增温及隔离降雨对杉木不同序级细根形态和化学计量学性状的影响

为了解细根形态和化学计量学性状对增温和干旱交互作用的响应。在福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站开展杉木Cunninghamia lanceolata幼苗增温(不增温和增温5℃)×隔离降雨(不隔离降雨和隔离降雨50%)双因子试验,共4个处理,即对照(CT)、土壤增温(W)、隔离降雨(P)、增温+隔离降雨(WP)。在处理1年后,测定前3序级细根的形态和化学计量学性状。结果表明:增温和隔离降雨对细根形态性状均无显著交互作用。增温主效应对细根直径(RD)无显著影响,但显著降低细根比根长(SRL,特别是1序级根)和细根比表面积(SRA)、显著增加细根组织密度(RTD);隔离降雨主效应仅显著降低了SRL,而对RD、SRA和RTD均无显著影响。增温和隔离降雨以及两者交互作用显著影响细根碳(C)、氮(N)含量以及碳氮比(C∶N)。与CT相比,P处理导致1和2序级细根C含量和C∶N显著降低,而N含量显著升高;W和WP处理下各序级细根N含量显著上升,而细根C∶N显著降低。在增温和隔离降雨作用下,细根可能增强了生理吸收能力(高N含量),但却弱化了养分的探寻能力(低SRL和SRA)。研究结果有助于深入理解全球气候变化背景下亚热带地区杉木细根应对环境应力的生态策略。

模拟增温及隔离降雨对中亚热带杉木人工林土壤可溶性有机质的数量及其结构的影响

温度和水分影响森林生态系统的结构与功能,而全球变暖和降雨格局的改变是未来气候变化的趋势。我国中亚热带地区森林覆盖率大,碳库丰富,可溶性有机质(DOM)作为森林生态系统的重要组成部分,气候变化对它的数量和组成具有重要的影响。本文对我国湿润亚热带地区杉木人工林土壤进行模拟增温以及隔离50%的降雨试验,利用光谱技术手段研究增温及隔离降雨对土壤可溶性有机质(DOM)的数量及其结构的影响。试验设对照(CK)、增温(W)、隔离降雨(P)、增温与隔离降雨的交互作用(WP)4种处理。结果表明,与对照相比,土壤增温后,0—10cm和10—20cm土层的土壤可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)增加,但其芳香性指数和腐殖化程度降低,增温加速DOM的流失,不利于土壤有机质的稳定。季节变化影响土壤的环境,导致隔离降雨有使DOM的数量增加或减少的趋势;在旱季(2014年10月和2015年1月),隔离降雨降低了土壤DOM的数量,但其芳香性指数和腐殖化程度增加,而进入雨季(2015年4月),隔离降雨有使DOM增加的趋势,但其组分中的芳香化合物较少。增温和隔离降雨的交互作用在一定程度上促进DOM的产生,其结构比对照简单。温度和降雨对DOM的影响较为复杂,在全球气候变化背景下,只有长期对其进行观测并探讨其他因素带来的影响才能深入了解气候变暖和降雨格局的变化对土壤碳、氮的影响。

隔离降雨对杉木林土壤可溶性有机碳和微生物生物量碳的影响

通过在亚热带杉木林内设置不同隔离降雨强度试验：完全隔离降雨、隔离60％降雨、隔离20％降雨和对照（自然降雨），研究隔离降雨对0～20 cm土层可溶性有机碳（ DOC）和微生物生物量碳（MBC）含量的影响，结果表明：0～10 cm和10～20 cm土层，除完全隔离降雨处理土壤DOC峰值出现在春季外，其他处理均出现在秋季。0～10 cm土层中完全隔离降雨和隔离60％降雨处理的土壤MBC峰值出现在春季，而隔离20％降雨和对照的则出现在夏季，10～20 cm土层各处理对应的MBC最大值分别出现在春季、夏季、夏季和秋季。随着土层加深，4种处理土壤DOC、 MBC含量均显著降低。0～10 cm土层，完全隔离降雨处理的土壤DOC、隔离60％降雨土壤MBC均与土壤含水量显著正相关，杉木林土壤DOC和MBC对降水变化响应具有明显的季节性。

