川西亚高山天然次生林不同演替阶段土壤-微生物生物量及其化学计量特征

开展不同恢复演替阶段天然次生林土壤-微生物生物量及其化学计量特征关系的研究,可为有效和持续管理川西亚高山次生林提供科学依据。以川西亚高山米亚罗林区20世纪60、70、80年代3种采伐迹地经自然恢复演替形成的次生林(SF60、SF70和SF80)和岷江冷杉(Abies faxoniana)原始林(PF)为研究对象,探讨了表层(0—20 cm)土壤有机碳(C_(soil))、全氮(N_(soil))、全磷(P_(soil))含量及微生物生物量碳(C_(mic))、氮(N_(mic))、磷(P_(mic))含量随自然恢复演替的变化特征,分析了它们的化学计量比与微生物熵(qMB)之间的相互关系。结果表明:(1)随着恢复演替年限的增加,C_(soil)和N_(mic)含量显著降低,N_(soil)和P_(soil)及C_(mic)和P_(mic)含量呈现先升后降的显著变化趋势,且3种次生林的表层土壤碳、氮、磷及其微生物生物量的含量均低于PF。(2)次生林恢复年限对土壤微生物熵C(qMBC)和P(qMBP)没有显著影响,但对土壤微生物熵N(qMBN)存在显著影响。(3)土壤-微生物化学计量不平衡性Cimb∶N_(imb)随自然恢复演替进程呈先降后升的显著变化趋势,Cimb∶P_(imb)呈不显著的降低趋势,N_(imb)∶P_(imb)呈现显著降低趋势。冗余分析显示,N_(imb)∶P_(imb)和C_(mic)∶N_(mic)是影响qMB变化的主导因子,其中N_(imb)∶P_(imb)解释了qMB变化的62.6%,说明土壤氮磷及其活性组分(N_(mic)和P_(mic))含量变化可能会影响到qMB变化。综上可知,次生林近60年的自然恢复演替引起了土壤碳氮磷含量的显著变化;天然次生林土壤-微生物生物量碳氮磷化学计量比主要受到氮磷的协同影响,且SF60土壤质量状况较差,为此,对SF60林分可适当增加氮素供给以促进其林木生长,进而提升土壤质量。

荒漠草原不同雨量带土壤-植物-微生物C、N、P及其化学计量特征

降水作为关键性驱动因子深刻影响着荒漠草原生态系统养分循环过程。采用生态化学计量学方法,调查了荒漠草原不同雨量带土壤-植物-微生物C、N、P及其生态化学计量特征对降水格局的适应性规律。研究区不同雨量带土壤C、N、P随降水梯度的递减亦呈现递减趋势。平均土壤C∶N∶P比例为28.9∶2.7∶1,主要受到P元素控制。不同雨量带平均土壤MBC∶MBN∶MBP比例为108.6∶5.6∶1,表现出明显的C富集现象。不同雨量带平均植物C∶N∶P比例为117.4∶6.7∶1,表现为明显的C、N缺乏或P富集。降水为主的气候原因造成了研究区环境中P含量相对较高,并直接反映在了植物化学计量特征上。研究区土壤C和N之间具有极显著的正相关关系(P<0.01),相关系数高达0.98。植物N和P之间具有显著的正相关关系(P<0.05),相关系数为0.90。土壤N与植物C、P分别呈显著正相关和显著负相关(P<0.05),相关系数分别为0.84和-0.82。降水在塑造荒漠草原生态格局以及驱动生态系统养分循环过程中发挥了关键性作用。

