氮在凋落物—土壤界面连续体转移研究进展

凋落物-土壤界面连续体是森林生态系统的最重要部分,也是氮素生物地球化学循环最活跃的场所。土壤氮元素的生物地球化学循环广义上可分为转运和转化2个环节,真菌和细菌分别在这2个环节上扮演重要角色。降雨、氮沉降和温度等变化能够改变森林生态系统的氮生物地球化学循环过程,在全球变化加剧背景下,深入了解凋落物-土壤界面连续体内氮的转运和转化过程和机制尤为重要。本文综述了凋落物-土壤界面连续体的研究现状,通过应用^(15)N示踪、分子生物学测序和15N-DNA-SIP分子探针技术,研究氮转运和转化的微生物群落及其过程的可行性,并提出今后森林生态系统凋落物-土壤界面连续体的氮循环模式,强调了真菌的转运和细菌的转化过程在氮固持中的贡献,有助于森林生态系统氮固持力和机制系统认知,为开展温带森林生态系统管理和氮排放控制提供了思路。

海南东寨港流域土壤-溪流连续体溶解态黑碳分子特征及其界面转化机制

研究不同土地利用背景下土壤-溪流连续体溶解态黑碳(DBC)分子特征及其界面转化规律对调控溪流温室气体排放具有重要的指导意义。以海南东寨港3个典型热带流域为研究区,对流域内3种土地利用类型(农田、林地、湿地)的土壤、溪流进行监测,通过超滤技术、苯多羧酸法与傅里叶变换离子回旋共振质谱技术(FT-ICR-MS)对DBC粒径分布、结构组成进行表征,进一步揭示不同土地利用背景下土壤-溪流界面中DBC转化机制。结果表明,从土壤到溪流环境DBC质量浓度逐渐变小;土壤DBC平均质量浓度、DBC/DOC比值大小顺序为湿地>农田>林地,而在溪流中湿地最低,分别为0.14 mg·L^(-1)、6.61%;林地、农田、湿地的土壤DBC分别主要分布在>10 kDa、<10 kDa、<1 kDa的粒径中,质量浓度范围为1.21—4.01 mg·L^(-1),所有溪流DBC在不同粒径中的分布更为均匀;所有土壤与溪流的DBC稠环结构以B4CAs和B5CAs为主,其中农田溪流B4CAs占比超过60%;DBC中CHO化合物的占比最高为73.56%,土壤DBC的CHOS/CHONS化合物在湿地中占比最高为21.84%,但在溪流DBC中湿地占比最低为6.73%;不同地类土壤-溪流界面中DBC含量平均损失率大小顺序为农田>林地>湿地,而林地、农田、湿地水土界面中具有最大损失率的DBC组分分别为>0.2μm、1—10 kDa、<1 kDa,而农田溪流中B3CAs、B4CAs和B5CAs平均损失率显著高于地类溪流。土壤-溪流界面的DBC转化主要受分子特征的影响,其次为界面环境理化性质与微生物组成,流域内不同土地利用方式通过改变土壤-溪流界面输入性DBC结构组成与界面环境因子共同影响DBC的界面转化过程。

长白山垂直带森林叶片-凋落物-土壤连续体有机碳动态——基于稳定性碳同位素分析

稳定性碳同位素自然丰度(δ^(13)C)记录着生态系统碳循环过程的关键信息,常被用于评价全球变化情景下陆地生态系统碳的动态。以长白山北坡垂直带4种典型森林生态系统为研究对象,测定乔木建群种叶片、凋落物以及不同深度土壤有机碳(SOC)含量和δ^(13)C值,探讨植物叶片-凋落物-土壤连续体碳含量、δ^(13)C丰度的分布格局及其生态学暗示。研究结果表明:植物叶片碳含量随海拔高度的增加呈现抛物线型变化,且阔叶树叶片碳含量显著低于针叶树,体现气候要素和植被功能型的支配作用,并且暗示针叶树种潜在的碳蓄积能力更强。此外,植物叶片δ^(13)C随海拔高度升高而降低,表明高海拔植物叶片水分利用效率较低,即固碳耗水成本更高。凋落物碳含量随海拔增加逐渐下降,而矿质表层土壤则表现为阔叶红松林、岳桦林显著高于暗针叶林,体现了植被类型和土壤质地的共同支配作用。总体上,岳桦林SOC周转最快,其次是暗针叶林,位于基带的阔叶红松林最慢。可见,小尺度上气候因子并不是温带森林地下碳循环的主导因素,植被功能型和土壤属性对SOC周转与稳定的影响更大。在探讨环境因子对陆地生态系统碳循环和碳平衡的影响时需要考虑研究尺度,不同的研究尺度影响SOC周转的驱动因子并不相同。研究方法方面,基于log SOC和δ^(13)C的SOM周转模型能够很好地概括不同生态系统类型下SOM周转的相对快慢,可用来评价SOC动态对全球变化的响应。