亚热带杉木人工林土壤胞外酶活性对隔离降雨的季节响应

土壤酶在养分矿化过程中起着至关重要的作用,是预测土壤向植物提供养分能力的特殊传感器。土壤酶的催化、生产和降解速率受水分调节,而全球气候变暖所引起的降水减少将对中亚热带地区森林生态系统造成深刻影响,但是关于中亚热带杉木人工林土壤酶活性对降水变化响应的研究还是相对匮乏。通过隔离降雨模拟实验减少50%的降水,探究干湿两季中亚热带杉木人工林表层土壤的理化性质、胞外酶活性和有效养分对降水减少的响应。研究的胞外酶有:参与碳循环的β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CBH)、酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO)。冗余分析结果显示:干季时的土壤酶活性主要是受土壤含水量、硝态氮和可溶性有机碳(DOC)的影响,湿季则主要受微生物量碳、DOC和铵态氮的影响。湿季的土壤酶活性总体大于干季的土壤酶活性。除了干季的酚氧化酶外,无论干季或是湿季,几乎所有土壤酶活性在降水减少后均有所提高,其中βG活性变化最为显著。这可能是因为中亚热带地区降水丰富,尽管进行了隔离降雨处理,但水分仍然未达到限制水平;也可能是酶活性对降水减少这种不利的环境变化做出的响应或适应策略。本研究也为未来气候变化降水减少下对预测碳循环和养分循环提供了一定的科学依据。

增温和隔离降雨对杉木幼林土壤养分和微生物生物量的影响

在全球气候变化背景下,中国亚热带地区独特的地理位置决定了该地区在气候变暖的同时还会伴随干旱,但对于增温和隔离降雨的研究多集中在中高纬度地区,对亚热带等低纬度地区的研究较少。本研究通过设置对照、增温、隔离降雨和增温+隔离降雨4种处理,探讨增温和隔离降雨对杉木幼林表层土壤养分和微生物生物量的影响。结果表明:增温和隔离降雨均可使土壤养分有效性发生变化,增温使土壤可溶性有机碳、可溶性有机氮、有效磷浓度有所增加,而隔离降雨主要影响了N有效性,表现为土壤铵态氮浓度显著下降(P<0.05)。增温后微生物生物量碳、氮均显著下降(P<0.05),增温和隔离降雨的交互作用对微生物生物量磷影响显著。在亚热带地区,氮磷养分有效性有可能是全球气候变化背景下影响土壤微生物生物量的重要因素,未来还需结合野外原位实验做进一步的研究。

杉木N、P代谢对模拟土壤增温及隔离降雨的响应

全球气候变化改变了陆地生态系统植物的生理状态,使植物氮(N)、磷(P)代谢发生了变化。为揭示全球气候变暖及干旱环境下植物N、P代谢特征的变化,以典型的亚热带植物杉木(Cunninghamia lanceolata)为研究对象,按照两因素两水平试验设计设置对照、增温(+5℃)、隔离降雨(-50%)和增温×隔离降雨4个处理,根据“主干法”确定针叶龄级,采集一年生、二年生、三年生及四年生叶片,同时收集每个处理的凋落叶,分别测定鲜叶及凋落叶的生态化学计量学特征,并计算其N、P吸收率。结果表明:(1)增温及隔离降雨对凋落叶N浓度及C/N比值均无显著影响,隔离降雨使凋落叶P浓度显著增加23.32%,C/P比值显著下降18.57%(P<0.05)。(2)增温、增温×隔离降雨处理使杉木二年生鲜叶N浓度较对照组均有显著差异(P<0.05),三、四年生叶片N浓度在隔离降雨处理下分别极显著增加18.15%和25.33%(P<0.01),增温及隔离降雨使P浓度均呈下降趋势但未造成显著差异。(3)N吸收率(NRE)在处理间及叶龄间均无显著差异;P吸收率(PRE)随叶龄增加呈下降趋势,其中仅隔离降雨处理下不同叶龄杉木叶PRE未有显著差异。(4)增温、隔离降雨及二者交互作用均增加鲜叶N浓度及NRE之间拟合关系,其中增温及增温×隔离降雨拟合度呈显著相关(P<0.05),而增温、隔离降雨及二者共同作用均显著降低鲜叶P浓度及PRE的拟合关系(P<0.05),其中隔离降雨处理对其影响最大。在中亚热带地区,杉木生长受P元素限制显著,土壤温度和水分都是叶片P素变化的重要因素,而杉木叶片N素对水分较为敏感,适当的水分亏缺能使叶片的N浓度增加,尤其对成熟叶片影响显著。

