植被恢复对土壤N、P积累转化及其耦合关系影响的研究进展

氮(N)、磷(P)是影响生态系统生产力和稳定性的主要养分元素,且N、P循环间具有密切的耦合关系,系统地研究土壤N、P积累转化及其耦合关系随植被恢复的变化,准确揭示土壤N、P有效性及其供应能力随植被恢复的演变规律和机制,对促进退化森林生态系统功能恢复,制定科学有效的N、P管理措施,提高森林生产力和维持生态系统稳定性具有重要的科学意义。基于国内外的研究成果,从植被恢复过程土壤N、P积累转化,土壤N、P耦合与平衡关系的演变及其主要影响因素进行综述,针对目前研究现状提出今后的研究展望。土壤N、P各形态含量及其组成比例随植被恢复而变化,但由于植物生长规律、养分利用策略的差异性和复杂性,土壤(包括微生物)N、P积累转化随植被恢复变化的研究结果仍存在很多不确定性;土壤N、P间相互作用的研究主要集中在施肥试验方面,有关随植被恢复土壤N、P积累转化过程中两者间相互作用的演变规律仍有待于深入研究;土壤N、P积累转化过程及其耦合关系受到植被因子(凋落物、根系及其分泌物)和土壤因子(理化性质、微生物)的影响。不同气候区、不同土壤类型森林生态系统P循环及其调控机制;随植被恢复和全球变化,土壤N、P限制格局是否发生改变,N、P耦合与平衡关系趋于加强或解耦;建立和完善有效预测N、P循环功能耦合的综合模型,特别是将N、P循环间的耦合关系与C循环功能联系起来的模型等不仅是当前森林土壤养分科学管理相关领域亟待解决的科学问题,也是未来森林生态系统可持续经营和管理的研究热点。

豫东平原不同林龄农-杨间作生态系统土壤N、P时空分布特征初探

通过对豫东平原3 a、9 a、13 a和17 a不同林龄农-杨间作生态系统土壤N、P初步研究结果表明,不同林龄的农-杨间作系统对土壤中的N、P分布在水平和垂直方面具有不同的影响。这一结果可为多目标农田防护林建设提供理论参考。

动物源有机肥料对土壤N、P、K动态变化的影响

为了了解动物源产品作为有机肥源施入土壤后的养分变化情况,分别将血粉、肉粉、骨粉按正交设计以不同比例与土壤混合后装入花盆中,于一定时期取样测定土壤速效养分,结果表明:不同的处理中土壤碱解氮、速效磷、速效钾均呈现前期上升、达到高峰然后再回落的特点,只是高峰出现的时间和峰值不同。不同的是速效钾变化幅度极小,并且最终回落到低于初始状态的水平。动物源有机肥料可以缓慢释放植物所需养分,有利于植株的生长。

长期施用化肥对土壤N、P、K的影响

长期以来。人们对氮肥长期施用对土壤性质的影响一直十分关注。因为长期施用化学氮肥如能增加土壤全氮含量将可以提高土壤的肥力水平，但同时，如果土壤中无机氮过分积累也会引起环境问题。有的研究指出，施用无机氦并不能使土壤有机质显著增加。但土壤可矿化氮量有较显著的增加。

甘南黄河流域4种典型林分土壤C、N、P化学计量特征

土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)是参与植物光合作用和影响生态系统初级生产力的主要元素。甘南高原是黄河流域重要的生态屏障,为了解该区不同林分土壤养分状况的差异,选取该区4种典型林分:云杉林、华北落叶松林、巴山冷杉林以及岷江冷杉糙皮桦混交林为研究对象,研究土壤C、N、P化学计量特征。结果表明:(1)岷江冷杉及糙皮桦混交林土壤C、N含量最高,云杉林土壤N、P含量最低。不同林分间P含量差异显著(P<0.05),不同土层间C、N含量差异均显著(P<0.05)。(2)云杉林土壤C∶N值显著高于其他林分,岷江冷杉及糙皮桦混交林土壤N∶P及C∶P高于其他林分。(3)海拔、土壤pH、容重与土壤含水量是影响土壤养分的重要因素。土壤C含量与N、P含量均显著相关(P<0.05)。总体来说,不同林分土壤化学计量特征具有显著差异,混交林土壤养分状况较纯林好,未来森林管理和植被建设中,可以通过选择合适的树种和提高树种多样性有效改善森林土壤质量。

