更易分解,因此,其对土壤碳循环和大气CO_2通量贡献很大。笔者综述了氮沉降和CO_2浓度升高的背景数据,总结了细根对二者变化的响应,主要从细根的形态特征、解剖结构和生理功能方面入手,探讨了其对氮沉降和CO_2浓度升高的响应。结论如下:(1)大气氮沉降量一直处于上升状态,与人类活动密切相关的有机氮量所占比例逐渐加大,而无机氮中NH_4~-N和NO_3~-N的变化趋势表现不同;(2)大气CO_2浓度一直呈上升趋势,细根形态特征、解剖结构和生理功能对其表现出明显的响应;(3)树种、年龄、土壤类型等都会改变细根形态、解剖结构和生理功能对氮沉降和CO_2浓度升高的响应结果,但改变的程度不同。研究结果可为北方森林乃至温带森林生态系统功能对氮沉降和CO_2浓度升高的响应提供参考依据和数据支持。     

氮素形态对芫荽光合作用和硝酸盐积累的影响

以提高芫荽光合速率、降低硝酸盐含量为目的,采用水培方法,研究了不同氮素形态对芫荽光合速率、硝酸盐积累、生长等的影响。结果表明:芫荽根系比叶片易于积累硝酸盐。在介质中NO3--N与NH4+-N同时存在,而且NO3--N比例较高时,芫荽叶片硝酸盐含量、硝酸还原酶(NR)活性、光合速率、生物量相对较高。     

氮沉降对小叶章光合生理特性的影响

为了阐明湿地植物小叶章光合特性对氮沉降响应的变化规律,选择三江平原沼泽化小叶章为研究对象,通过野外原位控制试验,研究了3个氮水平[0 g N/m² (N1)、5 g N/m² (N2)和10 g N/m² (N3)]对小叶章光合色素及光合参数的影响。结果表明,随着施氮水平的增加,小叶章的全氮含量、光合色素含量、光合参数AQE和Amax均呈增加趋势,但Rd则呈现先升高后下降的趋势,表明N3处理更能促进小叶章净碳的累积;光合参数Vcmax和Jmax也呈增加趋势,这有利于小叶章在低温环境下进行光合作用,维持施氮条件下较高光合能力。     

水曲柳苗木根系和叶片氮的分配及对生物量影响

为研究氮素浓度对水曲柳(Fraxinus mandshurica)苗木根系和叶片内氮的分配以及对苗木生物量的影响,采用温室砂培实验对4个不同氮素浓度处理(1、4、8、16 mmol/L)下的一年生水曲柳幼苗在不同生长时期根系、茎干和叶片中氮素浓度及其关系进行测定分析.研究结果显示:氮素供给浓度显著影响苗木根系氮浓度和叶片氮浓度.随供氮水平提高,苗木体内根系和叶片氮浓度都明显提高.在生长初期(6月)和中期(7月和8月),叶片中氮浓度分别高于根系9.40、9.55和4.21mg/g,而在生长末期(9月)叶片中氮浓度低于根系;根系中氮浓度与叶片中氮浓度有密切线性关系,在生长初期和中期,根系氮浓度增加1个单位,叶片氮浓度平均增加1.6个单位,在生长末期相关性减弱;氮有效性增加能够促进根系和地上部分生物量增长,其中根系生物量增加明显高于地上部分.当氮供应不足(氮浓度为1和4 mmol/L)时,分配到根系生物量1个单位,则分配到地上部分生物量约为0.28个单位.氮供应充足条件下,线性关系也较弱.说明水曲柳是一个对氮素比较敏感的树种,苗木根系和叶片中的氮浓度与其生物量存在显著的关系.     