隔离降雨对米槠天然林土壤微生物生物量和酶活性的影响

IPCC 2014综合报告指出亚热带地区降雨将会减少,这会对亚热带地区森林土壤微生物和酶活性产生怎样的影响引起极大关注。以福建省三明市格氏栲自然保护区内200年生米槠天然林为研究对象,于2012年在实验样地布设原位隔离降雨实验,共设置隔离30%降雨、隔离60%降雨和对照3种处理。2017年4月对不同处理进行土壤采样,研究了土壤微生物生物量和酶活性对隔离降雨的响应。结果表明:隔离降雨(30%和60%)显著降低了0~10 cm土层的土壤有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、总氮(TN)和土壤水分含量(SWC);但对10~20 cm土层影响较小。隔离30%降雨处理0~10 cm土层土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量分别比隔离60%降雨处理增加了20.73%和15.71%;10~20 cm土层土壤中各处理之间MBC含量及MBN含量均无显著差异(P<0.05)。冗余分析(RDA)表明:TN和MBC是促使0~10 cm土层酶活性发生变异的主要因素,其解释度分别为43%和16.5%;10~20 cm土层土壤酶活性变异的主要因素是MBC,其解释度是58.1%。2个隔离降雨处理均增加0~10 cm土层土壤多酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO)和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)酶活性,却降低了10~20 cm层土壤多酚氧化酶(PHO)和酸性磷酸酶(ACP)的酶活性。

隔离降雨对马尾松针叶非结构性碳水化合物和碳、氮、磷的影响

植物叶片中的非结构性碳水化合物(NSC)和碳(C)、氮(N)、磷(P)含量可反映植物和生态系统对水分亏缺环境的响应及适应程度。以福建省长汀县25a马尾松(Pinus massoniana)为对象,原位观测分析了3年持续100%隔离降雨对成年马尾松针叶NSC与C、N、P的影响。结果表明:(1)持续隔离降雨导致马尾松针叶NSC含量先显著增加后减少,最终导致针叶NSC含量季节变化消失;且针叶可溶性糖含量、可溶性糖/淀粉比值在后期显著增加;(2)持续隔离降雨使马尾松针叶N含量、P含量、N∶P均表现为前期与对照组差异不显著,后期显著高于对照组;(3)马尾松针叶NSC含量、可溶性糖含量、P含量、N∶P与土壤水分含量呈显著或极显著相关,且均与P含量显著或极显著相关,与N素无相关性。以上研究结果表明,随着土壤水分含量的持续减少马尾松可通过调整针叶中NSC含量的积累及分配和提高针叶N、P含量来适应缺水环境,P含量的增加对NSC含量波动及可溶性糖和淀粉的相互转化起促进作用。

