短期OTC增温对晋北农牧交错带温性草地土壤微生物的影响

土壤微生物作为参与生物地球化学循环的重要生物类群,对陆地生态系统至关重要,但温度升高如何影响农牧交错带温性草地土壤微生物群落的丰度仍不清楚。本研究依托山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站2017年建立的开顶式同化箱(Open-Top chamber,OTC)增温实验平台,处理5年后进行土壤样品的采集,测定土壤真菌和细菌的丰度以及土壤微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)和氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)含量等指标,探讨农牧交错带温性草地土壤微生物对不同增温处理的响应。结果表明:增温显著降低土壤真菌丰度,对土壤微生物生物量碳、氮含量没有产生显著影响,细菌丰度随着增温处理的温度上升呈现先上升再下降的趋势;增温处理下,微生物生物量与土壤全磷、硝态氮和可溶性有机氮含量呈正相关关系。未来需要加强针对气候变化对该类脆弱生态系统影响的监测,为农牧交错带温性草地管理提供预警及科学依据。

不同刈割强度对晋北赖草草地生态系统CO_(2)交换的影响

刈割是草地的主要利用方式,合理的刈割强度对维持草地生态系统碳平衡具有重要意义。本研究以山西省右玉县赖草(Leymus secalinus)草地生态系统为研究对象,动态监测2021年生长季不刈割、轻度刈割、中度刈割和重度刈割对草地生态系统净碳交换(Net ecosystem carbon exchange,NEE)、生态系统呼吸(Ecosystem respiration,ER)和生态系统总初级生产力(Gross ecosystem productivity,GEP)的影响,探究草地生态系统CO_(2)交换对不同刈割强度的响应。实验结果显示,刈割显著影响GEP,主要是由于GEP在中度刈割处理下较不刈割和重度刈割分别提高了21.4%和21.5%,NEE在中度刈割处理下较轻度刈割和重度刈割分别显著降低了54.4%和53.6%,但刈割对ER影响不显著。在不同刈割强度下,土壤温度和土壤无机氮含量是影响生态系统CO_(2)交换的重要因子。本研究结果表明中度刈割可以促进碳吸收而重度刈割会导致生态系统由碳汇转变为碳源,因此中度刈割为晋北赖草草地最适刈割强度。

赖草草地叶片养分、碳组分和防御性化合物对氮添加的响应

本研究依托山西右玉黄土高原赖草(Leymus secalinus)草地2017年建立的氮(Nitrogen, N)添加梯度试验平台(0~32 g·m^(-2)·a^(-1)),探究N添加对优势植物赖草叶片养分[N、磷(Phosphorus, P)、钾(Potassium, K)]、非结构性碳水化合物、结构性碳水化合物和防御性化合物含量的影响。结果表明:N素输入显著提高叶片N,K含量和N∶K和N∶P比值,降低叶片P含量和P∶K比值;N素输入显著降低叶片非结构性碳水化合物和结构性碳水化合物含量;N素输入显著增加叶片总酚、单宁和黄酮类化合物含量;PCA分析表明低N(≤8 g·m^(-2)·a^(-1))和高N(>8 g·m^(-2)·a^(-1))输入下赖草叶片性状存在显著差异,土壤无机N含量、土壤有效N∶P和N∶K是其主要影响因子。以上结果表明N素输入改变了盐渍化草地赖草叶片养分-碳组分-防御性化合物的分配策略。

