长期放牧改变了草地生态系统的土壤资源可利用性和微生物生物量化学计量.研究放牧荒漠草原土壤化学计量不平衡与微生物碳利用效率(CUE)的关系,有助于从微生物视角理解土壤碳动态.本研究依托2004年建立的内蒙古短花针茅荒漠草原长期放牧实验平台,以围封禁牧为对照,设置重度、中度和轻度放牧处理,测定了 土壤有效养分、微生物生物量及其获取的相关酶活性,并利用生态化学计量法对土壤微生物CUE进行计算.结果表明:与对照相比,放牧抑制了土壤微生物CUE,降幅为1.0％～10.3％;土壤C∶N不平衡在中度放牧处理下显著增加20.6％,C∶P不平衡和N∶P不平衡在重度放牧处理分别显著增加20.7％和25.2％,这表明土壤微生物群落更容易受N、P限制.土壤微生物群落通过调节元素阈值计量比和胞外酶的产生来维持自身化学计量平衡.结构方程模型结果表明,化学计量不平衡通过改变元素阈值计量比、微生物生物量化学计量和酶化学计量间接影响微生物CUE.

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.

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.

为明晰祁连山东缘高寒草甸灌丛化对其植被群落与土壤理化特性的影响,选取甘肃省天祝藏族自治县高寒草甸灌丛化区域,调查其植被,采集土壤测定理化性质,分析植被与土壤的互馈关系.结果表明:高寒草甸植被的均匀度指数、高度、盖度、地上生物量、土壤含水率随灌丛化过程增加(P＜0.05),而多样性指数和容重均降低;全磷含量在各土层以灌丛区最高,但C∶P和N∶P以草甸区最高;土壤N:P＜14表明土壤养分主要受限于氮;土壤脲酶和过氧化氢酶活性在草甸区各土层显著高于灌丛区(P＜0.05);冗余分析显示前两个排序轴的累计解释量为54.88％,土壤过氧化氢酶与植被特征拟合的结果最好(Pr=0.010),表明高寒草甸灌丛化过程中土壤过氧化氢酶受植被特征的制约最大.可见,高寒草甸灌丛化显著影响了植被群落结构与土壤理化特性,在祁连山生态保护和管理中应该予以重视.

林龄的变化引起土壤性质和微生物群落的改变,探明林龄对油茶林土壤酶化学计量特征及微生物养分限制的影响,对油茶林的养分管理具有重要意义.本研究以亚热带红壤地区4个林龄段油茶林(＜10年、15～25年、30～50年、＞60年)为对象,研究土壤酶化学计量和微生物养分限制对林龄变化的响应以及影响油茶林微生物养分限制的重要途径.结果表明:与＜10年林龄段油茶林相比,15～25年林龄土壤酶活性C∶N显著提高,但酶活性N∶P显著降低.微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)随林龄增加呈现先降低后升高趋势;MBN、MBN∶MBP在＜10年林龄显著高于30～50年林龄;30～50年、＞60年林龄MBC∶MBN显著高于＜10年和15～25年林龄.冗余分析结果显示,土壤养分、微生物生物量及其化学计量解释了酶化学计量变化的92.4％.偏最小二乘路径建模分析(PLS-PM)表明,土壤有机碳(SOC)对微生物的C限制有总的正效应;MBN、MBN∶MBP、MBC∶MBP和SOC、全氮对微生物的P限制有总的负效应,土壤C:N对微生物的P限制有总的正效应,微生物的C限制与P限制呈显著正相关.随林龄增加,微生物养分由N、P限制(＜10年)向C、P限制(15～25年、30～50年、＞60年)转变.

本研究依托同质园观测样地,选择次生林(主要树种为米槠)、10年生的米槠人工林和杉木人工林为研究对象,分析亚热带不同林分土壤酶活性和计量比特征的差异及其影响因素.结果表明:与次生林相比,米槠人工林土壤有机碳、总氮和可溶性有机碳含量分别显著降低42.6％、47.4％和60.9％,杉木人工林显著降低了 42.9％、36.7％和61.1％.相比于次生林,米槠人工林土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮(MBN)以及微生物生物量磷分别显著降低40.6％、35.5％和45.9％,杉木人工林显著降低了53.7％、56.4％和61.7％.与次生林相比,米槠人工林土壤酶活性变化不显著,但杉木人工林的碳获取酶(β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶)活性显著降低51.2％和59.8％,氮和磷获取酶活性分别显著降低41.0％和29.8％,碳获取酶/氮获取酶以及碳获取酶/磷获取酶分别显著降低11.3％和7.7％.冗余分析表明,MBN和硝态氮是驱动土壤酶活性及酶化学计量比变化的主要因素.不同林分的土壤酶活性和微生物养分需求存在显著差异,与次生林相比,营造杉木人工林会刺激植物与微生物的养分竞争,加剧微生物的氮、磷养分限制.

