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.

矿质土壤呼吸是土壤碳库向大气排放CO2的重要通道,在调节陆地生态系统碳循环方面发挥着关键作用,对土壤温度、土壤湿度和底物有效性等环境因子有较高的敏感性.环境因子的变化会影响矿质土壤呼吸及其温度敏感性,从而改变全球碳平衡.本文综述了环境因子对矿质土壤呼吸及其温度敏感性的影响研究成果,发现在不同生态系统中环境因子对矿质土壤呼吸及其温度敏感性的影响具有显著差异,指出环境因子能够直接影响矿质土壤呼吸及其温度敏感性,同时也能通过影响土壤微生物生物量和群落结构、胞外酶活性和土壤孔隙度等对矿质土壤呼吸及其温度敏感性产生间接影响.基于综述结果,提出了以后的研究展望:1)结合多种观测技术和方法研究环境因子对矿质土壤呼吸的影响;2)探究多种环境因子的交互作用对矿质土壤呼吸的影响;3)在不同时间和空间尺度上开展环境因子对矿质土壤呼吸影响的研究;4)完善矿质土壤呼吸及其温度敏感性的预测模型;5)加强新近光合产物的底物供应对矿质土壤呼吸及其温度敏感性调控作用的研究.

可溶性有机质(Dissolved organic matter,DOM)作为土壤可溶性有机碳的重要来源,进入土壤之后通过改变土壤微生物数量和活性影响土壤矿化.DOM输入对土壤微生物呼吸和熵值的研究多集中在表层土壤,但对深层土壤微生物呼吸和熵值的影响关注较少.通过室内培养实验(120 d)研究米槠(Castanopsis carlesii)鲜叶DOM添加对表层土壤(0-10 cm)和深层土壤(40-60 cm)微生物呼吸及其土壤代谢熵和微生物熵的影响,为揭示DOM输入对亚热带森林土壤碳过程的影响提供理论依据.结果表明,在培养第1天,添加DOM的表层和深层土壤CO2瞬时排放速率均显著高于对照(P＜ 0.001),分别是对照(不添加DOM)的3.58倍和6.93倍,之后显著下降.就累积排放量而言,无论是DOM添加处理还是对照,表层土壤显著大于深层土壤;在米槠鲜叶DOM添加后,表层土壤累积排放量显著大于对照的表层土壤(P＜0.001),但DOM添加处理深层土壤累积排放量与对照的深层土壤无明显差异.就微生物生物量碳而言,表层土壤微生物生物量碳含量在培养期问显著大于深层土壤.在整个添加DOM培养期间,表层土壤微生物生物量碳含量显著大于表层对照土壤,深层土壤微生物生物量碳含量显著大于深层对照土壤(第3天除外).培养结束时(120 d),米槠鲜叶DOM添加处理下,表层土壤和深层土壤有机碳含量与第3天相比分别减少26％和19％.米槠鲜叶DOM添加处理后的深层土壤代谢熵(qC02)显著低于对照的深层土壤和DOM添加处理的表层土壤qC02(P＜0.001),说明外源DOM进入深层土壤后提高了土壤微生物对碳的利用效率.米槠鲜叶DOM添加处理后的深层土壤微生物熵是培养第3天的1.58倍,显著大于培养初期(P＜0.05),而DOM添加处理的表层土壤、对照的表层土壤与深层土壤的微生物熵分别是培养第3天的68％、79％和21％,说明DOM添加提高了深层土壤质量.

土壤有机质分解是陆地生态系统碳循环的重要环节,它不仅受植被类型的影响,对环境温度也十分敏感.以江西省泰和县石溪退化红壤区马尾松(Pinus massoniana)、木荷(Schima superb)和枫香(Liquidambar formosana)3种森林类型为研究对象,将其土壤分别置于4种不同温度(5、15、25℃和35℃)条件下培养,采用碱液吸收法进行为期35 d的土壤碳矿化研究.在同一温度条件下,不同林型土壤CO2累计碳排放量大小顺序为:枫香＞马尾松＞木荷.在4种不同温度条件下枫香林地土壤CO2累计排放量最大,其次是马尾松林、木荷林,且不同森林类型土壤CO2累计排放量随温度升高而增加(P＜0.05).在15℃、25℃和35℃条件下,不同林地土壤潜在碳排放量间无显著性差异.在15℃和25℃条件下,土壤碳排放量随土壤全碳含量呈现先增后减的变化趋势(P＜0.05),全碳的极值点分别约为1.83％和1.89％.不同植被类型和培养温度对土壤碳矿化量有显著影响,说明植被类型和温度能够对土壤呼吸产生重要影响,且不同温度对土壤呼吸作用更显著(P＜0.000),但两因素间并无显著交互效应.在25℃时,不同林型土壤碳排放量随土壤含水量先增后减,表明土壤含水量并不是影响土壤碳排放量的调控因子.采用单库模式方程Cm=Co(1-exp-kt)对土壤潜在碳排放进行模拟,得出不同温度不同林型土壤最大碳排放量随温度升高而增加.不同林型不同温度条件下土壤Q10值范围为1.797-1.971,变化幅度较小,且不同林型土壤Q10值并未表现出显著性差异,这一结论为研究林型和温度对土壤碳矿化的影响提供参考.

