合理的大豆-玉米间作模式可有效促进土壤磷周转与作物磷吸收,减少磷肥投入.为优化大豆与玉米间作系统对磷素的利用效率,本研究选用两种不同基因型大豆与玉米间作,探究其影响土壤磷组分及作物磷吸收的关键根际过程及机制.结果表明:间作显著消耗了大豆'粤春03-3'根际可溶性无机磷(CaCl2-P),而对大豆'Essex'根际磷组分无显著影响.间作显著增加了大豆'粤春03-3'的生物量和磷吸收量,比单作分别显著增加42.2％和46.9％,而对大豆'Essex'和玉米磷吸收量和生物量无显著影响.间作显著增加了'粤春03-3'总根长和根系分泌物总量,比单作分别增加了 19.7％和138.1％,且粤春'03-3'磷吸收量与总根长呈显著正相关,与可溶性无机磷含量呈显著负相关.综上,大豆-玉米间作对土壤磷组分与作物磷吸收的影响存在基因型差异,间作通过增加磷高效大豆根长与根系分泌物等促进磷吸收及根际土壤磷周转,从而提高其磷利用效率.本研究明确了大豆-玉米间作体系磷素利用的基因型差异及潜在机制,为优化大豆-玉米间作体系品种搭配、实现磷素高效利用与化肥减施增效提供了科学依据.

土壤微食物网生物是影响土壤养分循环的重要驱动因素,其对植物生长和土壤养分的影响大于广受关注的土壤微生物.通过土壤生物添加实验,对比分析了在土壤微食物网生物添加、土壤微生物添加和灭菌土壤三种处理条件下,湿生草本植物小星穗薹草的生物量、形态和生理性状以及土壤养分含量等指标,以探究土壤微食物网生物和土壤微生物对植物生长和土壤养分的差异性影响.结果表明,土壤微食物网生物对植物的促进作用显著大于土壤微生物的作用.土壤微食物网生物未改变植物的根系性状,而土壤微生物使植物的根系形态发生明显改变.不同土壤生物添加处理的土壤有效养分含量也存在显著差异.该研究证明了土壤微食物网生物更有利于植物生长.研究结果为深入认识土壤微食物网生物对植物生长和土壤养分周转的重要性、推动植物与土壤生物相互作用过程和影响机制研究提供了新视角和可靠数据.

密度对林木个体生长和林分蓄积量增长均有重要的影响,但是林分密度与树木根系之间的相互作用并不明确.为此,本研究以黑龙江省帽儿山4种造林密度(处理Ⅰ:株行距:1.0m×1.0 m,Ⅱ:1.5 m×1.5 m,Ⅲ:2.0 m×2.0 m和Ⅳ:1.5 m×3.0 m)水曲柳(Fraxinus mandschurica Rupr.)人工林为研究对象,在2012-2016年连续测定了林木的胸径和叶生产量(2013、2014和2016年)以及每年的林木枯死状况,并在2013年采用根钻法和内生长法分别对细根(直径≤2.0 mm)和吸收根(直径≤0.5 mm)的现存量和生产量进行了估计.结果表明:密度最低的处理Ⅳ中树木分杈率最高(31.55％),平均树高最低;密度次低的处理Ⅲ中,胸径和树高均高于其他处理.叶生产量随着林龄增加而增大,以处理Ⅱ中最高.总的林木自然枯死率以密度处理Ⅰ最高.样地水平上,近5年林木株数保存率与叶生产量、胸径年生长量均为负相关(前者统计上显著).细根和吸收根的现存量与生产量均以处理Ⅳ最高,处理Ⅰ～ Ⅳ中吸收根现存量分别为(184.62± 17.73)、(146.45±5.59)、(150.32±5.39)和(242.81±19.07)g·m-2.样地水平上,吸收根现存量和生产量均与林分密度负相关(后者统计上显著).吸收根与叶生产量和胸径年生长量的比值以处理Ⅳ中最高,而其他处理间差异则相对较小.综合来看,造林密度2500株·hm-2林分具有最大的平均胸径和树高,最高的株数保存率,以及较为合理的吸收根和叶生产量比例,是本地区最适宜的密度.

采用13C-CO2进行连续标记,研究水稻分蘖期和孕穗期光合碳在植株-土壤系统中的分配及其对大气CO2浓度升高(800 μL·L-1)和施氮(100mg· kg-1)的响应.结果表明:CO2浓度升高显著提高分蘖期根系生物量和孕穗期地上部生物量,并使生物量根冠比在分蘖期增加,而在孕穗期减小.CO2浓度升高条件下,施氮使水稻地上部分生物量增加,却显著降低了孕穗期水稻根系生物量.CO2浓度升高使光合3C在孕穗期向土壤的输入显著增加,然而施肥并没有促进由CO2浓度升高驱动的光合13C在土壤中的积累,而且还降低了土壤中的光合13C的分配比例.综上,CO2浓度升高显著提高了稻田土壤光合碳输入,促进稻田有机碳周转;施氮促进了水稻地上部的生长,却降低了光合碳向地下的分配比例.

