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.

研究土壤微生物代谢的资源限制对理解生态系统的功能和过程至关重要.然而,山地生态系统土壤微生物养分限制特征在小尺度,尤其是坡向上的空间分异格局和驱动因素仍不清楚.本研究在具有代表性的川西亚高山理县米亚罗选取了植被类型不同的阳坡(灌丛)和阴坡(森林),在黑水县雅克夏选取了植被类型相同的阳坡和阴坡(灌丛),测定了参与土壤碳氮磷循环的酶活性,通过酶化学计量比量化了微生物的养分限制.结果表明:不同坡向间土壤酶活性及其化学计量比在米亚罗差异显著,而在雅克夏则不显著.米亚罗阳坡土壤碳氮磷获取酶化学计量比为1∶0.96∶0.92,接近于全球尺度上的1∶1∶1,米亚罗阴坡(1∶1.39.∶0.75)和雅克夏不同坡向(1∶1.09∶1.35)则偏离于1∶1∶1.两个地点坡向间矢量长度无显著差异,表明坡向对微生物碳相对限制无显著影响.米亚罗阳坡矢量角度(43.6°)显著高于阴坡(28.7°),微生物主要受氮的相对限制,偏最小二乘路径模型显示,矢量角度主要受土壤养分计量比的直接影响.而雅克夏不同坡向间矢量角度介于50.3°～51.4°,且坡向间无显著差异.坡向间植被类型的不同通过土壤性质驱动了土壤酶活性及微生物养分限制的变异,为预测土壤酶活性及微生物养分限制的空间格局提供了科学依据.

土壤胞外酶是生物地球化学循环的主要参与者,与微生物的代谢需求和养分供应密切相关.然而,对干旱区山地生态系统沿海拔梯度土壤微生物养分限制状况及其驱动因素尚不清楚.基于此,以贺兰山海拔 1300-2700m范围内 7 个海拔梯度的土壤为研究对象,揭示贺兰山土壤理化性质、胞外酶活性及微生物养分限制的海拔分布格局,分析影响微生物养分限制的驱动因素.结果表明:随着海拔梯度的升高,土壤含水率(SWC)和有机碳(SOC)含量逐渐增加,容重(BD)和pH整体呈现逐渐降低的趋势.海拔显著影响土壤胞外酶活性,五种参与土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环的酶活性随着海拔的升高整体呈现逐渐上升的变化趋势,总体表现出中低海拔酶活性较低,高海拔酶活性较高.胞外酶矢量分析显示,矢量长度在中低海拔处较高,而矢量角度则在高海拔处较高,表明贺兰山土壤微生物在中低海拔和高海拔分别具有相对较强的C和P限制.土壤含水率、容重、C、N、P含量与土壤胞外酶活性及其化学计量比显著相关,是调控土壤胞外酶活性随海拔变化的主要因子,说明胞外酶在旱区山地生态系统土壤物质循环过程中具有重要的作用.该研究结果对揭示土壤微生物和胞外酶之间养分元素循环的耦合机理,为深入探讨贺兰山森林生态系统物质循环和不同海拔梯度植被有效管理提供科学依据.

目的:探究不同施氮量与柴胡产量、质量及土壤微生物群落变化之间的关系,为合理施肥提供科学依据.方法:以二年生北柴胡为试验对象,研究不施氮肥(0 g/盆)、低氮(1.377 g/盆)、高氮(2.754 g/盆)三个处理的北柴胡产量、质量及其土壤化学性质、酶活性、微生物功能多样性的差异.结果:外源施氮主要促进根中柴胡皂苷a的积累,其中低氮组含量较对照组提高51.35％,且该处理可显著提高根重及根冠比.同时氮肥的施入引起土壤pH值降低、β-葡萄糖苷酶活性增强,并促进土壤微生物代谢.冗余分析结果表明,电导率、pH值是影响土壤微生物碳源代谢的主要因素,以醇类、胺类为碳源的微生物对氮素较为敏感.结论:适量的氮有利于柴胡根系生长发育及土壤微生态平衡,若土壤含氮量超过阈值,则会对植物根系发育、次生代谢产物及微生物产生一定的不利影响.

