为探究灌丛引入对荒漠草原土壤有机碳稳定性的影响,选取近40年的典型草原-灌丛镶嵌体(荒漠草地,草地边缘,灌丛边缘、灌丛地)为研究对象,开展荒漠草原向灌丛人为转变过程野外原位观测结合室内培养的土壤有机碳矿化及其对降水变化(+40％、+20％、CK、-20％、-40％)的响应特征研究,主要结果如下:荒漠草原人为灌丛转变的过程中土壤有机碳、全氮和全磷含量显著降低;土壤有机碳累积矿化量、碳矿化速率、碳矿化及微生物代谢熵均随着转变过程呈上升趋势,且灌丛地较荒漠草地分别增加了 26.6％、27％、25.8％和26.8％;土壤潜在可矿化有机碳量随转变波动上升,灌丛地显著高出荒漠草地31.55％;转变样地在不同降水梯度下土壤有机碳矿化速率呈下降趋势,但灌丛地、灌丛边缘土壤有机碳矿化始终高于荒漠草地和草地边缘地,其中灌丛地与灌丛边缘有机碳矿化对降水降低响应更加敏感和积极,结果表明荒漠草原向灌丛转变过程增强了土壤有机碳微生物矿化的同时,还提高了其应对干旱的能力,这种能力或许是以更高的微生物代谢熵和二氧化碳通量为代价.

土壤氮矿化速率限制着森林土壤有效氮素供给能力,但目前关于黄土高原次生林演替过程土壤氮矿化特征的认识还不清楚.选择黄土高原黄龙山次生林区草本阶段、灌木阶段、先锋乔木群落阶段、混交森林群落阶段和顶级森林群落阶段等5个演替阶段的9种群落类型,测定了其林下土壤氮矿化速率,并分析了土壤理化性质、凋落物养分特征和土壤酶活性及其对氮矿化的影响.结果表明:随着演替进展,土壤有机碳和氮不断积累,土壤硝态氮和铵态氮含量逐渐增加,凋落物养分和土壤酶活性也发生了显著变化.土壤硝化速率从草本群落阶段到顶级森林群落阶段显著增加了 71.73％;土壤氨化速率一直为负值且持续负向增加;土壤净矿化速率从草本群落阶段的(0.16±0.06)mg kg-1 d-1逐渐增加到混交森林阶段的(0.31±0.08)mg kg-1 d-1,但从混交林群落到顶级森林群落阶段有所下降.土壤理化性质(路径系数-0.530)和酶活性(路径系数-0.268)对氮矿化速率有显著的直接作用;凋落物养分对氮矿化速率的影响来自于其直接作用(路径系数-0.283)和通过调控土壤理化性质、酶活性产生的间接影响(路径系数-0.315).结果有助于认识黄土高原植被演替过程中土壤氮循环过程,对森林可持续经营也有一定的意义.

返青期休牧措施可以有效提高高寒草甸生产力,为了解其对氮矿化及微生物的影响.以玛沁县大武镇高寒草甸为试验样地,设立5个休牧时间,分别为CK(放牧)、休牧20d、30d、40d、50d,在牧草生长季(5-9月)研究了土壤微生物量和有效氮素的动态变化.结果表明:土壤微生物量碳(SMBC)和土壤微生物量氮(SMBN)均随着休牧时间的增加而呈现上升趋势.SMBC在生长初期(5月、6月)休牧50d处理下较CK分别增加了 22.49％、123.33％,生长末期休牧40d处理下含量较高.5月份SMBN在休牧40d下显著高于其他处理,其余月份均在休牧50d处理下含量较高.土壤铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)在生长季呈现先升高后降低的趋势.多数情况下,休牧30d 土壤NH4+-N含量高于CK处理;不同休牧时间对土壤NO3--N含量影响不明显.土壤氮矿化速率在不同月份间差异显著,但总体上呈现休牧30-40d 土壤氮矿化速率较高、CK较低的趋势.因此,在返青期对三江源区高寒草甸进行适当的休牧活动利于其有机氮的转化.