喀斯特峰丛坡地不同土地利用方式下土壤N、P空间变异特征

基于网格点(5 m×5 m)采样法采集土壤样品,利用经典统计学和地统计学方法,研究了喀斯特峰丛坡地不同土地利用方式(火烧迹地、刈割地、草地、封育地)下表层(0～20cm)土壤氮、磷的空间变异特性。结果表明:研究区4种不同土地利用方式土壤全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)、速效磷(AP)均为中等程度变异,含量分别为5.40～6.26 g.kg-1、1.24～1.44 g.kg-1、365.87～507.32 mg.kg-1、3.91～8.04 mg.kg-1,封育地、火烧迹地土壤质量优于草地和刈割地;4种土地利用方式中火烧AN、火烧AP、刈割AN、封育TN的半方差函数最佳拟合模型为球状模型,火烧TN、刈割TN、刈割AP最佳拟合模型为指数模型,其他指标的最佳拟合模型均为高斯模型。刈割TP、火烧TP、草地TP、刈割TN、火烧AP、草地AP、封育TP表现为强烈的空间自相关性,其他土壤养分表现为中等的空间自相关。4种土地利用类型土壤TN与AN、TP与AP具有相似的空间分布格局。火烧、刈割处理TN和AN呈凹形分布,TP和AP呈单峰分布特征,中下坡含量最高,往两端含量逐渐降低;草地TN、AN、TP、AP 4种养分含量均随着坡位的升高而降低;封育样地中4种养分呈类似凹形分布,中间含量低,两端略微升高。土地利用方式的变化改变了喀斯特峰丛坡地土壤养分质量,造成了土壤养分空间格局的变化,因此,在地形破碎、土层浅薄的喀斯特地区进行生态恢复与重建时,应采取合理土地利用方式,进行保护和适度开发,提高喀斯特退化生态系统土壤质量。

天水市麦积区经济林种植土壤中NPK的空间变异分析

经济林产业对于地方经济的发展和生态环境的保护具有重要作用。为了实现经济林木的科学种植,选择对经济林木种植影响较大的土壤中的N、P、K因子与区划图(即经济林分布图),结合少量的地面调查数据,借助于变异分析、3S技术和空间插值方法,对甘肃省天水市麦积区经济林种植区土壤中的N、P、K含量进行了定量分析和预测研究。结果表明:苹果、葡萄、花椒、樱桃、梨、桃、杏、山楂、核桃、柿子等不同种植区土壤中N、P、K的差异比较大,且其比例严重失调;土壤中N、P的空间相关性很弱,说明受外界因素的影响比较小;土壤中的K具有很强的空间相关性,说明受外界因素的影响比较大,这主要与草木灰中含钾量较高有关;麦积区经济林种植过程中N、P、K的施用还没有可以参照的统一的地方标准,随机性很大。

