气候变暖通过改变植物凋落物产量、质量以及分解者组成和活动来影响分解过程,从而调控生态系统的物质循环.在干旱、半干旱区,气候变暖对混合凋落物分解的影响仍不清楚.本研究利用开顶式增温箱和分解袋法,分析毛乌素沙地黑沙蒿和赖草混合凋落物在450 d分解过程中质量损失和养分的动态变化.结果表明:凋落叶对增温的响应存在种间差异,增温促进了赖草凋落叶的质量损失和N、P释放,抑制了黑沙蒿凋落叶的质量损失、P释放,但促进了 N释放.黑沙蒿和赖草凋落叶混合会抑制分解,增温加强了混合分解的拮抗效应,使混合凋落叶总质量损失减少9％,N和P释放量分别减少4.9％和12.6％.增温处理下混合凋落物质量损失和P释放的拮抗效应随时间逐渐加强,分解150 d时N释放从协同变为拮抗效应.黑沙蒿和赖草凋落叶混合分解产生的非加性效应受温度和时间共同调控,未来的混合凋落物分解研究应该考虑温度和时间的交互作用.

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.

以解磷菌株X-P18 为对象,通过优化炭基微生物肥料制备工艺,制备具有高菌活性的解磷炭基微生物肥料.同时,以"女皇"葡萄作为试验对象,分别设计了空白(CK)、生物炭、炭基肥和液体肥 4 个处理组,通过测定土壤理化性质、采收期葡萄品质等指标,考察了炭基微生物肥料对葡萄品质以及土壤理化性质的影响.结果表明:在菌液与添加生物炭质量比为 3.0∶1.0,吸附时间为 6h,吸附时转速为 100 r/min,保护剂为质量分数 4%的海藻糖时,制备出的炭基微生物肥料活菌数最多.同时,果园实验表明:与CK组相比,炭基微生物肥料显著提高了土壤有效磷的质量分数,可达 221.81%,并且碱解氮、有机质和速效钾含量均有不同程度的提高,分别达到了质量分数8.30%、20.61%和 39.54%,并且土壤培肥效果较好.炭基肥组处理的葡萄果形参数、可溶性固形物和可溶性糖较空白组分别提升了 6.64%、8.81%和 14.95%,总酸度降低了 23.18%,固酸比显著增加,达 40.67%.由此说明:施用解磷生物炭基肥料能更好地增加土壤养分的释放,从而促进葡萄更好的生长和土壤质量的提升.

遮荫是苗木培育的关键措施,它可以通过影响根系向土壤释放分泌物的量改变土壤碳氮酶活性,进而影响土壤碳氮循环过程.然而,有关遮荫对土壤碳氮酶活性的影响及其与苗木生长之间的关系如何,研究较为缺乏.以杉木1年生幼苗"洋061"为研究对象,设置五个不同遮荫处理:不遮荫(CK)光强1157.82 μmol m-2 s-1、30％遮荫(T1)光强856.31 μmol m-2 s-1、55％遮荫(T2)光强 542.68 μmol m-2 s-1、70％遮荫(T3)光强 382.08 μmol m-2 s-1、85％遮荫(T4)光强 219.56 μmol m-2 s-1,比较不同遮荫处理对杉木幼苗生长、土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)含量和土壤碳氮代谢酶活性的影响.结果表明:(1)杉木苗高、不同器官生物量、根冠比和苗木质量指数均随光强减弱呈先升后降的趋势,除苗高和根冠比分别在T3和T1时最大,其余指标均在T2时最大,而地径则随光强的减弱逐渐变小;(2)土壤SOC含量对遮荫响应存在差异,T3处理下SOC含量显著低于CK,而在T4时显著高于CK,遮荫不同程度降低土壤TN含量,但不同处理间不存在显著差异;(3)土壤碳氮代谢酶对不同遮荫处理的响应存在一定的差异.与CK相比,不同遮荫处理显著改变土壤酶活性,其中土壤纤维素酶(S-CL)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤酸性转化酶(S-AI)、土壤木质素过氧化物酶(S-LiP)活性在T4处理时最高;土壤过氧化氢酶(S-CAT)、土壤β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(S-NAG)、土壤几丁质酶(S-C)则在T3达到最大值;土壤多酚氧化酶(S-PPO)活性在T1处理下最大;T2遮荫强度时,土壤淀粉酶(S-AL)、土壤亚硝酸转化酶(S-NiR)活性最高;但遮荫还不同程度的降低了土壤脲酶(S-UE)、土壤硝酸转化酶(S-NR)活性.冗余分析发现,土壤酶活性对SOC、TN的解释度高达76.61％,表明S-LiP、S-AL、S-AI、S-PPO、S-CL与SOC具有较强的正相关关系,S-UE、S-NR对TN影响较大.综上所述,30％-55％遮荫即光照强度为542.68-856.31 μmol m-2 s-1是较适宜杉木幼苗生长的光照条件,这与该处理下提高土壤碳氮酶活性进而改善碳氮养分循环密切相关.

