天山林区不同类型群落土壤氮素对冻融过程的动态响应

季节性冻融过程对北方温带森林土壤氮素的转化与流失具有重要影响,但不同类型群落对冻融过程响应的差异尚不明确。通过在林地、草地、灌丛上设置系列监测样地,采用原位培养的方法,利用林冠遮挡形成的自然雪被厚度差异,监测分析了冻融期天山林区不同群落表层土壤(0—15 cm)的氮素动态及净氮矿化速率间的差异。结果表明:(1)不同类型群落土壤的铵态氮(NH+4-N)含量、微生物量氮(MBN)含量基本与土壤(5 cm)温度呈正相关,深冻期林地土壤铵态氮含量低于其他群落类型而硝态氮含量高于其他群落类型;(2)硝态氮(NO-3-N)为天山林区季节性冻融期间土壤矿质氮的主体,占比达78.4%。灌丛土壤硝态氮流失风险较大,融化末期较融化初期灌丛土壤硝态氮含量下降了64.6%;(3)冻融时期对整体氮素矿化速率影响显著,群落类型对氨化速率影响显著;(4)天山林区土壤氮素在冻结期主要以氮固持为主。通过揭示不同类型群落土壤氮素对冻融格局的响应,能够助益于对北方林区冬季土壤氮素循环的认识。     

冻融对土壤氮素损失及有效性的影响

土壤冻融交替是寒冷生态系统土壤氮素循环的重要驱动力。已有研究表明冻融交替作用能够促进氮素周转,从而缓解因土壤有效氮素缺乏而引起的植物生长限制。即便如此,冻融环境下土壤有效氮素供应量远高于其利用量,过剩的氮素会通过气态(N2O-N)排放、淋溶和径流等途径损失。论述了季节冻融环境和模拟冻融条件下土壤氮素损失状况;同时分析了影响冻融土壤N2O生产的相关因素、产生途径及冻融期N2O大量排放的机制;针对冻融交替过程中土壤氮素有效性问题,探讨了氮矿化、可溶性有机氮(DON)和微生物量氮(MBN)与氮素损失的关系。评述了土壤冻融研究中存在的不足,认为模型研究、土壤微生物功能、氮素转化中间产物、土壤-植物界面过程是未来值得关注和深入探讨的研究方向。     

土壤微生物量氮含量、矿化特性及其供氮作用

论述了土壤中微生物体氮的含量及其影响因素,土壤微生物量氮的矿化特性及其与土壤矿化氮间的关系,土壤微生物量氮含量与土壤供氮指标间的关系等。提出研究不同生态系统中土壤微生物量氮的含量及其变化规律,不同耕作栽培措施对土壤微生物量氮含量的影响。土壤微生物量在土壤氮素保持和释放中的作用,土壤微生物量氮的转化率与其供氮量间的关系;土壤微生物量氮与作物氮素吸收间的关系等,是土壤微生物量氮方面应重点研究的问题。     

不同氮输入对湿地草甸沼泽土N_2O排放和有机碳矿化的影响

通过室内培养实验,研究了不同氮输入梯度下(N0:0mg·g-1,N1:0.1mg·g-1,N2:0.2mg·g-1,N3:0.5mg·g-1)湿地草甸沼泽土N2O排放和有机碳矿化特征,并分析了土壤微生物量碳、氮变化规律。整个培养期(23d)内,N0、N1、N2和N3处理N2O排放总量分别为91.12、133.02、147.75和303.45μg.kg-1,随氮输入量增大而增大,表明氮输入对N2O排放产生促进作用;氮输入处理的有机碳矿化速率在整个培养期除最后培养阶段外均低于对照,表明氮输入对有机碳矿化有一定的抑制作用;各氮输入处理土壤微生物量碳降低,与对照差异显著(P0.05),但各处理间差异未达到显著水平,土壤微生物量氮随氮输入量增大呈线性增加,各处理间差异显著(P0.05),表明氮输入影响土壤微生物结构和组成,具体影响机理须进一步探讨。     

