菌根多样性和形态可塑性决定了寄主植物适应生境变化的能力.为了解针阔叶树种混交对外生菌根形态特征的影响及其潜在机制,本研究调查了山西太岳山油松和辽东栎纯林及混交林(油松与辽东栎3∶1混交、1∶1混交、1∶3混交)外生菌根形态特征,分析了环境因子对外生菌根形态变异的影响.结果表明:所有林型中油松和辽东栎外生菌根均以无外延菌丝或极少外延菌丝的密接型为主;油松在混交林中根部密接型和中程型外生菌根的根尖数量分别比纯林显著升高3％～10％和10％～16％,辽东栎在混交林中根部密接型外生菌根养分获取类型的根尖数量比纯林显著升高5％～10％;油松和辽东栎在混交林中外生菌根Simpson形态多样性指数显著高于纯林.冗余分析表明,油松中土壤氮磷比对其外生菌根形态变异的影响最大(解释率为7.5％),其次为土壤含水率(5.2％),而土壤碳含量对辽东栎外生菌根形态变异的影响最大(3.5％).油松和辽东栎在混交时均可以通过外生菌根的形态变异以适应对土壤养分的竞争和共享.

研究土壤养分生态化学计量特征有助于判断土壤质量和认识养分之间的耦合关系.在湿地系统,关于候鸟活动对湿地土壤养分及其化学计量关系的影响仍缺乏了解.本研究选择典型候鸟栖息分布区域——鄱阳湖东湖苔草洲滩,基于候鸟大集群性特征和前期调查,将候鸟集群中心区域、边缘区域和临近天然草滩作为重度、轻度和无候鸟活动(对照)区,分析不同候鸟活动强度下0～100 cm剖面土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及其化学计量比.结果表明:候鸟活动仅对0～30cm 土壤养分含量影响显著,候鸟轻度活动显著增加了 0～30cm 土层的SOC和TN,候鸟轻度和重度活动均显著增加了 0～30cm 土层的TP;无、轻度和重度候鸟活动下0～100 cm剖面土壤C/N分别为10.0、10.8和9.9,C/P分别为23.5、30.0和22.7,N/P分别为2.3、2.7和2.3,仅0～30 cm 土层的C/N、C/P和N/P在轻度候鸟活动下显著增加,而所有土层化学计量比在重度候鸟活动下均无显著变化.土壤化学计量比与土壤理化性质具有显著的相关性,SOC、TN和TP等是候鸟活动下影响鄱阳湖湿地土壤碳氮磷化学计量比的主要因子.综上,候鸟活动对鄱阳湖湿地土壤碳氮磷化学计量比的影响存在深度阈值(约30 cm),且这些影响多符合"适度干扰假说",研究结果为湿地与候鸟的保护提供了新的视角.

开展氮沉降对森林土壤-微生物-胞外酶化学计量特征影响的研究,可为理解氮沉降对森林生态系统元素循环和养分限制的影响提供理论基础.本研究以云南松林为对象,于2019年开始进行氮沉降模拟试验,设置对照(CK,0g N·m-2·a-1)、低氮(LN,10 g N·m-2·a-1)、中氮(MN,20 g N·m-2·a-1)、高氮(HN,25 gN·m-2·a-1)4个处理,于2022年9月采集土壤样品(分为0～5、5～10、10～20 cm 土层)测定土壤有机碳、全氮、全磷、微生物生物量碳氮磷(MBC、MBN、MBP)以及碳氮磷获取酶活性.结果表明:与对照相比,氮沉降显著抑制了土壤有机碳含量、C∶N和C∶P,降幅分别为6.9％～29.8％、7.6％～45.2％和6.5％～28.6％;促进了土壤全氮含量和N∶P,增幅分别为10.0％～45.0％和19.0％～46.0％;对土壤全磷含量则无显著影响;除土壤C∶N和C∶P外,土壤养分含量及化学计量比均在0～5cm 土层最高.MN和HN处理显著抑制了土壤MBN,降幅为11.0％～12.7％,氮沉降下土壤MBC和MBP及相关计量比无显著变化;0～5 cm 土层的土壤微生物养分含量显著高于其余土层.氮沉降显著抑制了纤维素二糖水解酶和亮氨酸氨基肽酶活性(降幅为14.5％～16.2％和48.7％～66.3％);HN处理促进了 β-1,4-葡萄糖苷酶活性(增幅68.0％),但抑制了土壤酶化学计量碳氮比和氮磷比(降幅95.4％和88.4％);LN和MN处理促进了 β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性(增幅68.3％～116.6％),但抑制了土壤酶化学计量碳磷比(降幅14.9％～29.4％);碱性磷酸酶活性无显著变化;土壤酶活性均随土层加深而显著降低.相关性分析表明,土壤全氮、全磷、微生物养分与矢量角度(表征微生物氮或磷限制)均呈显著负相关,而矢量长度(表征微生物碳限制)与矢量角度始终呈显著正相关,代表微生物碳限制与磷限制之间协同促进.氮沉降在缓解云南松林微生物氮限制的同时逐渐向磷限制转变,此外,研究区还受到微生物碳限制,且微生物碳和磷限制的关系呈正比.

