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氮沉降对森林土壤碳矿化影响的生物学机制

世界林业研究 2024年

作者：王明柳陆梅黄敏超孙煜佳郭础鸟刘国庆西南林业大学生态与环境学院

大气氮沉降及CO2浓度剧增所导致的全球变化已经成为当今世界面临的严峻生态环境问题。土壤碳矿化作为森林生态系统碳循环的关键过程，不仅影响森林土壤碳的固定与转变，而且通过CO2释放，影响全球气候变暖。探明大气氮沉降对土壤碳矿化... 详细信息

大气氮沉降及CO2浓度剧增所导致的全球变化已经成为当今世界面临的严峻生态环境问题。土壤碳矿化作为森林生态系统碳循环的关键过程，不仅影响森林土壤碳的固定与转变，而且通过CO2释放，影响全球气候变暖。探明大气氮沉降对土壤碳矿化影响的生物学机制，有助于丰富人们对森林土壤碳源—汇平衡过程的科学认识，在全球变化研究中具有极其重要的意义。文中基于森林“植物—微生物—土壤动物”交互作用的生态学过程，阐明了大气氮沉降增加背景下森林植物(凋落物、根系及其分泌物)、土壤微生物(生物量、群落结构、多样性、养分代谢竞争)、土壤酶(种类、数量、活性)、土壤动物(蚯蚓、蚂蚁、线虫、螨类、跳虫)等生物因素变化对土壤碳矿化的影响过程及机制，以期为准确预测大气氮沉降对全球气候变化的影响提供关键理论支撑。

关键词：氮沉降碳矿化生物学机制植物根系土壤酶活性土壤微生物土壤动物

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氮沉降对半干旱草原植物群落钙浓度的影响

Journal of Plant Ecology 2022年第2期15卷 286-293页

作者： Shuang-Li Hou Xiao-Tao Lü Jun-Jie Yang Erguna Forest-Steppe Ecotone Research Station CAS Key Laboratory of Forest Ecology and ManagementInstitute of Applied EcologyChinese Academy of SciencesShenyang 110016China State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change Institute of BotanyChinese Academy of SciencesBeijing 100093China

钙(Ca)是植物生长所必需的营养物质,牧草中钙的含量对反刍动物的饲粮和健康具有重要意义。目前,关于氮沉降增加是否改变牧草的Ca浓度仍不是十分清楚。我们于2008–2015年在中国北方半干旱草原开展了氮沉降速率增加实验,测定了不同氮处... 详细信息

钙(Ca)是植物生长所必需的营养物质,牧草中钙的含量对反刍动物的饲粮和健康具有重要意义。目前,关于氮沉降增加是否改变牧草的Ca浓度仍不是十分清楚。我们于2008–2015年在中国北方半干旱草原开展了氮沉降速率增加实验,测定了不同氮处理下每个样方内所有植物的Ca浓度,并且根据各样方内每个物种的Ca浓度及其相对生物量,计算出功能群水平和群落水平的植物Ca浓度。研究结果表明,尽管物种水平和功能群水平的Ca浓度对氮沉降表现为负响应,但群落水平Ca浓度在整个氮添加速率梯度上保持稳定。由于杂类草Ca浓度显著高于禾草,杂类草相对生物量的增加抵消了物种水平和功能群水平Ca浓度对氮沉降的负响应。另外,群落Ca库对氮添加速率表现为正饱和响应,且阈值为10 g N m^(−2)yr^(−1)。本研究表明了氮沉降背景下植物相对生物量的变化对调控牧草Ca浓度和储量具有重要作用。

关键词：钙储量群落组成生态过程全球变化氮沉降温带草原

氮沉降增加和人类干扰对半干旱草地土壤呼吸的影响

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农业工程学报 2020年第15期36卷 120-127页

作者：赵欣鑫李玉霖李有文巨天珍中国地质大学(武汉)环境学院武汉430074 中国科学院西北生态环境资源研究院奈曼沙漠化研究站兰州730000 喀什大学化学与环境科学学院喀什844000 西北师范大学地球与环境科学学院兰州730000

