研究土壤养分生态化学计量特征有助于判断土壤质量和认识养分之间的耦合关系.在湿地系统,关于候鸟活动对湿地土壤养分及其化学计量关系的影响仍缺乏了解.本研究选择典型候鸟栖息分布区域——鄱阳湖东湖苔草洲滩,基于候鸟大集群性特征和前期调查,将候鸟集群中心区域、边缘区域和临近天然草滩作为重度、轻度和无候鸟活动(对照)区,分析不同候鸟活动强度下0～100 cm剖面土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及其化学计量比.结果表明:候鸟活动仅对0～30cm 土壤养分含量影响显著,候鸟轻度活动显著增加了 0～30cm 土层的SOC和TN,候鸟轻度和重度活动均显著增加了 0～30cm 土层的TP;无、轻度和重度候鸟活动下0～100 cm剖面土壤C/N分别为10.0、10.8和9.9,C/P分别为23.5、30.0和22.7,N/P分别为2.3、2.7和2.3,仅0～30 cm 土层的C/N、C/P和N/P在轻度候鸟活动下显著增加,而所有土层化学计量比在重度候鸟活动下均无显著变化.土壤化学计量比与土壤理化性质具有显著的相关性,SOC、TN和TP等是候鸟活动下影响鄱阳湖湿地土壤碳氮磷化学计量比的主要因子.综上,候鸟活动对鄱阳湖湿地土壤碳氮磷化学计量比的影响存在深度阈值(约30 cm),且这些影响多符合"适度干扰假说",研究结果为湿地与候鸟的保护提供了新的视角.

本研究以福建三明森林生态系统国家野外观测研究站的青冈、格氏栲、马尾松、闽楠、香樟林5种人工林为研究对象,分析了 0～10 cm表层土壤微生物呼吸对葡萄糖添加的代谢响应.结果表明:与对照相比,葡萄糖添加使土壤微生物呼吸提高了 82.4％～349.5％,不同树种间差异显著.对照中,土壤微生物呼吸与微生物生物量、土壤有机碳及真菌/细菌有显著的相关关系,表明在没有活性碳供应时,微生物代谢受土壤有机碳含量的调控,且与土壤微生物生物量和群落结构有关.在葡萄糖添加处理中,土壤微生物呼吸与土壤总氮、溶解性有机氮和矿质氮呈显著正相关,表明当活性碳供应充足时,微生物代谢主要受土壤氮含量及其有效性制约.微生物呼吸的代谢响应,即葡萄糖添加处理与对照土壤微生物呼吸的比值,主要受土壤碳氮比的影响,呈现出微生物代谢响应随土壤碳氮比的下降而升高.此外,土壤pH也是影响微生物代谢响应的重要因素.土壤碳、氮含量及有效性对微生物呼吸的影响依赖于微生物是否受碳限制,土壤碳含量调控了碳限制时的微生物呼吸,而土壤氮含量及有效性调控了碳限制解除后的微生物呼吸.

为了解典型沙生半灌木群落植物在氮(N)沉降和降水增加下的响应机制和适应策略,以毛乌素沙地黑沙蒿(别名油蒿,Artemisia ordosica)群落为对象,研究了N、水分添加及其交互作用下土壤与优势植物黑沙蒿和赖草(Leymus secalinus)叶片N含量、磷(P)含量、N:P及相应的内稳性指数.结果显示:(1)土壤速效N、P养分供应状况和植物养分吸收的内在属性共同影响黑沙蒿和赖草叶片N含量、P含量、N:P对N和水分添加的响应,黑沙蒿和赖草叶片N含量对N和水分添加的响应存在种间差异;(2)黑沙蒿和赖草叶片P内稳性均强于叶片N内稳性,与黑沙蒿和赖草生长均受N限制密切关联;(3)黑沙蒿叶片N、P化学计量内稳性相对较高且养分利用策略较为保守,赖草叶片N、P化学计量内稳性相对较低且养分利用策略较为灵活.结果表明,黑沙蒿在干旱贫瘠的环境中更具竞争力和生长优势.在N沉降和降水持续增加的情景下,黑沙蒿群落物种组成可能因优势植物黑沙蒿和赖草竞争力和养分利用策略的不同而发生变化.

生态位作为解决群落如何构建、物种如何共存的探索,从其最初定性描述物种在生境中的空间分割,到反映物种在群落中功能上的分异,再到从多维空间和资源利用等方面进行的定量分析,生态位理论逐渐发展.然而,在非随机过程影响下物种生态位的大小,尤其是在不同环境条件下生态位的位移、收缩或扩张等变化过程的量化,需要进一步研究.元素是组成生物有机体的基本物质,生物体内元素含量及其比例(元素组,elementome)具有物种特异性,同时也反映了物种对其生存环境的适应性.随着生态化学计量学的发展,生物元素组在生态学各个研究尺度中的应用愈加广泛.在群落生态学研究中,生物元素组及其在环境梯度上的变异为量化群落中物种生态位分化、预测环境变化条件下生态位的变化提供了极佳指标.生物地球化学生态位使用生物元素组及生态位多维超体积的概念,对物种生态位进行了量化.基于文献检索结果,本文阐述了生物地球化学生态位假说的理论框架,对其在不同生物分类群(植物、动物和微生物)中的研究进展进行了综述,最后对其在不同生态系统中的研究进行了展望,以期对该假说的适用性进行检验并推动生态位理论研究的发展.