内蒙古典型草原放牧压力评价及土壤N储量响应

放牧是草原生态系统的重要干扰,是草原氮循环的重要影响因素。为了揭示放牧对土壤N储量的影响,在内蒙古典型草原,基于单位草原面积草原载畜量和单位草原生产力,建立了放牧压力评价模型,并利用1990—2011年以县为单位统计的放牧牲畜数据和2001—2011每年合成的MODIS-NDVI_(max)影像数据评估了放牧压力的空间分布。基于2011年野外调查的95个样点和2010年调查的41个样点数据,对处于低放牧压力(LG),中放牧压力(MG)和高放牧压力(HG)的样点数据进行了统计分析。结果表明:放牧压力对土壤容重(BD),土壤全碳(TC)含量和土壤全氮(TN)含量具有显著影响,特别在土壤表层(0—10cm),土壤容重、TC含量和TN含量在LG,MG和HG之间存在显著差异。TC含量和TN含量随放牧压力增加而降低,BD随放牧压力增加而增加;黏粒含量(CC)在3个放牧压力梯度上不存在显著差异;土壤N储量表现出和TN含量相似的变化特征,随土壤深度增加而降低,随放牧压力增加而减少,在0—50cm范围内,土壤N储量在LG、MG和HG之间存在显著差异(2011,P<0.05;2010,P<0.1)。重度放牧是草原生态系统氮损失的主要因素之一,降低放牧压力有助于降低草原氮损失和恢复植被生产力。

外源性NH4^＋和NO3^-输入对亚热带人工林土壤N2O排放的影响

中国亚热带人工林处于全球氮沉降高值区,土壤氮素相对富集,土壤氧化亚氮(N_2O)产生与排放对外源性氮素输入响应敏感。然而,现有氮沉降模拟控制实验多采用单一氮肥类型,没有原位区分氧化态氮与还原态氮素影响的差异。以千烟洲亚热带湿地松林为研究对象,增氮控制实验采用随机区组设计,包括2种形态(NO_3^-、NH_4^+)和3个施氮水平(0、40、120 kg hm^(-2) a^(-1))。利用静态箱—气相色谱法高频(8次月^(-1))测定土壤N_2O净交换通量以及温度、水分、溶解性氮含量等相关环境变量,分析土壤N_2O通量对外源性氮素输入的响应特征及主控因子。结果表明:施氮不影响亚热带人工林土壤温度和水分,显著增加了土壤NO_3^--N、NH_4^+-N和总溶解性氮(TDN)的含量,对溶解性有机氮(DON)含量无显著影响。施氮显著促进亚热带人工林土壤N_2O排放,增幅为378%~847%,施加NH4Cl的促进效应显著高于Na NO_3。土壤N_2O通量与10 cm土壤温度、10 cm土壤体积含水量呈正相关,土壤N_2O通量的变化量与土壤无机氮含量的变化量呈正相关。上述研究结果表明,虽然水热因子驱动着亚热带人工林土壤N_2O的排放,但是氮素富集条件下土壤N_2O的增加主要由底物可利用性的变化所致,并且还原态NH_4^+的促进效应显著高于氧化态NO_3^-。

地膜覆盖对土壤中N_2O释放的影响

研究地膜覆盖下土壤中N2O释放可为进一步探明膜下土壤中N2O的传输、消耗和排放到大气的动力学过程提供理论依据。在2001年3月至6月和2001年10月至2002年6月连续两个冬小麦生长季,采用静态漏斗法和揭膜—封闭箱法测定了地膜覆盖下耕层5、10、20cm土层处和地表处N2O的释放特征及相应土壤性质。结果表明:地膜覆盖下,地表和耕层10、20cm土层处N2O释放通量显著增加;0～5cm土层土壤水分和10～20cm土层土壤硝态氮的浓度的变化分别解释了休闲地和冬小麦地土壤中N2O释放通量85.23%和92.11%的变异,它们是膜下休闲地和冬小麦地土壤中N2O释放通量增加的主要原因。该结论对地膜覆盖下科学地控制农田水分、养分以及地膜覆盖在中国西北地区的科学使用和推行具有实际意义。

