江西红壤地区农田生态系统大气氮沉降通量的研究

2004年12月至2005年11月在江西鹰潭中国科学院红壤生态实验站进行了为期1a的大气氮沉降的外场观测试验。本文对观测得到的数据资料进行分析,定量给出了农田生态系统大气氮化物浓度和氮沉降通量。结果表明,鹰潭地区农田下垫面大气中NH3、NOx和ON(有机氮)的平均浓度分别为24.6、3.54、7.2μgm-3。气溶胶中铵盐、硝酸盐、ON的平均浓度分别为4.16、4.64、0.92μgm-3。降水中NH4+离子、NO3-离子、ON的平均浓度分别为0.89、0.73、0.26mgL-1。全年大气氮沉降总量为N6.26gm-2,其中干沉降为N3.19gm-2,占总沉降量的51%;湿沉降为N3.07gm-2,占总沉降量的49%。无机氮沉降为N5.47gm-2,占总沉降量的87.4%;有机氮沉降为N0.79gm-2,占总沉降量的12.6%。与草地、森林、湖泊等其他下垫面相比,江西红壤地区农田下垫面大气氮沉降量相对较大,对农田生态系统氮素平衡将产生重要影响。     

大气氮素沉降研究进展

人为干扰下的大气氮素沉降已成为全球氮素生物化学循环的一个重要组成部分。作为营养源和酸源, 大气氮沉降数量的急剧增加将严重影响陆地及水生生态系统的生产力和稳定性。本文从大气氮沉降对土壤和水体环境、农业和森林生态系统以及生物多样性等方面综述了近年来国内外大气氮素沉降的研究现状及其对生态系统的影响, 并总结探讨了前人采用的大气沉降氮测定方法, 展望了我国大气氮沉降的研究前景。     

氮沉降对土壤养分影响研究综述

土壤是组成陆地生态系统的重要组分,其养分条件决定了植物生长状况及生产力的大小。氮是植物生长的必需营养元素和主要限制因子之一,大气氮沉降的增加会改变土壤性质,从而对植物生长造成影响。为合理利用氮沉降所带来的养分及为合理施肥提供科学依据,从大气氮沉降对土壤碳、氮、磷含量的影响,以及土壤养分有效性对氮沉降的响应、土壤盐基离子含量对氮沉降的响应3个方面就大气氮沉降对土壤养分的影响进行了综述。     

氮沉降对土壤微生物影响研究热点与趋势分析

  目的  随着大气氮沉降现象加剧,其对生态系统的影响也日益严重;氮沉降改变了土壤氮库的特征,也影响了土壤中微生物群落组成和功能。采用文献计量学方法总结了近20年来国际上有关氮沉降对土壤微生物影响方面研究的特征、前沿、热点及其变化趋势。  方法  采用Citespace软件,自Web of Science核心数据库中选取2001 ~ 2020年间发表的有关大气氮沉降对土壤微生物影响方面的研究论文,从国家、学术机构、作者、期刊、关键词和学科类别等方面进行可视化分析,以阐明该研究领域的发展趋势和研究热点。  结果  结果表明,大气氮沉降对土壤微生物影响研究发文量最大的国家为美国,而发文量最大的学术机构为中国科学院,研究领域集中在环境科学、生态学和农学等学科,研究内容呈现出多学科融合趋势。  结论  目前有关大气氮沉降对土壤微生物影响方面的研究趋向于探究氮沉降影响土壤养分循环和土壤微生物对大气氮沉降响应机制。     

