旨在探究喀斯特地区退化生态系统植被恢复树种凋落叶分解过程及其对土壤碳排放的激发效应,为选择合适的树种进行植被恢复提供数据支持.以中国林科院热带林业实验中心大青山石山树木园11种适应性强、耐干旱贫瘠的优良石山树种为研究对象,利用13C自然丰度法区分凋落叶和土壤来源CO2并量化土壤激发效应,比较不同生态恢复树种凋落叶分解及其激发效应的差异,探讨凋落物分解及其激发效应与凋落物性状之间的关联.结果表明:(1)11个生态恢复树种凋落叶在碳相关化学性质(水溶性碳、半纤维素和单宁含量等)、养分含量(磷和镁含量等)及化学计量特征(碳磷比和氮磷比)等方面均表现出较高程度变异.(2)不同生态恢复树种凋落叶分解及其诱导的土壤激发效应具有极显著差异(P＜0.001);在整个培养实验期间,11个生态恢复树种凋落叶平均分解了 35.3％,其中海南椴分解最快,达到50％,而青冈栎分解最慢,仅分解16.5％.(3)总体上看,凋落叶处理的土壤呼吸速率(5.1 mg C kg-1 土壤d-1)是对照土壤呼吸速率(2.3 mg C kg-1 土壤d-1)的2.2倍,凋落叶添加显著促进土壤有机碳分解,平均达到37.6％;其中海南椴、割舌树和任豆凋落叶输入则抑制土壤有机碳分解(抑制程度分别为-13.2％、-6.9％和-22.5％),产生负激发效应.(4)凋落叶分解与非结构性碳(r=0.63,P=0.04)和水溶性碳(r=0.91,P＜0.001)呈显著正相关,与叶干物质含量(r=0.64,P=0.03)、纤维素(r=0.62,P=0.04)和锰含量(r=-0.63,P=0.04)呈显著负相关.多元回归分析结果表明,水溶性碳、钾和钙含量相结合可以解释生态恢复树种凋落叶分解变异的98％;然而,凋落叶性状与土壤激发效应强度之间并没有显著相关性.从土壤养分归还角度考虑,喀斯特退化生态系统恢复树种可以选择光皮梾木、海南椴、顶果木和降香黄檀等凋落叶分解较快的树种,以促进土壤养分循环和植被恢复;另一方面,从土壤碳固持角度来看,海南椴、任豆和割舌树等凋落叶输入会抑制土壤有机碳分解,从而有利于提高退化生态系统土壤碳封存能力.

以石漠化光伏场区植被恢复土壤为研究对象,探究光伏场区环境异质性对土壤养分及肥力质量特征的影响,为石漠化脆弱区生态修复提供科技支撑.通过主成分分析及单因素方差分析,研究植被恢复土壤养分的水平(板间IP、前檐FP、后檐RP和板下UP)及垂向(0～20、20～40和40～60cm)空间分异特征,评估光伏电板遮阴对土壤肥力的影响.结果表明:光伏电板不同程度遮阴对土壤水溶性有机碳和速效磷含量的影响较小,场区内不同位置均无显著差异(P＞0.05),板下位置的全氮、全碳、硝氮浓度较板间有所升高,但差异不显著(P＞0.05),速效钾含量显著升高(P＜0.05);光伏板不同程度遮阴对土壤质量指数(SQI)无显著影响(P＞0.05),土壤养分具有明显的表聚特性,说明光伏场区表层土壤的保护及改良对于植被恢复有重要意义.