华北平原冬小麦/夏玉米轮作田土壤N2O通量特征及影响因素

采用静态箱/气相色谱法对华北平原冬小麦/夏玉米轮作田土壤N2O通量进行周年观测，研究轮作田土壤N2O源的大小及其变化规律，分析土壤温度、水分、有效氮含量对土壤N2O通量的影响。结果表明，土壤N2O通量季节变化明显且变化主要是由施肥引起的。麦田土壤N2O通量变化范围为-36-835μg·m^-2·h^-1，玉米田为-1-263μg·m^-2·h^-1，麦季土壤N2O排放强度（80.5μg·m^-2·h^-1）低于玉米季（90.5μg·m^-2·h^-1）。轮作田土壤N2O年总排放量为6.9kg·hm^-2，麦季（4.2kg·hm^-2）高于玉米季（2.7kg·hm^-2）。土壤N2O通量随地温升高呈指数增长（通过0.01显著水平检验），季节Q10值为2.2，单日的Q10值在3.8-4.5；作物主要生长季（4-10月）土壤N2O通量随土壤中NH4^＋-N含量的增加呈线性增长（通过0.05显著水平检验），而与土壤含水量和NO3^--N含量均未表现出明显数量关系。在作物主要生长季，上述各因子对土壤N2O通量的综合影响极显著（通过0.01显著水平检验），其中土壤含水量和NH4^＋-N含量是主导因素。

施N模式与稻草还田对土壤供N量和水稻产量的影响

通过田间试验研究了2a定位试验后不同施N模式和稻草还田对双季稻作系统土壤供N能力和水稻生产的影响。结果表明：施用N肥显著增加土壤NH4^＋-N和可矿化N含量，显著提高稻田系统生产力，且随着稻草配合施用，施N效果更加明显。移走稻草情况下N肥增产率为30．3％～31．3％；稻草还田情况下，N2（全年施N量240kg·hm^-2）处理N肥增产率为36．7％，1kg纯N增产谷粒12．1kg．均显著低于N1、N3（全年施N量180kg·hm^-2）处理，后者增产率为40．4％～41．1％，1kg纯N增产谷粒17．7～18．0kg，且N1、N3处理（施N量相同，但各时期施N比例不同）间差异不显著。配施N肥后稻草还田可以提高土壤供N能力，连续处理2a，土壤可矿化N比移走稻草处理提高32．1％～50．0％。稻草还田时适当配施N肥增产效果明显，N1、N3处理下稻草还田增产率分别达8．7％和8．4％，而N2处理下稻草还田的表观增产效果降低，稻草还田增产率仅为5．1％。年稻草还田量为7500kg·hm^-2的红壤稻田系统，年适宜配施N量为180kg·hm^-2各时期施N优化比例为基肥30％，分蘖肥30％，穗肥40％。

玉米地土壤反硝化速率与N_2O排放通量的动态变化

应用乙炔抑制原状土柱培育法测定了4种施肥处理的玉米地N素反硝化损失速率和氧化亚氮(N_2O)排放通量,并分析了它们与土壤湿度、土壤温度以及硝态氮(NO_3^--N)含量之间的关系,计算了因反硝化和N_2O排放造成的N肥损失率。结果表明,玉米生育期内土壤N素的反硝化损失量为0.67～3.85kg/hm^2,N肥的反硝化损失率为0.5％～1.5％;土壤N_2O排放总量为0.55～1.42kg/hm^2,N肥的N_2O排放系数为0.2％～0.5％。

营林措施对森林土壤N_2O排放影响的研究进展

森林土壤是大气N_2O重要的排放源。施肥、采伐、火烧、林下植被管理等营林措施和土地利用变化改变了土壤理化性质和土壤微气候,显著影响森林土壤N_2O的产生与排放。综述了森林土壤N_2O排放对不同营林措施的响应,探讨了营林措施影响土壤N_2O排放的主要机理,并提出目前研究的不足和未来研究的重点。总体而言,森林转变为农田、草地后增加了土壤N_2O排放,而农田和草地恢复成人工林后减弱了土壤N_2O排放;天然林转换为人工林或次生林后土壤N_2O排放没有明确结论;森林生态系统"氮饱和"程度使得森林土壤N_2O排放对施肥呈非线性响应,即初期无明显响应、中期缓慢增加和后期急剧增加;火烧一般增加土壤N_2O排放;采伐改变土壤温度、含水量、有机碳的分解和利用等,从而增强森林土壤N_2O排放能力;剔除林下植被提高土壤温度,加快了表层土壤有机碳的分解矿化,促进土壤N_2O排放;种植固氮植物增加了土壤有机碳和土壤氮含量,土壤N_2O排放增强。今后的研究应更多地关注多种因素和气候变化对林地土壤N_2O排放影响的内在机理以及氨氧化细菌、硝化细菌和反硝化细菌等微生物对各种干扰因素的响应机制。

