不同轮作制度下红壤旱地水分时空变化对稻草覆盖的响应

依托湖南桃源红壤旱地轮作施肥长期定位试验,研究了不同轮作制度下(甘薯-油菜,绿豆-蚕豆)两种类型旱地(平旱地、坡旱地)土壤水分时空变化对稻草覆盖的响应差异。结果表明,随着土层的加深,红壤旱地土壤水分含量增加,稳定性增强,其中坡旱地的含水量和变异幅度均高于平旱地(尤其在0-20 cm,20-40 cm土层);稻草覆盖后,同一轮作制度坡、平两种类型旱地0-20 cm表土层水分含量均有增加,平旱地效果更为明显,20-40 cm,40-60 cm土层土壤含水量则明显下降;同在坡旱地覆盖稻草,绿豆-蚕豆轮作地土壤绝对含水量明显增加(0-20 cm,40-60 cm效果更加明显),而甘薯-油菜轮作明显提高了0-20 cm表土层水分含量,吸收消耗了20-40 cm,40-60 cm深层相对丰裕的水分;夏季持续高温干旱时期各处理0-20 cm表土层水分含量均呈持续下降趋势,与休闲地相比,除平旱地甘薯-油菜+稻草覆盖外,其它处理土壤含水量均有不同程度的增加,表明稻草覆盖是亚热带红壤旱地季节性干旱防御的有效措施。

覆盖与间作对亚热带丘陵茶园生态的综合调控效果

【目的】研究覆盖稻草与间作白三叶草对亚热带丘陵幼龄茶园的生态综合调控效果及对茶叶品质和产量的影响。【方法】以常规管理茶园(清耕茶园)为对照,连续4a进行大田对比试验,并采用DPS分析软件对数据进行显著性分析。【结果】两种生物措施均降低了土壤容重,增加了土壤有机质含量,影响了土壤养分的供应状况,提高了茶树土壤关键层次(0～20cm)和关键时期(4～6月)的水分含量,获得了不同观察时刻、不同深度土壤温度的多种调控效果,延缓和缩短了高温和干旱时间,抑制了杂草的生长,增加了天敌的种类和种群数量,减少了虫害发生率,促进了蚯蚓的生长,使茶树-立地环境-伴生生物群落处于良好的自我动态调节状态。【结论】两种生物措施综合调控了茶园生态环境,改善了茶叶品质,显著增加了茶叶产量,间作白三叶草的效果更好。

施肥结构对茶树(Camellia sinensis(L．)Kuntze)光合作用及其生态生理因子日变化的影响

以福云早毫品种为材料,在新开茶园连续5 a进行了7种施肥结构的大田对比试验,研究了茶树净光合速率(Pn)、生态生理因子的日变化及施肥结构对它们的影响,结果表明:茶树晴天Pn的日变化呈典型的双峰曲线,有明显的"午休"现象,且受生态生理因子的影响,光合有效辐射、气温和空气CO2浓度是茶园生态系统的主导因子,蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度是生理主导因子,进一步进行回归和通径分析发现,生态因子特别是光温因子对Pn的影响最大。施肥结构对茶树的光合有效辐射、叶面温度、空气温度和湿度等相对稳定的气候因子影响不大,但与纯施化肥、间作白三叶草+不施肥和完全不施肥相比,100%、75%、50%和25%施用有机肥4种处理明显增加了蒸腾速率和气孔导度,显著提高了日净光合速率,吸收和消耗了更多的CO2。以Pn和其他8个主要生态生理因子为指标进行聚类分析,7种施肥结构茶树光合作用系统分为100%和75%施用有机肥、50%和25%施用有机肥、纯施化肥和间作白三叶草+不施肥、完全不施肥4类,其中100%和75%施用有机肥的效果最好。

亚热带丘陵茶园间作白三叶草的保墒抗旱效果及其相关生态效应

在亚热带丘陵区幼龄茶园通过连续4 a的大田对比试验,研究了茶园间作白三叶草对土壤水分时空变化的调节效果和其他生态综合效应,分析了其对茶树生长、茶叶品质和产量的影响.结果表明：与清耕茶园相比,茶园间作白三叶草提高了关键土层（0～20 cm）和关键时期（4～6月）的土壤水分,促进了深层土壤水分向上层移动,提高了水分利用率,延缓和缩短了干旱时间,具有良好的提水保墒抗旱效果,同时改良了土壤环境,抑制了杂草生长,减少了病虫害发生率,促进了蚯蚓的生长,改善了茶叶品质,提高了茶叶产量,增产幅度达50.67 g/m^2.