土壤呼吸是全球碳循环的主要流通途径,但半干旱草地土壤呼吸对全球变化和人类干扰的响应机制尚不清楚。该研究以科尔沁沙质草地为研究对象,研究氮沉降增加、人类干扰(火烧、刈割)及其交互作用对沙质草地整个植物生长季(2017年5-9月)土... 详细信息

土壤呼吸是全球碳循环的主要流通途径,但半干旱草地土壤呼吸对全球变化和人类干扰的响应机制尚不清楚。该研究以科尔沁沙质草地为研究对象,研究氮沉降增加、人类干扰(火烧、刈割)及其交互作用对沙质草地整个植物生长季(2017年5-9月)土壤呼吸的影响。结果表明,土壤呼吸呈明显的季节动态变化,在7月最高。氮沉降增加使根呼吸显著提高42%,土壤呼吸显著增加17%(P0.05)。刈割显著降低了土壤温度,诱导微生物呼吸和根呼吸分别降低13%(P氮沉降增强了火烧对土壤呼吸的促进作用,但未显著影响刈割对土壤呼吸的抑制作用。氮沉降、火烧和刈割对土壤呼吸的不同影响可对全球变化背景下沙质草地土壤碳循环的预测和天然草地的科学管理提供参考。

关键词：土壤呼吸氮沉降火烧刈割交互作用科尔沁沙地

氮沉降下西南山地针叶林根际和非根际土壤固碳贡献差异

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植物生态学报 2023年第9期47卷 1234-1244页

作者：张英张常洪汪其同朱晓敏尹华军中国科学院成都生物研究所中国科学院山地生态恢复与生物资源利用重点实验室生态恢复与生物多样性保育四川省重点实验室成都610041 中国科学院大学北京100049

由于复杂的根系-土壤互作过程,根际土壤碳(C)动态对氮(N)沉降的响应可能与非根际土壤存在较大差异,但目前关于N沉降下根际和非根际土壤C动态响应差异及其对土壤C固存的贡献方向与大小尚不明晰。基于此,该研究以西南山地典型云杉(Picea a... 详细信息

由于复杂的根系-土壤互作过程,根际土壤碳(C)动态对氮(N)沉降的响应可能与非根际土壤存在较大差异,但目前关于N沉降下根际和非根际土壤C动态响应差异及其对土壤C固存的贡献方向与大小尚不明晰。基于此,该研究以西南山地典型云杉(Picea asperata)人工林为研究对象,依托研究团队前期建立的模拟N沉降(对照:0 kg·hm^(–2)·a^(–1);N添加:25 kg·hm^(–2)·a^(–1))实验样地,分别测定了根际与非根际土壤有机碳(SOC)及其物理组分和化学组分含量,并借助于根际空间数值模型,区分和量化了N添加下根际、非根际SOC和不同组分C库含量差异及其对土壤总C增量的贡献效应。研究结果表明:(1)尽管N添加处理同时增加了根际、非根际SOC及其物理、化学组分含量,但仅在根际区达到显著水平。具体地,与对照相比,N添加导致根际SOC含量增加了23.64%,其中颗粒有机碳(POC)、矿物结合态有机碳(MAOC)和活性碳(LP-C)、惰性碳(RP-C)含量分别增加了19.63%、18.01%和30.48%、15.01%。(2)通过云杉林总SOC库增量(0.88 kg·m^(–2))与根际空间数值模型结果相互印证,确定西南山地针叶林根际有效范围为1.6 mm。在该范围内,N添加导致根际和非根际SOC储量分别增加了33.37%和7.38%,分别贡献了总SOC库增量的45.45%和54.55%。其中,活性C组分(POC和LP-C)是N添加下根际SOC累积的主要贡献者。上述结果表明,西南山地针叶林根际和非根际土壤在N沉降下均发挥重要的土壤C汇作用,但根际土壤C汇效应更为显著。该研究充分强调了未来N沉降下应将根际C过程纳入森林土壤C循环模型参数构建之中,以更准确评估和预测全球变化下森林生态系统土壤C源/汇功能变化。