气候变化背景下土壤微生物与植物物种多样性关联分析

气温升高和大气氮沉降是全球气候变化的两种重要情景,其变化将导致植物物种多样性和土壤微生物多样性的改变。对植物物种多样性而言,气候变暖和大气氮沉降增加对其影响表现为直接影响(通过改变植物物候期、影响植物分布及群落组成)和间接影响(通过影响植物生长的环境因子和土壤理化性质)。对土壤微生物多样性而言,气候变暖和大气氮沉降主要改变微生物的土壤环境、微生物种类和数量,直接或间接地影响其多样性。此外,在对全球变暖和氮沉降的响应方面,植物物种多样性和微生物多样性存在关联,即全球变暖和氮沉降通过改变植物物种多样性而影响土壤微生物多样性,微生物也将通过种间关系反作用于植物物种多样性。本文根据气候变化对栖息地环境的影响,选择温度和大气氮沉降这两种指标,探讨植物物种多样性和土壤微生物多样性对气候变化的响应,分析植物物种多样性和土壤微生物多样性之间的内在关联,旨在为植物和微生物多样性保护提供参考。     

不同基质对红海榄幼苗生长生理特性的影响

本研究目的为筛选出适宜红海榄幼苗生长的基质,提高栽培效率和幼苗的环境适应能力。本研究设置沙、沙:泥(7:3)、沙:泥(3:7)、泥4种不同基质配比,测定红海榄幼苗在不同基质配比条件下的生长指标、生物量、根系形态指标及生理指标。结果表明,沙:泥(7:3)处理的红海榄幼苗具有较高的生长指标、根系指标、生物量、光合色素含量和活性氧清除能力,有利于生长发育。随着泥比例增加,红海榄幼苗各项生长生理指标均下降。沙的养分含量较泥低,生长后期应密切注重养分的需求程度,及时补充养分输入。主成分综合得分排序显示,沙:泥(7:3)基质处理是红海榄的最佳育苗基质。     

栽培密度对亳州桔梗生长生理特性的影响

为探讨密度对桔梗生长生理特性的影响,设计5个密度栽培试验,测定了不同密度处理桔梗植株茎高、根长、根粗,叶片的光合色素含量和光合特性,桔梗植株对氮磷钾的吸收和体内分布情况以及根中桔梗总皂苷含量。结果表明,密度处理显著影响单株桔梗茎高、根长、根粗、单株干重、光合色素含量、净光合速率、水分蒸腾速率、气孔导度和胞间CO_2浓度以及总皂苷含量。高密度条件下,单株发育较差,生长生理指标显著下降;低密度条件下,单株发育良好,生长生理指标及总皂苷含量较高,但单位面积生物产量较低。植株对氮、磷的吸收趋势一致,生育前、中期吸收逐渐增加,中期达到吸收高峰,后期逐渐降低,前期主要分布在叶片、茎中,中期分布在花果比例较大,后期转移至根部,密度与单株氮、磷吸收量成反比。相比氮、磷吸收,桔梗对于钾的吸收量较小,前后生育期在体内分布趋势相似,中期分布均衡,密度对钾的吸收、分布无显著性影响。综合生物产量和药用部位产量及药效成分含量考虑,闽北、中部地区南桔梗的种植密度在M3左右(约49.5万~45.0万株/hm~2)为宜。     

甘蓝型油菜氮素高效吸收的植株形态与生理特性研究

为阐明甘蓝型油菜氮素高效吸收的形态和生理机制,利用6个氮素效率差异显著的甘蓝型油菜为供试材料,分析低氮条件下甘蓝型油菜抽薹期地上部和根系形态、叶片和根系生理特性的基因型差异及这些指标与高效氮素吸收的关系。结果表明,3个氮高效基因型在表型性状（株高、叶片数、最大叶长×宽、地上部干重、茎基粗、根长、根表面积、根体积、根平均直径和根干重）、生理（叶片可溶性糖含量、游离氨基酸总量、根系吸收总面积、活跃吸收面积、游离氨基酸总量和根系活力）和光合方面（净光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、蒸腾速率和氮素光合效率）均高于3个氮低效基因型。甘蓝型油菜抽薹期根平均直径、最大叶长×宽、蒸腾速率和根系硝酸还原酶共同决定了氮素吸收效率的92.10%。     