林火通过改变土壤理化性质显著影响土壤固碳能力及土壤有机碳各组分含量.阐明不同火烈度对云南松林土壤有机碳的影响,对于云南松林火后生态系统恢复及土壤碳库管理具有重要意义.以火烧 2 年后四川泸山林场云南松林 0-5、5-10、10-15、15-20cm层土壤为研究对象,根据不同火烈度(未过火、低烈度、中烈度、高烈度)设置 3 块 20m×30m样地,共 12 块样地,野外采集土壤样品,室内测定土壤全氮、容重等理化性质和土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)、土壤活性有机碳(易氧化有机碳,Readily oxidizable carbon,ROC;颗粒有机碳,Particulate organic carbon,POC;微生物生物量碳,Microbial biomass carbon,MBC;水溶性有机碳,Water-soluble organic carbon,WSOC),采用方差分析研究不同火烈度下土壤有机碳各组分含量的差异性和变化趋势,并采用相关性分析和冗余分析从土壤理化性质角度探究林火对土壤有机碳的影响机制.研究结果表明:(1)不同火烈度显著影响土壤理化性质,其中土壤全氮、有效磷、阳离子交换量、毛管孔隙度、总孔隙度随火烈度增大而增加,而土壤pH、速效钾、碱解氮、容重随火烈度增大而减少.(2)SOC随火烈度增大而减少,其中 5-10cm土层降幅最大为 44.79%;4 种土壤活性有机碳随火烈度增大而减小,其中 0-5cm 土层下降幅度最明显,各组分降幅大小依次为 ROC(36.31%—61.31%)＞POC(30.05%—53.61%)＞MBC(20.60%—48.19%)＞WSOC(13.47%—29.29%),不同组分对林火的不同响应显著影响了土壤ROC、POC、WSOC的占比.(3)土壤有机碳及其活性组分与阳离子交换量、毛管孔隙度、总孔隙度、有效磷、碱解氮呈显著正相关(P＜0.05),与容重呈极显著负相关(P＜0.01).火烧后土壤有机碳的变化主要与阳离子交换量、容重、全氮、含水率有关,且阳离子交换量影响最大(解释率为 61.7%).

为最大程度模拟森林凋落物分解实际状况,探究亚热带天然阔叶林凋落物的分解动态特征,该研究采用凋落物分解"三明治"法,在野外原位分解的凋落物上,平均间隔3个月在积累的凋落物上铺设一层尼龙网(60目,1.2 m × 1.95 m).3年后共获取11层不同分解程度的凋落物,分析其活性和惰性碳、氮含量变化.结果表明:1)在整个分解过程中,活性、惰性碳参与分解的时间不同,水溶性有机碳最早开始释放,持续释放时间长(295 d);惰性碳分解滞后(4层,422 d);而酸水解有机碳可能在分解中受二者的影响,变化波动大.2)与碳相比,氮在整个分解阶段的动态更为复杂,表现出明显的周期性,即固持(1-3层,90-295 d)—释放(4-6层,422-670 d)—固持(7-11层,802-1 200 d).3)凋落物原状分解有利于氮的截留和保存.一方面,分解前期上层凋落物中的活性物质受淋溶作用在下层积累,从而降低淋失的风险;另一方面,分解后期惰性碳氮偏向于底层积累,利于碳氮的固存.可见,森林凋落物的自然分解状态有利于凋落物惰性碳氮更好地归还土壤.因此,在森林管理中要注重凋落物层的保护,让其在自然状态下分解,助力土壤碳氮的稳定与保留.