关键词：土壤有机碳土壤碳组分氮沉降根际土壤非根际土壤针叶林

氮沉降影响草地生态系统土壤氮循环过程的研究进展

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草业学报 2022年第6期31卷 221-234页

作者：陆姣云张鹤山田宏熊军波刘洋动物胚胎工程及分子育种湖北省重点实验室湖北省农业科学院畜牧兽医研究所湖北武汉430064

人类活动及化石燃料应用的加剧增加了大气中的氮沉降,对陆地生态系统氮素循环过程造成了显著影响,从而影响生态系统生产力及稳定性。草地作为陆地生态系统的重要组成部分,常因为人们的过度利用及保护意识不强,造成资源损失、养分失衡,... 详细信息

人类活动及化石燃料应用的加剧增加了大气中的氮沉降,对陆地生态系统氮素循环过程造成了显著影响,从而影响生态系统生产力及稳定性。草地作为陆地生态系统的重要组成部分,常因为人们的过度利用及保护意识不强,造成资源损失、养分失衡,严重限制了畜牧业的发展。探究氮沉降对草地生态系统氮循环的影响对提高草地生产力,合理开发与利用草地资源具有重要意义。通过追踪国内外已有的研究成果发现,大部分氮添加抑制了生物固氮过程,促进了土壤的硝化作用、反硝化作用和矿化作用,并抑制了固氮微生物活性,增加了硝化功能微生物氨氧化细菌(AOB)、反硝化微生物功能基因nirK、nirS、narG、nosZ的丰度。但是因为草地本底氮营养差异及施氮措施的不同导致少数研究中土壤氮循环对氮沉降的响应出现不同结果。通过总结已有研究发现:1)土壤本底营养及氮吸收阈值的不同造成氮沉降对氮循环的影响存在差异;2)微生物作为土壤氮素循环的重要参与者,对不同施氮时间、频率、数量等的响应存在差异;3)土壤中氮循环的各环节紧密耦联,相互影响,但现有的研究大多只针对某一环节开展,研究结果不具有全面性。因此,在未来的研究中,应针对不同营养水平的草地,加强氮控制条件下土壤氮循环微生物变化的研究,关注多环节的耦联关系,对于提高草地生态系统功能,并减轻氮素损失对环境造成的威胁意义重大。

关键词：氮沉降氮循环草地生态系统微生物

氮沉降和接种菌根真菌对灌木铁线莲非结构性碳水化合物及根际土壤酶活性的影响

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南京林业大学学报（自然科学版） 2022年第1期46卷 171-178页

作者：张晓荣段广德郝龙飞刘婷岩张友张盛晰内蒙古农业大学林学院内蒙古呼和浩特010019 内蒙古自治区林业工作总站内蒙古呼和浩特010020

【目的】通过研究氮沉降和接种菌根真菌处理对植物根际土壤酶活性和非结构性碳水化合物含量的影响,探讨全球氮沉降变化背景下植物根际微生态环境及植物生长的应对策略。【方法】以1年生盆栽灌木铁线莲单一接菌(根内根孢囊霉,编号+R;摩... 详细信息