为阐明杉木生长特征及光合能力对未来全球变暖的响应方式,通过在福建省三明市森林生态系统与全球变化研究站陈大观测点内开展的土壤增温(电缆加热,+4℃)实验,研究了增温条件下杉木幼树生长(树高、地径)特征及光合作用参数的变化,并对土壤有效氮(N)、叶片N含量、叶绿素含量(Chl)及非结构性碳水化合物(NSC)指标进行了测定.结果表明:1)在增温条件下,杉木幼树净光合速率(Pn)和水分利用效率(WUE)显著增加,分别增加了71.4％、51.3％,增温后杉木叶片能维持较高的气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间二氧化碳浓度(Ci).2)增温促进土壤有机氮矿化作用,使土壤中可供植物吸收利用的有效N含量显著增加,从而引起杉木叶片N含量显著提高.而N作为叶绿素的重要组成物质,增温后,叶片N含量显著提高,最终导致杉木幼树叶片Chl a、Chl b及Chl总量显著增加,增加比例分别为76.3％、55.8％、68.7％,Chl a/b值亦呈增加趋势.3)增温对杉木幼树生长及叶片NSC含量并无显著影响.综上所述,增温通过改变杉木叶片气孔导度敏感性以及促进杉木叶片Chl含量合成,增加叶片对CO2的吸收以及光能捕获能力,进而提高光合效率.同时,增温引起的根系高温可能大幅度提高杉木呼吸强度,加剧对杉木叶片碳水化合物的消耗过程,使其NSC含量无显著变化,从而导致杉木幼树生长无显著差异.

为深入了解高寒草甸退化对草原生态系统中土壤微生物碳氮量、土壤氮矿化及土壤微生物相关酶的变化特征,以祁连山东缘4个不同退化程度(未退化、轻度退化、中度退化和极度退化)的高寒草甸为研究对象,采集了深度为0-10 cm的土壤样品,并对不同退化程度高寒草甸中植物因子、土壤理化性质、土壤氨化速率、土壤硝化速率、土壤净氮矿化速率以及转化氮素的相关酶和微生物进行了相关研究.结果 表明:(1)随退化程度的加剧,高寒草甸土壤中氨化速率和净氮矿化速率逐渐降低,硝化速率逐渐升高;(2)高寒草甸的退化降低了有关氮素转化相关酶,如土壤蛋白酶、脲酶、亮氨酸氨基肽酶的活性,而β-乙酰葡糖胺糖苷酶的活性呈先下降后上升趋势,且在极度退化草地活性最高;(3)随退化程度的加剧,高寒草甸土壤中微生物生物量碳和氮的含量逐渐降低,同时土壤基础呼吸、土壤微生物熵和代谢熵的指数也呈下降趋势.RDA分析表明,高寒草甸中氨化速率和净氮矿化速率与微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤基础呼吸、植物高度、植被盖度、地上生物量、蛋白酶、脲酶以及亮氨酸氨基肽酶呈显著正相关,而硝化速率则表现为负相关性.因此,高寒草甸退化对土壤微生物特性以及氮素转化和循环具有重要影响.

苔藓植物参与岩溶作用的过程是生物岩溶的重要内容.开展苔藓植物岩溶作用研究可为石漠化裸岩的生态恢复及其综合治理提供理论依据和技术支撑.该文系统论述了苔藓植物岩溶作用的过程(溶蚀与沉积)、机理及其与生境互作机制的最新研究进展.苔藓植物及其生物结皮在干湿交替下发生膨胀、卷缩、冻融等物理机械力,以及其代谢分泌物和因呼吸作用而产生的H2CO3与岩石中矿物反应,破坏矿物晶体结构,导致矿物裂解、使岩面崩解脱落而改变岩面形态,塑造岩溶地貌,形成原始土壤.苔藓植物岩溶作用驱动力的大小与植物功能性状、基岩性质与生存环境密切相关.此外,生物岩溶作用需要长时间尺度的监测,研究周期长,建议建立野外长期监测基地,加强对其内在机制与过程以及与生境间互作机制,苔藓植物的生理代谢过程及其生物酶等与岩溶作用的相互关系,岩溶地区苔藓植物环境适应性特征及其生物多样性维持机制等方面的研究.

