面对全球变化,准确掌握陆地森林生态系统生物地球化学循环过程及其影响因素,有助于维持生态系统多功能性与稳定性,实现增汇并延长碳汇服务,持续增进并改善人民福祉.为了探究贺兰山山地森林生态系统优势建群种青海云杉(Picea crassifolia)林土壤生态化学计量特征对海拔的生态响应及其影响因素,从土壤、林分、地形影响因素的角度出发,采用冗余分析(Redundancy analysis,RDA)和方差分解分析(Variance partitioning analysis,VPA)阐明影响其非根和根围土壤生态化学计量特征空间变异的关键因素.结果表明:(1)贺兰山青海云杉林非根和根围土壤C、N养分含量均维持在较高水平,高海拔区域青海云杉生长受土壤P限制高;相较非根土壤,根围土壤虽养分含量较低,但具有较高的养分周转能力,如有机质分解与矿化、固持P的潜力等.(2)随海拔变化,非根和根围土壤养分及其生态化学计量比变化趋势不同,非根土除了全氮(TN)含量外其他养分含量及化学计量比在不同海拔间均差异显著(P<0.05),根围土全磷(TP)、碳磷比(C/P)具有显著性差异(P>0.05).(3)土壤、林分、地形 3 组影响因子共同累计解释了非根和根围土壤养分计量特征 61.35%、39.64%的变异;海拔、微生物量碳(MBC)和微生物量磷(MBP)是影响青海云杉林非根土壤养分计量垂直分异的主导因子,而归一化植被指数(NDVI)则显著影响其根围土壤养分计量空间特征;土壤因子对非根和根围土壤生态化学计量特征的单独作用分别是林分因子的 2 倍、3 倍.综上所述,贺兰山青海云杉林非根和根围土壤养分及其生态化学计量特征的空间异质性主要受到土壤因子的驱动,林分因子次之,地形因子的作用主要通过对环境因子的再分配改变植被、土壤性质等特征进而影响土壤生态化学计量的空间格局.本研究有助于科学评估山地生态系统土壤养分盈亏状况及其关键的影响因素,以期从生态化学计量角度为林地土壤养分调控与可持续经营管理提供科学依据和理论支持.

以水稻长期定位施肥试验土壤为研究对象,选取不施肥(CK)、化肥(NPK)、秸秆还田+化肥(NPKS)、30％有机肥+70％化肥(LOM)和60％有机肥+40％化肥(HOM)5种处理,分析水稻分蘖旺期根际土和非根际土中氨基糖积累特征.结果表明:与CK和NPK处理相比,长期施用有机物料(NPKS、LOM、HOM)显著增加了水稻根际土和非根际土中有机碳、总氨基糖及其氨基单糖(胞壁酸、氨基葡萄糖和氨基半乳糖)含量.不同施肥处理下3种氨基单糖的积累规律不同,说明不同微生物对施肥处理的响应趋势和强度有所不同.受稻田翻耕等均匀化土壤的农事操作影响,各处理总氨基糖含量在根际土与非根际土间无显著差异.氨基糖碳对土壤有机碳积累的贡献范围为24.0～28.3 mg·g-1,且以NPKS处理最高,HOM和CK处理最低.真菌氨基葡萄糖/胞壁酸比值范围为24.4 ～ 36.6,说明该试验点所有处理的根际土与非根际土中有机质的降解与转化过程以真菌为主导,且与NPK和CK相比,NPKS处理的真菌参与度提高,而施用HOM处理的细菌参与度提高.