【目的】通过研究氮沉降和接种菌根真菌处理对植物根际土壤酶活性和非结构性碳水化合物含量的影响,探讨全球氮沉降变化背景下植物根际微生态环境及植物生长的应对策略。【方法】以1年生盆栽灌木铁线莲单一接菌(根内根孢囊霉,编号+R;摩西斗管囊霉,编号+F)、混合接菌(根内根孢囊霉和摩西斗管囊霉体积比1∶1的混合菌剂,编号+RF)的菌根苗和非菌根苗(未接菌,编号-M)为研究对象,设置4个氮沉降处理试验,即不施氮[CK,0 g/(m^(2)·a)]、低氮[LN,3 g/(m^(2)·a)]、中氮[MN,6 g/(m^(2)·a)]、高氮[HN,9 g/(m^(2)·a)],测定1年生灌木铁线莲苗木非结构性碳水化合物(NSC)[可溶性糖(SS)、淀粉(ST)],以及根际土壤酶[β-1,4葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-1,4-N-乙酰-氨基葡糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(ACP)和碱性磷酸酶(ALP)]等指标。基于单因素方差分析、双因素交互作用分析和相关性分析方法,在氮沉降量增加的背景下,研究不同接菌处理对苗木根际土壤碳、氮、磷相关酶活性及苗木各器官内非结构性碳水化合物分配的影响,从而探讨接菌处理下各指标对不同氮沉降水平的响应差异。【结果】(1)除BG活性外,氮沉降、接种菌根真菌及二者交互作用显著影响灌木铁线莲根际土中氮、磷相关酶活性。HN处理下,接种菌根真菌显著降低苗木根际土壤NAG活性。-M处理下,与磷相关的根际土壤ACP和ALP活性在HN条件下显著增加。+R和+F处理下,ALP均在HN处理达到最大。(2)氮沉降、接种菌根真菌及二者交互作用显著影响灌木铁线莲苗木非结构性碳水化合物。氮沉降处理下,各接菌处理苗木SS、ST和NSC含量高于未接菌处理苗木的,且在+F处理苗木的SS、ST和NSC含量均达到最大。(3)在LN、MN和HN处理下,-M处理苗木的各器官NSC含量大小顺序为茎氮沉降和接种菌根真菌处理下,SS、ST、NSC含量与土壤氮相关的NAG活性显著负相关,而与磷和碳相关的酶显著正相关;其中苗木非结构性碳水化合物与磷相关土壤酶ALP活性的相关性系数最高,与碳相关土壤酶BG活性相关性系数最低。【结论】氮沉降和接种菌根真菌处理对灌木铁线莲苗木根际土壤氮、磷相关酶活性的影响高于对根际土壤碳相关酶活的影响,氮沉降处理显著增强菌根苗根际土壤磷酸酶活性。氮沉降背景下,接菌处理提高了苗木非结构性碳水化合物含量,其中接种摩西斗管囊霉的效果最为显著,且明显增加了高氮环境中苗木对根中非结构性碳的分配。

关键词：灌木铁线莲丛枝菌根真菌氮沉降土壤酶活性非结构性碳水化合物

长期氮水添加对温带草原土壤化学性质和微生物学特性的短期遗留效应

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应用生态学报 2023年第7期34卷 1834-1844页

作者：代泽成刘月秀党宁王志瑞蔡江平张玉革宋永波李慧姜勇沈阳药科大学生命科学与生物制药学院沈阳110016 中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳110016 沈阳大学环境学院沈阳110044

据预测,内蒙古东部地区未来将出现氮沉降加剧和夏季降水增加的趋势,但大气氮沉降和降水增加都是不可持续的,增加强度可能减弱,也可能出现降低趋势。目前,历史氮、水输入停止后对生态系统的遗留效应尚不明确。本研究基于中国北方温带草... 详细信息

据预测,内蒙古东部地区未来将出现氮沉降加剧和夏季降水增加的趋势,但大气氮沉降和降水增加都是不可持续的,增加强度可能减弱,也可能出现降低趋势。目前,历史氮、水输入停止后对生态系统的遗留效应尚不明确。本研究基于中国北方温带草原长达13年的氮、水添加实验平台,于处理第14年开始定向停止氮、水添加处理,探讨了历史氮、水添加在短期(2年)内对土壤理化性质和微生物学特性的遗留效应。结果表明:停止添加两年后,历史氮添加对铵态氮、硝态氮、可溶性有机碳、氮和速效磷等土壤养分指标的正向遗留效应消失;但对大部分土壤微生物学特性指标仍存在遗留效应,历史15 g N·m^(-2)·a^(-1)添加处理微生物生物量碳、土壤呼吸和碱性磷酸单酯酶活性分别降低73.3%、81.9%和70.3%,表明氮输入停止后微生物学指标的恢复比土壤养分指标慢,具有迟滞效应。相关分析和冗余分析表明,氮对微生物学特性的负向遗留效应与对土壤pH的负向遗留效应有关。历史水添加在处理停止两年后,对土壤pH、铵态氮、可溶性有机碳、氮等以及土壤呼吸、酶活性等仍表现出显著的遗留效应,并与氮沉降的遗留效应存在交互作用。研究结果对预测局域环境改善条件下草地生态系统功能和服务变化趋势及揭示退化草地恢复机制具有重要意义。

关键词：氮沉降降水增加遗留效应土壤酶活性微生物生物量

氮沉降下西南山地针叶林根际和非根际土壤微生物养分限制特征差异

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植物生态学报 2022年第4期46卷 473-483页

长期氮(N)沉降诱导了土壤养分失衡,深刻影响着森林生态系统养分循环过程、生态功能及其可持续发展。前期研究发现N沉降下西南森林树木生长受到不同程度的磷(P)限制,而土壤微生物是否表现出与植物养分限制特征协同的响应仍未明确。基于此... 详细信息

