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。

喀斯特区不同岩性发育的土壤上植物-枯落物-土壤系统δ13C值变化特征

为了解喀斯特区不同岩性发育的土壤上林分碳元素循环特征,采用稳定碳同位素技术,研究贵州省喀斯特区白云岩、白云质砂岩、石灰岩3种岩性发育的土壤上猴樟(Cinnamomum bodinieri)、柏木(Cupressus funebris)、马桑(Coriaria nepalensis)、光皮桦(Betula luminifera)、桤木(Alnus cremastogyne)和圆果化香(Platycarya longipes)6种树种为优势种构建的林分的优势种植物-枯落物-土壤系统δ13C值的变化和土壤有机质更新。结果表明:(1)部分树种在不同岩性上的δ13C存在差异,石灰岩上柏木δ13C值与其他岩性呈极显著性差异(P<0.001),桤木在石灰岩与白云岩上呈显著性差异(P=0.024);不同树种表现为猴樟、柏木、马桑3个树种相互间或与其他树种多表现出显著性或极显著差异(P<0.05或P=0.001);树种各器官δ13C值呈叶片<枝杆<根的分配格局。(2)3种岩性上,各树种林分变化规律基本一致,均为植物叶片(新鲜枯落物)<枯落物分解层<枝杆<根<上层土壤<下层土壤。土壤层与植物体、枯落物之间的δ13C值存在极显著差异(P<0.001),土壤层与枯落物层比较,增幅较大的是白云质砂岩上的猴樟林和柏木林,分别为11.68‰,11.10‰,增幅较小的是白云岩上的马桑林和石灰岩上的桤木林,分别为1.07‰,2.73‰。(3)土壤有机质更新率最大为白云岩上马桑林43.84%,其次为石灰岩上桤木林34.17%,最低为石灰岩上的圆果化香林1.15%。白云岩上植物群落的有机碳周转率回归方程斜率K值为3.15,石灰岩上为0.85。白云质砂岩上林分的有机碳含量与δ13C值无相关性。研究结果对揭示喀斯特地区C元素循环及迁移特征和养分迁移特征具有重要意义。

秸秆还田方式对水稻田土壤理化性质及水稻产量的影响

为了综合评价不同秸秆还田方式对低产水稻田土壤性质及水稻产量的影响,研究了秸秆原料生物炭+化肥、发酵床秸秆垫料有机肥和秸秆+猪粪有机肥施用后土壤养分、有机质、易氧化有机碳及水稻生长和产量的变化。与不施肥对照相比,不同秸秆还田方式下土壤中速效养分含量均有不同程度增加,但差异均不明显。秸秆生物炭+化肥有利于水稻稳产高产,产量高达7.86 t/hm^2,比单施化肥和不施肥对照分别增加9.78%和62.4%;秸秆生物炭施用有利于水稻分蘖期与拔节期生长和吸收养分,发酵床秸秆垫料有机肥和猪粪秸秆有机肥两种处理的水稻产量及生物量均显著低于单施化肥处理。表明不同秸秆还田方式对水稻田土壤理化性质及产量有着不同的影响,其中施用秸秆生物炭能提高土壤肥力并显著提高水稻产量。短期来看,不配施化肥而单施发酵床秸秆垫料有机肥或秸秆猪粪有机肥对水稻生长不利,长期效果有待观察。

山地森林表层土壤酶活性对短期增温及凋落物分解的响应

为了探究贡嘎山地区暗针叶林表层土壤酶活性对增温及凋落物分解的响应,采用开顶式生长箱(open top chamber)和加热电缆(OTC-cable)联合增温的方式模拟增温,同时定位监测实验小区地表空气、表层土壤温湿度的变化;不同类型(A:75%峨眉冷杉针叶+25%杜鹃荚蒾灌木叶凋落物,B:55%峨眉冷杉针叶+45%杜鹃荚蒾灌木叶凋落物)凋落物在模拟增温和自然对照条件下分解4年,研究土壤过氧化氢酶、多酚氧化酶和脲酶活性的变化。结果表明:增温使得地表空气和表层土壤温度分别增加了2.84℃和1.83℃;使得空气相对湿度和土壤含水量分别降低了5.27%和1.55%。针叶比例高会抑制凋落物分解,约13%;增温促进凋落物分解且对针叶比例高的促进作用更加明显,增幅均超过10%。增温总体上降低了土壤过氧化氢酶和脲酶活性,而对多酚氧化酶活性的影响表现为增大。针叶比例降低的凋落物分解对3种土壤酶活性的影响大致趋势是增大,幅度在15%以上。增温和凋落物类型之间的交互作用显著。随着土壤深度增加,土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶活性增大,而脲酶活性降低。增温和不同类型凋落物分解对表层土壤酸碱性无显著作用。在土壤含水量较低的情况下,土壤水分对酶活性影响较大。贡嘎山峨眉冷杉林表层土壤酶对温度的敏感性不仅因酶类型、土壤深度而存在差异,也随增温时间、土壤水分条件而有所不同。