大豆和玉米生长对土壤N_2O排放的影响

测定了盆栽试验条件下大豆和玉米生长期间的土壤N2O排放。种大豆土壤的N2O排放总量是相同条件下裸土排放总量的5.9倍,在大豆出苗后89 d里,种豆土壤的N2O排放平均速率显著低于裸土,此后种豆土壤的N2O排放速率显著高于裸土,种豆土壤N2O排放总量的93%发生在只占全生育期24%的成熟衰老期。种玉米土壤的N2O排放峰值出现在玉米出苗后13 d,而裸土的N2O排放峰值出现在玉米出苗后81 d,裸土的N2O排放总量是种玉米土壤N2O排放总量的13.5倍;种玉米土壤N2O排放主要发生在前一半时期里,而裸土的N2O排放主要发生在后一半时期里。无论在大豆还是玉米生长期间,裸土的N2O排放速率均与气温呈极显著的正指数相关,而种豆土壤的N2O排放速率与气温呈极显著的负相关,种玉米土壤的N2O排放速率与气温没有显著相关性。由此可见,植物生长和植物类型不仅影响土壤N2O排放的数量,也影响土壤N2O排放与温度之间关系。

氮素类型和剂量对寒温带针叶林土壤N2O排放的影响

大气氮沉降输入会增加森林生态系统氮素有效性,进而改变土壤N_2O产生与排放,然而有关不同氮素离子(氧化态NO_3^--N与还原态NH_4^+-N)沉降对土壤N_2O排放的影响知之甚少。以大兴安岭寒温带针叶林为研究对象,构建了3种类型(NH_4Cl、KNO_3、NH_4NO_3)和4个施氮水平(0、10、20、40 kg N hm^(-2)a^(-1))的增氮控制试验,利用流动化学分析仪和静态箱-气相色谱法4次/月测定凋落物层和矿质层土壤无机氮含量、土壤-大气界面N_2O净交换通量以及相关环境因子,分析施氮类型和剂量对土壤氮素有效性、土壤N_2O通量的影响探讨氮素富集条件下土壤N_2O通量的环境驱动机制。结果表明:施氮类型和剂量均显著影响土壤无机氮含量,土壤NH_4^+-N的积累效应显著高于NO_3^--N。施氮一致增加寒温带针叶林土壤N_2O排放,NH_4NO_3促进效应最为明显,增幅为442%-677%,高于全球平均水平(134%)。土壤N_2O通量与土壤温度、凋落物层NH_4^+-N含量正相关,且随着施氮水平增加而增加。结果表明大气氮沉降短期内不会导致寒温带针叶林土壤NO_3^--N大量流失,但会显著促进土壤N_2O的排放。此外,外源性NH_4^+和NO_3^-输入对土壤N_2O排放的促进作用具有协同效应,在未来森林生态系统氮循环和氮平衡研究中应该区分对待。

干湿交替频率对不同土壤CO_2和N_2O释放的影响

干旱、半干旱和地中海气候区,乃至一些湿润地区,由干湿交替引起的土壤碳、氮的短暂脉冲式释放很大程度上决定着长时间尺度温室气体释放的总量,是土壤碳、氮温室气体释放的关键过程。选择我国降雨梯度下的森林、农田、草地和荒漠生态系统,采集土样进行实验室统一控制条件下的多重干湿交替循环,对比探讨不同生态系统土壤干湿交替频率对CO2和N2O释放的影响模式。结果表明:(1)干湿交替能够显著的激发土壤中CO2和N2O的释放,森林、农田、草地和荒漠土壤CO2和N2O释放速率对干湿交替的响应模式基本一致,其响应强度与土壤本底中碳和氮的含量有关;(2)在一定培养时间内,随着干湿交替频率的增加,土壤再湿润阶段CO2释放速率降低,但是,气体释放的总量较之于恒湿对照组有所增加。(3)不同土壤N2O的释放总量对干湿交替频率的响应模式表现出很大的差异,其中农田和荒漠土壤响应模式类似。