河岸带不同植被类型土壤氮素转化过程对冻融交替的响应

河岸带是水陆交错地带氮素生物地球化学循环的热点区域,春季融雪时期的气温变化引起的冻融交替是影响土壤氮素转化过程和氮素流失重要因素之一.通过室内模拟,研究了河岸带珍珠梅、落叶松和农田3种植被类型土壤可溶性氮含量与净氮矿化速率对不同冻结温度和冻融频次的响应.结果表明,冻融频次对3种植被类型河岸带土壤可溶性氮影响显著(P＜0.05),不同植被类型土壤可溶性氮含量变化趋势相似,在第1次冻融之后达到峰值,在第10次冻融之后稳定.3种植被类型土壤无机氮含量受冻融交替影响显著升高(P＜0.05).冻融温度对土壤净氮矿化速率影响显著(P＜0.05),土壤净氮矿化速率在第1次冻融之后达到最大值,随冻融次数增加而下降.3种植被类型土壤受冻融交替影响均有一定程度的氮素流失风险,农田土壤无机氮含量本底值较高,土壤氮素随冰雪融水流失风险较大.     

天山林区不同类型群落土壤氮素对冻融过程的动态响应

季节性冻融过程对北方温带森林土壤氮素的转化与流失具有重要影响,但不同类型群落对冻融过程响应的差异尚不明确。通过在林地、草地、灌丛上设置系列监测样地,采用原位培养的方法,利用林冠遮挡形成的自然雪被厚度差异,监测分析了冻融期天山林区不同群落表层土壤(0—15 cm)的氮素动态及净氮矿化速率间的差异。结果表明:(1)不同类型群落土壤的铵态氮(NH+4-N)含量、微生物量氮(MBN)含量基本与土壤(5 cm)温度呈正相关,深冻期林地土壤铵态氮含量低于其他群落类型而硝态氮含量高于其他群落类型;(2)硝态氮(NO-3-N)为天山林区季节性冻融期间土壤矿质氮的主体,占比达78.4%。灌丛土壤硝态氮流失风险较大,融化末期较融化初期灌丛土壤硝态氮含量下降了64.6%;(3)冻融时期对整体氮素矿化速率影响显著,群落类型对氨化速率影响显著;(4)天山林区土壤氮素在冻结期主要以氮固持为主。通过揭示不同类型群落土壤氮素对冻融格局的响应,能够助益于对北方林区冬季土壤氮素循环的认识。     

季节性冻融期间川西亚高山/高山森林土壤净氮矿化特征

气候变暖情景下季节性冻融格局的改变可能显著影响高寒森林土壤氮素矿化过程.本文采用原状土壤移位培养的方法,以海拔梯度形成的温度差异模拟气候变暖,研究了川西亚高山/高山森林在生长季节和季节性冻融期间土壤的净氮矿化量和净氮矿化速率.结果表明： 在川西亚高山/高山森林,土壤铵态氮和硝态氮含量均表现为从生长季节至冻结初期明显下降,完全冻结期明显增加,而在融化初期明显降低的变化过程.季节性冻融期土壤的净氮矿化量和净氮矿化速率显著低于生长季节,并且出现明显的氮素固持现象.与低海拔相比,中海拔森林土壤的氮素固持作用相对较大,高海拔相对较小,可能与不同海拔梯度土壤温度变化及引起的冻融循环密切相关.在生长季节,土壤净氮矿化量和矿化速率均随海拔的降低呈明显增加趋势,尤其在低海拔处土壤的氮素矿化作用最为强烈.在气候变暖背景下,温度的增加明显促进了生长季节土壤氮素矿化,并且通过提高冻融循环频次、缩短冻结时间来影响土壤氮素矿化速率.这一过程可能受到微环境的影响.     

