为明确砂田表层土壤养分对连作的响应规律,深入揭示砂田性能逐年退化机理,文章基于国内外已发表的16篇相关文献的586组有效数据,借助Meta-analysis方法进行整合定量研究,定量分析覆砂1-3年农田与其他连作年限砂田(4-6年、7-9年、10-12年、13-15年、16-20年)在表层土壤水分状况(SWC)、养分特性(有机质SOM、全氮TN、全磷TP、全钾TK、碱解氮AN、速效磷AP、速效钾AK、全盐TSS)和酸碱环境(pH)方面的差异效应,系统阐释砂田表层土壤养分特性逐年变异的发生路径及驱动因素,进而综合评估其肥力水平.结果表明:伴随种植年限的增加,砂田表层土壤水分储量和养分强度整体呈现下降态势(P＜0.05),4-20 年的土壤 SWC、SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK 含量分别较 1-3 年减少 39.06％、14.21％、14.96％、10.06％、8.20％、15.87％、37.01％、18.60％(P＜0.05).表层土壤 SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK 主要于 10-12 年开始大幅流失(P＜0.05),而4-6年土壤SOM、TP、TK、AK含量的相对变化则不显著(P＞0.05).砂田在耕作12年内具有显著压盐效果,12年以后的表层土壤TSS含量则开始呈现逐年增加的发展趋向(P＜0.05),其土壤pH整体增加1.29％(P＜0.05).连作年限是砂田表层土壤TN、TP和AK变异的关键因子;SWC则为土壤SOM、AP和TSS演化的主导要素.总体而言,砂田在连作10年左右即可出现明显的养分亏缺状态.因此,亟需提出科学合理的农田管理措施,以有效提升退化砂田的土壤肥力水平.

在掌握典型荒漠植物油蒿化学计量学特征沿随降水量变化的响应特征,并从叶片间的养分协调分配的角度阐明油蒿维持生产力的生物学机制,为气候变化背景下荒漠植被的演变预测提供依据.通过野外降水控制实验的方法,设置 6 个降水量梯度(减雨 70%、减雨 50%、减雨 30%、自然降水、增雨 30%和增雨 50%),分别测定不同降水量下油蒿群落生产力及叶片、土壤的化学计量参数.结果表明:1)降水量增加的情况下,油蒿群落土壤TP含量由于淋溶作用而显著降低;降水量减少情况下,油蒿林地土壤SOC、TN、TP含量并未改变.油蒿叶片的SOC、TN含量在降水增加时无显著变化、降水减少时含量增加,降水过多或过少都会降低叶片TP含量.2)不同成熟度的叶片养分元素含量对降水变化具有差异响应.成熟叶片养分含量容易受到环境的影响,幼叶养分元素含量较为稳定,在降水减少的情况下,油蒿优先将C、P分配给了幼叶,选择牺牲成熟叶以维持幼叶的生长.3)油蒿的生产力随降水量的增加而升高,油蒿ANPP在增雨 30%处理组达到最大值,但在增雨 50%时ANPP降低,这与过量的降水引发土壤养分流失有关.ANPP与幼叶TP含量相关性极显著,与成熟叶各元素含量相关性均不显著,由此可以推测,在降水变化的情境下,油蒿存在养分内在生物学调节机制以实现植株最优生产效率.

森林类型和林龄是影响土壤酶活性的重要生物因子,但人工林和天然次生林两种森林恢复模式对土壤酶活性随林龄的变化规律及其影响机制还不明确.本研究以亚热带杉木人工林和天然次生林(5、8、21、27和40年生)为对象,探究与土壤碳、氮和磷循环相关的4种土壤酶[纤维素水解酶(CBH)、β-葡萄糖苷酶(βG)、酸性磷酸酶(AP)和乙酰氨基-葡萄糖苷酶(NAG)]活性对林龄的响应特征.结果表明:土壤酶活性在不同林型中呈现不同的变化趋势.杉木人工林土壤AP、βG和CBH活性显著高于天然次生林,而土壤NAG活性无显著差异.对于杉木人工林,随着林龄的增加,土壤AP活性呈降低趋势,5年生林分AP活性显著高于其他林龄阶段62.3％以上;土壤NAG和CBH活性呈先降低后增加趋势,土壤βG活性呈波动变化.对于天然次生林,随着林龄的增加,土壤NAG活性呈波动变化,8年生和27年生林分显著高于其他林龄阶段14.9％以上;土壤βG和CBH活性呈先增加后降低趋势,而土壤AP活性无显著差异.逐步回归分析表明,影响杉木人工林和天然次生林土壤酶活性的最优模型中,土壤预测因子解释了其变异的34％以上.综上,杉木人工林随着林龄的增加其土壤肥力有退化的风险,天然次生林则更有利于维持森林生态系统土壤肥力.