探索森林土壤中的养分限制对森林抚育和管理具有重要意义,然而目前关于黄土高原刺槐人工林植被恢复过程中微生物受到的养分限制的研究并不充分.本研究为探究黄土高原刺槐林土壤中微生物养分的限制情况,在陕西省永寿县选择不同造林时间(15、25、35、45年)的刺槐人工林以及林地旁边的摞荒坡耕地(对照)为研究对象,分析了不同林龄下土壤有机质、全氮、全磷含量,以及与土壤碳、氮、磷循环相关的β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CBH)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和磷酸酶(AP)活性的变化特征,通过化学计量和酶计量解析土壤养分限制状况.结果表明:土壤pH随植被恢复由碱性变为酸性;全磷在刺槐植被恢复的0～25年间逐渐降低;土壤有机碳、全氮和酶活性在0～25年间呈上升趋势.土壤全磷、有机碳、全氮、AP和LAP在25～45年间逐渐降低;NAG、BG、CBH在25～45年间先增加再降低.植被恢复过程中刺槐林的(BG+CBH)/(LAP+NAG)、(BG+CBH)/AP、(LAP+NAG)/AP均高于全球尺度的平均值.本研究区刺槐恢复过程中矢量长度小于1且逐渐增大,表明微生物碳限制逐渐增强;矢量角度大于45°且整体上降低,表明土壤微生物受磷限制且磷限制逐渐减缓,未出现微生物氮限制.刺槐人工林植被恢复过程中土壤理化性质变化明显,造林时间序列影响了土壤微生物的养分限制状况.

土壤微生物是连接地上植被和土壤养分循环的关键枢纽,然而对于毛乌素沙地生态恢复过程中植被和土壤对微生物群落的影响还不明确.本研究以流动沙丘为对照(0年),以10、30、50和70年的柠条固沙林土壤为研究对象,将磷脂脂肪酸(PLFA)标记法与灌木、草本植物和土壤因子结合,探究不同恢复年限下土壤微生物群落特征的变化规律及其调控因子.结果表明:随着恢复年限的增加,生态恢复效应指数显著增加.0、10、30、50 和 70 年的总 PLFA 含量分别为 47.75、55.89、63.53、67.23 和 82.29 nmol·g-1.随着生态恢复指数增加,细菌含量和革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比均显著增加;革兰氏阴性菌群落含量和真菌与细菌比均显著下降.灌木、草本植物和土壤因子能解释土壤微生物群落72.4％的变异,其中土壤因子的贡献高于植被因子.毛乌素沙地土壤微生物群落的总PLFA含量随恢复年限的增加而增加,并且土壤含水量、酸碱度、全氮和土壤有机碳为影响土壤微生物群落特征的主要驱动因子.随着毛乌素沙地柠条固沙林恢复年限的增加,主要由土壤因子驱动的土壤微生物群落结构发生显著变化.