古尔班通古特沙漠土壤酶活性和微生物量氮对模拟氮沉降的响应

本文以新疆古尔班通古特沙漠为研究区,原位设定0 (N0)、0.5 (N0.5)、1.0 (N1)、3.0 (N3)、6.0 (N6)和24.0 (N24) g N m?2 a-1 6个模拟施氮浓度,研究氮沉降对土壤酶活性和微生物量N的影响。结果表明：不同浓度的氮增加未改变土壤酶活性和微生物量N原有的垂直分布格局,0 ~ 5 cm土层土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性分别比5 ~ 10 cm土层低11.5 ~ 29.1%和1.4 ~ 14.2%,而该土层的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性和微生物量N则分别比5 ~ 10 cm土层高4.3 ~ 98.1%、45.3 ~ 119.0%、76.1 ~ 138.1%和77.5 ~ 162.3%。氮增加后,0 ~ 5 cm土层的土壤酶活性和微生物量N比5 ~ 10 cm土层受影响更大。低氮和中氮(N0.5～N3)增加对0 ~ 5 cm土层氧化酶活性影响较小,各处理间差异不显著;高氮(N6,N24)对该层氧化酶活性有明显抑制作用。与对照相比,N24处理下土壤多酚氧化物活性和过氧化物酶活性分别降低了22.4%和12.1%;5 ~ 10 cm土层氧化酶活性对氮增加响应不敏感,各施氮量之间差异不显著;两层土壤的蔗糖酶和碱性磷酸酶活性随氮的增加具有先增加再减少的趋势,而两层土壤的脲酶活性和土壤微生物量N随着施氮量增加分别降低和增加;随着土壤酶活性变化,土壤有效氮和微生物量N增加,有效磷先增加后减少。这些响应表明,氮增加可以改变该荒漠土壤系统的土壤酶活性和微生物量并影响土壤相关营养元素循环。     

川西亚高山-高山森林土壤养分动态及其对季节性冻融的响应

为深入了解川西亚高山-高山森林冬季生态学过程,于2008年11月—2009年10月,在土壤冻结初期、冻结期和融化期及植被生长季节,研究了不同海拔(3582 m、3298 m和3023 m)岷江冷杉林土壤养分动态及其对季节性冻融的响应。3个海拔森林土壤冬季具有较高养分含量,且随土壤冻融过程不断变化。土壤有机层可溶性碳和氮、铵态氮、硝态氮含量在冻结初期显著增加后快速降低,并随融化过程迅速增加后再次降低,而土壤可溶性碳和氮、硝态氮含量在冻结期变化不明显,铵态氮显著增加。矿质土壤层可溶性碳和氮、铵态氮含量也在冻结初期显著增加后降低,而土壤可溶性氮、铵态氮和硝态氮在冻结期显著增加,并在融化期经历一个明显的含量高峰。海拔和土层的交互作用显著影响土壤可溶性碳和硝态氮含量,土壤养分含量与土壤温度的相关性随海拔差异而不同。这表明季节性冻融期是土壤生态过程的重要时期,土壤冻融格局显著影响川西亚高山-高山森林土壤养分动态。     

天山林区土壤真菌多样性及其群落结构

土壤真菌群落结构对森林生态系统功能的维持具有重要作用,目前对天山林区土壤微生物的种类和群落结构了解甚少。为了解天山不同植被类型下土壤真菌的群落动态及优势菌属,使用Illumina MiSeq高通量测序技术,研究天山林区根际土与非根际土中真菌群落组成及多样性。结果表明:(1)对有效序列进行OTU聚类(operational taxonomic unit)后共得到14121个OTUs,经注释划分为7个门、33个纲、109个目、255个科、444个属、677个种;(2)子囊菌门(Ascomycota)和担子囊菌门(Basidiomycota)是天山植物的优势菌门,灌丛中相对丰度较高的有帚枝霉属(Sarocladium)、鬼笔属(Lysurus)、Microidium;云杉林中相对丰度较高的属有镰刀属(Fusarium)、赤霉属(Gibberella)、丝盖伞属(Inocybe);(3)灌丛与云杉林土壤真菌的群落结构和丰富度有显著差异,灌丛土壤真菌的多样性和丰富度更高,云杉林中阴坡的土壤真菌丰富度较高而阳坡和林窗较低;(4)丝盖伞属(Inocybe)、被孢霉属(Mortierella)、赤霉属(Gibberella)、镰刀属(Fusarium)与云杉的生长可能具有密切的关系。本文推测,根际土壤真菌的多样性和丰富度较低可能是导致云杉幼苗成活率低等更新障碍的问题。     