北方森林细根对大气N沉降增加和温度升高的响应

为了在全球大气N沉降增加和温度升高的背景下,细根生产和细根生理生态的潜在变化将如何影响森林土壤中的养分供应和陆地C循环。本研究基于34篇国内外已发表的北方森林N沉降、温度升高及其交互作用的170组细根数据,通过meta分析的方法,研究了细根对升温、增N以及二者交互作用的响应。结果表明:（1）增N显著抑制了北方森林细根生物量,明显增加了细根C、N含量,而P则显著减少,细根的呼吸速率显著增加,细根形态变得细长;（2）增温显著增加了土壤C素的有效性,细根的生物量、组织密度、N吸收速率、组织N浓度和呼吸显著增加,但是细根的C和N含量、比根长、直径和呼吸速率却随着温度的增加明显减少;（3）在升温增N的交互作用下,除组织N浓度受到抑制以外,细根生物量、呼吸速率、C、N含量均显著增加。研究表明:升温增N显著影响了北方森林细根的生物量、周转率、养分含量和形态特征,可为改进和完善C收支模型提供参考依据和数据支持。     

施磷量对黑木相思苗木生长的影响

为探究黒木相思苗木生长变化对磷肥的反映机制,本研究对1a生黑木相思(Acacia melanoxylon)苗木采用随机区组设计,设置了7个不同施肥量处理(0、50、75、100、125、150、200 mg P/株),测定并分析其苗高、地径、生物量及根系形态指标。结果表明：不同施磷量对苗木高生长、地径、生物量(地上部分、地下部分生物量)以及根系的生长都起促进作用,随时间和施磷量的增加,黑木相思根长、根平均直径、根表面积、根体积、苗高、地径、生物量总体表现均有所增加,总量为100 mg/株的等量施磷量对苗木生长促进作用效果最佳,试验结束时(即施肥第12 wk),该处理的根长、根表面积、根平均直径、根体积、苗高、地径、生物量(地上、地下部分)分别为417.09 cm、35.16 cm2、0.46cm、0.48cm3、36.2mm、2.30mm、1.236g(地上部分)、0.227g(地下部分),其中根长、根表面积、根平均直径、根体积分别比对照增加了81.2%、110.7%、61.2%和127.1%。     

玉米密植群体下部叶片衰老对植株碳氮分配与产量形成的影响

玉米密植会造成花后下部叶片早衰, 为探明其对植株根系性能、碳氮积累分配及产量形成的影响, 采用大田与土柱栽培相结合的方式, 以登海661和郑单958为试材, 分析了密植条件下两品种花后碳氮分配、根系性能和植株干物质积累量的变化。两年结果表明, 玉米密植群体下部叶片早衰导致两品种花后穗位叶叶绿素含量和净光合速率显著降低, 向根系转运的光合产物数量显著减少, 成熟期(R6)的根系生物量、根长密度和根系表面积较CK显著减少。根系性能的下降导致花后氮素吸收量显著降低, 叶片光合速率降低、整株叶片衰老进程加快, 单株籽粒产量显著下降, 登海661较CK低7.61%, 郑单958较CK低8.35%。郑单958的花后叶片衰老要早于登海661, 且叶面积和净光合速率比登海661低, 导致花后干物质积累量和产量较登海661显著降低。可见玉米密植群体花后下部叶片衰老加速了根系衰老, 降低了氮素吸收量, 影响整株绿叶面积和光合持续期, 最终导致花后干物质积累量和籽粒产量降低。     