模拟氮沉降下施石灰对休耕红壤优势植物根际土壤微生物群落的影响

氮沉降引起红壤酸化加剧和土壤生态系统功能退化。采用休耕植物自然演替恢复土壤生物多样性和生态系统功能;同时,针对氮沉降造成的土壤酸化,通过施石灰来调控土壤pH,以期加速土壤生态恢复进程。土壤微生物群落结构的改变能够指示土壤恢复措施的影响。为探究氮沉降背景下,石灰施用措施对休耕红壤生态功能的恢复效果,以高强度农作休耕地上最初出现的优势植物狗尾草(Setaria viridis(L.)Beauv)根际为研究对象,研究模拟氮沉降(0kg·hm~(–2)、45kg·hm~(–2)和90kg·hm~(–2))下施石灰(0 kg·hm~(–2)和110 kg·hm~(–2))对根际土壤微生物群落的影响。结果表明,模拟氮沉降降低了各类群微生物磷脂脂肪酸(PLFA)量、革兰氏阴/阳性细菌比及香农多样性指数。在没有额外施氮的处理中,施石灰降低了各类群微生物PLFA量。而氮和石灰交互作用下,各类群微生物PLFA量均随氮沉降量增加而增加。结构方程模型显示,石灰对微生物群落的影响最为强烈;模拟氮沉降和施石灰通过综合影响土壤pH、养分有效性及植物—微生物养分竞争而改变微生物群落结构和多样性。总之,模拟氮沉降下施用石灰措施能够改善休耕红壤生境,降低因氮沉降造成的酸化对根际微生物群落的危害,加速土壤生态系统恢复。     

氮添加对土壤理化特性和芒萁根系生长的影响

氮沉降增加对陆地生态系统产生了巨大的影响,红壤侵蚀区生态系统较为脆弱,对氮沉降响应更加敏感。本文以芒萁为研究对象,设置不同氮添加水平的模拟试验,探讨氮沉降对红壤侵蚀区土壤理化特性和芒萁根系生长的影响。结果表明:(1)氮添加显著降低了土壤pH值与全磷含量,显著增加了土壤铵态氮与硝态氮及全氮含量,对全碳与有效磷含量无显著影响。(2)氮添加显著影响了芒萁细根生物量、平均根长、体积和根组织密度,均表现为"低促高抑"作用,对比根长则无显著影响。研究结论可为氮沉降背景下亚热带红壤侵蚀区的生态恢复提供理论参考。     

基于图谱可视化的中国大气氮沉降研究态势分析

[目的]系统地探究近10a中国大气氮沉降研究态势,为今后的相关研究提供科学借鉴。[方法]基于科学计量学与信息可视化分析方法,借助Citespace软件,从文献中分析近10a中国大气氮沉降研究热点及趋势。[结果]近10a来,在氮沉降背景下,森林生态系统中凋落物分解与土壤微生物特征一直是研究热点;近5a草地生态系统的研究地区更加广泛,但较少涉及林下草地;碳氮循环相关研究多集中于温带及亚热带森林区,研究内容更加丰富,研究方法向大数据分析及模型建立方向发展;大气氮沉降通量观测以水域生态系统为主,近5a来较多地结合了非点源污染及示踪技术。[结论]近10a来,中国氮沉降领域各学科交叉性和系统性增强,研究内容和尺度不断扩大,研究方法和技术趋于多样化;草地生态系统及微生物群落特征、氮沉降与全球变化及人类活动耦合关系研究成为近年来关注的热点。     

吉林省中部农田生态系统降雨湿沉降氮特征

大气氮沉降作为人类面临的重大问题,越来越受到人们的重视,而大气湿沉降氮更是研究热点。本文以吉林省中部生态地区为例,通过研究该农区湿沉降氮的总体特征和输入氮相关参数(p H、总氮、铵氮、硝氮),明确了该区域大气湿沉降氮年际发生规律和季节分异特征,掌握了我省中部农区农田生态系统湿沉降氮的负荷情况,得出以下结论:(1)降雨年际间变异较大,极端年出现的频次高于平均年的频次,且降水量变化具有明显的季节性,最大降雨量集中6~9月,占全年降水的70%左右;(2)降雨p H值变化幅度较小,平均值为6.91。降雨氮浓度变异系数较大,且总氮浓度超过入湖库水浓度(2 mg L-1)2倍多,而铵氮浓度介于地表水III类与IV类之间,是地下水质铵氮标准的4倍;(3)年均湿沉降总氮量为18.3 kg hm-2,无机氮的沉降量为10.3 kg hm-2,对总氮贡献率为57%;(4)氮沉降量与降雨量和氮浓度呈显著或极显著正相关关系,对于湿沉降总氮来说,雨量的相关性好于浓度的相关性,而对于湿沉降的无机氮而言,浓度的相关性好于雨量的相关性。     