黔西北次生林优势树种叶片-凋落物-土壤连续体有机质碳稳定同位素特征

稳定性碳同位素自然丰度(δ13C)能够揭示生态系统长时间尺度的有机碳动态变化,阐明生态系统功能的变化特征。以黔西北次生林14个优势树种为研究对象,测定叶片、凋落物以及根区土壤有机碳含量和δ13C值,分析不同层次碳含量和δ13C丰度之间的相关性。结果表明:14个优势树种叶片碳含量为404.67—487.14 g/kg,总体为针叶树种较高、常绿灌木较低;δ13C值为-31.2‰—-27.1‰,随生活型的变化规律不明显。凋落物碳含量为414.62—561.31 g/kg,与叶片碳含量的变化规律较为一致;δ13C值为-31.5‰—-27.3‰,随树种生活型的变化特征也不明显。根区土壤碳含量为10.02—91.59 g/kg,δ13C值为-26.8‰—-22.5‰,碳含量以光皮桦、银白杨等落叶乔木较高。叶片、凋落物和根区土壤3个层次的碳含量与δ13C丰度之间均呈不显著相关,不同层次的δ13C丰度之间和碳含量之间均为正相关。研究结果有助于反映森林生态系统碳循环过程的关键信息,为森林植被恢复提供理论依据。

哀牢山森林凋落物与腐殖质及土壤的生态化学计量特征

以哀牢山原生中山湿性常绿阔叶林及其受损后处于恢复演替中的滇南山杨林的凋落物、腐殖质和表层土壤(0~20 cm)作为研究对象,测定不同组分的C、N、P和土壤表层有效养分含量,结果为:C、N含量表现为凋落物>腐殖质>土壤,P含量则表现为腐殖质>土壤>凋落物;铵态氮、硝态氮、有效磷含量均为腐殖质>表层土壤;凋落物的C与N呈负相关,N与P呈极显著正相关;从不同林型看:凋落物中的C、N、P含量为常绿阔叶林<滇山杨林;土壤中的C、N、P含量为常绿阔叶林>滇山杨林(p<0.05);腐殖质与表层土中的铵态氮、有效磷含量均为常绿阔叶林>滇山杨林;常绿阔叶林凋落物、腐殖质、土壤的C∶N∶P分别为615∶18∶1、159∶11∶1、84∶6∶1,滇山杨林凋落物、腐殖质、土壤的C∶N∶P分别为518∶16∶1、172∶11∶1、86∶6∶1。研究结果表明,富含P的腐殖质可能是哀牢山亚热带常绿阔叶林不存在P匮乏的主因,而两种林型各组分的C、N、P比值表明恢复演替中的滇山杨林地上、地下养分循环已经达到相对稳定的水平。

