温度变化对粗木质残体分解的影响研究进展

粗木质残体(Coarse Woody Debris,CWD)作为陆地森林生态系统中重要的碳汇载体,对气候变暖的响应和适应对于预测未来气候变化具有十分重要的作用。然而,目前温度变化对CWD分解的影响及机制仍存在诸多未解决的问题。总体上,CWD储量与温度变化呈负相关关系,随温度的增加而减少。CWD分解的温度敏感性在空间和时间上存在明显的差异,受到温度变化范围、CWD分解等级等的影响。温度变化通过改变环境条件和生物因素直接或间接影响CWD的分解。温暖湿润的环境提高了微生物活性,促进CWD分解,但寒冷或炎热干燥等极端温度则抑制分解。长期的温度波动引起植被与微生物群落结构的变化,导致CWD基质质量、化学计量比、可分解性、径级大小等发生变化,进而影响CWD分解。虽然温度对CWD分解的影响引起了极大的关注,但现有研究仍存在许多不足,尤其是在气候变化背景下,温度、降雨、大气氮沉降等多因子的协同变化如何影响CWD分解尚未得出结论。因此,今后的研究需多开展温度与其他因子的交互实验,以明晰温度变化和其他协同因素对CWD分解产生的交互作用。

林分类型对亚热带森林土壤团聚体中真菌反硝化微生物丰度的影响

选取位于福建省三明市的米槠次生林、杉木人工林和马尾松人工林土壤为研究对象,利用荧光定量PCR分析了FnirK基因丰度,同时测定反硝化潜势。结果表明:FnirK基因丰度受林分类型显著影响,但受团聚体影响较小。马尾松人工林土壤FnirK基因拷贝数最高,为5.30×10^(8)copies·g^(-1),显著高于杉木人工林土壤的2.49×10^(8)copies·g^(-1)和次生林土壤的1.21×10^(8)copies·g^(-1)。各粒级团聚体的FnirK基因拷贝数也呈现出相同趋势。杉木和马尾松人工林土壤两种粒径较大团聚体的FnirK基因拷贝数较高,粒径较小团聚体中FnirK基因拷贝数较低,而次生林中4种粒级团聚体FnirK基因拷贝数无显著差异。马尾松和杉木人工林土壤的反硝化潜势分别为10.23和6.41μg·kg^(-1)·h^(-1),显著高于次生林土壤的2.76μg·kg^(-1)·h^(-1)。相关性分析表明,FnirK基因丰度与土壤含水率和有效磷含量呈显著正相关;反硝化潜势与土壤pH值、含水率、有效磷含量和FnirK基因丰度均呈显著正相关,表明真菌可能在酸性森林土壤反硝化过程中发挥重要作用。综上,不同林分类型主要通过影响土壤含水率和有效磷含量影响FnirK基因丰度和反硝化潜势,而团聚体粒径对土壤FnirK基因丰度影响相对较小。因此,在未来的森林管理过程中,人工林土壤真菌反硝化过程对N_(2)O产生的贡献不容忽视。

林分类型和氮添加对亚热带森林土壤氧化亚氮排放的影响

为揭示亚热带森林土壤N_(2)O排放对林分类型和氮添加的响应特征,选取位于福建省三明市的中亚热带米槠次生林、杉木人工林和马尾松人工林土壤为研究对象,分别设置无氮添加(N0 mg/kg)、低氮添加(N10 mg/kg)、中氮添加(N25 mg/kg)和高氮添加(N50 mg/kg)4个氮添加水平,进行微宇宙培养试验,测定土壤N_(2)O排放。结果表明:与无氮添加处理相比,氮添加整体上降低3种林分土壤pH,增加土壤NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N含量。无氮添加处理中杉木人工林和马尾松人工林土壤N_(2)O累积排放量分别为9.67和9.62 mg/kg,显著高于米槠次生林土壤N_(2)O累积排放量6.81 mg/kg。低氮添加处理中杉木人工林和马尾松人工林土壤N_(2)O累积排放量显著高于米槠次生林。但在中氮和高氮添加处理中,3种林分土壤N_(2)O累积排放量均无显著性差异。不同氮添加处理均促进3种林分土壤N_(2)O排放,低氮添加对次生林土壤N_(2)O排放影响的效应值为0.01,显著低于杉木人工林和马尾松人工林土壤的效应值0.45。但中氮和高氮添加对次生林土壤N_(2)O排放影响效应值显著高于2种人工林,次生林土壤N_(2)O排放更易受中氮和高氮添加刺激。N_(2)O累计排放量与土壤NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N含量呈极显著正相关(p<0.01),但与pH无显著相关关系,表明氮添加背景下,氮素有效性是控制森林土壤N_(2)O排放的主要因素。综上,人工林土壤N_(2)O排放高于次生林,但次生林土壤N_(2)O排放对中氮和高氮添加更敏感。

