天山高寒草原土壤团聚体结构与养分含量对模拟氮磷沉降的响应

为更好地理解高寒草原土壤团聚体结构及其养分含量对氮(N)、磷(P)沉降增加的响应,于2018年开始依托全球营养网络(Nutrient Network)在巴音布鲁克草原生态系统研究站开展模拟氮磷沉降的短期(<5年)氮磷添加控制实验,设置对照(CK)、N添加、P添加、NP交互添加4个处理。N、P添加量均为10 g m^(-2)a^(-1)。于2021年8月采集植物与土壤样品,采用湿筛法分析土壤水稳定性团聚体组成,测定全土和各粒级团聚体有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、速效氮(AN)和速效磷(AP)含量。研究结果表明:(1)巴音布鲁克高寒草原各粒级土壤团聚体比例从低到高依次为:0.053—0.25 mm、<0.053 mm、0.25—2 mm、和>2 mm,以>2 mm团聚体占主导,其比例在45.48%—71.81%之间。(2)N添加显著降低了0—10 cm土壤层>2 mm团聚体比例和团聚体稳定性,而P添加则显著降低了10—20 cm土壤层>2 mm团聚体比例和团聚体稳定性。(3)0—10 cm土壤层各粒级团聚体SOC含量显著高于10—20 cm土壤层;N添加显著提高了0—10 cm土壤层各粒级团聚体AN含量与N有效率,但显著降低了AP含量;P添加和NP交互添加总体上对团聚体养分没有显著影响。(4)0—10 cm土壤层团聚体AN含量与地上生物量具有显著的正相关关系;而团聚体AN含量、N有效率分别与AP含量、P有效率呈显著负相关关系;10—20 cm土壤层团聚体TP、AN、AP含量与N、P有效率均呈显著正相关关系。综上,10 g m^(-2)a^(-1)的氮磷添加降低了土壤团聚体稳定性且影响的土壤层不同,N添加和P添加分别影响0—10 cm和10—20 cm土壤层稳定性;N添加驱动了土壤团聚体N元素和P元素的再分配,分别显著提高和降低了土壤团聚体AN、AP的含量;P添加和NP交互添加总体上对团聚体养分影响不显著。

围封对天山高寒草原4种植物叶片和土壤化学计量学特征的影响

以中国科学院巴音布鲁克草原生态系统研究站长期围栏内外的羊茅(Festuca ovina)、天山赖草(Leymus tiansecalinus)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)和鹅绒委陵菜(Potentilla anserine)4种植物叶片和土壤为研究对象,分析了放牧与围封对植物叶片和土壤C、N、P的化学计量特征的影响。结果表明,围封样地土壤养分浓度整体高于放牧样地(P<0.05),全氮(TN)浓度除外。围封显著增加羊茅叶片C、N浓度(P<0.05),对P浓度影响不显著;围封显著增加鹅绒委陵菜叶片的C浓度,但是显著降低叶片的N和P浓度(P<0.05),围封对天山赖草和二裂委陵菜养分含量影响不显著。围封显著增加鹅绒委陵菜C∶N和C∶P(P<0.05);围封显著降低羊茅C∶N、C∶P和增加N∶P(P<0.05);围封显著降低二裂委陵菜C∶N(P<0.05),对天山赖草的化学计量特征影响不显著。不同植物对围封的响应不同,意味着长期围封可能会改变天山高寒草原生态系统的结构。围封降低优势种(羊茅)的固碳能力,增加退化期出现的代表性植物(鹅绒委陵菜)的固碳能力,表明在长期围封下植物凋落物中的杂类草(鹅绒委陵菜)可能更多的为土壤提供碳来源,也能促进优势禾本科物种的氮含量和碳含量的增加。

长期围封对高寒草地土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响

为评价长期围封对土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响,选择巴音布鲁克高寒草地(高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原)长期围封(围栏设置于1984年)与自由放牧的样地作为研究对象。分析0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层中水稳性团聚体组分、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和土壤可蚀性(K值)。结果表明:(1)MWD最小值出现在高寒草甸0~5 cm土层自由放牧处理下,其数值为1.75 mm。高寒草甸和高寒草甸草原围封和自由放牧下20~30 cm土层的MWD和GMD没有显著性差异(P>0.05),而高寒草原差异显著(P<0.05)。(2)高寒草原放牧处理10~20 cm土层K值最高为0.136,在所有处理中抗侵蚀能力最弱。(3)冗余分析发现,全钾、全磷、pH和土壤有机碳SOC是影响土壤可蚀性K值和MWD的最主要因素。(4)巴音布鲁克高寒草地0~10 cm土层以>2mm大团聚体为主,长期围封导致0~10 cm土层土壤团聚体稳定性更强;且草地类型、围封和土层均对土壤团聚体稳定性和可蚀性有着显著的影响,说明长期围封可以提高土壤团聚体的水稳定性和抗侵蚀能力。

氮添加对天山高寒草原土壤酶活性和酶化学计量特征的影响

为探究氮添加对高寒草原生态系统土壤酶活性的影响,于2018年在中国科学院巴音布鲁克草原生态系统研究站,选择4个氮添加水平(对照,N0,0 kg·hm^-2·a^-1;低氮,N1,10 kg·hm^-2·a^-1;中氮,N3,30 kg·hm^-2·a^-1;高氮,N9,90 kg·hm^-2·a^-1),开展土壤酶活性对氮添加响应的研究,分析土壤酶活性对氮添加的响应特点,土壤酶化学计量比以及土壤酶活性与土壤环境因子的关系。结果表明:与对照相比,氮添加在N3水平显著增加β-1,4葡萄糖苷酶(βG)、β-D-纤维二糖水解酶(CBH)和β-1,4木糖苷酶(βX)酶活性(P<0.05),N1和N3水平显著增加碱性磷酸酶(AKP)活性(P<0.05),N3水平显著降低多酚氧化酶(PPO)活性(P<0.05),氮添加对亮氨酸氨基肽酶(LAP)活性影响不显著,N3水平下显著增加N-乙酰-β-D氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性(P<0.05)。相关分析表明,8种土壤酶活性均与土壤有机碳(SOC、NAG除外)和总磷(TP)显著相关,与土壤总氮(TN)不相关。研究区土壤酶活性C∶N∶P化学计量比为1∶1∶1.2,与全球生态系统的土壤酶活性C∶N∶P的比值1∶1∶1相偏离,表明该研究区土壤微生物生长受磷素限制。冗余分析(RDA)进一步揭示出土壤有机碳和土壤全磷含量是影响土壤酶活性的主要因子。