晋北农牧交错带草地土壤总硝化速率对放牧强度的响应

为探究不同放牧强度对北方农牧交错带草地功能微生物参与的硝化过程影响机理。本研究以设置不放牧(0羊单位·hm^(-2)·生长季^(-1))、轻度(2.35羊单位·hm^(-2)·生长季^(-1))、中度(4.80羊单位·hm^(-2)·生长季^(-1))和重度(7.85羊单位·hm^(-2)·生长季^(-1))4个放牧强度的放牧实验平台为研究对象,通过同位素^(15)N库稀释法,测定土壤总硝化速率。结果表明:相比于对照,土壤总硝化速率在轻度、中度和重度放牧处理下分别提高了18.1%,6.2%,22.1%;氨氧化细菌基因AOB amoA丰度分别提高了10.72%,8.92%,42.01%,但在不同放牧强度之间无显著差异。土壤总硝化速率(6.72 mg·kg^(-1)·d^(-1))及AOB amoA拷贝数(1.12×10^(7)copies·g^(-1))最高值均出现在9月份,且整体高于其他月份。本研究表明,氨氧化细菌是参与晋北农牧交错带放牧草地土壤总硝化速率的主要微生物。此外,土壤含水量、铵态氮含量及土壤微生物生物量氮是影响土壤总硝化速率的关键因子。

增温强度对晋北赖草草地CH_(4)通量的影响

温度变化通过影响土壤甲烷代谢微生物及相关酶的活性进而影响草地生态系统CH_(4)通量。为明确晋北赖草(Leymus secalinus)草地生态系统CH_(4)通量随气温升高的变化趋势及机理,采用开顶箱法(Open top chambers, OTCs)设置5个梯度的增温处理,对增温第4年各处理生长季CH4通量及其影响因素进行测定。结果表明:增温显著提高了空气温度,但随着空气温度的增加,土壤温度和土壤体积含水量无显著变化;生长季晋北赖草草地生态系统是弱的大气CH_(4)汇,其CH_(4)平均吸收速率为(6.42±5.63)μg·m^(-2)·h^(-1);增温显著影响CH_(4)通量和pmoA功能基因丰度,与对照相比,只有W1处理促进CH4吸收通量;冗余分析表明土壤体积含水量是同时影响pmoA基因丰度和CH_(4)吸收速率的关键因子。本研究可为预测未来气候变暖情境下草地生态系统CH4通量变化提供理论依据。

不同氮化合物添加对农牧交错带草地土壤净氮矿化速率的影响

为研究不同氮化合物在土壤中对氮转化过程的影响是否存在差异,本研究依托山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站2017年建立的不同形态氮化合物添加试验平台,通过顶盖埋管法监测5种不同氮化合物(硝酸铵(NH_(4)NO_(3),AN)、硫酸铵((NH_(4))_(2)SO_(4),AS)、碳酸氢铵(NH_(4)HCO_(3),AC)、尿素(CO(NH_(2))_(2),UN)、缓释尿素(RUN))添加对农牧交错带草地土壤净氮矿化速率的影响。结果发现:添加硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、尿素与缓释尿素对硝化细菌的基因丰度均有不同程度提升;添加硝酸铵及缓释尿素会更有效地提高净氮矿化速率,不同氮化合物均是通过直接或间接影响土壤微生物实现对净氮矿化速率的调控。

晋北农牧交错带草地生物量对短期放牧强度的响应

放牧是草地的主要利用方式之一,适度放牧可维持草地的生产和生态功能。为探究不同放牧强度如何影响北方农牧交错带草地生物量,本研究依托2016年在山西典型农牧交错带建立的草地放牧试验平台,采用收获法监测了不同放牧强度干扰下植物群落优势种赖草生物量(Leymus secalinus Tzvel.biomass,L.s.B)、地上生物量(Aboveground biomass,AGB)和地下生物量(Belowground biomass,BGB)指标。结果表明:放牧降低了该地区群落地上现存生物量和地下生物量(P<0.01),提高了群落的根冠比(P<0.05);放牧影响优势种赖草生物量在群落地上生物量中的占比,与不放牧相比,轻度放牧和重度放牧对赖草生物量的影响大,而中度放牧的影响小。因此,放牧降低了群落的地上、地下生物量,但中度放牧对优势种赖草生物量的影响小,符合中度干扰假说,为农牧交错带草地科学管理和可持续利用提供理论依据。