推广实施最佳管理措施(BMPs)被认为是防治农业面源污染的有效途径,然而许多流域实施BMPs后通常难以在预测的时间内实现水质改善目标,导致人们对BMPs的有效性提出质疑.受流域内养分遗留效应影响,BMPs实施后的环境质量改善效益可能不会立刻显现(也即"滞后期"),这是由于过去人为活动输入的过量营养物质在流域水文传输和生物地球化学转化过程中的积累所致,当来自外部的污染负荷减少时,这部分营养物质的汇集和释放可能掩盖治理措施对于水质改善的影响.鉴于遗留的营养物质在延迟水质改善方面的关键作用,滞后期的量化评估对于全面分析污染成因,科学配置BMPs,有效治理流域农业面源污染,提升水质改善效率非常重要.以农业面源氮控制措施的滞后效应形成机理和评估方法为主线,概述了流域尺度氮累积和滞后效应产生的主要机理,述评了氮污染滞后效应的量化评估方法,提出目前大多数流域模型尚不能很好的表述滞后效应以及缺乏解决水文和生物地球化学遗留效应的能力,并对未来BMPs优化配置研究提出建议:(1)摸清流域水文传输过程和生物地球化学转化过程对BMPs控氮效益滞后期的影响,分析污染负荷削减的时空响应规律;(2)构建包含土壤、浅层含水层和地下水动力学组合的流域尺度BMPs控氮效益滞后期模型,分析不同管理情景下污染物减排和水质目标改善所需时间;(3)建立涵盖滞后效应的BMPs优化配置方案,以寻求短时间内实现治理效能最大化以及环境与经济效益双重协同的流域农业面源污染防治策略,有效提升资金使用效率,为相关管理措施和政策制定提供理论基础和数据支撑.

在微生物的代谢活动下,土壤中有机态碳氮化合物矿化分解释放矿质养分和二氧化碳,深刻影响着自然生态系统土壤碳、氮等元素的循环转化、土壤的养分供应和有机质的更新,并对地上植被的演替和分布有极为重要的意义.青藏高原灌丛面积分布广泛,地形和气候条件复杂,但目前对灌丛分布地区土壤碳氮含量、矿化作用强度及其影响因素等的认识较少.研究结合土壤理化分析和高通量定量PCR(quantitative microbial element cycling,QMEC)技术研究了青藏高原喜马拉雅山-冈底斯山地区不同类型灌丛土壤碳氮含量、碳氮矿化速率和相关功能基因的分布特征及其与植被、气候和土壤因子间的耦联关系.结果表明,不同类型灌丛土壤的有机碳、全氮含量、CO2释放速率、净氮矿化速率、碳氮矿化基因的丰度有显著差异.其中,位于青藏高原东南部的雪层杜鹃和香柏灌丛分布区土壤有机碳和全氮含量、CO2释放速率、净氮矿化速率显著高于位于中西部的变色锦鸡儿、金露梅和砂生槐灌丛地区,并与年平均降雨量显著正相关.然而,碳、氮矿化基因丰度分布趋势与之相反,在雪层杜鹃和香柏灌丛分布区丰度显著低于中西部的三类灌丛,且与年平均降雨量呈显著负相关,但与土壤pH呈显著正相关.同时pH与年平均降水量、湿润指数和土壤含水率均为显著负相关.这些结果表明降水可通过增加盐基离子淋溶,使土壤盐基饱和度下降、氢饱和度增加,引起土壤酸化,进而影响碳氮循环过程,导致不同类型灌丛土壤碳氮元素的赋存及其周转速率差异.同时,碳、氮矿化相关功能基因丰度各类群间呈现显著的正相关关系,表明土壤碳氮循环过程间紧密的耦联关系.这些结果为准确评估青藏高原土壤碳、氮库及其动态平衡提供了重要信息和参考依据.

明确旱地绿肥腐解规律和养分释放动态特征,可为绿肥资源在我国西北旱作农业区的合理利用提供科学依据.采用田间原位埋袋法研究了三叶草(Trifolium alexandrinum)、野豌豆(Vicia sepium)、黑麦草(Lolium perenne)和燕麦(Avena sativa)4种绿肥在玉米种植系统中的残余腐解动态,观测了绿肥残余腐解养分释放过程及其对土壤有机碳、全氮与春玉米产量的影响.结果表明:绿肥腐解及其碳氮释放过程均表现为前期(0～14d)快,第21～42天分解速率中等,42 d以后较慢;腐解至42 d时,4种绿肥残余累计腐解率均达到55％以上,碳释放率达到59.79％～74.75％,氮释放率达到60.79％～76.61％;绿肥腐解至第130天时,各处理的累计腐解率均达到60％以上,且豆科绿肥累计腐解率显著高于禾本科绿肥(P＜0.05);与无绿肥添加的对照相比,绿肥还田显著提高了土壤有机碳和全氮含量,并导致玉米增产2.21％～7.06％,其中豆科绿肥增产幅度大于禾本科绿肥.综上,豆科绿肥还田能有效改善土壤质量,是一种更适合西北地区可持续农业的管理措施.