亚热带米槠天然林不同深度土壤胞外酶活性对隔离降雨的响应

随着全球变暖的加剧,降雨格局也在发生变化,土壤酶是森林生态系统化学过程的重要参与者,能够快速反映土壤环境的变化。因此研究亚热带土壤胞外酶活性对降水变化的响应,可有效评估气候变化对土壤有机质分解、转化的影响。以福建三明格氏栲自然保护区内的米槠天然林为研究对象,设置对照(CT)、隔离30%降雨(TE1)和隔离60%降雨(TE2)3种处理,于2020年9月对不同土层(0—10,10—20,20—40,40—60 cm)土壤进行取样,研究9年的隔离降雨对不同土层土壤酶活性的影响。结果表明:不同程度隔离降雨后,4个土层的β—葡萄糖苷酶(βG)、β—N—乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(AP)活性均呈下降趋势。与CT相比,TE2处理0—40 cm土壤AP、βG和NAG酶活性均显著降低(P<0.05),40—60 cm土壤AP酶活性在TE1和TE2处理中降低均较为显著。随着土层加深,3种土壤胞外酶活性均逐渐降低。冗余分析(RDA)表明,在0—10 cm土壤中,土壤含水量(SWC)、总氮(TN)和可溶性有机碳(DOC)是调控土壤胞外酶活性的主要因素,10—20 cm土壤胞外酶活性主要受控于可溶性有机碳(DOC)和铵态氮(NH _(4)^(+)—N),而可溶性有机氮(DON)和硝态氮(NO_(3)^(-)—N)是调控20—40 cm土层土壤胞外酶活性的关键因素。在40—60 cm土壤中,碳磷比(C∶P)主要影响着3种土壤胞外酶活性。可见,不同深度土壤胞外酶活性对降水减少的响应及调控因素不同。研究结果有助于进一步了解全球气候变化背景下亚热带森林土壤养分转化与循环机制。

模拟氮沉降和隔离降雨对杉木林土壤微生物功能基因丰度的影响

全球环境变化因子氮沉降、干旱深刻影响森林生态系统生物多样性和生态功能,但两者交互作用如何影响森林土壤微生物的功能基因丰度鲜有报道.本研究聚焦亚热带杉木人工林,通过设置对照、氮添加处理(40 kg·hm^(-2)·a^(-1))、隔离降雨处理(隔离50%穿透雨)、氮添加与隔离降雨处理等实验处理,利用高通量定量PCR技术,研究了土壤中碳、氮和磷循环微生物相关功能基因丰度的季节变化及其影响因子.研究发现,氮添加和隔离降雨对碳、氮、磷循环相关功能基因丰度无显著影响,而季节变化显著影响这些功能基因的丰度.除硝化功能基因丰度外,其余碳、氮、磷循环功能基因丰度均在冬季高于夏季.相关性分析表明,土壤总磷含量与反硝化基因丰度呈显著正相关,与其他功能基因丰度之间呈显著负相关,表明土壤总磷可能是影响杉木林土壤微生物潜在功能的关键因子.本研究综合分析了模拟氮沉降和隔离降雨交互作用下,杉木林土壤碳氮磷元素转化相关微生物功能基因变化,为全球变化下亚热带人工林的可持续经营提供理论指导.

中亚热带杉木人工幼林林下植被生物量对短期增温和隔离降雨交互作用的响应

通过在野外条件下设置对照(CT)、土壤增温(W,+5℃)、隔离降雨(P,隔离50%降雨量)以及增温与隔离降雨协同作用(WP)4种处理,研究增温与隔离降雨及其交互作用对中亚热带杉木人工林林下植被生物量的影响,结果表明:增温和隔离降雨及其交互作用显著影响杉木人工林林下植被生物量。W和WP处理显著提高地上、地下和总生物量,其中W处理地上、地下和总生物量增加比例均高于WP处理;隔离降雨导致地下部分生物量显著减少;增温、隔离降雨及其交互作用均导致林下植被根冠比值下降。土壤温度升高是导致植被地上、地下和总生物量以及根冠比值变化的根本原因,而土壤溶液中可溶性碳氮及矿质元素浓度的变化可能是导致植被地上、地下和总生物量变化的直接原因。其中,Al^3+、Fe^3+、Ca^2+浓度的降低可能是导致增温后杉木林林下植被地上、地下和总生物量显著增加的原因;Al^3+、Na^+浓度的增加可能是导致隔离降雨后林下植被地下部分生物量下降的原因。本研究从土壤溶液养分组成变化的角度,探讨增温、隔离降雨及其交互作用对中亚热带杉木幼林林下植被生物量的影响,研究结果可为全球气候变化背景下森林生态系统碳循环研究与森林经营提供重要理论依据。