本研究以籼粳杂交稻"甬优1540"为供试品种,以NaCl浓度为16.3 mmol·kg-1盆栽土壤为对照,以补充NaCl至100 mmol·kg-1为盐胁迫,调查了盐胁迫条件下叶面喷施100 μmol·L-1褪黑素对水稻苗期碳氮代谢的影响.结果表明:与对照相比,盐胁迫抑制水稻生长、碳氮代谢能力,且随胁迫时间延长抑制作用越明显;胁迫第10天碳水化合物、渗透调节物质含量以及抗氧化酶活性上升,而胁迫第24天低于CK;胁迫第10天IAA、GA3和ZR含量降低,ABA和MT含量上升;褪黑素处理通过提高盐胁迫下水稻幼苗碳氮代谢能力和抗氧化酶活性,同时提高MT、IAA、GA3和ZR含量,降低ABA含量.外源褪黑素可以提高盐胁迫条件下水稻幼苗碳氮代谢能力并促进生长,增强水稻幼苗抵御盐胁迫的能力.

采用Biolog等方法,分析不同退化程度(未退化ND、轻度退化LD、中度退化MD、重度退化SD和黑土滩ED)高寒草甸0～10和10～20 cm土层土壤微生物量碳氮、碳代谢指纹和酶活性.结果表明:所有草甸土壤微生物量、多样性指数和蔗糖酶活性在0～10 cm土层均显著高于10～20 cm土层,0～10 cm土层脲酶活性则显著低于10～ 20 cm土层.土壤微生物量C/N随草地退化程度加重显著降低.0～ 10 cm土层,ND和LD微生物量碳、氮均显著高于其他草地,MD、SD和ED微生物量碳无显著差异,MD微生物量氮显著低于其他草地;平均颜色变化率(AWCD)和McIntosh指数(U)随草地退化程度加重曲线下降,ND与MD间差异显著,其他草地间无显著差异;Shannon指数(H)和Simpson指数(D)在不同草地间均无显著差异;MD和SD脲酶活性最高,ED磷酸酶和蔗糖酶活性最低,与其他草地相比均差异显著.10～20 cm土层,ND和LD微生物量碳显著高于其他草地,MD、SD和ED间无显著差异,LD和ED微生物量氮显著高于其他草地,ND和SD间差异不显著;MD碳代谢指数最低,与LD和SD相比差异显著,ND和LD的AWCD和U指数均显著高于ED,H指数和D指数在ND、LD、SD和ED间差异不显著;ND和MD脲酶活性显著高于其他草地,LD、SD和ED间无显著差异;MD磷酸酶活性最高,与LD、SD和ED相比差异显著;MD蔗糖酶活性显著低于其他草地,ND、LD、SD和ED间差异不显著.不同退化程度高寒草地的地下生物量均与微生物量、碳代谢指数和磷酸酶呈显著正相关;脲酶与微生物量氮、H指数和D指数呈显著负相关.

微生物和土壤酶是陆地生态系统中生物地球化学循环的重要驱动力,深入理解微生物在生态系统中的调节作用以及气候变化过程中微生物量和土壤酶的响应机制是生态学领域关注的重要科学问题.本研究从气候因素角度出发,基于生态化学计量学理论,综述了微生物和土壤酶在陆地生态系统碳氮磷循环中的作用,以及土壤微生物生物量碳氮磷和土壤酶化学计量对气候变化的响应机制,即:改变微生物代谢速率和酶活性;调整微生物群落结构;调整微生物生物量碳氮磷与土壤酶化学计量特征;改变碳氮磷养分元素利用效率.最后分析当前研究的不足,并提出了该领域亟待解决的科学问题:综合阐明土壤微生物和土壤酶对气候变化的响应机制;探究土壤微生物和胞外酶养分耦合机理;深入探究土壤微生物量和土壤酶化学计量特征对气候变化的适应对策.