川西亚高山森林土壤呼吸和微生物生物量碳氮对施氮的响应

随着全球大气氮沉降的明显增加,将有可能显著影响我国西部地区受氮限制的亚高山森林生态系统。土壤微生物是生态系统的重要组成部分,是土壤物质循环和能量流动的重要参与者。由于生态系统类型、土壤养分、氮沉降背景值等的差异,土壤呼吸和土壤生物量碳氮对施氮的响应存在许多不确定性。而施氮会不会促进亚高山森林生态系统中土壤呼吸和微生物对土壤碳氮的固定?基于此假设,选择了川西60年生的四川红杉(Larix mastersiana)亚高山针叶林为研究对象,通过4个水平的土壤施氮控制试验(CK:0 g m~(-2) a~(-1)、N1:2 g m~(-2)a~(-1)、N2:5 g m~(-2) a~(-1)、N3:10 g m~(-2)a~(-1)),监测了土壤呼吸及土壤微生物生物量碳氮在一个生长季的动态情况。结果表明:施氮对土壤呼吸各指标和土壤微生物碳氮都有极显著的影响,施氮能促进土壤全呼吸、自养呼吸、异养呼吸通量和土壤微生物生物量碳氮的增长,施氮使土壤呼吸通量提高了11%—15%,土壤微生物量碳提高了5%—9%,土壤微生物量氮提高了23%—34%。在中氮水平下(5 g m~(-2) a~(-1))对土壤呼吸的促进最显著。相关分析发现,土壤呼吸与微生物生物量碳氮和微生物代谢商极呈显著正相关,微生物量碳氮与土壤温度呈极显著的正相关,与土壤湿度呈极显著负相关。通过一般线性回归拟合土壤呼吸速率与土壤10 cm温湿度的关系,发现土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著的正相关,与土壤湿度极显著负相关(P0.001),中氮水平下土壤温度敏感性系数Q_(10)值(7.10)明显高于对照(4.26)。     

黄土高原不同土壤微生物量碳、氮与氮素矿化势的差异

以采自于黄土高原差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,对黄土高原主要类型土壤中微生物量碳(Bc)、微生物量氮(BN)和氮素矿化势(NO)的差异性进行了比较研究.结果表明,Bc、BN和NO在不同类型土壤间存在显著差异,由关中平原至陕北风沙区,BC、Bn和NO总体呈现下降趋势,其中以土垫旱耕人为土最高,简育干润均腐土最低,黄土正常新成土和干润砂质新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土等各土类平均BC分别为305.2μg·g-1,108.4μg·g-1,161.7μg·g-1和125.4μg·g-1,BN分别为43.8μg·g-1,20.3μg·g-1,26.0μg·g-1和30.6μg·g-1,NO分别为223μ·g-1,75μg·g-1,163μg·g-1和193μg·g-1.土壤氮素矿化速率(k)则以简育干润均腐土最大,干润砂质新成土最低,土垫旱耕人为土和黄土正常新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土的k分别为0.039w-1,0.044w-1,0.031w-1和0.019w-1.不同类型土壤BC、BN与NO的差异,主要与土壤形成过程、输入土壤的植物同化产物和土壤有机质的差异等有关,从较大尺度进一步证明了在黄土高原,土壤有机质是影响BC、BN的主要因子.研究结果对分析黄土高原土壤生产力形成过程具有一定参考价值.     