在不同pH值(2.5、3.5、4.5和5.6)模拟酸雨处理下,研究根箱栽培马尾松(Pinus massonianaL.)幼苗生物量(根茎长、根与茎叶干重、一级侧根数)、叶绿素含量以及根系质膜相对透性的变化,在酸雨pH 3.5-5.6范围内对松树幼苗根际与非根际土壤的pH值和铝形态以及植株铝积累量进行测定,以探明酸胁迫对马尾松幼苗生长及根际铝形态的影响.结果显示:当酸雨pH从5.6降至2.5,马尾松幼苗生物量和叶绿素含量均降低,而根系质膜透性从13.2％升至36.4％,膜伤害度由轻度的4.1％提高到重度的23.2％,且重度酸胁迫下两者变化均极显著(P＜0.01);此外随酸胁迫强度的增强,马尾松根际与非根际土壤pH值分别由5.95和5.91降至4.02和3.87,而根际土壤中交换态、有机结合态铝含量则分别上升至7.27和18.1 mg/kg,且马尾松植株铝积累量增加至49.46 μtg/株,其在植株根系中的积累量明显高于地上部分.上述结果表明,酸胁迫使得马尾松根系质膜受损程度增加,叶绿素含量减少,引起光合作用减弱,幼苗生长受到抑制;另外,酸雨能改变土壤中铝化合物的形态,增加活性铝离子溶出量,其中一部分转化成有机结合态铝,另一部分则通过根系吸收累积在幼苗植株内,阻碍马尾松生长发育.

硬化地表是城市化发展的重要特征,为了明确硬化地表下土壤环境的变化,以北京典型绿化树油松和白蜡为试验材料,设置透水硬化地表(PP)、不透水硬化地表(IPP)和自然地表(Ctr)3个水平的地表类型,探讨硬化地表对非根围和根围土壤微生物量碳(MBC)、氮(MBN)的影响.结果 表明,与对照(Ctr)相比,PP和IPP显著降低了油松和白蜡树下非根围土壤MBC、MBN、MBC/OC(微生物量碳/有机碳)和MBN/TN(微生物量氮/全氮)(P＜0.05),并显著降低了油松树下根围土壤MBN/TN(P＜0.05);PP显著降低了白蜡树下根围土壤MBN、MBC/OC、MBN/TN和油松树下根围土壤MBC(P＜0.05).硬化地表引起的土壤MBC、MBN的变化与土壤全碳、全氮、有机碳的变化显著正相关(P＜0.05),MBN的变化与含水量呈显著负相关(P＜0.05).可见,硬化地表不利于土壤微生物的生长,并且在非根围土壤中表现更为明显,这种不利影响将可能进一步影响城市绿地的养分循环、树木生境和生态系统服务功能.

为研究喀斯特退耕地不同植物根际土壤碳氮水解酶活性的空间分布特征,采用喀斯特区域农田表层土壤,选择当地粮食作物玉米、牧草苜蓿及弃耕后常见草本植物莎草,进行室内根盒培养试验.利用根际土壤原位酶谱分析技术,研究不同植物根际与非根际土壤β-葡萄糖苷酶(βG)和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性的分布模式.结果 发现:1)3种植物在根尖和根伸长区都存在酶活性热点区,最大根际酶活性热点区范围为苜蓿＞莎草＞玉米;2)玉米βG和NAG根际酶活性热点范围在根尖与根伸长区范围相近约为1.13 mm,苜蓿根际βG热点区范围是根伸长区(1.98 mm)＞根尖(1.19 mm),而NAG热点区范围是根尖(0.91 mm)＞根伸长区(0.59 mm),莎草根际βG和NAG活性热点区范围均是根尖(1.38-1.86 mm)＞根伸长区(0.93-1.16 mm);3)豆科植物苜蓿的根系和根际微生物偏好碳需求,这可能与豆科植物的固氮功能有关,缓解氮养分需求;而莎草根系和根际微生物偏好氮养分,这与喀斯特土壤氮养分限制有关.总体上,苜蓿根际酶活性热点范围最广,根系和根际微生物偏好碳需求,而且其特有的固氮功能可缓解氮养分需求,对于喀斯特生态恢复效果更好.本研究的土壤原位酶谱法可为在根际酶活性热点区范围进行微生物养分获取机制提供定量依据.