氮沉降对细根分解影响的研究进展

随着人类干扰的加剧,大气中氮沉降量迅速增加,并显著影响生态系统碳循环过程。细根分解不但是陆地生态系统重要的碳汇和矿质养分库,也是土壤碳及养分的主要来源,对陆地生态系统物质和能量循环具有重要意义。细根分解是植物、土壤动物、微生物及土壤微生态系统间复杂的互作过程,氮沉降对细根分解速率的影响较为复杂,系统深入地研究氮沉降下植物、土壤动物、微生物与土壤微生态系统的相互作用方式与机理,对探索定向调控细根分解过程、预测生态系统对全球变化的响应具有重要的指导意义。对细根分解对大气氮沉降的响应进行了全面总结,系统分析和详细描述了氮沉降对细根分解关键因素的影响,及氮沉降对细根分解影响的机理;总结了目前细根分解研究中存在的问题,并对未来重点研究方向进行了展望,以期为深入研究氮沉降与陆地生态系统碳循环间的交互作用及反馈机制提供参考。     

应用无张力托盘研究施肥对黑土浅层土壤NO-3-N淋洗的影响

利用D饱和最优设计研究了施肥对黑土玉米农田生态系统硝态氮淋洗的影响,结果表明,黑土玉米农田生态系统氮磷肥配合施用,土壤淋洗液的硝态氮含量及硝态氮淋洗总量主要决定于氮素的施用量。施用氮肥减少了淋洗液的数量,但增加了淋洗液硝态氮的浓度和硝态氮淋洗总量。氮肥增加淋洗液硝态氮总量的原因是增加了淋洗液硝态氮的含量。施用磷肥增加了淋洗液的数量,但减少了淋洗液硝态氮的含量和硝态氮淋洗总量,磷肥降低硝态氮淋洗总量的主要原因是降低了淋洗液硝态氮的浓度。氮磷配合施用减少淋洗液的硝态氮含量和硝态氮淋洗总量,所降低的硝态氮淋洗量是施氮后增加的那一部分。有机肥减少了淋洗液的数量,因此使硝态氮淋洗总量减少,但淋洗液的硝态氮浓度增施有机肥后反而增加。     

中国南方典型地区阔叶林大气氮沉降通量研究

A one-year study in a typical red soil region of southern China was conducted to determine atmospheric nitrogen （N） fluxes of typical N compounds （NH3, NH4-N, NO3-N, and NO2） and contribution of three sources （gas, rainwater, and particles） to N deposition. From July 2003 to June 2004, the total atmospheric N deposition was 70.7 kg N ha^-1, with dry deposition accounting for 75% of the total deposition. Dry NH3 deposition accounted for 73% of the dry deposition and 55% of the total deposition. Moreover, NO2 contributed 11% of the dry deposition and 8% of the total deposition. Reduced N compounds （NH4^＋ and NH3） were the predominate contributors, accounting for 66% of the total deposition. Therefore, atmospheric N deposition should be considered when soil acidification and critical loads of atmospheric deposition on soils are estimated.     