不同氮化合物添加对晋北赖草草地CH_(4)通量的影响

土壤中氮的存在形式是影响CH_(4)通量的因子之一。为阐明不同氮化合物输入对草地生态系统CH_(4)通量的影响及其机制,本研究以晋北赖草草地为研究对象,设置对照、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、尿素和缓释尿素添加6个处理,采用静态箱-气相色谱法对2021年生长季草地CH_(4)通量及其潜在影响因子进行测定,结果表明:晋北赖草草地在生长季是大气CH_(4)的弱汇,生长季对照处理平均CH_(4)吸收速率为5.35μg·m^(-2)·h^(-1);不同氮化合物添加对CH_(4)吸收速率无显著影响且并未改变CH_(4)通量的季节波动趋势;无机态与有机态氮添加处理间CH_(4)吸收速率无显著差异;土壤硝态氮含量和微生物生物量碳氮比是CH_(4)吸收的主要影响因子;路径分析发现硝态氮含量增加抑制CH_(4)吸收,表明调控晋北赖草草地CH_(4)吸收的是土壤氮的有效性而非氮源的化学组成。

晋北赖草草地生态系统碳通量对不同放牧强度的响应

草地生态系统是最主要的陆地生态系统之一,其碳循环过程在全球碳平衡中具有重要作用。为探讨草地生态系统碳通量对不同放牧强度的响应,本研究以晋北赖草草地为研究对象,动态监测不放牧、轻度放牧、中度放牧和重度放牧下生态系统净碳交换、生态系统呼吸和生态系统总初级生产力。结果显示,2017年不同放牧强度对生态系统碳通量影响不显著;2018年中度和重度放牧通过改变土壤温度和净初级生产力,一定程度上提高生态系统呼吸和生态系统总初级生产力,但对生态系统净碳交换影响不显著。因此,晋北赖草草地生态系统碳通量对不同放牧强度的响应与放牧年限相关。

养分添加和浅耕翻对晋北赖草草地土壤呼吸的影响

为了探究外源养分输入和人为干扰及其交互作用对农牧交错带草地土壤呼吸的影响,本研究以晋北农牧交错带草地为研究对象,设置对照、养分添加(氮磷钾NPK)、浅耕翻(15 cm)和养分添加+浅耕翻4个处理进行探究。结果表明:养分添加使土壤呼吸提高了39.0%,而浅耕翻对其无显著影响;浅耕翻和养分添加的交互作用对土壤呼吸的影响与年际降水有关,在湿润年份(2020),浅耕翻增强了养分添加对土壤呼吸的正效应,干旱年份(2021)削弱;结构方程模型的结果表明,土壤呼吸的变化与地下生物量有关;浅耕翻和养分添加处理对土壤呼吸温度敏感性无显著影响,养分添加+浅耕翻处理对土壤呼吸的温度敏感性无显著影响但存在明显的年际差异。综上所述,探究农牧交错带草地养分管理及人为干扰对土壤碳通量的影响应考虑年际降水的变化。

氮添加降低盐渍化草地赖草非结构性碳水化合物含量

氮沉降全球化对草本植物不同器官非结构性碳水化合物(Non-structural carbohydrates,NSCs)的影响尚不清楚。本研究依托山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站2017年建立的不同水平氮添加试验平台,探究氮添加对赖草(Leymus secalinus)叶片和茎秆中的NSCs(可溶性糖、淀粉)含量及其比例的影响。结果表明:茎秆中可溶性糖、淀粉和NSCs含量显著高于叶片;氮添加降低了叶片和茎秆可溶性糖、淀粉、NSCs含量和可溶性糖∶淀粉比值,茎秆可溶性糖、淀粉和NSCs含量对氮素添加的响应更敏感;土壤无机氮含量、土壤pH值和土壤速效N∶P比值与叶片和茎秆中的可溶性糖、淀粉、NSCs含量和可溶性糖∶淀粉比值显著相关,而土壤有效P含量与这些指标无显著相关性。本研究结果表明植物不同器官NSCs含量和计量格局对氮添加呈现非线性饱和响应,但响应大小在植物器官间存在较大差异。