地黄对土壤动物数量和群落结构的影响

为研究地黄对土壤小型动物数量和群落结构的影响,本试验通过在地黄种植田采用人为移除地黄凋落物、添加地黄凋落物和移除地黄根系等处理,定期调查了土壤小型动物的数量变化以及其与环境因子的相关性。结果表明,去除根系使土壤螨类的数量减少26.9%,对跳虫和线虫的数量没有影响;添加凋落物导致螨类和跳虫的数量分别增加73.0%和121.9%;去除凋落物对土壤动物的数量没有影响。螨类和跳虫的数量在9月份和10月份较其他月份多,而线虫的数量在5月份的数量高于其他月份。线性相关分析表明,土壤螨类的数量随着土壤pH值的增加而降低。综上可知,地黄根系对土壤动物的影响大于地上凋落物,且主要通过改变土壤环境起作用。同时,由于不同土壤动物种类对添加凋落物和去除根系响应不同,从而使土壤动物的群落结构也发生了改变。本研究结果为解决地黄连作障碍提供了新的研究思路。

植被保持水土有效性研究进展

植被是防止水土流失的积极因素 ,也是土壤侵蚀预报研究中的重要因子。系统分析了国内外有关植被的冠层对降雨的截流作用以及对降雨侵蚀动力的影响 ,地表枯枝落叶层的水土保持作用、植被覆盖度与水土流失之间的关系和地下根系提高土壤抗冲性等方面的研究。旨在综合已有研究经验和成果 。

亚热带米槠天然林凋落物和根系输入变化对土壤磷组分的影响

植物残体添加和去除试验(The Detritus Input and Removal Treatments,DIRT)是研究地上凋落物以及植物根系对土壤营养物质循环过程及机制探究的一种试验设计。于2012年6月选择福建省三明森林生态系统与全球变化研究站的米槠常绿阔叶天然林,设置5种处理:对照(CT)、去除凋落物(NL)、去除根系(NR)、去除凋落物与根系(NI)、添加双倍凋落物(DL),在2018年12月对各处理不同土层(0—10cm、10—20cm)土壤磷组分及其影响因子进行研究,结果表明:(1)在0—10cm土层中DL处理总磷含量显著大于NL处理,NI处理无机磷含量最低,在10—20cm中DL处理有机磷含量显著大于其他处理;(2)DL处理活性磷(Resin⁃P、NaHCO^(3)⁃Pi、NaHCO^(3)⁃Po)含量在0—10cm土层中显著大于其他处理。在10—20cm土层中NR处理活性磷以及中等活性磷显著大于NL处理。残留态磷(Residual⁃P)含量最高,但在各处理与土层之间并没有明显差异;(3)酸性磷酸酶在0—10 cm土层不同处理间的变化趋势明显,CT处理活性最高,NI处理活性最低。NR与NL处理在10—20cm土层的差异并不明显。冗余分析表明,土壤磷组分的变化主要受酸性磷酸酶、土壤含水率、可溶性有机氮以及总氮的影响。凋落物的输入对促进土壤磷素增加,改善土壤质量具有重要意义;植物根系则对土壤磷的活化与稳定具有关键作用。

畜禽粪便施用对稻麦轮作土壤质量的影响

通过采集试验区长期施用鸡粪(PL)、猪粪(LM)和化肥(CF)的稻麦轮作耕层和犁底层土壤,分析了不同施肥处理土壤有机碳和养分含量、土壤物理结构特征、土壤生物学性质的差异,探讨了长期施用畜禽粪便对土壤质量的影响。研究结果显示,长期施用畜禽粪便耕层和犁底层土壤有机碳含量显著高于施用化肥处理(P<0.05);与CF处理比较,PL和LM处理土壤氮、磷、钾全量和有效养分含量均明显增加,其中耕层土壤O lsen-P含量为施用化肥处理的7—8倍,速效钾含量比施用化肥土壤高89.2%—102.9%。施用畜禽粪便明显改善了土壤物理结构,其耕层土壤大孔隙体积、中孔隙体积和总孔隙度分别为CF处理土壤的1.48—1.70倍,1.35—1.75倍和1.07—1.11倍;土壤团聚体水稳定性显著增强,而土壤抗张强度显著降低。施用畜禽粪便土壤微生物和生化性质也明显高于施用化肥土壤,其中LM处理耕层土壤MBC和MBN最大,分别是CF处理土壤的2.1倍和1.5倍;施用畜禽粪便土壤脲酶和转化酶活性也分别为施用化肥土壤的3.5—6.7倍和1.6—2.1倍。相关分析显示,土壤有机碳含量与各肥力指标间均表现出极显著相关(P<0.01)。研究结果说明,长期施用畜禽粪便土壤质量显著高于仅施化肥土壤。