根系周转是陆地生态系统物质循环的关键指标,也是陆地生态系统净初级生产力及碳固持潜力估算的核心参数.然而,由于地下净初级生产力数据获取困难,区域和全球尺度上的相关研究十分有限,尤其是分布广泛的中国草地,区域尺度上的整合研究几乎为空白.基于样地实测数据、已发表文献和在线数据库数据,对中国草地5种植被类型、共计154个草地生态系统根系周转的空间格局进行整合分析,并结合气象和土壤数据,揭示了草地生态系统根系周转的关键驱动因子.研究发现:(1)根系周转速率随纬度升高而降低,低纬度温暖地区根系周转更快;(2)气候因子(年平均气温、年降水量)和土壤理化性质(砾石含量、容重、pH值)共同影响根系周转,对周转变异性的解释度为44％,其中气候因子的相对贡献率为57％,土壤理化性质的相对贡献率为43％;(3)中国草地根系周转的格局和驱动因子与全球尺度的研究结果不尽相同.该研究对根系周转的驱动因子提出了新的观点和证据,为全球尺度上的整合研究提供了关键数据.

该文以川西北高寒草甸为研究对象,采用微根管法研究了不同施氮(N)水平下高寒草甸植物群落根系现存量、生产量、死亡量和周转率的变化及其与土壤理化性质的相互关系.结果表明:N添加显著增加了土壤速效氮(AN)含量,降低了土壤pH值,但是对土壤有机质(SOM)和全氮(TN)含量无显著影响.在0-10 cm土层,平均根系现存量和累积根系生产量无显著变化,累积根系死亡量在N10处理下显著降低了206.1 g·m-2,根系周转率在N30处理下显著提高了17％;在10-20 cm土层,N添加处理的平均根系现存量和累积根系生产量分别显著降低了195.3和142.3 g·m-2 (N10)、235.8和212.1 g·m-2(N20)、198.0和204.4g·m-2 (N30),累积根系死亡量和周转率无显著变化.此外,累积根系生产量、死亡量和周转率与AN含量相关性较大,而平均根系现存量与SOM、AN和TN含量相关性较大.综上所述,N添加对高寒草甸的影响主要通过改变土壤可利用N含量,进而影响根系的动态特征、空间分布格局和周转以及碳分配特征.

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.

采用连续土钻取样和分解袋分解法,对三工河流域5个不同盐碱化植物群落(琵琶柴群落、骆驼刺群落、沙枣群落、多枝柽柳群落、芦苇群落)整个生长季节的细根垂直分布、季节变化、分解动态、周转规律及其与土壤因子的关系进行研究.结果表明,细根生物量随土层深度的增加均呈现先增加后逐渐降低的趋势,除芦苇群落外,均在10-20cm土层达到最大值;5个群落的细根生物量分别为51.55、93.09、146.24、57.95、419.34 g/m2,随季节变化均呈现先增加后降低的趋势,在8月或9月达到峰值;在5个月的细根分解试验中,5个群落的细根分解速率呈现快、慢、快3个明显的阶段,分解速率属Peterson划分的慢组;不同群落的细根死亡量、年分解量和净生产力差异显著,三者均表现为芦苇群落＞沙枣群落＞骆驼刺群落＞多枝柽柳群落＞琵琶柴群落;5个群落的细根周转速率范围为1.41-1.98次/年,高于陆地生态系统细根的周转速率0.56次/年;逐步回归分析表明土壤pH、土壤电导率、土壤容重、土壤含水量是影响各变量的主要因子或共同主要因子,土壤pH是影响根系分布、分解和周转的最主要因素.因此,盐碱植物群落细根生物量小,分解慢而周转快,土壤水盐特征决定了细根的分布和动态.

土壤养分循环对森林生态系统稳定性维持、树种选择及更新、可持续经营具有重要意义,掌握养分输入来源及过程可指导森林生态系统物质循环与能量流动分析及生态功能评估.凋落物、根系周转、根系分泌物是森林土壤养分的主要来源,是土壤养分循环的重要组成部分.本文分析了3种主要养分输入方式及其影响因素,总结了凋落物组成及理化性质、生物因子、环境因子等对凋落物分解及土壤养分循环的影响;综述了细根底物性质、树种组成、土壤生物、环境因子变化对细根周转及土壤养分循环的影响;探讨了根系分泌物对土壤养分循环过程的作用,基于此,提出了该领域亟需深入研究的重要方向,以期为相关研究及森林生态系统养分管理提供参考.

稳定碳同位素组成能精确指示生态系统碳循环过程,可以为深入研究森林演替进程对碳循环过程和固碳潜力的影响提供关键信息.利用稳定碳同位素技术对长白山阔叶红松林演替序列3种林分——中龄杨桦次生林、成熟杨桦次生林、阔叶红松林的叶片、树干、根系、凋落物和土壤δ13C值及碳、氮元素含量进行测定.结果表明:各演替序列优势树种叶片δBC从冠上到冠下均呈降低趋势;树干δ13C表现为树皮小于木质部;根系δ13C表现为细根小于粗根.阔叶红松林未分解凋落物δ13C小于半分解及全分解凋落物,次生林相反;土壤δ13C沿深度逐渐增加.总体上,δ13C值叶片＜凋落物＜根系＜树干＜土壤,说明植物各器官之间有明显的碳同位素分馏效应,且相同器官不同部位之间也存在差异;植物δ13C沿演替方向先减小后增加,土壤δ13C沿演替方向不断增加,且变化规律可以通过氮元素含量与碳同位素分馏效应的关系解释,说明长白山阔叶红松林演替过程优势树种和碳周转速率的变化影响了碳同位素分馏.