黄土丘陵沟壑区退耕地土壤速效N的分布特征及其与物种多样性的关系

以黄土丘陵沟壑区的典型代表——安塞县为例,调查了退耕地植被恢复过程中的植被群落特征,分析了土壤速效N的分布特征、物种多样性的变化以及两者之间的相互作用关系,结果表明:土壤速效N的分布在剖面上具有明显的层次性,即从上到下依次降低;在不同植被群落中,土壤速效N含量在A、B层间的变化幅度大于B、C层次间,并且在植被恢复演替的前期,A、B两土层土壤速效N含量的变化相对较小,后期变化相对较大,而B、C两土层土壤速效N含量的变化则恰恰相反。0～60cm土层土壤速效N的平均含量在植被恢复的草本和乔木阶段,随植被的恢复演替而不断增加,在植被恢复的灌木阶段其含量变化则相反。相关分析表明,Menhinick指数和shannon-wiener指数与土壤速效N含量呈极显著正相关(P<0.01),simpson指数和Pielou指数与土壤速效N含量呈显著正相关(P<0.05)。因此,在对退耕地进行植被恢复时,应该保持和提高土壤速效N的含量,以保证植被恢复的进程。

原位土壤中N_2O释放量的测定方法

业已证明硝化和反硝化过程都产生N_2O。为了定量研究土壤中氮素损失途径的相对重要性,迫切需要建立原位土壤中N_2O释放量的测定方法。根据我们的条件,参照有关资料,设计了原位收集N_2O的装置和测定方法,简介如下。

施肥对羊草割草地植物群落和土壤C:N:P生态化学计量学特征的影响

以呼伦贝尔羊草(Leymus chinensis)草甸天然割草场为研究对象,通过设置不同种类肥料和不同施肥量处理,探讨植物群落生产力、植物群落和土壤C:N:P生态化学计量学特征,试图筛选出适合该地区草地生长的施肥种类与施肥量的最优组合。结果表明:随着施肥水平的增加,2014年群落地上生物量呈上升趋势,H3(尿素10.5 g·m^(-2)+过磷酸钙5.1 g·m^(-2))的生物量最高(505.8 g·m^(-2));2015年群落地上生物量先增加后减少,施肥水平H2(尿素7.0 g·m^(-2)+过磷酸钙3.4 g·m^(-2))生物量最高(264 g·m^(-2))。2014年和2015年不同施肥处理下植物群落C、N和P含量差异不显著。2014年不同处理间植物群落C:N差异显著,H3施肥水平的C:N(29.28)显著高于其他水平(P<0.05),而2015年C:N随着施肥水平的增加而增加;与C:N变化趋势完全相反,2014年、2015年群落的C:P和N:P均随施肥水平增加而减少。2014年与2015年不同处理下土壤全C、全N和全P中,除2014年0~10 cm土层H2和H3的全N、H1的全P显著高于其他处理(P<0.05),其他指标在不同处理间差异均不显著。2014年3层土壤的C:N、C:P和N:P受施肥量的影响相对较小,变化范围分别为18.31~19.42、64.06~102.51、3.38~5.19。2015年3层土壤的C:N、C:P和N:P变化范围为11.33~12.51、25.59~53.49、2.17~4.41。对比2年比值的变化,2015年C:P和N:P较2014分别下降了47.8%~59.7%和15.0%~35.8%。研究结果表明:从植物群落和土壤的化学计量比角度来看,N可能是本地区限制植物生长的一个主要因素,P处于相对平衡的状态,在未来的N、P混施管理中,需降低或不添加磷肥,适量添加N素,才能使群落呈现适中的化学计量比。