新疆67种荒漠植物叶碳氮磷计量特征及其与气候的关系

荒漠生态系统具有独特的耐旱植物种类和植物化学计量特征.本研究通过系统采集全疆63个荒漠地点的67种植物,探索荒漠植物叶碳、氮、磷(C、N、P)的计量特征及其与气候因子的关系.结果表明:荒漠植物叶C、N和P的平均含量分别为394、18.4和1.14 mg·g-1,C∶N、C∶P和N∶P平均值分别为28、419和18.灌木的N含量高于乔木和草本,灌木P含量比草本(乔木)低(高);C3植物叶的C、N、C∶P、N∶P高于C4植物.随年均降水量增加,叶C有先降低后升高的趋势,叶N、P先升高、后降低,叶C∶N、C∶P与叶N、P变化趋势相反,N∶P变化不显著;随年均温升高,叶C先降低后升高,叶N、P降低,C∶N变化不显著,C∶P、N∶P升高.年均降水量对叶片化学计量特征的影响大于年均温度和植物类型.本研究结果将有助于预测全球气候变化背景下的C、N、P元素循环规律的变化,并为干旱区生物地球化学建模提供参考和基础数据.

天山高寒草原植物叶片氮磷化学计量特征对氮沉降的响应

人类活动和气候变化导致的大气氮沉降急剧升高,将会影响高寒草原植物养分循环。为了研究氮沉降对高寒草原植物养分含量及生态化学计量学特征的影响。依托2009年在新疆天山巴音布鲁克高寒草原设置的长期氮沉降研究平台,于2017年7月和10月采集溚草(Koeleria cristata)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)和天山赖草(Leymus tianschanicus) 3种植物的成熟叶和老叶,分析3种植物叶片N、P元素生态化学计量对不同施氮水平的响应规律。结果表明:①3种植物养分浓度及其化学计量比在成熟叶和老叶之间存在较大差异,成熟叶和老叶的N、P含量分别为12. 78 mg·g^(-1)、0. 88 mg·g^(-1)和6. 88 mg·g^(-1)、0. 46 mg·g^(-1)。3种植物成熟叶和老叶的N元素含量均为:二裂委陵菜>天山赖草>溚草,P元素含量同N元素含量趋势一致;②氮添加增加了成熟叶和老叶N浓度,分别达12%和48%;成熟叶与老叶P浓度对氮添加的响应规律不一致,成熟叶P浓度对氮添加的响应与物种有关,而老叶P浓度呈一致的下降趋势;氮添加对成熟叶和老叶N∶P的比值影响亦不同,其中相对于成熟叶,老叶的N∶P呈显著增加趋势。③植物叶片的N元素、P元素和N∶P比三者之间的相关分析表明:N元素和N∶P之间呈显著正相关关系(P <0. 05),在生长旺盛期和枯黄期,溚草和天山赖草的N与P元素之间没有发现显著相关性(P>0. 05),而二裂委陵菜呈现一定的差异性,在生长旺盛期二裂委陵菜叶片N与P元素呈显著的正相关、枯黄期呈显著的负相关(P <0. 05)。表明长期氮的添加显著影响了3种植物叶片的养分含量和生态化学计量,不同物种间存在一定差异,未来氮沉降升高将会影响天山山地草原的植物养分循环。

高寒草地土壤掩埋对凋落物分解速率的影响大于氮素富集

由于高寒草地退化、鼠害严重、大风频繁等原因,凋落物被频繁掩埋在土壤中。但凋落物的位置变化和氮富集对高寒草原凋落物分解速率和养分动态影响的认识尚不清楚。为了研究凋落物位置变化(地表、掩埋10 cm和悬空60 cm)和氮富集对高寒草原优势植物凋落物分解的影响,本研究依托2009年在新疆天山巴音布鲁克高寒草原设置的长期模拟氮沉降研究平台,以对照和氮富集处理样方的优势植物羊茅(Festuca ovina)和赖草(Leymus tianschanicus)凋落物为试验材料,测定分解过程中凋落物质量损失和碳氮磷含量的变化特征。研究结果表明,掩埋凋落物分解速率显著快于地表凋落物,悬空处理凋落物分解速率慢于地表凋落物。氮富集显著影响凋落物质量,进而影响凋落物分解。而凋落物质量残留在对照与氮富集土壤掩埋之间无显著差异。这些结果表明,氮富集通过凋落物质量而不是通过土壤环境因素,影响短期凋落物分解。不同处理的所有试验凋落物均有碳和磷的释放现象。对照处理的凋落物,凋落物氮以累积为主,而氮富集处理的凋落物,凋落物氮以释放为主。这表明凋落物分解可能受到氮元素限制,氮富集改变了凋落物分解调控的氮循环过程。本研究提供了直接证据,掩埋处理的凋落物有更快的质量损失和碳元素释放,土壤掩埋是旱地凋落物分解速率比模型预测的快的一个候选解释。