不同降水年型下饲用燕麦产量对降水变化的响应研究

[目的]探究不同年型下饲用燕麦产量对各生育期降水变化的响应,为饲用燕麦抗旱与高效生产提供参考。[方法]利用作物生长机理模型APSIM(agricultural production systems simulator),以山西省朔州市右玉县1980—2009年的历史气候气象数据作为原始情景,将饲用燕麦生育期划分为4个阶段[阶段1(播种—拔节)、阶段2(拔节—抽穗)、阶段3(抽穗—灌浆)、阶段4(灌浆—收获)],并提取典型气候条件(干旱、平水、丰水)建立12个新的气候情景并进行模拟,分析饲用燕麦产量受降水变化的影响。[结果]在干旱情景(DS)中,产量与水分利用效率(water use efficiency,WUE)较原始情景分别下降了38.0%~60.9%与31.8%~16.9%(P<0.01),其中,抽穗—灌浆期采用历史数据时,指标的下降幅度最小。对于平水情景(NS)来说,产量相对原始情景的变化为-3.4%~20.0%,WUE为0~10.0%,拔节—抽穗期及灌浆—收获期采用历史数据时指标的变化显著(P<0.05)。丰水情景(WS)中,饲用燕麦产量与WUE相对原始情景均显著提升(P<0.01),幅度分别达到33.3%~60.5%与6.8%~14.8%,且播种—拔节期的降水变化对指标有相对明显的影响(R^(2)=0.3777,P<0.01)。[结论]饲用燕麦产草量和水分利用效率WUE在干旱、平水、丰水年型中都对灌浆—收获期的降水变化没有明显的敏感性;在干旱和平水年型下,饲草产量对抽穗—灌浆期的干旱更为敏感,WUE则对拔节—抽穗期及抽穗—灌浆期的干旱更为敏感;在丰水年型下,燕麦饲草产量对干旱最敏感的时期是播种—拔节期。有限的灌溉条件下,可将灌溉集中于WUE对降水变化最为敏感的阶段3(抽穗—灌浆)。

短期不同水平氮添加对华北盐渍化草地土壤磷组分的影响

为了解氮添加对盐渍化草地土壤磷组分的影响,本研究以山西省右玉县盐渍化草地为研究对象,2017年开始添加不同水平氮素(0,1,2,4,8,16,24和32 g N·m^(-2)·a^(-1))后于2018-2020年每年8月份测定土壤全磷(Total phosphorus,TP)、有效磷(Available phosphorus,AP)以及微生物生物量磷(Microbial biomass phosphorus,MBP)含量,同时分析土壤磷组分与磷活化系数(Phosphorus activation coefficient,PAC)、pH值、微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)含量、土壤含水量(Soil moisture content,SM)、土壤温度(Soil temperature,ST)以及CO_(3)^(2-),HCO_(3)^(-)和Cl^(-)含量之间的关系。结果表明:3年短期不同水平氮添加对土壤磷组分含量无显著影响;高氮添加(>16 g N·m^(-2)·a^(-1))显著降低土壤pH值,但对土壤微生物生物量碳及土壤阴离子含量无显著影响;土壤磷转化主要受土壤微生物生物量碳含量及土壤中阴离子含量的调控。综上,盐渍化草地土壤微生物较高的稳定性导致磷组分在氮添加处理下未发生显著改变。