植物碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其生态化学计量比反映了植物对环境变化的适应.然而,目前关于不同植物功能群如何调节C、N、P含量及其生态化学计量比以适应海拔梯度的变化还不清楚.在青藏高原东南缘高寒草甸选取了 60个样点,对不同功能群(禾本科、莎草科、豆科和杂类草)C、N、P含量及其生态化学计量比(质量比)沿着海拔梯度(3300-3500 m、3500-3700 m、3700-3900 m、3900-4100 m和4100-4300 m)的变化规律及其关键驱动因子进行研究.结果表明:1)不同植物功能群具有一定的生态化学计量学内稳性,各功能群C含量,莎草科和豆科N含量,禾本科、莎草科和杂类草P含量,以及除莎草科C∶P之外的不同功能群C∶P和N∶P随海拔升高变化不显著(P＞0.05).2)禾本科和杂类草植物通过增加N含量适应高海拔环境,即海拔3900-4100和4100-4300 m它们的N含量显著高于其他海拔.4100-4300 m豆科植物P含量显著低于3700-3900 m(P＜0.05)是由年平均降水量下降引起的.3)4个功能群C∶N整体上随着海拔增加而下降,表明海拔升高引起植物N素利用效率下降;同时,各植物功能群N∶P均大于16,植物生长受P限制.4)与非豆科植物相比,豆科植物N含量和N∶P高,而C含量和C∶N低.5)冗余分析(RDA)和结构方程模型(SEM)表明,海拔和纬度共同驱动的年平均气温和降水量变化是调控不同植物功能群C、N、P含量及其生态化学计量比的关键因子.综上,海拔梯度上,植物具有增加、降低或保持自身C、N、P含量及其生态化学计量比稳定的生态适应性策略,这种差异因植物功能群的不同而异,因此在构建植物C、N、P生物地球化学模型中应考虑海拔梯度上植物生态适应性策略的差异.

河湖岸带是拦截净化氮磷等陆源污染物进入河湖水体的最后屏障,河湖岸带草本植物的稳定性影响着其对污染物的拦截净化能力,研究河湖岸带草本植物生态化学计量学及内稳性,可为河湖岸带草本植物群落恢复和构建提供基础数据.通过对中国河湖岸带草本植物地上部氮(N)、磷(P)含量及土壤或沉积物、水体进行数据收集,分析了植物氮磷化学计量学和内稳性特征及其与环境因子的关系.结果表明:青藏高原湖区草本植物具有较高的 N 含量(湿生植物:20.51 g·kg-1,水生植物:29.81 g·kg-1)和较低的P含量(湿生植物:1.39 g·kg-1,水生植物:0.99 g·kg-1),N:P>14,表现为P限制,而其他湖区草本植物具有较高的P含量(2.73 g·kg-1),N:P<14,表现为N限制.各湖区植物N、P含量及其比值在空间上具有一定差异,青藏高原湖区水生植物 N 含量最高,东北平原与山地湖区最低(P<0.05);东北平原与山地湖区湿生和水生植物 P 含量最高(P<0.05);青藏高原湖区湿生和水生植物 N:P 最高,东北平原与山地湖区最低(P<0.05).植物N、P含量及N:P受环境中P含量影响最大,其次是环境中N:P和N含量.内稳性模型表明河湖岸带草本植物属于稳态型,其中湿生植物内稳性指数HN、HP及HN:P大于水生植物,表明水生植物受环境胁迫时响应较大,水生和湿生植物对环境中N、P含量变化响应的差异表明水生和湿生植物对环境中N、P不同的保守利用策略.

氮(N)和磷(P)养分有效性是制约森林生态系统林分生产力与碳汇功能的关键要素,但目前对多变环境下森林生态系统养分限制特征还缺乏充分的科学认识.山地生态系统的气候、植被和土壤等环境因子沿海拔的垂直变化格局为深入认识森林养分限制及其驱动因素提供了天然的实验平台.该研究以青藏高原东缘典型的川西亚高山针叶林——岷江冷杉(Abies faxoniana)林为研究对象,通过沿巴朗山2 850-3 200 m海拔梯度的多点取样,从植物叶片N、P养分含量、化学计量变化和地下微生物胞外酶化学计量学的角度,分析了海拔梯度下该区域森林养分限制特征变化规律及其主要驱动因素.结果表明:1)随海拔升高,叶片N、P含量降低而N:P由12.33升高至15.00,表明随海拔升高该区域针叶林叶片生长由N限制转化为N-P共同限制,且P限制随海拔升高而表现出增强趋势;2)矢量模型分析发现不同海拔下根际土壤微生物胞外酶化学计量矢量角度均>45°,且随海拔升高呈上升趋势,表明该区域微生物受P限制,且海拔越高土壤微生物P限制越强;3)进一步通过Pearson相关分析和路径分析表明,海拔引起的气温变化是驱动岷江冷杉林生态系统养分限制的主导因素.综上所述,基于叶片和土壤微生物养分证据均表明川西亚高山针叶林生态系统总体表现出P限制程度随海拔升高而逐渐增强的趋势.