天然林转人工林对亚热带森林土壤团聚体中亚硝酸盐还原基因丰度的影响

我国亚热带地区大面积天然林已转变为人工林,对森林生态系统结构和功能产生了极大影响。为揭示森林土壤团聚体中N_(2)O产生的关键基因亚硝酸盐还原基因(nirK和nirS)对森林转换后的响应特征,本研究选取中亚热带米槠天然林、杉木人工林和马尾松人工林为对象,分析了3种林分土壤和团聚体中nirK和nirS基因丰度。结果表明:天然林转变成人工林后,土壤pH值升高,但铵态氮含量下降。森林转换对土壤团聚体结构组成影响不大,但不同粒径团聚体中nirK和nirS基因丰度存在差异,以小团聚体分布最多,粉-黏颗粒分布最少。各林分土壤中nirK基因丰度均显著高于nirS基因丰度,表明nirK在酸性森林土壤中占主导。天然林转人工林显著增加全土和团聚体中nirK及nirS基因丰度,表明森林转换有利于提高nirK和nirS基因丰度,这可能与pH值的提高有关。综上,天然林转变为杉木或马尾松人工林显著提高了土壤和团聚体中nirK和nirS丰度,但对团聚体质量分数无显著影响。

土壤和大气增温对杉木幼树细根生物量和叶片性状的影响

为揭示不同增温方式对杉木幼树细根生物量和叶片性状的影响,设置土壤增温(电缆增温4℃,不增温)×大气增温(开顶箱被动式增温,不增温)双因子实验,对杉木幼树细根生物量和叶片性状进行研究。结果表明:大气增温、土壤和大气同时增温使杉木细根总生物量显著减少,土壤增温后细根总生物量无显著变化;大气增温、土壤增温、土壤和大气同时增温显著降低了0~10 cm土层细根生物量,大气增温、土壤和大气同时增温显著降低了10~20 cm土层细根生物量;而各处理20~40 cm土层细根生物量与对照无显著差异;大气增温、土壤增温显著减少1年生叶片组织密度及比叶质量;土壤增温、土壤和大气同时增温显著减少2年生叶片面积,显著增加了叶组织密度及比叶质量;大气增温显著减少了2年生叶片面积;未来气候变暖下杉木幼树可能会通过改变细根生物量的土层分布以及不同年龄叶片的性状来适应增加的温度。因此,为更真实、准确揭示增温对植物的影响,应考虑不同增温方式对植物性状的影响,尤其是应加强地上和地下同时增温的控制实验。

增温对亚热带杉木枝和叶凋落物理化性质的影响

在区域尺度上,凋落物的底物性质是决定其分解速率的关键因素。本研究以亚热带杉木人工林为对象,通过埋设电缆进行土壤增温,分析气候变暖对杉木枝、叶凋落物理化性质的影响。结果表明:经过5年的土壤增温试验(4℃),杉木枝凋落物的氮(N)、磷(P)含量和可萃取物含量分别增加35.2%、40.8%、7.6%,叶凋落物分别增加41.2%、45.9%、5.9%;枝凋落物的碳(C)含量、纤维素含量和C/N分别降低5.1%、11.6%、28.8%,叶凋落物分别降低5.3%、11.3%、33.3%。土壤增温导致杉木叶凋落物的比叶面积提高29.8%,抗拉强度减小40.7%,但增温对杉木枝和叶凋落物木质素含量和pH值无显著影响。^(13)C NMR和红外光谱分析显示,增温后杉木凋落物中氨基酸、多糖、多酚和脂肪族化合物含量变化显著,而且在不同器官凋落物之间有所差别,表现为多糖类物质只在叶凋落物中显著增加,枝凋落物中氨基酸的增加量大于叶凋落物。土壤增温显著改变了杉木枝、叶凋落物的理化性质,N、P养分含量的提高以及抗拉强度减小等特征可能加速初期凋落物的分解速率,而由于复杂大分子化合物的增多,后期凋落物的分解速率可能较慢。

增温对杉木幼树不同季节叶片非结构性碳水化合物及碳氮同位素的影响

为揭示植物叶片非结构性碳水化合物(NSC)以及碳氮同位素特征对全球变暖的响应,在福建三明森林生态系统与全球变化国家野外科学观测研究站陈大观测点内开展土壤增温实验,设置对照(CT)和增温(电缆加热,+4℃)(W)两种处理,于2016年3月份开始增温,以杉木幼树为研究对象,分析杉木叶片NSC含量以及碳氮同位素的季节变化特征.结果表明:(1)增温处理显著降低春季叶片可溶性糖、淀粉、NSC含量,而其他季节两种处理间无显著性差异.(2)增温后春、冬季节叶片δ13C显著增加,各季节叶片δ15N均表现出增加趋势.(3)增温处理下,叶片δ13C、δ15N与NSC含量未表现出相关关系,而对照条件下,δ15N与δ13C、糖淀比表现为负相关关系,与淀粉表现为正相关关系.综上所述,植物在增温条件下会通过调整不同季节体内NSC含量进行渗透调节,同时改变养分循环特征,进而影响植物水分和养分利用策略维持植物的生长.未来应进一步研究长期增温背景下植物体内NSC含量以及碳氮同位素在各器官间的季节变化特征以及NSC含量与碳氮循环间的关系.(图4表2参40)