植物叶片生态化学计量特征及其差异可以反映植物对环境的响应,是了解植物与环境相互作用的关键.特殊的天坑环境创造了良好的植物生长条件.为探究天坑植物的养分利用特征与环境适应性差异,揭示天坑森林植物适应机制,为天坑森林养分循环与群落构建理论研究提供基础数据,该研究对广西大石围天坑群坑内外植物叶片中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)养分化学计量特征进行比较.采用相关性分析和冗余分析等统计方法研究植物各化学计量间的内在联系和环境对其的影响.结果表明:(1)与其他喀斯特地区植物以及全国陆地植物相比,研究区域内的36科55属64种植物叶片具有较低的C含量,较高的N、P、K、Ca、Mg含量和较低的C:N、C:P,表明天坑植物具有低固C、高养分积累、高生长速率与低养分利用效率的总体特征.(2)大石围天坑群植物叶片N:P平均值为16.65,N:K平均值为1.50,K:P平均值为10.10,表明天坑植物整体K富足而N、P养分受限.(3)显著性分析表明:不同位置、不同功能群植物养分含量与化学计量比存在显著差异,不同环境、不同类型植物养分吸收的策略不同.(4)相关分析表明:植物叶片各养分含量与化学计量比间存在较为显著的相关关系,植物叶片对不同养分的吸收具有一定的比例与协调关系.(5)对叶片化学计量特征影响因子的分析结果表明:土壤是影响叶片养分含量的关键环境因素.研究结果揭示了大石围天坑群植物养分利用特征、生境养分差异以及植物对环境的适应情况,为天坑森林生态系统养分循环与群落构建机制的探索提供了基础数据.

潮汐涨落导致的植物残体异位分解是河口湿地最常见的分解方式,研究分解环境变化下残体的分解及其养分释放对深入了解河口湿地养分循环具有重要意义.为此,2021年3-12月,在闽江河口互花米草(Spartina alterniflora)分布区,以自然环境梯度作为分解环境变化研究的替代系统,由陆向海方向布设入侵7年的互花米草湿地(M7,残体记为L7)、新近入侵1年的互花米草湿地(M1,残体记为L1)以及入侵前的光滩(BF)3个分解样地,采用分解袋法模拟研究了分解环境变化对不同入侵年限互花米草残体(L7和L1)分解及磷养分释放的影响.结果表明,分解环境变化可对残体分解速率产生显著影响.L7在M1和BF环境中的分解相比其在原来环境中(M7)更快,而L1在M7和BF环境中的分解相比其在原来环境中(M1)更慢.分解环境变化导致的L7或L1分解速率的改变一方面取决于分解环境中关键环境因子(温度和pH)的变化,另一方面与分解环境变化导致的残体质量(碳氮比和氮磷比)发生改变有关.相较于原分解环境,分解环境的变化导致L7的总磷(TP)含量整体增加,而L1的TP含量降低,但二者TP含量均在M1分解环境中最高.残留率是影响不同分解环境下残体TP含量变化的共性因素,而分解环境变化引起的主要环境因子(电导率)和残体质量改变是导致TP含量存在差异的重要原因.不同分解环境下L7和L1的磷养分在分解期间均表现为不同程度的净释放.研究发现,L7和L1的分解速率及磷养分释放量均在M1分解环境中较高,说明残体在该分解环境中的磷养分归还速率可能更快,而这有利于提高对新近入侵互花米草的磷养分的供给能力.