针对在我国开展的草地生态系统氮沉降的研究主要集中在内蒙古温带草原,以及氮沉降模拟与真实的氮沉降输入存在较大差异这些问题,本研究于2014年在内蒙古呼伦贝尔草原设置双因素模拟氮沉降试验平台,包括普通尿素与缓释尿素两种氮沉降模拟方式和8个氮沉降水平(0、25、50、75、100、150、200与300kgN·hm-2 ·a-1),试验开展3年后,于地上植被生长旺盛时期(2016年8月)采集土壤样品,考察土壤养分及生物学特性对不同氮沉降模拟方式及氮沉降水平的响应.结果表明:氮沉降对呼伦贝尔草原土壤化学性质、生物学性质和酶活性均产生了显著影响.随着氮沉降水平的增加,土壤pH最高下降约0.2个单位,可溶性全氮(TDN)最高增长5～7倍,可溶性有机碳(DOC)增加了12％～36％,土壤全磷含量出现了降低的趋势;微生物量和代谢活性先增加后降低;与土壤碳氮磷转化相关的酶活性在中等氮沉降水平下显著增加.相对于普通尿素,缓释尿素模拟氮沉降减缓了土壤pH下降与可溶性养分增加的程度;使微生物量和代谢活性,以及与氮转化相关的酶活性的变化趋势相对平缓.该区域研究结果印证了氮持续输入造成土壤pH下降、生物有效性养分增加,从而对微生物量与活性、酶活性产生影响的结果.

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性.大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程.过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚.以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系.该领域研究的薄弱环节体现在:①增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;②虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO3-和还原态NH4+输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;③微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;④增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚.未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节.研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据.

土壤酶化学计量比是揭示微生物生长代谢过程及评价土壤养分资源限制状况的重要指标.油茶是中国南方主要的木本油料作物,近年来愈来愈受关注,但鲜有从生态化学计量学的角度深入理解人工经济林的土壤微生物养分限制状况.本文以亚热带地区不同林龄油茶人工林土壤为研究对象,采用时空互代法在区域尺度上随机选取32个不同林龄油茶人工林并将其分为四个林龄组(＜9年幼龄林;9-20年近熟林;21-60年成熟林;＞60年过熟林),通过测定土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)转化酶活性(β-葡糖苷酶(BG)、α-纤维素酶(CBH)、β-乙酰葡糖胺糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、酸性磷酸酶(AP))及土壤理化因子,探讨不同林龄油茶人工林土壤C、N、P转化酶化学计量特征及其与土壤理化因子的关系.结果表明:五种C、N、P转化酶活性均有随林龄增大而增加的趋势,且AP活性显著高于其它四种酶活性.相关分析结果表明,五种土壤C、N、P转化酶活性均与土壤有机碳和总氮显著相关,与土壤总磷和速效磷含量不相关.土壤酶化学计量比ln(CBH+ BG)∶ln(NAG+ LAP)、ln(CBH+BG)∶ln(AP)和ln(NAG+LAP)∶ln(AP)均随林龄增大而一定程度增加.亚热带区油茶人工林土壤酶C∶N∶P化学计量比为1∶1∶1.5,这与全球生态系统土壤酶C∶N∶P化学计量比1∶1∶1相偏离,表明亚热带地区油茶人工林土壤微生物生长受磷素限制.冗余分析(RDA)进一步揭示土壤有机碳含量是影响土壤酶活性和酶化学计量比的主要因子.因此,在油茶人工林经营管理中应考虑磷和外源碳的投入,提高土壤微生物酶活性,缓解油茶人工林生态系统的磷限制.研究结果可为亚热带区油茶人工林土壤养分管理和可持续利用提供基础理论支撑.