农牧交错带草地生态系统N_(2)O通量对短期氮、磷添加的响应

氮(N)、磷(P)是维持陆地生态系统生产力的重要营养元素,为探求磷添加和氮、磷的交互作用如何影响农牧交错带草地生态系统N_(2)O通量及调控机制,本研究设置对照(CK)、氮添加(N:缓释尿素10 g·m^(-2)·a^(-1))、磷添加(P:磷酸二氢钙10 g·m^(-2)·a^(-1))以及氮、磷同时添加(NP)4个处理,通过静态暗箱-气相色谱法测定2018和2019年生长季N_(2)O通量,通过结构方程模型等寻求氮、磷及其互作效应对N_(2)O通量的影响。结果表明:氮添加显著降低了2018年生长季N_(2)O排放,而磷添加显著降低了两年生长季N_(2)O排放;氮、磷同时添加削弱了单独氮或磷添加对N_(2)O排放的抑制作用;硝态氮、铵态氮和土壤含水量是N_(2)O通量的主要影响因素。因此,氮、磷添加对农牧交错带草地N_(2)O通量的影响存在显著的交互作用,并且受年际间温度和降水的调控,农牧交错带草地养分管理对N_(2)O通量的影响应考虑降水格局的变化。

放牧强度对半干旱草地优势植物赖草功能性状的影响

放牧是草原生态系统中草地利用的主要方式,研究草地植物功能性状对长期放牧干扰的响应策略具有重要意义。本文以晋北农牧交错带半干旱草地为例,研究优势植物赖草(Leymus secalinus)功能性状在不同放牧强度下的变化,结果表明:放牧显著降低了赖草株高等形态结构性状以及茎叶比等生产力性状(P<0.05),中度放牧与不放牧的差异最小;整株干重(地上部分)的变异系数(52.92%)和可塑性指数(93.17%)最大;生产力性状、光合生理性状和化学计量3类性状内部指标之间的相关性均为极显著正相关(P<0.01);茎氮磷比等性状是赖草响应放牧干扰的主要功能性状。本研究表明,中度放牧下,赖草具有补偿性生长的能力,矮化型变特征和非对称性响应机制是赖草在放牧干扰下的主要适应方式。

土壤有效养分和微生物特征对短期不同放牧强度的响应

为了探究放牧持续时间和强度对草地的可利用养分和微生物特征的影响。本研究于2016年8月在山西省右玉县境内的农牧交错带草地设置了不放牧(0羊单位·hm^(-2)·生长季^(-1))、轻度(2.35羊单位·hm^(^(-2))·生长季^(-1))、中度(4.80羊单位·hm^(-2)·生长季^(-1))和重度(7.85羊单位·hm^(-2)·生长季^(-1))4个放牧强度的试验。在连续4个生长季放牧处理后,于2020年的5—9月测定表层0~10 cm的土壤可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)、可溶性氮(Dissolved nitrogen,DN)、微生物生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)、微生物生物量氮(Microbial biomass nitrogen,MBN)及细菌和真菌的丰度。结果表明:4年不同强度的放牧处理对土壤可利用养分和微生物特征都没有产生显著影响,但是土壤有效养分与土壤微生物特征受生长季降水和温度的影响显著(P<0.05),具有明显的季节动态,说明短期不同的放牧强度尚未对农牧交错带天然草地养分循环产生显著影响,需要继续进行长期试验监测来观察放牧对草地生态系统结构与功能的影响。

盐渍化草地根际土壤理化性质对降水改变和氮添加的响应

为揭示盐渍化草地根际效应及其对降水改变和氮添加的响应,对增水、减水和氮添加及其交互处理下晋北盐渍化草地根际和非根际土壤理化性质进行分析。研究发现:与对照相比,减水及减水+氮添加显著提高了土壤交换性Na^(+)含量,氮添加提高了非根际土壤208.1%的硝态氮和105.3%的无机氮含量(P<0.05);增减降水与氮添加交互对根际和非根际土壤理化性质均无显著影响;根际土壤pH值比非根际低0.25个单位,铵态氮、硝态氮、有机酸、氨基酸、全碳和全氮含量分别比非根际高412.0%,81.4%,37.5%,22.4%,37.3%和43.6%(P<0.05);主成分分析发现根际和非根际土壤理化性质对水、氮交互处理的响应具有明显差异。表明盐渍化草地植物具有较强的根际效应,但其对增加降水及水、氮交互的响应不敏感,结果可为预测未来降水变化和大气氮沉降增加情境下盐渍化草地根际效应和土壤理化性质变化提供理论依据。