削减粪尿储存过程中氨(NH3)排放与氮素(N)损耗,是减少养殖业废弃物排放大气污染物和资源高效利用的重要举措.以青藏高原集约化养殖过程中新鲜牛粪尿混合物为研究对象,通过向粪尿中添加脲酶抑制剂(正丁基硫代磷酸三胺,NBPT)、硝化抑制剂(3.4-二甲基吡唑磷酸盐,DMPP)及明矾,测定不同抑制剂添加后短期储存过程中(22天)粪尿NH3释放量及不同形态养分含量,并利用结构方程模型分析影响粪尿储存过程中NH3排放和N转化的各因素效应.结果表明:(1)DMPP和明矾处理下NH3累积排放量及氮素损失量均与对照组无差异,而NBPT处理比对照组NH3累积排放量降低25.07％;(2)NBPT处理使粪尿短期储存过程中总有机氮含量平均值较对照增加43.86％,而铵态氮含量下降39.15％,同时粪尿C:N平均值比对照增加20.99％;(3)粪肥储存期间高含水量有利于削减NH3排放,脲酶抑制剂通过降低总有机氮分解和C:N,进而减少铵态氮生产并降低粪尿短期储存中NH3逸散.总之,脲酶抑制剂能够通过控制铵的生成有效减缓牛粪尿混合物储存过程中N的损耗和NH3释放,而硝化抑制剂及明矾的最优施用条件有待深入研究.

选择闽江河口鳝鱼滩西北部的纯芦苇湿地为研究对象,基于野外氮负荷增强分解试验,探讨了氮负荷增强对芦苇残体分解及其养分释放的影响.试验设置了 4个氮负荷水平,即NL0(无氮负荷处理,0 g N m-2 a-1)、NL1(低氮负荷处理,12.5 g N m-2 a-1)、NL2(中氮负荷处理,25.0 g N m-2 a-1)和NL3(高氮负荷处理,75.0 g N m-2 a-1).结果表明,不同氮负荷处理下残体的分解速率整体表现为 NL2(0.00284 d-1)＞NL1(0.00263 d-1)＞NL0(0.00257 d-1)＞NL3(0.00250d-1),低氮和中氮负荷总体促进了残体分解,而高氮负荷抑制了残体分解,原因主要与不同处理下残体分解过程中基质质量及pH的明显改变有关.不同氮负荷处理下,残体中的全碳(TC)含量在分解期间均呈不同波动变化特征;全氮(TN)和全磷(TP)含量均在分解初期(0-30 d)骤然降低,之后则呈不同波动变化,其中TN含量呈波动上升变化,而TP含量呈小幅波动变化.残留率是影响不同氮负荷处理下残体分解期间碳(C)、氮(N)和磷(P)净释放的共性因素,而氮负荷增强导致的残体基质质量(C/N、C/P、N/P)和主要环境因子(pH、电导率(EC))改变影响了其释放强度.研究发现,在氮负荷增强背景下残体养分的累积与释放发生了明显改变,闽江河口氮负荷水平的增加整体将抑制芦苇残体中C、N养分的释放,但其在分解中后期(90-240 d)可能对P养分释放具有较为明显的促进作用.

为探究氮(N)沉降和凋落物输入量改变对凋落叶分解的影响,该研究于2014年6月至2019年6月,以华西雨屏区处于N饱和状态的常绿阔叶林为研究对象,设置N添加和凋落物处理双因素实验,其中N添加处理分别为对照(CK,0 kg·hm-2 a-1)、低N(LN,50 kg·hm-2·a-1)和高N(HN,150 kg·hm-2·a-1),凋落物处理分别为凋落物输入量不变(L0,不改变凋落物输入),减少(L-,减少50％)以及增加(L+,增加50％).结果表明:6年N添加处理对该森林生态系统地上凋落物产量影响不显著;N添加处理显著抑制凋落叶分解,且N添加量越高,凋落叶分解抑制作用越强;N添加显著降低分解后期凋落叶中锰(Mn)的残留率,促进Mn的释放;凋落物输入量的增减处理未显著改变凋落叶分解速率,而凋落物增减处理升高了凋落叶中Mn的残留率,减缓Mn的释放;N添加和凋落物处理交互作用不显著.该研究表明亚热带N饱和常绿阔叶林凋落叶分解受N沉降的直接影响显著,凋落物处理主要影响凋落物分解过程中Mn的含量,并且凋落物Mn含量在凋落物分解响应N输入的过程中可能起着关键作用.