宁夏南部山区是黄土高原的典型代表区域,其生态环境极其脆弱.退耕还林还草工程营造的大面积纯林出现可利用养分不足、生物多样性下降等问题,而营造混交林被认为是提高人工林生态效益的有效途径.本研究以宁南山区刺槐+云杉混交林、刺槐+山杏混交林、刺槐纯林、山杏纯林为对象,基于植物生态化学计量学理论与方法,通过测定植物叶片、凋落物和细根的C、N、P含量,揭示不同人工林的养分循环特征.结果表明:4种林型中各树种的叶片生态化学计量特征具有显著差异,刺槐+云杉混交林中云杉叶片C含量最高,刺槐+山杏混交林中刺槐叶片N、P含量最高,混交林中刺槐和山杏叶片N含量显著高于各自纯林.刺槐纯林与其混交林之间的凋落物量以及凋落物C、N、P含量及化学计量比均无显著差异;山杏纯林凋落物量显著高于混交林,而凋落物C含量显著低于混交林.4种林型的细根生物量均随土层深度增加而下降,其中,刺槐+山杏混交林的总细根生物量最高,刺槐+山杏混交林的细根N含量和N∶P值高于刺槐纯林和山杏纯林.刺槐+山杏混交林叶片与细根间N含量呈显著负相关;刺槐+云杉混交林叶片与凋落物间N含量呈显著负相关,叶片与细根间P含量呈显著正相关;山杏纯林凋落物与细根间P含量呈显著负相关.宁南山区混交林养分模式优于纯林,刺槐+山杏的混交造林模式最佳,混交造林在一定程度上降低了元素对植物生长的限制作用.

为探究山地森林生态系统藓类C、N、P化学计量学特征及适应机制,本研究沿海拔梯度在宁夏贺兰山青海云杉林设置15个样地,分析藓类地上组织C∶N∶P化学计量特征及其与环境因子的关系.结果表明:藓类植物地上组织C、N、P含量与海拔无关,且均值分别为336.67、20.31和0.66 mg·g-1;地上组织N∶P均值为33.4,说明藓类植物生长受P限制.藓类植物地上组织中C含量与土壤全氮含量呈显著正相关,与土壤全磷含量呈显著负相关;藓类植物地上组织中N含量与土壤有机碳和土壤全氮含量均呈显著负相关.冗余分析表明,环境因子对藓类地上组织化学计量特征的解释率为48.5％,主要环境影响因子为郁闭度、土壤全氮、土壤全磷;高郁闭度对藓类植物的生长具有促进作用.

氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长发育的关键元素,探明N、P、K生态化学计量特征的物候期动态有助于更好地理解植物生长过程中养分限制、资源吸收利用及生物量分配等生理生态过程.该研究以滇西北地区大田栽培藜麦(Chenopodium quinoa)为研究对象,采用田间观测、取样和室内实验相结合的方法,分析了藜麦根、茎、叶片和穗N、P、K含量及其计量比在生长显穗期、开花期、灌浆期和成熟期之间的差异,及与各器官生物量分配比的相关性.结果显示:(1)藜麦根、茎、叶片、穗N含量分别为9.28、12.22、33.68、31.28 mg·g-1,P含量为2.64、3.71、4.98、5.68 mg·g-1,K含量为25.63、43.80、74.08、56.73 mg·g-1,N∶P为4.66、4.20、7.37、5.70,N∶K为0.39、0.31、0.46、0.62,K:P为 13.77、14.31、16.82、9.79.(2)藜麦根、茎、穗N、P、K含量及叶片N、P含量均随物候期的推移显著下降,体现出明显的物候期稀释效应.相反,藜麦叶片K含量随着生长进程显著升高,可能表明干旱胁迫下藜麦极强的抗旱机制.藜麦根和茎中N、P、K分配比及生物量分配比相对稳定,而叶片中分配比均在开花期最高而后显著下降,穗中分配比随物候期推移显著上升并在成熟期达到最高值,表明藜麦开花期叶片和穗发生关键的资源分配调节,进入灌浆期营养元素逐渐向穗中转移,生物量显著提高.(3)变异来源分析表明,器官对藜麦N、K含量及N:P变异的贡献大于物候期变化,而物候期对藜麦P含量变化的贡献大于器官间的差异.(4)藜麦各器官间N、P、K分配比和生物量分配比存在紧密耦合,具体为藜麦根和叶片生物量分配比与根和叶片N、P、K分配比均呈显著正相关关系,与穗N、P、K分配比呈显著负相关关系;穗生物量分配比仅与穗N、P、K分配比呈显著正相关关系,与根和叶片N、P、K分配比均呈显著负相关关系.