不同间伐强度对华北落叶松人工林土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量的影响

【目的】探究间伐强度对土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量特征的影响。【方法】以河北省塞罕坝机械林场华北落叶松人工林为研究对象,设置不同间伐强度(对照、轻度间伐、中度间伐和重度间伐)标准地,采集0~10、10~20和20~30 cm土壤样品,测定土壤养分含量、微生物生物量含量和胞外酶活性,分析土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量比。【结果】1)随间伐强度增大,土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量先增后降,在中度间伐中观测到最大值;间伐降低了土壤C∶N、C∶P和N∶P。2)间伐提高了土壤微生物生物量碳、氮和磷(MBC,MBN和MBP)含量,尤其是中度间伐;间伐提高了土壤MBC∶MBN而降低了MBN∶MBP,土壤MBC∶MBP在不同间伐强度间无显著差异(P>0.05)。3)土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)活性在不同间伐强度间未表现出显著差异(P>0.05),土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶+亮氨酸氨肽酶(NAG+LAP)活性、酸性磷酸酶(AP)活性和(NAG+LAP)∶AP在中度间伐和重度间伐中显著高于对照和轻度间伐(P<0.05),中度间伐和重度间伐的BG∶(NAG+LAP)显著低于对照和轻度间伐(P<0.05),中度间伐的土壤BG∶AP显著低于对照(P<0.05)。【结论】间伐能够促进养分循环,尤其是中度间伐。研究结果可为不同间伐强度人工林中养分循环、资源限制和生态过程研究提供理论支撑,为该区域华北落叶松人工林的合理经营提供理论依据。

北方森林土壤微生物化学计量不平衡响应机制研究进展

微生物与其资源间的化学计量不平衡决定了微生物的元素限制,这将改变其碳与养分的利用效率,最终影响微生物驱动的生物地球化学循环。人类活动引起的一系列全球变化,例如,气候变暖、大气CO2浓度升高、氮沉降等会显著改变环境中资源养分的可利用性,这将导致微生物与其资源间的化学计量不平衡,最终影响微生物的代谢和养分循环过程。作为陆地生态系统最稳定的碳库,高纬度的北方森林对气候变化高度敏感,其碳储存的变化将会改变全球碳收支。本文结合以往研究中微生物应对化学计量不平衡的适应策略,对全球变化背景下北方森林土壤微生物应对资源改变的适应机制及研究进展进行了综述,以期进一步理解微生物分解者对陆地生态系统养分循环的调节作用。

不同植茶年限土壤-微生物生物量碳氮磷化学计量特征

退耕还林(草)等生态建设工程的实施引起土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环及其化学计量特征发生变化,继而对土壤微生物生物量的化学计量造成潜在影响,然而,土壤-微生物C∶N∶P化学计量的时间动态及协调关系仍不明确。本试验选取三峡库区小流域退耕地——茶园为研究对象,以玉米地为对照,探索土壤-微生物生物量C、N、P随植茶年限(<5 a、5~10 a、10~20 a、20~30 a和>30 a)的变化特征,分析其化学计量比、微生物熵(qMBC、qMBN、qMBP)、化学计量不平衡性(土壤C、N、P计量比与微生物生物量C、N、P计量比的比值)之间的关系。结果表明:随着植茶年限增加,土壤和微生物生物量C、N、P、土壤C∶N和C∶P均显著升高,而土壤N∶P整体下降,微生物生物量C∶P和N∶P呈先升后降的变化趋势,微生物生物量C∶N变化不显著。此外,茶树种植年限对土壤、微生物间的化学计量不平衡性以及微生物熵均存在显著影响,随着植茶年限增加,qMBC先降低后升高,qMBN和qMBP呈波动上升;碳氮化学计量不平衡性(C∶Nimb)和碳磷化学计量不平衡性(C∶Pimb)显著增加,氮磷化学计量不平衡性(N∶Pimb)呈波动上升。冗余分析显示,qMBC与土壤N∶P和微生物生物量化学计量(C∶N、C∶P、N∶P)两两呈正相关,而与微生物化学计量不平衡性和土壤C∶N、C∶P呈负相关,qMBN和qMBP则相反;微生物生物量C∶P与qMBC关系最密切,C∶Nimb、C∶Pimb对qMBN和qMBP的影响较大。

西藏地区C·N·P生态化学计量学研究进展

生态化学计量学是从生态系统能量和元素平衡的角度,揭示元素在生物地球化学循环以及生态系统对环境变化的调控机制。总结近年来在我国西藏地区针对植物、凋落物、土壤和土壤微生物量C、N、P生态化学计量及其对环境变化的响应方面的研究成果,并对未来的研究方向进行展望。相关研究表明,植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统C、N、P化学计量具有较强相关性,并受生物因子、非生物因子和人类活动的显著影响。植物生长主要受N元素的限制,C、P极度下降时N含量升高,植物通过自我调节能力表现出较强的竞争力和较高的内稳性;土壤养分表现出一定的“表聚性”效应;受海拔高度和温度的影响,微生物对凋落物的分解速率下降,可在一定程度上解释高海拔地区土壤肥力较贫瘠的原因。关于植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统生态化学计量学的研究,今后可在多尺度、不同生态系统下进行长期的、多因子交互控制试验的研究。