亚热带常绿阔叶林62种木本植物凋落叶碳氮磷化学计量特征

为揭示亚热带常绿阔叶林凋落叶碳(C)、氮(N)和磷(P)化学计量特征,本研究测定了福建省三明格氏栲自然保护区天然林内62种主要木本植物凋落叶C、N和P含量,分析叶习性(常绿、落叶)、生活型(乔木、小乔木或灌木)以及主要科之间凋落叶化学计量的差异,通过Blomberg’s K衡量系统发育信号,分析了科水平分化时间与凋落叶化学计量之间的相关性。结果表明:62种木本植物凋落物C、N、P含量分别为405.97~512.16、4.45~27.11和0.21~2.53 g·kg^(-1),C/N、C/P和N/P分别为18.6~106.2、195.9~2146.8和3.5~68.9。常绿树种凋落叶P含量显著低于落叶树种,C/P和N/P显著高于落叶树种,二者之间的C、N含量和C/N无显著差异;乔木与小乔木或灌木之间的化学计量均无显著性差异。系统发育对凋落叶C、N含量和C/N有显著影响,对P含量、C/P和N/P无显著影响。科水平分化时间与N含量呈显著负相关,与C/N呈显著正相关。壳斗科凋落叶倾向于高C、N含量、C/P和N/P,低P含量和C/N;无患子科则表现出相反的趋势。与全球尺度相比,亚热带地区凋落物具有高C、N含量和N/P,以及低P含量、C/N和C/P的特征;受系统发育的影响,进化较古老的树种凋落叶具有较低的N含量和较高的C/N;凋落叶之间的化学计量差异不受生活型的影响;不同叶习性树种之间的P含量、C/P和N/P差异显著,但整体表现出一定的趋同效应。

亚热带米槠天然林土壤氨氧化微生物对模拟氮沉降的响应

我国亚热带地区是全球氮沉降的热点区域。氮沉降会影响氨氧化微生物的丰度和群落结构,进而改变土壤微生物驱动的养分循环。目前对新近发现的完全氨氧化菌认识不足,极大地制约了对森林土壤氨氧化微生物响应氮沉降的整体认识。本研究以福建省三明市辛口镇格氏栲自然保护区长期模拟氮沉降处理土壤为研究对象,利用实时定量PCR方法,研究氨氧化微生物(包括氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和完全氨氧化菌comammox Nitrospira),尤其是完全氨氧化菌的amoA基因丰度。模拟氮沉降处理包括:不添加N(CK)、低氮(添加40 kg N·hm^(-2)·a^(-1),LN)和高氮(添加80 kg N·hm^(-2)·a^(-1),HN)。结果表明:8年的氮添加降低了土壤pH值和有机碳含量,提高了土壤硝态氮含量。供试土壤的AOB丰度低于检测限,无法获得目的片段。高氮处理显著提高了AOA丰度,但对完全氨氧化菌clade A和clade B丰度无显著影响。两种氮添加处理均降低了完全氨氧化菌/AOA值,表明氮添加降低了完全氨氧化菌在亚热带森林土壤氨氧化微生物类群中的相对竞争力。针对完全氨氧化菌clade A和clade B的扩增都存在非特异性产物,表明针对森林土壤的高特异性和覆盖度设计引物的必要性。Clade A和clade B丰度与总氮和铵态氮含量呈显著正相关,clade B丰度还与有机碳含量呈显著正相关。总之,模拟氮沉降提高了AOA在亚热带米槠天然林土壤硝化过程中的相对重要性,这些发现可为该地区应对全球变化和氮沉降的风险评估提供理论依据。

模拟氮沉降降低亚热带米槠天然林土壤氧化亚氮排放潜势

我国亚热带地区大气氮沉降量逐年上升,对森林土壤生物地球化学循环造成严重影响。本研究设置了对照(不添加氮)、低氮(40 kg·hm^(-2)·a^(-1))和高氮(80 kg·hm^(-2)·a^(-1))处理,分析了亚热带米槠天然林土壤反硝化功能基因丰度和N_(2)O排放潜势对氮沉降的响应。结果表明:高氮处理显著降低土壤N_(2)O排放潜势。长期(8年)氮沉降对nirS、nirK、nosZⅠ和nosZⅡ基因丰度均无显著影响,但nosZⅠ丰度均显著高于nosZⅡ丰度,表明nosZⅠ在酸性森林土壤中占主导。与对照相比,高氮处理显著降低(nirK+nirS)/(nosZⅠ+nosZⅡ)值。(nirK+nirS)/(nosZⅠ+nosZⅡ)值与土壤pH值呈显著正相关。长期高氮沉降可能通过降低土壤pH值使得土壤(nirK+nirS)/(nosZⅠ+nosZⅡ)值下降,从而降低森林土壤N_(2)O排放潜势。