长期施肥对西南喀斯特区玉米—大豆轮作根际和非根际土壤氮形态及酶活性的影响

依托中国科学院环江喀斯特农业生态试验站玉米—大豆轮作长期施肥定位试验,研究长期不同施肥策略下作物根际和非根际土壤氮形态及酶活性特征,为提高喀斯特地区农田氮肥利用效率和改善农田生态环境等提供科学依据。试验包括不施肥(Control)、单施化肥(NPK)、70%NPK+30%秸秆(LSNPK)、70%NPK+30%牛粪(LMNPK)、40%NPK+60%秸秆(HSNPK)、40%NPK+60%牛粪(HMNPK)6个处理。结果表明,施肥对土壤氮形态和酶活性的影响因农田作物类型而异。与不施肥处理相比,施肥处理提高了玉米季非根际土壤和大豆季根际土壤硝态氮含量。根际土壤硝态氮含量整体低于非根际。施肥处理除增加大豆根际土铵态氮含量外,对玉米季根际和非根际土壤铵态氮含量无显著影响。土壤微生物生物量氮(MBN)含量对施肥响应不显著,大豆季土壤MBN含量整体要低于玉米季土壤。与不施肥处理相比,施肥处理未对玉米季土壤乙酰氨基葡糖苷酶(NAG)活性产生显著影响,而显著提高了大豆季非根际土壤NAG活性。亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性变化对施肥响应不敏感。相关性分析结果表明,土壤含水量是影响硝态氮含量的关键因子。NAG和LAP活性与有机碳和全氮含量间相关性不显著,说明喀斯特农田土壤氮转化酶活性不受底物限制。可见,西南喀斯特地区农田土壤氮形态及酶活性对长期施肥的响应特征有别于其他地区,有必要结合区域气候条件、地质背景以及耕作习惯制定科学合理的施肥策略。

广西喀斯特峰丛洼地造林对土壤有机碳、氮及其组分的影响

植树造林是促进退化喀斯特生态系统植被恢复同时提升生态碳汇的重要措施。目前,关于喀斯特峰丛洼地区造林对土壤碳氮组分及其生物化学稳定性的影响认识还很不足。本研究在广西喀斯特峰丛洼地区配对采集了玉米地及其邻近人工林表层(0~15 cm)和亚表层(30~45 cm)土壤样品各14组,采用酸水解法对土壤碳、氮组分(活性碳、氮组分I,活性碳、氮组分II和惰性碳、氮组分)进行了测定。研究表明,农田退耕造林20年后,表层和亚表层土壤总有机碳、全氮、活性碳组分、惰性碳组分、活性氮组分与惰性氮组分含量均有不同程度的增加。与农田相比,人工林土壤碳库活度(活性碳库/惰性碳库)整体降低,碳库稳定性(惰性碳占土壤总有机碳的比例)显著提高。逐步回归分析表明,根系生物量、碳酸钙和交换性钙离子是造林后土壤有机碳、氮及其组分含量增加的主控因子。

茶渣生物炭对茶园酸性土壤氮吸附——解吸特征及土壤酸性改良的影响

为了探究添加茶渣生物炭对酸性茶园土壤氮吸附—解吸特性的影响,通过开展室内茶园土壤培养试验及等温吸附和解吸试验,分析不同热解温度(400℃、500℃、600℃)及不同添加配比(0.25%,0.5%,1.0%和2.0%)茶渣生物炭对酸性茶园土壤的理化性质及氮素吸附解吸特性的改良效果。结果表明,随着茶渣生物炭添加量增加,土壤pH、总有机碳、盐基饱和度、阳离子交换量、交换性钙和交换性镁含量显著增加;随着茶渣生物炭热解温度升高,土壤pH、总有机碳含量和盐基离子含量逐渐增加。茶渣生物炭对土壤铵态氮有明显的吸附作用,通过Langmuir方程可以对其吸附等温线进行较好的拟合(R2=0.968~0.987);随着吸附溶液中铵态氮浓度的增加,土壤对铵态氮的吸附量增加,吸附常数下降;土壤铵态氮的吸附分配系数(Kd)随着茶渣生物炭添加量增加逐渐升高,随着生物炭热解温度升高逐渐降低。土壤对铵态氮的解吸量在不同生物炭添加量处理中变化趋势为0.25%>1%>0.5%>2%;随着生物炭热解温度升高,土壤对铵态氮解吸量均升高;土壤对铵态氮吸附能力与土壤pH、总有机碳、交换性钾、交换性钙、盐基饱和度呈显著正相关(P<0.05),解吸能力则相反。研究表明,实际应用中应根据土壤改良的目的,优选茶渣生物炭添加配比及制备温度以达到最佳效果,对土壤保肥及提高土壤养分的利用率具有重要意义。