云南元谋不同海拔土壤微生物对车桑子碳、氮、磷化学计量特征及土壤特性的影响

了解不同气候下土壤微生物对植物生态化学计量特征的影响有利于理解未来温度变化下植物与土壤的相互关系。该文以车桑子(Dodonaea viscosa)为研究对象,从云南省元谋县两个海拔区采集车桑子根际土壤样品,并设定相应的两个温度处理,通过微生物灭菌和接种处理,测定了车桑子叶片养分及其所在的土壤特性,研究了温度、微生物及温度与微生物的交互作用对车桑子的碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征的影响,分析其N、P养分特征与土壤特性间的关系。研究结果表明:相比于灭菌处理,两个海拔区的土壤微生物对车桑子养分吸收都有促进作用,对P的促进作用极为显著。温度对车桑子C、N、P化学计量特征无显著影响,但温度与微生物的交互作用对车桑子的C、N、P化学计量特征有显著影响。这种交互作用主要体现在:在接种高海拔区土壤微生物的处理中,温度没有显著影响车桑子的C、N、P化学计量特征,而在接种低海拔区土壤微生物的处理中,相比于高温条件,低温显著抑制了车桑子对N、P的养分吸收。土壤微生物对养分吸收的促进作用可能源于其中有益微生物(如丛枝菌根真菌)的直接促进作用,而并非是通过土壤微生物的养分循环过程。由于接种微生物处理使车桑子从土壤中吸收了更多的N、P,从而使该处理的土壤有效N、P显著低于灭菌处理。在元谋干热河谷未来气温变凉的情况下,由于土壤微生物对植物的反馈作用,该区车桑子的生长可能会受到一定的抑制。

四翅滨藜叶片C、N、P生态化学计量特征对N添加的响应

以宁夏平罗西大滩四翅滨藜人工林为研究对象,通过设置N添加的野外实验,研究四翅滨藜叶片C、N、P化学计量比的季节动态及其对N添加的响应特征。结果显示:(1)四翅滨藜叶片C、N、P化学计量比在生长季初期和末期较高,在生长季旺期(8～9月)较低。(2)N添加提高了绿叶N浓度和N∶P比,降低了绿叶C∶N、N回收度(NRP)和P回收度(PRP),对其他指标的影响无明显的规律性。(3)N回收效率(NRE)和NRP均与枯叶C∶N比显著正相关;P回收效率(PRE)与绿叶P浓度显著正相关,与枯叶P浓度显著负相关;PRP分别与绿叶P浓度和枯叶C、N、P化学计量比显著正相关,与枯叶C浓度显著负相关。研究表明,N添加促进了四翅滨藜绿叶N摄取,降低了叶片从枯叶中回收N和P的能力,改善了枯叶N分解质量;未来大气N沉降增加会改变干旱半干旱区植物N吸收、分配和回收等策略,促进枯叶中N的释放速率,直接影响N循环,进而间接影响到植被-土壤系统C和P的循环过程。

戴云山土壤微生物碳源利用效率的海拔变异规律及影响因素

微生物碳源利用效率(CUE)是指微生物将吸收的碳(C)转化为自身生物量C的效率,土壤微生物CUE的研究对深入认识土壤C循环过程十分重要.利用^(18)O-H_(2)O-DNA标记法,研究戴云山不同海拔(980~1765 m)天然林土壤微生物CUE、微生物生长速率(C_(growth))和呼吸速率(C_(respiration))的变化特征和影响机制.结果表明,微生物CUE在0.1~0.4之间变化,并随海拔升高而增加;微生物CUE与C_(growth)、C_(respiration)和单位微生物生长正相关,而与呼吸熵负相关,说明随海拔的增加,微生物通过增加个体生长和抑制个体呼吸来提高CUE;温度是影响CUE的主要因素,微生物CUE与温度负相关,说明随海拔增加,温度下降是促进土壤微生物CUE升高的关键因素.