基于土壤微生物可增强植物对全球变化的适应性,研究氮沉降背景下土壤微生物对根际土壤微生境生态化学计量特征的影响,进而探明生态化学计量特征变化对根际土壤微生物养分限制的调控规律.在土壤灭菌处理(灭菌土(+S)和非灭菌土(-S))基础上,对1年生柠条(Caragana korshinskii)盆栽苗木进行2种苗木接种AM真菌处理((接菌(+M)和未接菌(-M)),并设置氮添加处理(不施氮(CK)、低氮(LN,3g·m-2·a-1)、高氮(HN,6g·m-2·a1)).以非灭菌土未接菌条件下土壤原有微生物群落组成为基础,探究不同处理下微生境生态化学计量特征与微生物养分限制的关联性.结果如下:(1)灭菌土处理中,柠条菌根苗根际土壤中真菌相对丰度较非菌根苗在CK、LN和HN处理下分别显著提高了 82.20％、25.00％和59.84％.(2)非灭菌土处理中,LN处理的柠条非菌根苗根际土壤微生物生物量碳磷比较CK处理降低了 46.28％(P＜0.05),而柠条菌根苗微生物生物量碳磷比较CK增加了 56.76％(P＜0.05).(3)各氮添加处理下,灭菌土处理的柠条非菌根苗根际土壤与碳、氮相关土壤酶活性计量比,与碳、磷相关土壤酶活性计量比和向量长度均显著低于菌根苗(P＜0.05).(4)PLS-PM路径分析发现,微生物调控对微生物养分限制的总效应系数大于氮添加处理.综上,土壤原生菌和菌根真菌协同调节根际土壤酶化学计量比,进而增强土壤微生物养分限制对氮添加的适应.

土壤酶以及化学计量比是表征土壤养分可用性和微生物养分限制的关键指标.然而,对川西亚高山天然林转换为人工林后土壤酶活性和化学计量比的变化特征及其关键驱动因素尚不清晰.本研究以川西亚高山云杉天然次生林和人工林为对象,测定了两种林分的土壤理化性质和酶活性.结果表明:(1)天然林土壤碳氮比(C∶N)显著低于人工林(P＜0.05),其土壤碳磷比(C∶P)和氮磷比(N∶P)则均显著高于人工林土壤(P＜0.05);(2)天然林的酶碳氮比(C∶NEEA)和酶碳磷比(C∶PEEA)显著高于人工林,而酶氮磷比(N∶PEEA)却显著低于人工林(P＜0.01);人工林的碳质量指数CQI1和CQI2显著高于天然林(P＜0.05),而矢量长度和矢量角度显著低于天然林(P＜0.01);(3)天然林土壤微生物受到了一定程度的碳、磷限制,人工林土壤微生物则受氮严重限制;(4)冗余分析结果表明,全氮是影响酶化学计量比的主要因素.以上研究结果表明,在本区域内人工林土壤养分管理中,需充分考虑微生物对氮素的需求.

研究杉木间伐后补栽闽楠、刨花楠进行近自然改造后对杉木人工林土壤化学性质及水解酶活性变化.在江西省新余市山下林场为研究近自然改造对杉木林的影响而设置3种林分,分别是杉木纯林(CLP)、杉木-闽楠改造林(MPC)、杉木-刨花楠改造林(MMC).测定0-20、20-40、40-60 cm 土壤化学性质和水解酶活性,分析土壤化学性质与水解酶间的关系.不同林分土壤有机质、有效磷和速效钾均随土层深度增加而降低.0-20 cm 土层,改造林pH、有机质和有效磷显著增加,其中有机质分别提高22.52％与21.04％,有效磷分别提高5.9％与9.57％.20-40 cm 土层,改造林有机质显著增加,有效磷、速效钾含量无显著差异.不同林分对养分全量的影响不一.40-60 cm 土层,改造林与杉木纯林在有机质、全氮、全钾、速效钾含量有显著差异.不同林分土壤N∶P均低于我国亚热带区域土壤N∶P,土壤有效磷元素缺乏;改造林土壤C∶N、C∶P均高于杉木纯林.杉木-闽楠改造林土壤纤维二糖水解酶(CBH)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和酸性磷酸酶(ACP)酶活性相比杉木纯林显著降低;土壤β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(ACP),杉木-刨花楠改造林较杉木纯林显著增加.相关性分析表明,不同林分土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、土壤酶活性之间存在显著关系.[结论]杉木纯林间伐后近自然改造有助于土壤养分积累,改善杉木人工林土壤质量,提高杉木胸径、材积,减缓单一树种种植带来的土壤肥力下降等问题.