土壤生态化学计量是土壤肥力和植物养分状况的重要指标,探索森林的恢复方式对土壤生态化学计量特征的影响,可为准确评价生态系统物质循环过程对干扰和恢复的响应提供理论依据和数据支撑.该研究比较测定了东北东部山区人工恢复的3种针阔混交林和天然恢复的4种落叶阔叶林的土壤、凋落物和枯落物的碳(C)、氮(N)和磷(P)含量,以及土壤pH、土壤密度等理化性质.结果显示:人工针阔混交林和天然落叶阔叶林的土壤C、N和P含量均随着土壤深度的增加而降低.各林分类型的O(有机质)层土壤C、N和P含量的波动范围分别为53.78-90.59、5.02-7.83和0.75-0.91 g?kg-1.人工针阔混交林O层土壤的C和N含量显著低于天然落叶阔叶林,而人工针阔混交林A(腐殖质)和B(淀积)层土壤的C、N和P含量均高于天然落叶阔叶林.人工针阔混交林O层土壤的C密度显著低于天然阔叶林.土壤C:N、C:P和N:P的波动范围为10.08-12.53、43.97-135.52和4.56-11.64;O层土壤的C:N在两种恢复方式的森林间无显著差异,人工针阔混交林O和A层土壤的C:P和N:P显著低于天然落叶阔叶林.土壤各层次的C和N含量均存在显著的正相关关系(R2范围0.40-0.76).除C:N以外,恢复方式、土壤发生层及其二者交互作用对土壤C、N、P含量、密度和计量比均存在显著影响.土壤密度和凋落物C含量显著影响土壤C、N和P含量.这些结果表明,通过人工恢复方式增加针叶树种的比重,使表层土壤的C、N含量降低,导致表层土壤的碳固持量减弱;但是对C:N无显著影响,表现出相对稳定的土壤C、N计量特征.

为探究刺槐人工林根际和非根际土壤微生物元素利用效率的季节差异及其影响因素,在黄土高原选取3个季节(春季、夏季、秋季)人工林根际和非根际土壤为研究对象,测定土壤理化性质、微生物生物量和酶活性等指标,计算化学计量失衡、矢量特征及元素利用效率.结果表明,季节动态显著影响化学计量失衡,根际和非根际C:N失衡在季节上均表现为先增加后降低的趋势,而C:P和N:P失衡则相反.矢量长度和矢量角度的变化表明根际与非根际土壤微生物均在夏季受到较强的碳、氮限制,而在春、秋季受到较强的磷限制.季节动态对微生物元素利用效率有显著影响,其中碳利用效率在夏季最低,而氮、磷利用效率在夏季最高.偏最小二乘路径模型结果表明,根际和非根际土壤微生物均通过矢量特征和胞外酶活性间接地影响元素利用效率,而非根际土壤微生物化学计量失衡对元素利用效率有直接影响.研究结果有助于深入理解人工林根际和非根际土壤微生物的养分利用机制,为生态脆弱地区的人工林管理提供理论依据.

河流湿地是非常重要的湿地类型,其中河流湿地土壤能够有效维持河流湿地生态系统的稳定性.土壤碳氮磷是支撑湿地土壤质量和植被生长的关键营养元素,利用高光谱遥感数据对其进行估算对实现湿地土壤养分信息的快速和准确检测具有重要意义.土壤粒径作为土壤最重要的属性之一,对土壤样本的光谱反射率有着重要影响,并且是影响土壤结构、阳离子交换能力、植物养分可用性等的重要因素.以陕西黄河湿地省级自然保护区为研究区,于2022年8-9月采集477份湿地表层土壤样本,经过室内过筛处理后得到1.0 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm四种不同粒径的土壤样本.基于原始光谱数据及一阶微分转换光谱数据对土壤碳、氮、磷含量建立不同粒径的偏最小二乘回归、随机森林、高斯过程回归3种预测模型,比较建模R2以及RMSR选择最优模型,并筛选敏感波段构建模型进行评价.研究结果显示:(1)光谱反射率数值随土壤粒径的减小而增大,0.1 mm粒径的预测模型相比于其他粒径始终有着更好的精度;(2)基于一阶微分光谱建立的土壤有机碳、全氮、全磷含量估算模型均具有更高的精度;(3)基于敏感波段建立的偏最小二乘回归模型,建模R2范围0.62-0.98,验证R2范围0.36-0.94,相比其他模型具有更优秀更稳定的反演效果.研究结果表明通过控制土壤粒径建立土壤碳、氮、磷含量的估算模型是可行的,选择合适的粒径大小能够提高反演模型估算精度.而偏最小二乘回归作为具有较高精度的反演模型可以帮助提高模型的稳定性和预测能力,从而更准确地估算土壤中的碳、氮、磷含量.研究结果为基于高光谱遥感的不同粒径处理的湿地表层土壤碳、氮、磷定量反演提供坚实的理论支撑与技术支持.