黑土作为承担我国粮食安全与生态安全的重要土壤资源,其碳排放特征与碳库组分变化一直是生态学领域研究的热点.施肥是影响黑土有机碳输入、输出的重要因素,而这需要长时间尺度的探究.为明确长期不同施肥下的土壤碳排放特征及其影响机制,以始于1990年的国家土壤肥力与肥料效益监测网站黑土监测基地-公主岭为研究平台,选取不施肥(CK)、单施氮磷钾肥(NPK)、无机肥配施低量有机肥(NPKM1)、1.5倍的无机肥配施低量有机肥(1.5 (NPKM1))、无机肥配施高量有机肥(NPKM2)和无机肥配施秸秆(NPKS)6个处理,探讨了长期不同施肥下土壤碳排放量(CO2-C)与土壤碳库组分包括水溶性有机碳(DOG)、微生物量碳(MBC)、颗粒有机碳(POC)、易氧化有机碳(ROC)及其p-葡萄糖苷酶(BG)、木聚糖酶(BXYL)、纤维素酶(CBH)和乙酰基β-葡萄糖胺酶(NAG)等酶活性变化.结果表明:与CK相比,各施肥处理均可以显著增加黑土土壤碳排放量(P＜0.05),其中,NPK处理土壤碳排放量约为2633.33 kg/hm2,显著高出CK处理37.36％;长期有机无机配施(NPKM1、1.5(NPKM1)、NPKM2)显著增加土壤碳排放量71.81％-88.51％,效果最为明显;NPKS显著增加土壤碳排放量56.32％,并且三种长期有机无机配施措施碳排放差异不显著.相对CK处理,有机无机配施的DOC、MBC、POC、ROC均有显著增加(P＜0.05),各指标分别高出CK处理16.07％-56.34％、128.84％-185.77％、284.15％-497.45％和841.03％-1145.94％,其中1.5(NPKM1)处理效果最好.同时,有机无机配施相对CK处理的NAG、BG、BXYL和CBH活性分别提高了313.22％-452.65％、129.45％-250.74％、159.08％-273.32％和72.21％-193.53％,且以1.5(NPKM1)处理的效果最好.土壤碳排放量与土壤酶活性、土壤活性碳库组分之间的相关性分析结果表明,长期不同施肥措施的土壤碳排放量不但与土壤ROC、DOC、POC、MBC含量呈极显著相关(P＜0.001),也与土壤BG、NAG、CBH、BXYL酶活性呈极显著相关(P＜0.001),说明施肥可以通过改变土壤各活性碳库组分含量与土壤微生物活性影响土壤碳排放量.

采用盆栽控制试验对黄土丘陵区白羊草在不同CO2浓度(400和800 μmol·mol-1)和施氮水平(0、2.5、5.0gN·m-2·a-1)条件下根际和非根际土壤水溶性有机碳(DOC)和水溶性有机氮(DON)的变化特征进行研究.结果表明:CO2浓度升高对白羊草根际和非根际土壤DOC、水溶性总氮(DTN)、DON、水溶性铵态氮(NH4 +-N)、水溶性硝态氮(NO3--N)含量均无显著影响.施氮显著提高了根际和非根际土壤DTN、NO3--N含量和根际土壤DON含量,显著降低了根际土壤DOC/DON.在各处理条件下,根际土壤DTN、NO3--N和DON含量均显著低于非根际土壤,根际土壤DOC/DON显著高于非根际土壤.短期CO2浓度升高对黄土丘陵区土壤水溶性有机碳、氮含量无显著影响,而氮沉降的增加在一定程度上改善了土壤中水溶性氮素缺乏的状况,但并不足以满足植被对水溶性氮素的需求.

为了探究不同干湿交替频率对速效养分、DOC的影响机理,选择北京褐土(表层0-10cm土壤)为研究对象,采用室内模拟控制实验法,控制其他变量,设计一系列不同频率的干湿交替实验,在58d内设置了10d土壤培育期和48d试验期,其中48d试验期设置0、1、2、3、4次干湿交替,试验结束(第58天)进行速效养分、水溶性有机碳(DOC,Dissolved organic carbon)等主要土壤速效养分指标测定.采用单因素方差分析与LSD多重比较法进行数据分析,研究结果显示:恒湿组的速效钾、硝态氮含量比干湿交替组高;低频率的干湿交替使得土壤速效钾含量减少,高频率可能在后期出现释钾现象,速效钾含量随着干湿交替频率增加可能会有所增加,趋近恒湿组速效钾水平,4次干湿交替频率是出现速效钾回升的临界次数;硝态氮含量随着频率增加也有增加趋势,低频率的1次干湿交替(DW1,1 drying-rewetting cycle)硝态氮含量最低,高频率的4次干湿交替(DW4,4 drying-rewetting cycles)最高,干湿交替频率增加更频繁的打破平衡,促进矿化,干湿交替组也趋近恒湿组的硝态氮水平.经过干湿交替,土壤中速效钾、铵态氮、DOC的含量下降,硝态氮含量增加,速效磷、pH的变化不明显.在固定时间内(48d),随着干湿交替的频率增加(从1次到2、3、4次),周期变短(从48d到24、16、12d),干燥与湿润的持续时间变短(从24d到12、8、6d),干湿交替组的速效钾、硝态氮含量分别趋于恒湿组的速效钾、硝态氮水平.