冻融循环对温带3种林型下土壤微生物量碳、氮和氮矿化的影响

为了解冻融过程对森林土壤有机氮转化的影响,以长白山地区硬阔叶林、红松阔叶林和次生白桦林温带3种典型林型下的0—10 cm层(上层)和10—20 cm层(下层)土壤为试验材料,采用模拟冻融循环过程(-15—5℃)研究了冻融循环中3种林型下土壤微生物量和有效氮素的动态变化。结果表明:冻融培养过程中,多数情况下,3种林型上层土壤微生物量碳(SMBC,Soil Microbial Biomass Carbon)和土壤微生物量氮(SMBN,Soil Microbial Biomass Nitrogen)含量高于冻融循环前的对照处理(5℃恒温培养4 d后的土壤,记为CK)。冻融循环过程中3种林型下0—10 cm土层的SMBC和SMBN均显著高于10—20 cm土层(P0.05),表现出明显的SMBC和SMBN空间异质性特征。冻融过程对土壤NO_3~--N含量影响不明显,每种林型同层次不同冻融频次的土壤NO_3~--N含量间均无显著差异(P0.05)。3种林型0—10 cm层土壤的NH_4~+-N含量随冻融频次的增加表现相似的动态变化趋势,均在第3、4、5次冻融循环时表现出明显的NH_4~+-N释放特征。3种林型氮素矿(硝)化作用对冻融过程的响应明显,冻融温度变化、冻融频次和土壤层次对土壤净硝化率和净氮矿化率影响显著。3种林型下的土壤净硝化率波动偏大,0—10cm层在第2次冻融后出现最大峰值,其次为第7和第5次冻融循环。在3种林型0—10 cm层土壤中,土壤净硝化率与净氮矿化率均表现为:在短期冻融循环后达到峰值,而后呈现不同程度减小的趋势。     

长白山天然次生林土壤微生物量对氮沉降的响应

土壤微生物作为土壤养分的生物驱动因素,氮沉降会改变其活性和生物量,从而打破土壤养分循环动态平衡。氮沉降对热带、亚热带森林以及温带原始林生态系统土壤微生物量影响的研究较多,但对温带天然次生林影响的研究鲜有报道。于2016年5月(春)、7月(夏)和9月(秋)分别对长白山模拟10年氮沉降的控制试验样地——白桦山杨次生林进行了野外调查。控制试验分为3个氮添加处理,对照(CK 0 kg N hm~(-2)a~(-1))、低氮(LN 25 kg N hm~(-2)a~(-1))和高氮(HN 50 kg N hm~(-2)a~(-1)),按照土壤层(0—10 cm和10—20 cm)分别测试了不同处理的土壤微生物量碳(MBC)和氮(MBN)、土壤全碳(TC)、全氮(TN)和全磷(TP)、p H、土壤可溶性有机碳(DOC)和氮(DON)等指标。结果表明:1)土壤p H在氮沉降的作用下显著降低;上层土壤TC、TN在氮沉降下变化较小,下层土壤TC、TN的含量显著增加;氮沉降下春、夏两季土壤TP含量上升,LN处理在秋季对TP有抑制作用;氮沉降对DOC、DON的影响不显著。2)上层土壤MBC春季到秋季呈现递减的趋势,下层土壤呈现先升后降的趋势,HN对MBC有抑制作用,LN对下层土壤MBC有促进作用;土壤MBN由春季到秋季呈现递减的趋势,且上、下层土壤MBN差异显著;氮处理对春、秋两季MBN有促进作用,夏季有抑制作用;氮沉降使春、秋两季MBC/MBN降低,夏季土壤MBC/MBN升高。3)氮处理、季节变化和土层深度对MBC、MBN存在显著影响,其交互影响也显著。总之,长期氮沉降在生长季对土壤微生物量的影响具有季节性差异,且受到土层深度的影响。未来研究在重视年际变化的同时,也要注重时空动态对氮沉降作用表现出的差异性。     

The nitrogen mineralization rate of legume residues in soil as influenced by their polyphenol,lignin, and nitrogen contents