荒漠草地土壤微生物生物量和微生物熵对沙漠化的响应

采用空间序列代替时间演替的方法,分析宁夏中北部盐池县荒漠草地不同沙漠化阶段(荒漠草地、固定沙地、半固定沙地和流动沙地)土壤微生物生物量(SMB)和微生物熵(qMB)的变化特征及其影响因子.结果表明:从荒漠草地到流动沙地,土壤微生物生物量碳、氮、磷分别降低46.1%、80.8%和30.0%.随着荒漠草地沙漠化程度的加剧,土壤微生物熵碳(qMBC)、土壤微生物熵氮(qMBN)、土壤微生物熵磷(qMBP)均表现为荒漠草地>固定沙地>半固定沙地>流动沙地,而土壤-微生物化学计量不平衡性(C∶Nimb、C∶Pimb、N∶Pimb)基本呈增加趋势.土壤微生物生物量氮与C∶Nimb呈显著正相关,与N∶Pimb呈显著负相关;土壤微生物生物量磷与C∶Pimb呈显著正相关.冗余分析(RDA)显示,土壤生态化学计量(C∶N、C∶P)对微生物熵碳的负效应最明显.荒漠草地沙漠化显著影响土壤微生物生物量和微生物熵.

种植竹荪后毛竹林土壤微生物生物量和微生物熵的动态变化

【目的】竹林下种植竹荪会对林地微生物活动产生影响,明确种植竹荪对毛竹林地土壤微生物生物量、微生物熵及其化学计量不平衡性的影响,揭示竹荪种植后毛竹林地土壤质量的变化,为竹-菌复合生态系统的经营提供参考。【方法】以未种植竹荪(CK)和竹荪收获完成时立即取样(T0),以及收获后1 a(T1)、2 a(T2)的林地土壤为研究对象,测定并分析不同处理林地土壤微生物生物量、微生物熵变化规律及其与土壤-微生物化学计量不平衡性间的耦合关系。【结果】与未种植竹荪林地相比,竹荪种植后林地土壤有机碳(SOC)、全氮(TN),土壤微生物生物量碳、氮、磷(MBC、MBN、MBP)含量和土壤微生物熵碳、氮、磷(q_(MBC)、q_(MBN)N、q_(MBNP))总体上均明显升高,而土壤全磷(TP)含量显著降低。随竹荪收获后间隔时间的延长,土壤MBC含量和q_(MBC)呈降低趋势;土壤MBN含量和q_(MBN)N均呈先明显降低后略升高趋势,而土壤SOC含量呈先显著降低后显著升高趋势;土壤TN、TP、MBP含量及q_(MBNP)均呈先升高后降低趋势,T1土壤TN、TP、MBP含量及q_(MBNP)显著高于T0和T2。土壤-微生物碳氮化学计量不平衡性(记为C_(imb)/N_(imb))、碳磷化学计量不平衡性(记为C_(imb)/P_(imb))和氮磷化学计量不平衡性(记为N_(imb)/P_(imb))均以竹荪收获当年(T0)处理较低。MBC与MBN呈显著正相关,MBC、MBN与C_(imb)/N_(imb)、C_(imb)/P_(imb)均呈负相关,MBP与C_(imb)/P_(imb)、N_(imb)/P_(imb)呈正相关。【结论】种植竹荪后林地土壤质量短期内较未种植林地土壤有明显提升,种植竹荪可以改善毛竹林地土壤质量;竹荪刚收获后毛竹林地土壤质量最优,随着竹荪收获后间隔年份的增加,林地土壤质量呈现劣变趋势,且较未种植竹荪林地土壤质量差。