增温和隔离降雨对亚热带森林土壤N_2O通量的影响

设置对照(CT)、增温5℃(W)、隔离50%降雨(P)和增温5℃+隔离50%降雨(WP)4种处理,以相关功能基因作为标志物,研究增温和隔离降雨影响亚热带森林生态系统土壤N_2O通量变化的途径.结果表明:隔离降雨显著降低了土壤铵态氮浓度;增温显著降低了土壤N_2O通量和土壤反硝化势.增温处理(W)和降雨处理(P)的土壤微生物生物量氮(MBN)均显著低于对照(CT),AOA amo A基因丰度与MBN和铵态氮含量之间呈显著负相关,但与土壤硝化势和土壤N_2O通量没有显著相关性.路径分析显示,反硝化势直接显著影响土壤N_2O通量,而微生物生物量磷(MBP)和增温则通过直接影响反硝化势来间接影响土壤N_2O通量.温度可能是影响亚热带森林土壤N_2O通量的主要驱动因素,全球变暖可能会减少亚热带森林土壤的N_2O排放.

隔离降雨对亚热带米槠天然林土壤可溶性有机质数量及光谱学特征的影响

全球气候变化背景下区域降雨格局变化可能深刻影响土壤可溶性有机质(DOM)的数量和质量.为了解亚热带森林土壤DOM对降雨减少的响应,通过6年不同强度(对照、-30%、-60%)的隔离降雨模拟试验,采用光谱技术,研究了降雨减少对亚热带米槠天然林不同深度土壤DOM数量和结构的影响.结果表明:与对照相比,隔离降雨使0~10 cm土层中可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)含量显著降低,其中-30%处理DOC下降幅度小于DON,而-60%处理DOC下降幅度大于DON,0~10 cm土层中DOC和DON含量都显著高于10~20 cm土层.-30%处理土壤DOM中源于微生物代谢的芳香类腐殖质和烷烃比例上升;-60%处理土壤DOM中微生物代谢产物的相对贡献率减少.除了隔离降雨后水分变化等直接影响外,微生物活性也是本试验区影响DOM数量和结构的重要因素.

降雨隔离和温度增加对杉木幼林土壤可溶性碳氮的影响

土壤可溶性碳氮在森林土壤碳循环和养分循环中起到重要作用,因其对气候变化高度敏感且可被微生物直接利用.本研究通过在2年生杉木人工林内设置隔离50%降雨处理(P)、增温5℃+隔离50%降雨处理(WP),利用张力测渗计野外原位收集土壤溶液,研究降雨和温度变化对不同深度土壤可溶性碳氮浓度的影响.结果表明:降雨和温度变化没有改变土壤可溶性有机碳(DOC)浓度的季节变化,土壤溶液DOC浓度在10月最高.降雨和温度变化增加了不同土层土壤溶液DOC浓度,60 cm处增加量最大,与对照相比,P和WP处理土壤溶液DOC浓度的增加幅度分别为30.4%~88.7%和32.8%~137.6%,10月的差异值最大,对照土壤溶液DOC浓度随土壤深度增加而降低,但降雨和温度变化后各土层间土壤溶液DOC浓度没有显著差异.WP处理土壤溶液NO_3^--N浓度大幅增加,增加幅度为221.1%~931.0%.在未来全球变化背景下,亚热带地区降雨减少将增加土壤通透性和细根向深层土壤的生长,促进土壤微生物活性和有机质分解,可能增加本地区土壤有机碳氮淋溶流失,而温度增高将加剧碳氮流失风险.