A 12-week greenhouse experiment was conducted to determine the effect of the polyphenol, lignin and N contents of six legumes on their N mineralization rate in soil and to compare estimates of legume-N release by the difference and ¹⁵N-recovery methods. Mature tops of alfalfa (Medicago sativa L.), round leaf cassia (Cassia rotundifolia Pers., var. Wynn), leucaena (Leucaena leucocephala Lam., deWit), Fitzroy stylo (Stylosanthes scabra Vog., var Fitzroy), snail medic (Medicago scutellata L.), and vigna (Vigna trilobata L., var verde) were incorporated in soil at the rate of 100 mg legume N kg^-1 soil. The medic and vigna were labeled with ¹⁵N. Sorghum-sudan hybrid (Sorghum bicolor, L. Moench) was used as the test crop. A non-amended treatment was used as a control. Net N mineralization after 12 weeks ranged from 11% of added N with cassia to 47% of added N for alfalfa. With the two legumes that contained less than 20 g kg^-1 of N, stylo and cassia, there was net N immobilization for the first 6 weeks of the experiment. The legume (lignin + polyphenol):N ratio was significantly correlated with N mineralization at all sampling dates at the 0.05 level and at the 0.01 level at 6 weeks (r²=0.866). Legume N, lignin, or polyphenol concentrations or the lignin:N ratio were not significantly correlated with N mineralization at any time. The polyphenol:N ratio was only significantly correlated with N mineralization after 9 weeks (r²=0.692). The (lignin + polyphenol):N ratio appears to be a good predictor of N mineralization rates of incorporated legumes, but the method for analyzing plant polyphenol needs to be standardized. Estimates of legume-N mineralization by the difference and ¹⁵N recovery methods were significantly different at all sampling dates for both ¹⁵N-labeled legumes. After 12 weeks, estimates of legume-N mineralization averaged 20% more with the difference method than with the ¹⁵N recovery method. This finding suggests that estimates of legume N available to subsequent crops should not be based solely on results from ¹⁵N recovery experiments.     

石灰性土壤微生物量碳、氮与土壤颗粒组成和氮矿化势的关系

以黄土高原土壤类型和土壤肥力差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,研究了土壤微生物量碳（BC）、微生物量氮（BN）与土壤氮素矿化势（NO）、全氮（TN）、有机碳（OC）及土壤颗粒组成的关系．结果表明：BC、BN与TN、OC呈极显著正相关（P〈0．01）,表明BC、BN与土壤肥力关系密切,可作为评价土壤质量的生物学指标．BC、BN与NO均呈高度正相关,相关系数分别为0．665和0．741（P〈0．01）．BC、BN、TN、OC、NO与土壤物理性粘粒（〈0．01mm）呈显著或极显著正相关,而与物理性砂粒（〉0．01mm）呈显著或极显著负相关,与物理性粘粒和砂粒比值呈显著或极显著正相关,表明土壤有机质主要通过与土壤物理性粘粒复合而形成有机无机复合体．     

Microbial biomass and nitrogen cycling responses to fertilization and litter removal in young northern hardwood forests

The influence of site fertility on soil microbial biomass and activity is not well understood but is likely to be complex because of interactions with plant responses to nutrient availability. We examined the effects of long-term (8 yr) fertilization and litter removal on forest floor microbial biomass and N and C transformations to test the hypothesis that higher soil resource availability stimulates microbial activity. Microbial biomass and respiration decreased by 20–30 % in response to fertilization. Microbial C averaged 3.8 mg C/g soil in fertilized, 5.8 mg C/g in control, and 5.5 mg C/g in litter removal plots. Microbial respiration was 200 µg CO₂-C g^–1 d^–1 in fertilized plots, compared to 270 µg CO₂-C g^–1 d^–1 in controls. Gross N mineralization and N immobilization did not differ among treatments, despite higher litter nutrient concentrations in fertilized plots and the removal of substantial quantities of C and N in litter removal plots. Net N mineralization was significantly reduced by fertilization. Gross nitrification and NO₃ ^– immobilization both were increased by fertilization. Nitrate thus became a more important part of microbial N cycling in fertilized plots even though NH₄ ⁺ availability was not stimulated by fertilization.Soil microorganisms did not mineralize more C or N in response to fertilization and higher litter quality; instead, results suggest a difference in the physiological status of microbial biomass in fertilized plots that influenced N transformations. Respiration quotients (qCO₂, respiration per unit biomass) were higher in fertilized plots (56 µg CO₂-C mg C^–1 d^–1) than control (48 µg CO₂-C mg C^–1 d ^–1) or litter removal (45 µg CO₂-C mg C^–1 d^–1), corresponding to higher microbial growth efficiency, higher proportions of gross mineralization immobilized, and lower net N mineralization in fertilized plots. While microbial biomass is an important labile nutrient pool, patterns of microbial growth and turnover were distinct from this pool and were more important to microbial function in nitrogen cycling.