黄土高原不同植被带刺槐生态化学计量特征

为阐释刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林在不同植被带下的化学计量特征,明确气候因素对其的影响,采用样地调查与实验室分析结合处理的方法对黄土高原森林带、森林草原带、草原带中刺槐人工林的叶片、枯落物及土壤进行C,N,P含量测定,分析了化学计量比,同时剖析了气候因子与各元素之间的关系。结果表明:(1)不同组分C,N,P含量差异均显著,表现为叶片>枯落物>土壤,各植被带内养分含量表现各异,其中森林草原带叶片与土壤养分含量处于最高水平。(2)同植被带C/P与N/P均呈现出叶片与枯落物显著高于土壤的趋势,而植被带间各组分化学计量比差异程度不同。(3)各植被带养分含量在叶片-枯落物-土壤间均具有一定的相关性,表明养分在生态系统内持续流动。(4)叶片C,N,P含量随着年均降水(MAP)和年均温度(MAT)的升高而降低,而枯落物与之表现出相反的趋势,土壤养分随年均太阳辐射量(MASR)增大而降低。研究结果为深入探索黄土高原刺槐人工林养分在空间上的耦合机制提供一定的参考依据。

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。

Base cation concentrations in forest litter and topsoil have different responses to climate and tree species along elevational gradients

The forest litter is an essential reservoir of nutrients in forests, supplying a large part of absorbable base cations(BC) to topsoil, and facilitating plant growth within litter-soil system. To characterize elevational patterns of base cation concentrations in the forest litter and topsoil, and explore the effects of climate and tree species, we measured microclimate and collected the forest litter and topsoil(0-10 cm) samples across an elevational range of more than 2000 m(1243 ～ 3316 m a.s.l.),and analyzed the concentrations of BC in laboratory. Results showed that: 1) litter Ca concentration displayed a hump-shaped pattern along the elevational gradients, but litter K and Mg showed saddle-shaped patterns. Soil Ca concentration increased with elevation, while soil K and Mg had no significant changes. 2) Ca concentration in the forest litter under aspen(Populus davidiana) was significantly higher than that in all other species, but in topsoil, Ca concentration was higher under coniferous larch and fir(Larix chinensis and Abies fargesii). Litter K and Mg concentrations was higher under coniferous larch and fir, whereas there were nosignificant differences among tree species in the concentrations of K and Mg in topsoil. 3) Climatic factors including mean annual temperature(MAT), growing season precipitation(GSP) and non-growing season precipitation(NGSP) determined BC concentrations in the forest litter and topsoil. Soil C/N and C/P also influenced BC cycling between litter and soil. Observation along elevations within different tree species implies that above-ground tree species can redistribute below-ground cations, and this process is profoundly impacted by climate. Litter and soil Ca, K and Mg with different responses to environmental variables depend on their soluble capacity and mobile ability.

低山石灰岩区不同植被水保功能的研究

通过实测不同植被下原状和人工覆盖不同枯落物的冲失土壤量及其所需时间、冲动枯落物的量和临界流量、枯落物的减流速度、不同植被下的土壤根系重量和须根数量等，采用模糊数学方法对石灰岩区主要植被的水保功能进行了综合评判，得出侧柏的水保功能＞黄背草＞白草＞野皂荚＞毛黄栌＞山合欢＞荆条＞酸枣＞荒坡或弃耕地。

药材植物淋出物对油松枯落物分解和土壤酶活性的影响

【目的】研究油松(Pinus tabuliformis)林下9种药材植物淋出物对油松枯落物分解和土壤酶活性的影响,为选择适宜油松林下种植的药材植物及适宜的林药复合模式提供依据。【方法】以秦岭山区广泛分布的典型油松林及林下9种常见药材植物蒲公英(Taraxacum mongolicum)、地丁(Corydalis bungeana)、薄荷(Mentha haplocalyx)、鱼腥草(Houttuynia cordata)、细辛(Asarum sieboldii)、荆芥(Nepeta cataria)、金银花(Lonicera japonica)、绞股蓝(Gynostemma pentaphyllum)和夏枯草(Prunella vulgaris)为研究对象,通过药材植物茎叶淋出物(以水浸提液模拟)喷浇油松枯落物进行分解试验,研究药材植物茎叶淋出物对油松枯落物分解速率、养分(C、N、P、Cu、Zn和Mn)释放和土壤酶活性的影响。【结果】蒲公英、地丁、薄荷、鱼腥草、金银花和荆芥的茎叶淋出物均显著抑制了油松枯落物的分解及总体养分释放(除金银花茎叶淋出物对N释放、荆芥茎叶淋出物对N和P的释放影响不显著外)。蒲公英、地丁、薄荷、鱼腥草和金银花茎叶淋出物均显著降低了土壤多酚氧化酶的活性,金银花茎叶淋出物降低了土壤中羧甲基纤维素酶活性,荆芥茎叶淋出物均显著降低了土壤中羧甲基纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的活性。【结论】细辛、绞股蓝和夏枯草可与油松进行林药复合种植,其余6种药材植物应避免在油松林下种植或降低种植密度。