为了解不同林龄油松林凋落物输入与土壤呼吸的关系以及不同呼吸组分的贡献,本研究以辽河源地区3种不同林龄(中龄林、近熟林、成熟林)的油松天然林为对象,利用LI-8100土壤碳通量测量系统对4种不同凋落物输入(加倍地上部分凋落物(DL)、去除地上部分凋落物(NL)、地上部分凋落物和根系去除(NI)以及对照(CK))处理生长季的土壤呼吸速率进行连续观测.结果 表明:改变凋落物输入对中龄林的土壤温湿度均产生显著影响.NL处理显著增加了中龄林和成熟林土壤温度,显著降低了中龄林和近熟林的土壤湿度,但改变凋落物输入对近熟林土壤温度和成熟林土壤湿度没有显著影响.DL处理显著提高土壤呼吸速率,NL处理显著降低土壤呼吸速率,DL处理土壤呼吸增加的幅度大于NL处理土壤呼吸降低的幅度.中龄林和近熟林不同呼吸组分对总呼吸的贡献表现为:矿质土壤呼吸＞凋落物呼吸＞根系呼吸,而成熟林根系呼吸贡献大于凋落物呼吸.随林龄的增加,矿质土壤呼吸贡献逐渐降低,而根系呼吸贡献逐渐增加,两种呼吸组分贡献在中龄林和成熟林间有显著差异.去除凋落物显著改变不同林龄土壤温湿度中主要限制因子并提高主要限制因子对土壤呼吸的影响,加倍凋落物处理土壤呼吸主要受土壤温度的影响,温度和湿度共同解释了不同林龄油松林土壤呼吸季节变化的60.2％～77.5％,不同处理土壤呼吸速率与细根生物量呈显著正相关.不同林龄油松林土壤呼吸对凋落物输入改变的响应特征存在差异.在预测未来气候变化对土壤呼吸影响时,应考虑凋落物输入改变对土壤呼吸的影响.

全球气候变化导致近年来渍害频发,而旱地作物小麦对渍害敏感.受气候、土壤、轮作制度等因素的影响,我国长江中下游小麦主产区的渍害灾情严重.渍害引起的土壤溶氧量降低可以导致小麦根系生长受到抑制,进而限制植株生长,最终降低小麦产量和品质.本文基于国内外相关研究,从根系呼吸代谢、水分传导、矿质养分吸收、光合作用、氧化还原代谢等方面概述了渍害胁迫抑制小麦生长的生理机理;讨论了小麦通过无氧呼吸维持能量供应和改变根系形态维持氧气供应等渍害适应机制;总结了肥料调控、生长调节剂调控和胁迫记忆等栽培措施在小麦抗渍上的应用及其机理,并对未来小麦抗渍研究进行了展望,以期为小麦的耐渍栽培和稳产高产管理提供理论支撑.

泥炭沼泽湿地仅占地球陆地面积的3％,而碳储量却占全球的30％,是陆地生态系统重要的碳库.溶解性有机质(DOM)是泥炭地碳循环重要组成部分,也是泥炭地生物地球化学过程的重要参与者.本研究利用新型电化学方法、稳定同位素技术对2个泥炭样地(矿养型泥炭沼泽,LB;雨养型泥炭沼泽,OS)地表水、地下水、土壤孔隙水中DOM及无机离子的氧化还原能力变化特征进行分析.结果表明:LB样地的无机元素丰富且浓度较高,无机主导的厌氧呼吸过程起主要作用;不同来源(地表水、地下水和孔隙水)水样中的氧化还原能力差异主要受实际氧化还原电位影响,孔隙水剖面铁和硫酸盐大多以还原价态赋存,无机电子受体会影响DOM的氧化还原活性基团发生氧化还原反应的水平和深度.OS样地的有机质极其丰富,有机电子受体参与氧化还原过程贡献显著,不同来源(地表水、地下水和孔隙水)水样中氧化还原能力差异同样受实际氧化还原电位影响,孔隙水剖面的氧化还原能力还受不同深度泥炭基质化学组成差异的影响.利用电子接受能力(EAC)和氧化指数(OI)值可表示沿梯度变化的氧化还原条件,进而可有效指示水生系统中有机质氧化还原状态.