氮沉降对细根动态和形态特征的影响研究进展

旨在总结前人研究经验以及过去研究的不足,指出未来N沉降对于细根影响研究的发展方向。基于前人研究的成果,总结了N沉降是如何影响细根动态和形态特征,进而又如何影响生态系统C循环。详细分析了全球N沉降现状,表明N沉降呈逐年加重的趋势;分析了细根动态（细根周转和呼吸）和形态特征（根长、直径、生物量、化学组分）对N沉降的响应。既有研究提供了很多N沉降影响细根动态和形态特征的证据,这些证据对于未来开展细根综合研究具有重要借鉴意义。     

西南旱地油菜间作紫云英和秸秆覆盖的生产效应

我国西南地区旱地的农田生态环境脆弱, 绿肥应用匮乏, 季节性干旱是限制油菜生产的关键因素。本研究在西南地区旱地引入冬季绿肥作物紫云英与油菜间作, 并结合秸秆覆盖, 探讨其对油菜光合特征、农艺性状、生物量、根系形态、油菜品质及产量的影响。结果表明, 间作紫云英和秸秆覆盖改善了油菜的根颈粗、叶片数、有效分枝数和单株角果数等农艺性状, 提高了油菜根系总根长、总根体积、总根表面积和平均根系直径等根系形态及蕾薹期和开花期的根、茎、叶生物量; 还提高了油菜苗期光合作用强度, 间作和秸秆覆盖处理的水分利用效率比油菜单作分别提高了31.12%和39.89%; 但对油菜品质的影响较小。间作、秸秆覆盖和秸秆覆盖下间作的油菜群体产量分别比单作提高10.30%、13.20%和40.16%。在西南地区旱地, 间作紫云英是提高油菜产量的可行途径, 而且结合秸秆覆盖的生产效益更明显。     

Root System Size Influences Water‐Nutrient Uptake and Nitrate Leaching Potential in Wheat

Environmental and economic considerations require the effective use of water and nutrients to elevate grain production in bread wheat (Triticum aestivum L.) with concomitant reduction in nitrate leaching to minimize contamination of underground water. We determined the effect of the root system on leaching fraction, leachate N concentration, and N, P and K uptake using bread wheat ‘Pavon 76’ and its three near‐isogenic translocation lines: Pavon 1RS.1AL, Pavon 1RS.1BL and Pavon 1RS.1DL. These genotypes were grown in sand‐tube experiments under optimum and low level of nutrients for 2 years. Root, stem and leaves, and grain N, P, and K content, and agronomic characters were measured. Leaching fraction and leachate nitrate concentration were measured at early tillering, booting and early grain filling. Significant main effects for year, nutrient level and genotype were found for the characters. Genotype × N interaction was significant only for root P content. Genotype × year interaction was significant only for plant N content, root P content and plant P content. Genotype × year × N interaction was significant only for root N uptake efficiency. Thus, genotypic means averaged across years and nutrient levels are reported. Low levels of nutrients (1330, 235 and 793 mg vs. 1915, 375 and 1268 mg N, P and K, respectively) reduced mean root biomass, plant biomass and grain yield by 27 %, 25 %, and 19 %, respectively. The translocation lines produced 31–46 % more root biomass, 11–14 % heavier grains and 6–8 % greater grain yield than Pavon 76. Leaching fraction was higher under low level of nutrient at booting and grain filling. Leaching fraction at tillering, booting, and grain filling was 67%, 42% and 25%, respectively. Leaching fraction at early tillering was lower for Pavon 1RS.1AL (39 %) and Pavon 1RS.1DL (40.5 %) than for Pavon 76 (45.3 %). Leachate nitrate concentration was lower for two translocation lines at all three stages of plant growth compared to Pavon 76. The correlation coefficient between plant N content and root biomass, between plant N content and plant biomass, and between grain yield and root biomass was positive and significant. Significant positive correlation was found between root biomass and P and K uptake. Multiple small applications of N fertilizer during early plant growth with adequate irrigation water are recommended. Wheat genotypes with superior root characteristics for efficient nutrient uptake, especially during tillering and booting, should be developed in breeding programmes to increase grain yield and to minimize the nitrate leaching.