凋落物在紫鹊界梯田自流灌溉体系中的作用机理

为了进一步揭示林区凋落物在梯田自流灌溉体系中的作用机理,在紫鹊界梯田区内选取8块样地,测定了凋落物储量、吸水释水特性及土壤的理化性质,并建立了相关关系,结果表明:①不同样地持水性及释水性均不同;②凋落物可吸收自身质量的2~4倍水分,同时林区土壤的各项物理指标及化学指标均优于荒坡;③通过相关分析发现,凋落物的释水特性对部分土壤理化性质存在极显著或显著相关关系。因此,凋落物不仅可以保护地表,还能通过持续的吸水及释水,避免水土流失,补充土壤水分,同时起到改良土壤和涵养水源的作用。

碳输入方式对森林土壤碳库和碳循环的影响研究进展

凋落物和植物根系是森林土壤有机碳的主要来源.综述了不同碳输入方式对土壤全碳、微生物生物量碳和可溶性有机碳等碳库组分及土壤呼吸影响的研究进展.不同地区、不同森林土壤有机碳对碳输入的响应程度不同,且采用添加和去除凋落物,以及去除根系方法(DIRT)对土壤碳的影响具有树种差异和区域差异.目前主要侧重于土壤呼吸和碳库组分的研究,亟需开展对土壤碳的结构类型和稳定性,以及土壤生物尤其是土壤动物的响应机制的相关研究.

落叶松人工林生长季节土壤呼吸通量各组分的变化

2010年采用挖壕法,利用Li-8150土壤碳通量全自动观测仪对东北林业大学哈尔滨实验林场落叶松人工林土壤各组分呼吸通量进行昼夜观测,研究土壤呼吸通量的昼夜和月变化特征,以及对土壤温度的敏感性.结果表明:各月份落叶松的枯枝落叶、根和矿质土壤呼吸通量昼夜变化均呈现单峰形态.5—10月各组分土壤呼吸通量昼夜变化幅度分别在3.1%～12.4%、1.9%～8.7%和10.9%～67.2%;枯枝落叶和根呼吸的平均值分别占土壤呼吸总量的21.2%、11.1%、13.4%、12.0%、14.2%和10.3%、8.8%、11.6%、10.0%、12.5%,昼夜波动幅度较小,月平均值分别为14.3%和10.6%.矿质土壤呼吸平均值分别占土壤呼吸总量的68.5%、80.2%、75.1%、78.1%和73.3%,昼夜波动幅度较小,月平均值为71.5%.枯枝落叶和矿质土壤呼吸通量对地表下10cm的温度敏感性(Q10)显著高于地表,且矿质土壤呼吸通量Q10值高于枯枝落叶呼吸通量.根呼吸通量对地表下10cm处和地表Q10值无显著差异.枯枝落叶和根呼吸Q10值的月变化为低温时较高、高温时较低,而矿质土壤呼吸Q10值则夏季较低、春秋季较高.

杉木根系和凋落物对土壤微生物学性质的影响

通过模拟试验,研究了杉木根系和凋落物及其交互作用对土壤微生物学性质的影响.结果表明:杉木根系和凋落物在土壤生态过程中发挥的作用有所不同.与对照相比,杉木根系处理的土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤基础呼吸、土壤有机碳(TOC)和微生物熵显著增加,土壤呼吸熵(qCO2)显著降低(P<0.05);凋落物处理中,仅土壤基础呼吸和qCO2显著降低(P<0.05),而MBC、TOC和微生物熵没有显著变化(P>0.05).杉木根系和凋落物对土壤基础呼吸和qCO2的影响具有显著的交互作用.qCO2与土壤可溶性碳(R2=0.325)及TOC(R2=0.209)含量呈显著正相关,说明微生物对碳的利用效率随土壤有机碳数量的增加而降低.与凋落物相比,杉木根系在土壤生态过程中发挥着更重要的作用.