喀斯特高原石漠化区次生林叶片—枯落物—土壤连续体碳氮磷生态化学计量特征

探究喀斯特高原石漠化区贵州青冈[Cyclobalanopsis argyrotricha(A.Camus)Chun et Y.T.Chang]-云贵鹅耳枥(Carpinus pubescens Burk)林、麻栎(Quercus acutissima Carruth)林、猴樟(Cinnamomum bodinieri Levl)林和华山松(Pinus armandii Franch)林4种次生林叶片—枯落物—土壤连续体C、N、P生态化学计量特征及相关性,可为喀斯特森林恢复重建和经营管理提供依据.对4种次生林叶片、枯落物及土壤进行野外取样,室内测定C、N、P含量及计算生态化学计量比.结果显示:4种次生林叶片组分的C、N、P元素含量为474.34、18.59、1.78 g/kg;枯落物组分C、N、P元素含量为444.21、12.84、0.96 g/kg;土壤组分(0-10 cm)的C、N、P元素含量为80.40、2.80、0.86 g/kg,叶片—枯落物—土壤连续体C、N、P含量皆表现为高—中—低变化趋势.4种森林叶片—枯落物—土壤连续体各组分C:N:P计量比依次为266:10:1、490:14:1、93:3:1,叶片-枯落物-土壤连续体C:N:P质量比呈中—高—低的变化趋势.C/N、C/P、N/P在叶片—枯落物—土壤连续体各组分中变化趋势不同,C/N在4种森林中变化规律不一致,而C/P与N/P在4种森林中皆表现为中—高—低变化趋势.土壤组分N/P与叶片组分C/P、N/P,枯落物组分N/P与叶片组分C/P、N/P之间皆为显著正相关,而枯落物和土壤组分的N/P之间没有表现出显著的相关性.与已有的研究结果相比,喀斯特次生林叶片—枯落物—土壤连续体C含量呈中—低—高格局,N含量为中—高—高格局,P含量为高—高—高格局,C:N:P化学计量为低—低—高格局,叶片N/P、枯落物C/N较低,土壤C/N相对较高,C/P、N/P相对较低.综上所述,喀斯特高原石漠化区次生林枯落物分解较快,土壤中P回归充分而N回归不足,植被生长主要受到N的限制,且养分循环速度与优势种相关,优势种选择是森林恢复与经营的核心内容.

黄土高原不同植被带油松人工林生态化学计量特征及其影响因素

为阐明油松人工林生态系统化学计量特征空间差异,分析其随气候因素变化的响应机制,以陕北黄土高原森林带、森林草原带和草原带油松人工林为研究对象,分析叶片、凋落物和土壤C、N、P化学计量特征及其与气候因子的关系。结果表明:1)油松叶片、凋落物C含量以草原带最高,但其土壤C含量最低,叶片与土壤N含量均表现为森林带>森林草原带>草原带,叶片P含量以森林带最高,但其土壤P含量最低。2)叶片C∶N和C∶P以森林带最低,油松人工林生产力水平随降水梯度的升高而增加;森林草原带叶片N∶P为15.57,植被生长受到N、P元素共同限制,而森林带和草原带叶片N∶P均<14,油松生长受到N限制;土壤C∶P表现为森林带>森林草原带>草原带,森林带P素释放潜力差。3)油松人工林叶片C含量随年均降水量增加而降低,N、P含量情况则相反;年平均降水、气温与土壤C、N含量间存在极显著正相关关系(P<0.01),而与土壤P含量间表现为显著负相关(P<0.05),气候条件变化对油松人工林生长有着明显的影响。

黔西南北盘江镇喀斯特高原峡谷区植被演替阶段碳氮稳定同位素特征

为了探究森林不同演替阶段碳氮(C、N)、稳定碳氮同位素值(δ^(13) C、δ^(15) N)随演替发生的变化特征与内在联系,该文以喀斯特高原峡谷区草灌、灌木、乔灌和乔木4个演替阶段的森林植物群落为研究对象,测定了叶片-凋落物-土壤的C、N及稳定同位素值,并分析其在不同层次间的互作效应。结果表明:(1)喀斯特地区森林叶片-凋落物-土壤δ^(13) C值分别为-31.31‰~-28.23‰、-29.96‰~-20.07‰、-26.83‰~-21.14‰,相应的δ^(15) N值依次为-3.41‰~1.54‰、-2.61‰~0.99‰、5.36‰~8.63‰,总体上土壤表现出富集效应。(2)伴随着演替发生,叶片δ^(13) C值与土壤δ^(15) N值均为先减小后增大,土壤、凋落物δ^(13) C值呈降低趋势,叶片和凋落物δ^(15) N值均无明显变化规律。(3)乔灌阶段叶片-土壤δ^(15) N值最低,表明该阶段生态系统N饱和程度较小,N含量相对亏缺。(4)叶片-土壤C、N及稳定同位素之间相关性较强,表明两者间养分循环紧密相关,具有显著抑制或促进效应。综上认为,该区生态系统修复时,应选择水分利用效率高的川钓樟(Lindera pulcherima)、圆叶乌桕(Triadica rotundifolia)、翅荚香槐(Cladrastis platycarpa)等树种,提高生态系统对资源利用和养分吸收的自调控能力。