桂西北岩溶区不同土地利用方式下土壤反硝化基因丰度及其驱动因素

为深入了解反硝化微生物在喀斯特区域植被恢复过程中的重要作用,本研究在桂西北采集3种土地利用方式(农田、草地、人工林)的13个土壤样品,测定土壤基本理化性质和反硝化微生物功能基因(nirS、nirK、Fungal nirK、p450nor和nosZ)丰度,研究不同土地利用方式下土壤反硝化微生物功能基因丰度变化及其驱动因素。结果表明:人工林土壤的pH、有机碳、全氮(TN)、交换性钙(Ca_(exe))含量显著高于农田和草地;其土壤nirS、nirK、p450nor和nosZ丰度也显著大于农田和草地。相关性分析显示,pH、TN和Ca_(exe)与反硝化功能基因nirS、nirK和p450nor丰度呈显著正相关。冗余分析发现,Ca_(exe)、pH和TN是反硝化功能基因丰度变化的主要影响因素,分别占总解释变量的34.1%、20.1%和16.1%,表明Ca_(exe)是驱动不同土地利用方式下反硝化功能基因变化的主要因子。综上,桂西北喀斯特区域植被恢复(人工林)能够显著增加土壤反硝化微生物基因丰度,进而影响该生态系统的氮循环过程。

地形、树种和土壤属性对喀斯特山区土壤胞外酶活性的影响

土壤胞外酶在生态系统生物地球化学循环过程中扮演着重要角色,然而关于土壤胞外酶活性的主控因子研究还不够深入,特别是在偏碱性的钙质土壤区域相关研究尤其缺乏.本研究以典型喀斯特山区(木论国家级自然保护区)的林地为研究对象,采集不同地形条件(不同坡位和坡向)、不同树种(厚壳桂和伞花木)下的表层土壤(0~15 cm),测定了与碳、氮、磷循环相关的6种水解酶的活性及相关土壤理化性质.研究运用方差分解,并结合多响应置换过程以及冗余分析技术分析了地形、树种和土壤理化性质对土壤酶活性的影响.结果表明,坡位对土壤酶活性有显著影响.树种和坡向对土壤酶活性的影响不显著.方差分解结果表明,地形、树种和土壤理化性质共同解释了土壤酶活性变化的55.3%,其中土壤因子是影响酶活性改变的主要因子,解释了44.2%的变异.而冗余分析的结果进一步表明在土壤因子中,pH、总氮和无机氮是影响土壤酶活性变化的主要指标.研究首次量化了喀斯特地区小尺度内地形、树种及土壤理化性质对土壤酶活性变化的影响.研究也说明了在喀斯特山区小尺度内土壤酶活性的变化可由土壤理化性质来表征.

西南喀斯特生态系统氮素循环特征及其固碳效应

评估生态系统氮状况对预测全球变化背景下生态系统的固碳潜力及生态演替的方向与进程均具有重要的意义。近年我们开展了比较系统的研究以回答二个关键科学问题,即氮是否限制喀斯特区植被恢复,以及喀斯特森林氮状况与邻近的非喀斯特森林相比有何差异?基于多尺度演替序列研究,发现退耕后喀斯特土壤总氮快速累积。氮的累积相应促进土壤有机碳快速累积,且有机碳累积的相对速率高于总氮累积的相对速率。恢复初期(草丛阶段)植被受氮限制,而在次生林阶段则表现出明显的氮饱和特征。基于土壤初级氮转化速率和胞外酶活性化学计量特征的证据表明氮饱和是喀斯特森林的独有特征,而邻近的非喀斯特森林普遍受氮限制。我们的研究意味着:1)西南喀斯特山区退耕后的生态恢复仅在早期受氮限制,而中后期则不受氮限制;2)充足的氮供应可保障生态恢复工程的固碳效应;3)喀斯特森林氮循环具有其独特性,在全球变化背景下,其响应与适应性也可能异于其他区域/类型森林。

西南喀斯特区植被恢复对土壤氮素转化通路的影响

氮素是生态系统重要的限制性养分元素之一.研究氮素转化特征对于了解生态系统功能具有重要意义.然而,目前对喀斯特地区氮素转化特征的认识十分有限.同时,喀斯特地区正开展一系列的生态恢复工程措施,生态恢复将对土壤氮素转化过程产生何种影响尚不清楚.为此,本研究在广西环江县喀斯特区域选取3种典型的植被恢复阶段(草地、灌丛、次生林),以农田为参照,采集0~10 cm深度的土壤样品,测定了土壤净氨化速率(净氨化率、真菌氨化和细菌氨化)、净氮矿化速率(净氮矿化、真菌矿化和细菌矿化)、净硝化速率(净硝化、自养硝化、异养硝化、真菌硝化、细菌硝化)及相关土壤理化指标,研究喀斯特区植被恢复对土壤氮素转化速率的影响.结果表明,总体上喀斯特生态系统硝化速率很高,土壤无机氮主要以硝态氮形式为主,其中自养硝化和异养硝化分别占净硝化速率的80%和20%.添加真菌和细菌抑制剂后,氨化速率增加,而硝化速率下降.另外,随着植被的恢复,土壤氮矿化和硝化速率逐渐增加,而氨化速率逐渐下降.其原因与不同植被恢复阶段的土壤有机碳、总氮、硝态氮、微生物量及氮获取酶的活性有密切关系.这些发现为认识喀斯特生态系统氮素循环特征提供了关键的信息.