通过树种选择与配置优化提高土壤磷有效性进而促进树木生长是值得关注的问题.本研究在南亚热带人工林树种多样性平台开展研究,采用随机区组的试验设计方法,选取马尾松、米老排、格木、红椎、火力楠、灰木莲、土沉香、降香黄檀8个乡土树种,建立了 1、2、4和6个树种丰富度梯度的混交造林试验,测定了根际土壤生物有效磷组分(氯化钙磷、柠檬酸磷、酶磷和盐酸磷),探究不同树种配置对根际土壤生物有效磷组分的影响.结果表明:对比非固氮树种,固氮树种(格木和降香黄檀)的混交有效增加了土壤含水率、全氮含量、全磷含量和微生物生物量磷,树种合理配置有利于土壤生物有效磷的生成积累.固氮树种混交条件下,土壤氯化钙磷含量显著增加了 46.2％～160.3％,微生物矿化产生的酶磷提高了 69.3％～688.2％,盐酸磷增加了 31.5％～81.3％;土壤微生物生物量磷提高了 81.8％～149.4％,土壤微生物量氮增加了 88.1％～160.6％.冗余和相关分析显示,土壤微生物生物量磷、速效磷、全磷、蛋白酶、纤维二糖水解酶、酸性磷酸酶、微生物生物量氮和有机碳是驱动根际土壤生物磷组分差异的关键因子;固氮树种混交提高了酶磷和柠檬酸磷含量,这两种生物有效磷组分含量与林分树木胸高断面积呈显著正相关.固氮树种(格木)混交有效提升了根际土壤生物有效磷含量,有利于促进林分树木生长.

土壤中的无机氮是维持陆地生态系统生产力的主要限制因子,主要通过有机氮的矿化产生.土壤氮可利用性的高低取决于土壤微生物、地上植被类型以及土壤理化性质等.土壤微生物对环境变化极为敏感,尤其是温度与微生物生长繁殖密切相关.因此,在较大空间范围内研究微生物调控氮矿化速率的温度敏感性(Q10)对于预测全球气候变化对陆地生态系统生产力的影响至关重要.该研究以中国三大高原(内蒙古高原、黄土高原和青藏高原)的不同类型草原为研究对象,通过野外采集土壤样品,室内不同温度培养测定三大高原不同类型草地土壤的净氮矿化速率,计算其Q10,并分析其与土壤微生物及土壤理化性质参数的相关性.结果表明:(1)黄土高原不同类型草地土壤氮矿化速率的Q10显著高于内蒙古高原和青藏高原;(2)在黄土高原和内蒙古高原,草甸草原和典型草原土壤净氮矿化速率的Q10显著高于荒漠草原,而青藏高原高寒草甸草原土壤净氮矿化速率的Q10显著低于高寒典型草原和高寒荒漠草原;(3)三大高原草地土壤微生物生物量碳含量与土壤净氮矿化速率的Q10显著相关;(4)Q10的空间格局受微生物、土壤质地以及底物的共同调控.该研究结果为中国不同类型草原土壤氮循环对全球变化响应的研究提供了重要数据,对于陆地生态系统氮循环模型的完善具有一定的科学价值.

为了探究木本植物根际效应的季节动态及其驱动因素,以北京市东灵山地区两种主要植被类型——白桦(Betula platyphylla)林和蒙古栎(Quercus mongolica)林中的优势树种为研究对象,于2017年的春(5月)、夏(7月)、秋(9月)、冬(12月)4个季节分别测定根际土壤与非根际土壤的理化性质、微生物生物量、碳矿化速率及净氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征以及植物的根系、叶片功能性状,分析根际效应的季节变化动态.结果发现:(1)土壤pH及铵态氮含量、微生物生物量、碳氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征指标在根际土壤与非根际土壤之间存在显著差异,根际效应主要呈现为正效应,即根际土壤高于非根际土壤.(2)根际效应存在显著的季节动态,表现为秋季的根际效应最强.(3)根际效应与植物根系和叶片功能性状之间存在显著相关关系.细根生物量与可提取有机碳、土壤总碳、总氮含量的根际效应显著正相关;叶干物质含量、叶碳氮比与微生物生物量碳含量、微生物生物量氮含量、碳矿化速率、酸性磷酸酶活性的根际效应显著正相关.研究结果表明,植物功能性状对于植物的根际效应具有重要作用;在东灵山的温带落叶阔叶林,可能由于秋季植物地下碳输入量最高,导致根际微生物数量和活性增加,从而出现秋季微生物生物量及活性的根际效应高于其他季节的现象.