生物土壤结皮在黄土高原的水土保持、养分补给等方面发挥着重要生态功能.固氮微生物是固氮过程的关键功能群,影响着土壤氮素平衡,然而黄土高原水蚀风蚀交错区严重的水土流失导致土壤养分大量损失,尤其是氮素.该区域生物结皮广泛发育,它们在干旱半干旱区土壤氮素积累过程中起着重要作用.但是该区域生物结皮不同发育阶段中的固氮潜力、固氮微生物群落多样性及其关键环境控制因子尚不清楚.以黄土高原水蚀风蚀交错区为研究区,三种生物结皮类型和裸地对照为研究对象,采用Illumina HiSeq平台对nifH基因扩增产物进行生物信息学分析,揭示了固氮潜力及微生物群落多样性的分布规律.结果表明,生物结皮演替显著影响固氮酶活性、nifH基因丰度和固氮微生物α-多样性,各值均在苔藓结皮最高,显著高于其它演替阶段,且生物结皮层高于结皮下层土壤.在固氮微生物群落组成上,裸地以变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目为主;而在藻结皮、地衣结皮和藓结皮阶段,均表现为蓝藻门的念珠藻目占绝对优势,是固氮微生物的关键类群,其中Trichormus、念珠藻属是优势固氮物种;与藻结皮、地衣结皮相比,藓结皮中念珠藻目的相对丰度显著降低,而变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目的丰度明显上升.除此之外,蓝杆藻属、鱼腥藻属、斯克尔曼氏菌属、瘤胃梭菌属在藻结皮、地衣结皮、藓结皮也占明显优势.念珠藻目以及Trichormus的丰度与固氮酶活性、nifH基因丰度呈显著正相关关系,而与红螺菌目、酸硫杆菌目、梭菌目、根瘤菌目呈显著负相关;Trichormus相关的物种在黄土高原生物结皮氮输入过程中可能发挥着关键作用.生物结皮演替通过改变土壤pH值、有机质、全氮、含水量等理化特征而影响了微生境,通过环境筛选和物种重排作用对固氮微生物群落进行综合调控,其中pH与土壤全氮(TN)发挥着关键作用.

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素.为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征.结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程.(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显.(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6％-46.2％,TN在7.0％-48.5％之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5％-57.0％之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5％以上.研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据.

坡耕地是一个区域最易发生水土流失的土地利用类型,其严重的水土流失、面源污染和耕层退化现象直接威胁着坡耕地持续利用以及当地粮食安全、生态安全;耕层土壤质量对自然因素和人为耕作活动的影响较为敏感.以南方3个地点紫色土坡耕地耕层土壤质量为研究对象,从土壤属性角度,对比分析了重庆合川、江西兴国、云南楚雄不同耕层垂直深度土壤养分特征、土壤物理性质、土壤水库特征、耕作性能差异性及其形成原因.结果表明:(1)坡耕地耕层土壤有机质表现为云南楚雄(28.80g/kg)＞江西兴国(9.03 g/kg)＞重庆合川(8.80 g/kg);除全钾含量外,土壤全量养分和速效养分的含量表现为云南楚雄＞江西兴国＞重庆合川;坡耕地耕层速效养分垂直分布变化规律基本一致,主要表现为土壤速效养分主要在0-20 cm土层富集,而20-40 cm和40-60 cm土层无显著差异.(2)不同地点紫色土坡耕地耕层土壤物理性质差异明显,以重庆合川坡耕地土壤物理质量最差,表现为土壤砂粒含量＞60％、土壤容重最大(1.43 g/cm3)、土壤总孔隙度(45.97％)和毛管孔隙度(34.36％)最小;从坡耕地耕层土壤物理性质垂直变化特征看,耕作层(0-20 cm)优于心土层(20-40 cm)和底土层(40-60 cm).(3)紫色土坡耕地耕层土壤初始入渗率以江西兴国坡耕地耕层最大(0.32 mm/min),而以重庆合川坡耕地耕层最小(0.19 mm/min):土壤稳定入渗率和平均入渗率均表现为云南楚雄＞重庆合川＞江西兴国;坡耕地耕层土壤最大有效库容以云南楚雄最好(873.311∥hm2),说明云南楚雄紫色土坡耕地耕层土壤具有较好的抵御季节性干旱能力;不同地点坡耕地耕层土壤总库容、死库容、兴利库容、滞洪库容、最大有效库容在垂直方向变化表现为耕作层(0-20 cm)大于心土层(20-40 cm)和底土层(40-60 cm).(4)不同地点紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度和贯入阻力均呈现出相同变化规律,土壤抗剪强度表现为重庆合川(15.39 kg/cm2)＞云南楚雄(14.74 kg/cm2)＞江西兴国(10.66 kg/cm2),而土壤贯入阻力值为重庆合川(424.83 kPa)＞云南楚雄(252.50 kPa)＞江西兴国(188.87 kPa),这种土壤力学性能的变化说明重庆合川紫色土坡耕地耕层土壤具有较好抵抗剪切破坏的能力和较大耕作阻力.上述研究结果可为不同地点紫色土坡耕地耕层土壤质量诊断、坡耕地合理耕层评价提供理论依据和数据支持.