喀斯特峰丛洼地植被恢复对土壤硝化与反硝化潜势的影响

硝化与反硝化是氮素生物地化循环的两个关键过程,同氮素有效性、氮流失及大气与水体质量安全等紧密相关。采用空间代替时间的方法,选择桂西北喀斯特峰丛洼地植被恢复三个典型阶段植被群落为研究对象,以耕作旱地为参照,分析不同植被群落土壤硝化与反硝化潜势,探讨植被恢复对土壤硝化与反硝化潜势的影响及其内在机制。结果表明,不同植被群落土壤硝化和反硝化潜势存在显著差异,硝化潜势均值在18.78~49.08 mg N/(kg.d)之间,具体表现为次生林>旱地≈灌丛≈草丛;反硝化潜势均值在4.09~15.43 mg N/(kg.d)之间,具体表现为次生林≈旱地>草丛≈灌丛。总体上,土壤硝化潜势要大于反硝化潜势,且均是植被演替后期阶段(次生林)显著高于早初期阶段(草—灌丛),草丛和灌丛之间无显著差异性。土壤硝化和反硝化潜势与有机碳(SOC)、硝态氮含量均呈极显著正相关关系(P<0.01),同土壤微生物生物量氮(SMBN)分别呈显著(P<0.05)和极显著正相关关系(P<0.01)。研究表明,SOC、硝态氮含量、SMBN是影响喀斯特峰丛洼地土壤硝化和反硝化潜势的关键共性因子。

外源施硒对小白菜硒富集与土壤生物活性的影响

硒是人和动物生长发育必需的微量营养元素,具有增强免疫、抗癌及抗衰老等功效,但同时也是一种环境毒素。外源施硒是提高作物硒浓度的常见措施,然而目前其对土壤生物活性方面的影响关注较少。本研究采用盆栽试验,探讨了不同形态(亚硒酸钠、氨基酸螯合态硒)与水平(土壤硒含量3 mg/kg和6 mg/kg)硒肥施用对小白菜硒富集、土壤微生物群落及酶活性的影响。结果表明:1)外源硒添加水平越高,小白菜硒富集效果越明显。同等硒添加水平下,亚硒酸钠处理小白菜硒富集的效果显著优于氨基酸螯合态硒处理。2)外源硒低量施用时对土壤微生物生物量没有显著影响,高量施用时显著降低土壤微生物生物量。3)高低量亚硒酸钠施用对土壤β-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)与碱性磷酸酶(ALP)活性影响均不明显;氨基酸螯合态硒则是在低量施用时无影响而高量施用时显著提升土壤NAG、ALP酶活性。总体而言,外源施硒对小白菜硒富集的影响与硒形态和硒施用水平均密切相关,而对土壤生物活性的影响则取决于硒施用水平而非硒形态。

桂西北喀斯特山区非共生固氮速率随退耕后生态演替变化特征

非共生固氮是自然生态系统外源氮输入的重要途径,对生态系统结构、过程和功能均具有重要影响。然而,目前对非共生固氮速率随生态演替变化特征及其主控因素的认识非常欠缺。本研究采用乙炔还原法分别在生长季和非生长季测定了桂西北喀斯特山区不同演替阶段生态系统,即草丛、灌丛和次生林中不同组分(土壤、凋落物和苔藓)的非共生固氮速率。结果表明,不同生态系统组分非共生固氮速率随生态演替变化趋势不一。总体来看,土壤和凋落物的非共生固氮速率表现为随生态演替先降低后升高的趋势,而苔藓的非共生固氮速率在演替早期和中期无显著(p > 0.05)变化,后期显著(p < 0.05)升高。非共生固氮年通量在草丛阶段为(1.21±0.06) kg N/(hm^2·a),显著高于灌丛((0.23±0.03) kg N/(hm^2·a))和次生林((0.65±0.04) kg N/(hm^2·a))。多元线性回归分析结果表明,生态系统各组分含水率、有机碳、全氮和C∶N比的变化是控制非共生固氮速率随生态演替变化的主要因素。研究结果有助于深入认识喀斯特生态系统氮循环特征,并为生态恢复过程中氮累积提供了一种机理解释。