短期氮添加对山西右玉黄土高原盐渍化草地氨挥发的影响

氨挥发是草地生态系统土壤氮素损失的主要途径。掌握氨挥发特征及其与环境要素之间的关系,能够为盐渍化草地养分管理策略制定等提供依据。试验采用间歇密闭室抽气法,测定黄土高原盐渍化草地短期添加氮(0,1,2,4,8,16,24和32 g N·m^(-2)·a^(-1))对盐渍化草地氨挥发的影响。结果表明:草地氨挥发速率与月累积量随氮添加水平的增加而增加;随着氮添加水平的增加,氨挥发的生长季净累积量呈幂函数上升趋势,而氨挥发氮损失率呈幂函数下降趋势。氨挥发速率与土壤湿度、硝态氮含量呈负相关关系(P<0.05),与土壤温度、pH值、铵态氮含量呈正相关关系(P<0.05),与土壤K^(+),Ca^(2+),Mg^(2+),Na^(+)含量无显著相关关系。当氮添加为16 g N·m^(-2)·a^(-1)时,盐渍化草地净初级生产力最高,且氨挥发损失率较小,有利于提高盐渍化草地氮素利用效率、减少环境污染和氮肥损失。

基于APSIM模型的未来气候中燕麦产量变化及对水分胁迫的敏感性

基于田间实测数据验证了动态模型APSIM(Agricultural Production Systems Simulator)模拟土壤水分的能力,并基于全球气候模型(Global Climate Model,GCM)预测的未来情景模拟探讨了多种水分条件下饲用燕麦生产对气候变化的响应。结果表明:APSIM模型适宜模拟研究区的土壤水分;无限制灌溉处理的饲用燕麦产量于未来情景显著降低;各限制灌溉处理中,播期灌溉处理的饲用燕麦产量最高且水分胁迫指数与产量损失率最低;未来情景中饲用燕麦产量的损失对水分胁迫的敏感性较历史情景更低。研究结果强调了未来气候会导致饲用燕麦潜在产量降低,及产量对水分胁迫的敏感性降低的结果,而注重播期灌溉、更新灌溉设备与提高田间管理水平等可在一定程度缓冲水分胁迫造成的饲用燕麦减产。

养分回收加剧了氮沉降背景下盐渍化草地优势植物内在氮磷的失衡

在落叶之前,从衰老组织中重新吸收养分被认为是植物适应养分缺乏的一种策略。然而,养分重吸收如何调节植物体内氮(N)和磷(P)的平衡仍不清楚,特别是在土壤氮有效性增加的情况下。本文研究了不同速率(0、1、2、4、8、16、24和32 g N m^(-2)yr^(-1))氮添加对中国北方盐渍化草地优势植物赖草(Leymus secalinus)叶片和茎秆养分回收的影响,以及养分回收在调控植物内部氮磷平衡的作用。研究结果表明:氮添加6年后,随着施氮量的增加,绿色和衰老组织(叶和茎)的N浓度和氮磷比均呈上升趋势。随着施氮量的增加,绿色组织中P浓度降低,而衰老组织中P浓度无显著变化。N重吸收效率(NRE)、P重吸收效率(PRE)和NRE:PRE比值沿N添加梯度显著降低。此外,我们发现衰老组织(叶和茎)氮磷比比绿色组织(叶和茎)氮磷比对氮素添加的响应更敏感,植物内在氮磷失衡的加剧主要是由于不成比例的减少养分重吸收,尤其是NRE。总的来说,我们的研究表明,NRE和PRE的差异进一步加剧了植物凋落物内部氮磷的失衡。