草地承包制度实施后,青藏高原地区出现了单户与联户两种草地管理方式.本研究以西藏那曲县为研究区域,对两种管理方式的土壤养分及其空间分布进行了对比研究.结果表明:联户土壤有机碳、全氮和全磷含量分别为84.31、6.87和0.59 g·kg-1,均显著高于单户(73.57、6.07和0.54 g·kg-1);垂直空间上,除单户0～15 cm土层土壤全磷的变异系数与15～30 cm土层无显著差异外,单户与联户15～30 cm土层土壤pH、有机碳和全氮的变异系数均显著大于0～15 cm土层;水平空间上,单户土壤有机碳和全氮变异系数分别为25.7％和23.5％,显著大于联户的19.3％和18.6％.与联户相比,单户土壤养分水平空间上的不均匀分布更容易造成土壤养分流失.

砒砂岩区是黄土高原区水土流失最为严重的地区之一.砒砂岩区沙棘人工林有良好的水土保持功能,沙棘林下草本植物是该人工林生物多样性的重要组成部分.目的是探明砒砂岩区人工沙棘林下草本物种多样性与环境的关系,依据生境条件的差异,沙棘林被划分为7个类型.野外调查记录了各类型所处的地形条件,采用样方法调查了每个样地草本的生物多样性,并取土样测定其养分和水分状况.采用Patrick指数、Pielou指数、Shannon指数、Simpson指数对砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本植物进行了物种多样性分析,并通过CCA、PCCA方法研究了物种分布与环境的关系.结果表明:(1)砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本层优势种不同,阴坡混交林物种数最多为23种,阳坡混交林Pielou指数最高为0.89,阴坡纯林和混交林Shannon指数均为最高,Simpson指数没有明显差异.(2)影响砒砂岩区人工沙棘林下草本物种的分布的环境因子顺序为地形因子＞土壤因子＞灌木层因子,其中坡向、坡度、土壤含水量、土层厚度、郁闭度、混交结构所占解释量较大.本研究可为当地沙棘人工林生物多样性保护和植被建设提供基础数据.

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NO3--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.

数十年来,黄土高原的生态恢复取得了显著的效益,不仅遏制了当地的土壤流失,改善了土壤质量,同时也减少了向黄河的输沙量.但是,区域森林物种和群落演替还远未得到充分发展.子午岭林区及其高度发达的森林群落,作为先进的生态区,可以将实践经验和知识借鉴到中国黄土高原的其他地区,有助于确定最有效的人工林树种,以便今后更好地进行生态恢复.为了系统地了解典型的当地树种对土壤性质的潜在影响,本研究以黄土高原子午岭天然次生林区生长状况较好的人工林(刺槐、油松和侧柏)为研究对象,并以子午岭林区顶极群落辽东栎天然林为对照,这4种林型具有较一致的树龄(25年)、立地条件等.采用传统方法测定4种乔木林0～ 20 cm土壤理化性质、土壤酶活性(蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶)和土壤微生物生物量碳、氮.结果表明:1)土壤蔗糖酶活性为16.94～64.49 mg·g-1· 24 h-1,脲酶活性为0.15～0.26 mg·g-1·24 h-1,碱性磷酸酶为0.65～1.23 mg·g-1·24 h-1,且侧柏土壤的3种酶活性均显著高于刺槐和油松土壤.从3种酶活性几何平均值来看,侧柏土壤酶活性甚至高于辽东栎;2)土壤微生物生物量碳、氮变化范围分别为247.37 ～ 529.84 mg·kg-1、41.48 ～ 77.91mg·kg-1,均为侧柏＞油松＞刺槐,且侧柏显著高于油松和刺槐.辽东栎土壤微生物生物量碳高于侧柏,而微生物生物量氮低于侧柏,但差异均不显著;3)油松土壤溶解性碳、氮含量较高,甚至高于土壤微生物生物量碳、氮,说明油松土壤中溶解性有机物是较微生物生物量更主要的活性养分;4)土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳和全氮含量呈显著正相关性,刺槐和油松土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性分别与土壤有机碳、全氮和全磷含量呈显著正相关;5)主成分分析结果表明,植被类型对土壤微生物生物量碳和氮、有机碳、全氮、碳磷比、氮磷比、脲酶影响较大,土壤微生物生物量碳、氮、碳磷比、氮磷比和氮与磷呈负相关,土壤溶解性碳、氮与碳氮比呈负相关.表明侧柏是较油松和刺槐更适用于南部森林带的造林树种.