湿地以常年性或周期性积水为特征,而水分条件的改变可直接影响湿地生态系统的结构和功能.为探究淹水条件对土壤酶活性的影响以及驱动酶活性变化的因素,在青海湖鸟岛地区选择长期淹水、周期性淹水和很少淹水的湿地,比较了土壤化学性质、微生物生物量碳氮以及酶活性的差异.结果表明:周期性淹水的湿地土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖酶和甘氨酸氨基肽酶的活性较长期淹水的湿地分别下降了24.01％、18.80％和2.96％;而很少淹水的湿地较周期性淹水的湿地分别下降了33.65％、18.84％和63.47％.周期性淹水与长期淹水湿地的土壤N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性显著高于很少淹水的湿地,而很少淹水的湿地土壤碱性磷酸酶和酚氧化酶活性最高.冗余分析发现,土壤易氧化碳、全氮、有机碳、微生物生物量碳氮、水溶性有机氮与土壤酶活性显著相关,其中,有机碳与纤维二糖酶活性的相关性较高;易氧化碳能很好地解释β-葡萄糖苷酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和甘氨酸氨基肽酶活性的变化.总的来说,长时间淹水更有利于碳氮的积累,提高水解酶活性.

为探讨森林公园土壤有机碳的分布特征,以广州城郊的石门国家森林公园和云髻山森林公园为研究对象,采用分层采样方法(0—5、5—10、10—20、20—40和40—60 cm)对天然常绿阔叶林的土壤总有机碳、惰性有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物生物量碳含量进行了研究.结果表明:土壤惰性有机碳、活性有机碳及总有机碳含量随土层加深均表现下降趋势.不同组分的活性有机碳含量及其所占总有机碳比例在土壤剖面分布存在差异,均表现为易氧化有机碳>微生物生物量碳>水溶性有机碳.土壤惰性有机碳占总有机碳的比例显著高于活性有机碳,随土层加深呈先下降后增加趋势,深层土壤有利于维护有机碳的稳定性.土壤惰性有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳及微生物生物量碳含量与总有机碳、微生物生物量氮含量均呈显著正相关,土壤各组分碳间转化依赖于总有机碳量的变化,同时受微生物生物量氮的支配.

繁殖是植物生命活动的重要环节,了解植物的繁殖特征是解释植物生态适应性和制定有效管理措施的重要依据.该研究以荒漠草原猪毛蒿(Artemisia scoparia)种群为研究对象,通过测定不同土壤类型的理化性质和猪毛蒿的繁殖特征,以期探讨影响其繁殖特征的主要土壤驱动因子.结果 表明:灰钙土、风沙土和基岩风化残积土的水溶性碳含量、全氮含量、全磷含量、全盐含量、土壤水分含量、土壤硬度存在显著差异.猪毛蒿平均个体大小、单株头状花序的平均质量和数量均以灰钙土生境下最大,基岩风化残积土最小.繁殖分配在不同土壤类型下无显著差异,但与单个头状花序质量、单株头状花序数量和质量间呈极显著正相关关系.单株头状花序数量与单个头状花序质量间呈负相关关系.在风沙土生境下,单株头状花序质量主要受到土壤水溶性碳含量、土壤水分含量以及pH值的共同影响;单株头状花序数量受全盐含量的影响最大;繁殖分配和单个头状花序质量主要受全碳含量的影响.灰钙土生境下,单株头状花序质量与土壤水溶性碳含量、土壤水分含量和有机碳含量呈正相关关系;速效氮含量显著影响着单株头状花序数量.而基岩风化残积土生境下,繁殖特征的变异主要受到土壤水溶性碳含量、土壤硬度、土壤水分含量、全磷和速效磷含量的影响.综合分析发现,土壤因子对猪毛蒿繁殖特征的影响程度不同,其中单株头状花序数量和质量极显著地受到土壤水溶性碳含量和土壤水分含量的影响,繁殖分配和单个头状花序质量与土壤水溶性碳含量、土壤水分含量呈负相关关系.因此,土壤水溶性碳含量和土壤水分是荒漠草原地区影响猪毛蒿种群繁殖特征的主要土壤因子.