长期氮(N)沉降诱导了土壤养分失衡,深刻影响着森林生态系统养分循环过程、生态功能及其可持续发展。前期研究发现N沉降下西南森林树木生长受到不同程度的磷(P)限制,而土壤微生物是否表现出与植物养分限制特征协同的响应仍未明确。基于此,该研究以西南山地典型人工针叶林——华山松(Pinus armandii)林为对象,通过野外原位模拟N沉降实验,测定了土壤有效养分供给、土壤微生物生物量(碳(C)、N、P)含量以及胞外酶活性,结合生态酶化学计量的3种模型(比值模型、矢量分析模型与阈值元素比率模型)验证森林根际/非根际土壤中微生物是否受P养分限制。结果表明:(1)N添加下两个土壤位置(根际和非根际土壤)酸性磷酸酶(AP)活性分别显著升高52.5%和53.2%,导致土壤酶活性N:P分别降低7.8%和4.8%;(2)矢量模型分析发现N添加下两个土壤位置的矢量角度均大于45°,根际土壤和非根际土壤的矢量角度分别为52.2°和49.0°;(3)N添加下两个土壤位置C:P阈值(TERC:P)显著降低,导致C:P阈值与土壤有效C:P的比值(TERC:P/AvC:P)远小于1,且根际土壤表现更明显。综上所述,3个模型均表明N沉降加剧了土壤微生物代谢的P限制,且根际土壤微生物P限制程度更强,这与土壤和微生物养分含量及其化学计量特征密切相关。该研究结果可为全球气候变化下森林生态系统的适应性管理提供重要科学依据。

关键词：微生物养分限制土壤酶化学计量氮沉降根际/非根际土壤针叶林

氮沉降和降水格局变化对南亚热带森林土壤微生物群落的影响

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应用与环境生物学报 2023年第3期29卷 617-623页

作者：刘岳刘旭军宋雨婷列志旸周曙仡聃苏炜刘菊秀中国科学院华南植物园中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室广州510650 中国科学院大学北京100049

南亚热带地区正面临氮沉降加剧和降水格局变化的双重挑战,深刻影响着生态系统的稳定性.土壤微生物是维系陆地生态系统地上-地下相互作用的纽带,对全球变化响应敏感.为探究土壤微生物对氮沉降和降水格局变化及其交互作用的响应,采用开顶... 详细信息

南亚热带地区正面临氮沉降加剧和降水格局变化的双重挑战,深刻影响着生态系统的稳定性.土壤微生物是维系陆地生态系统地上-地下相互作用的纽带,对全球变化响应敏感.为探究土壤微生物对氮沉降和降水格局变化及其交互作用的响应,采用开顶箱(open-top-chamber,OTC)设计模拟南亚热带森林生态系统,并设置对照(CK)、降水格局变化(DD)、氮沉降增加一倍(AN)和氮沉降增加一倍+降水格局变化交互(ANDD)4种处理,采用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)法测定土壤微生物群落结构.结果显示,AN处理显著影响了微生物总PLFAs量和各微生物类群PLFAs量,表现为干季增加而湿季降低;DD处理对微生物总PLFAs量和各微生物类群PLFAs量无显著影响;ANDD处理增加了干季微生物总PLFAs量、真菌和革兰氏阳性菌PLFAs量,降低了湿季微生物总PLFAs量和真菌PLFAs量.DD、AN和ANDD处理对干、湿季土壤真菌/细菌(F/B)和革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌(G+/G-)均无显著影响,且不改变整体微生物群落结构.相关性分析发现,土壤微生物在干季主要受土壤pH、含水量和有机碳的影响,在湿季受土壤铵态氮和硝态氮的影响.本研究结果表明氮沉降和降水格局变化对微生物PLFAs量表现出明显的拮抗作用,但对微生物群落结构无显著影响;因此,仅考虑氮沉降单一因素影响可能会高估土壤微生物对全球变化的响应,而全球变化因子间的互补机制可能是限制土壤微生物对全球变化响应的重要因素.

关键词：微生物群落结构磷脂脂肪酸氮沉降降水格局变化森林生态系统