人工修复下退化高寒草甸碳、氮、磷生态化学计量特征

施有机肥和免耕补播作为有效恢复措施深刻影响着退化高寒草甸生态系统养分循环过程。采用生态化学计量学方法,调查了施有机肥和免耕补播处理土壤-植物-微生物碳、氮、磷及其生态化学计量特征对不同修复措施的适应性规律。结果表明,不同修复措施处理土壤碳氮磷比平均值为100.07∶6.53∶1,表现为明显的碳富集现象;不同修复措施处理植物地上和地下碳氮磷比平均值分别为71.77∶2.13∶1和128.25∶3.44∶1,表现为明显的碳、氮缺乏或磷富集现象;不同修复措施处理微生物生物量碳氮磷比平均值为27.54∶18.67∶1,表现出明显的碳缺失和氮富集现象。相关分析表明,土壤有机碳和全磷之间具有显著的负相关关系,植物全碳和全氮、微生物生物量碳和氮之间具有显著的或极显著的正相关关系;土壤有机碳与植物地上部分全碳呈显著正相关,土壤全磷与植物地上部分全碳、全氮及地下部分全磷均具有显著的或极显著的负相关关系,植物地上部分全碳与微生物生物量碳、氮呈极显著负相关和显著负相关。冗余分析结果揭示,土壤全磷、氮磷比、有机碳、碳氮比和植物地上部分全碳、碳磷比、地下部分碳氮比是共同调控微生物生物量及其化学计量比变化的主要因子。综上所述,土壤有机碳仍然是高寒草甸植物生长的主要限制因子,施有机肥+免耕补播在恢复退化高寒草甸生态格局以及驱动生态系统养分循环过程中发挥了关键性作用。

中国典型生态脆弱区生态化学计量学研究进展

在人类活动和自然环境变化的相互作用下,生态脆弱区生态系统随之变迁,荒漠化、盐碱化、水土流失、植被生产力下降等是生态脆弱区面临的重要问题。生态化学计量学作为当前多学科交叉研究的热点领域,强调从生态系统能量与元素平衡角度,揭示元素生物地球化学循环和生态系统对环境变化的调控机制。为了促进对生态脆弱区碳(C)、氮(N)、磷(P)生态化学计量的深入理解,本文重点总结了近年来有关我国典型生态脆弱区植物、凋落物、土壤和土壤微生物量C、N、P生态化学计量及其对环境变化响应的研究成果,并展望未来研究方向,以期促进生态化学计量学的发展和生态脆弱区生态保护与恢复研究。研究表明,植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统C、N、P化学计量具有较强相关性,并受土壤因子、气候因子、生物因子和人类活动的显著影响。在生态脆弱区,我国北方荒漠及荒漠化地区由于较高的N∶P比值易受P限制,而青藏高原脆弱区、西南岩溶石漠化地区和黄土高原脆弱区等生态脆弱区更易受N限制;随着植被恢复,养分限制逐渐由N限制向P限制转变。生态脆弱区相对较低的养分含量和C∶N∶P比值或许可在一定程度上解释植被生产力较低的原因,而具有较高N、P化学计量内稳性的植物在贫瘠环境中具有较强竞争力和更高稳定性。今后可加强多尺度、不同生态系统植物-凋落物-土壤-土壤微生物系统生态化学计量和长期、多因子交互控制实验的研究。

农田生态化学计量研究进展

生态化学计量学研究能量和多重化学元素(主要是C、N、P)之间的动态平衡,并分析这种平衡对生态系统的影响,现已成为全球研究热点之一。然而关于农田生态化学计量的研究相对较少。综述了在农田土壤生态化学计量、作物生态化学计量、土壤与作物生态化学计量的相关性3个方面的研究进展,以期为农田生态化学计量的相关研究提供参考。

采用序半连续反应器进行硝化和反硝化工艺的数学模拟

研究了生物废水处理应用于序半连续式反应器(SFBR)工艺中的微生物生长、硝化和反硝化动力学。基于活性污泥1号模型(ASMNo. 1)中的原理和结论,导出了在有氧阶段和缺氧阶段微生物生长速率、铵、硝酸盐、易生物降解基质等的反应速率及它们的物料平衡方程。在实验的基础上,对模型中的各参数采用了合适的方法进行参数估值,即:龙格库塔法解常微分方程组和黄金分割法搜索最小误差,该模型的最小误差ε≈4 799;得出了应用于本工艺中数学模型中的各动力学参数和化学计量系数,如KS 39. 997,KNO 0 .397,KNH 1 997,KOA 0 .404,KOH 0. 297, μA 0 .0026,μH 0. 207,YA 0 .24,YH. 0 6。