氮添加会引起土壤理化性质和养分有效性的改变.受此影响,森林植物的地上碳同化能力和地下碳分配格局也会相应地发生变化,总体表现为促进植物生长固碳,增加凋落物和植物根系沉积碳输入土壤,并改变上述植物源有机质的数量和化学成分.与此同时,土壤微生物的群落结构和生态功能也会受到氮添加的影响,由于土壤中的有机碳分解、转化和稳定等过程均受到微生物的驱动,因此,氮添加所引起的底物供应差异和微生物响应会影响森林土壤有机碳的矿化,并最终影响森林土壤有机碳库固存、稳定和CO2排放.但目前关于氮添加对森林土壤有机碳库固存能力和CO2排放特征的影响机制仍不清楚,为此,以森林土壤的碳循环过程为线索,综述了氮添加对底物供应、土壤有机碳激发效应、微生物碳代谢等过程的影响,并尝试梳理在氮添加影响下森林土壤有机碳分解、转化和稳定的微生物驱动机制.这有助于预测氮添加对森林土壤"氮促碳汇"的实际效果,以便研究人员在未来氮沉降日益严重背景下更好地预测森林土壤的碳循环特征,寻找提高森林土壤有机碳库固存能力和降低CO2排放相关途径提供参考.同时,还分析了目前相关研究中存在的问题,并对该领域未来的研究热点进行了展望.

在全球中波紫外辐射(UVB)增加的背景下,土壤有机碳(SOC)矿化速率增强是多数陆地生态系统正在经历的重要生态学过程.铁氧化物可以通过吸附或共沉淀作用,影响土壤有机碳的稳定性,在调节碳循环过程起到重要作用.以历山舜王坪亚高山草甸东南坡与西北坡表层土壤为对象,通过为期50 d的室内培养实验,研究铁添加对土壤有机碳光降解的影响机制.结果表明:不同坡向亚高山草甸表层SOC矿化特征不相同,西北坡的SOC累积矿化量和矿化速率均显著高于东南坡,主要是因为西北坡土壤中非晶形铁(Feo-p)含量显著低于东南坡,对SOC保护力较弱;在UVB辐射下,表层土壤有机碳发生了光降解作用,促进了 土壤有机碳的矿化.UVB辐射下西北坡的矿化量以及矿化速率增加幅度(即光引发作用)显著高于东南坡;外源添加铁抑制了土壤有机碳矿化,显著降低了土壤碳的累积矿化量和矿化效率,也显著了降低土壤碳的光降解;在未来UVB辐射持续增强下,西北坡向土壤有机碳有较强的光降解潜力,外源添加铁可以在一定程度上缓解表层土壤有机碳光降解作用.本文可为气候变化背景下深入理解亚高山草甸表层土壤有机碳固持机制提供理论依据.

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.

气候变暖和秸秆还田是影响农田生态系统碳氮循环和土壤养分周转的重要因子,然而两者的交互作用尚缺乏系统研究.通过大田模拟试验,设置土壤正常温度+秸秆不还田、土壤正常温度+秸秆还田、土壤增温+秸秆不还田和土壤增温+秸秆还田四个处理,探讨土壤增温与秸秆还田对土壤养分循环及胞外酶活性的影响.结果显示,土壤增温使硝态氮含量、土壤可溶性有机碳含量和氧化酶活性分别增加了 40.4％,25.8％和6.0％,但也使土壤水分、铵态氮含量与土壤微生物量碳分别损失了 10.6％,33.4％和29.9％.秸秆还田则使土壤含水量、全氮、铵态氮、有效磷与可溶性有机碳的含量分别增加了 7.5％,7.2％,44.1％,32.3％和18.4％,同时也使土壤碳氮磷循环酶的活性分别增加了 46.2％,22.9％和20.6％.因此研究表明,土壤增温提高了氧化酶的活性,加速了土壤碳的转化,也使土壤氮矿化与硝化反应速率提高.秸秆还田通过增加外源有机物质,丰富了土壤的碳、氮源,使土壤养分含量提高,一定程度上弥补了增温带来的养分损失.