模拟氮沉降对华北落叶松人工林土壤微生物碳和微生物氮的动态影响

为揭示过量的大气氮沉降对华北落叶松人工林土壤微生物碳、氮和土壤呼吸的影响,通过对照(N0:0 g/(m^2·a))、轻度施氮(N1:8 g/(m^2·a))、重度施氮(N2:15 g/(m^2·a))3个外源施氮水平下5年的野外定点试验和观测,模拟过量氮沉降条件下华北落叶松人工林土壤微生物碳、氮和土壤呼吸的变化,旨在阐明林下土壤微生物和呼吸对过量氮沉降的响应及其对土壤碳氮循环的影响。结果表明:在5-10月生长季中,土壤微生物碳和氮的平均含量分别为1 098.93,97.31 mg/kg,二者都随土层深度的增加呈下降趋势;轻度施氮促进土壤微生物碳和氮的增加,重度施氮抑制土壤微生物碳和氮的增加;土壤微生物碳和微生物氮从生长初期5月起,5-7月呈增加趋势,7月出现峰值,8月降低,9-10月小幅增加,呈现"N"形曲线。土壤微生物碳氮比为4.94~18.54,且随施氮量增加而减小。各氮处理下,华北落叶松人工林土壤呼吸速率5,6月较低,7-8月持续增加,并在8月达到最高,9-10月逐渐降低。相关分析表明,土壤呼吸与土壤全氮、含水量、微生物碳和微生物氮含量呈极显著正相关关系,与土壤有机质呈显著正相关关系。在全球变化背景下,研究结果可为进一步明确过量大气氮沉降对森林生态系统碳氮循环的影响途径和机制研究提供重要参考。     

氮添加对白羊草土壤水溶性碳氮及其光谱特征的影响

大气氮沉降对土壤的影响已成为近年来的研究热点,为了解氮沉降对黄土高原典型草原土壤质量的影响,以白羊草群落为研究对象,以氮添加的方式模拟氮沉降,选取3个氮添加梯度,分别为N1(2.5g/m~2),N2(5g/m~2)和N3(10g/m~2),并选取裸地(BL)和不施氮(CK)作为对照处理,分析了对土壤水溶性碳、氮组分及其光谱学特征的影响。结果表明,氮添加降低了WSOC/TOC和WSOC含量,随着氮添加水平增加均呈降低趋势;而对水溶性氮素组分影响较弱,仅在N2中WSN和WSON显著降低,对WS-NH+4-N,WS-NO-3-N和WSON/WSN没有显著影响。氮添加对土壤水溶性有机物质光谱特性影响显著,紫外可见光谱和荧光发射光谱分析均表明土壤水溶性有机物的主要腐殖质类型均为富里酸,随着施氮水平的增加腐殖化程度增强,结构趋于复杂化。     

中国南亚热带三种不同林型下土壤应对酸沉降的响应

Long-term changes in soil pH, the current status of soil acidification, and the response of bulk soil and soil water pH to experimental nitrogen addition under three subtropical forests were investigated in Dinghushan Biosphere Reserve of subtropical China. The results showed that the mineral soil pH at 0-20 cm depth declined significantly from 4.60-4.75 in 1980s to 3.84-4.02 in 2005. Nitrogen addition resulted in the decrease of pH in both bulk soil and soil water collected at 20-cm depth. The rapid decline of soil pH was attributed to long-term high atmospheric acid deposition (nitrogen and sulphur) therein. The forest at earlier succession stage with originally higher soil pH appeared to be more vulnerable to acid deposition than that at later succession stage with originally low soil pH.     

氮添加对亚高山针叶林土壤结构及水分入渗性能的影响

为探究大气氮沉降增加导致的土壤团聚体结构变化规律及其对土壤水分入渗性能的影响,在贡嘎山针叶成熟林和中龄林内分别设计2种氮肥形态[(NH₄)₂SO₄、KNO₃]和4个浓度水平(0,10,20,40 kg/(hm²·a)N)的添加试验,研究不同形态大气氮沉降对亚高山森林土壤团聚体结构和土壤水分入渗特征的影响。结果表明：(1)随施氮量增加,中龄林土壤大团聚体含量逐渐增加,土壤持水量、孔隙度和水分稳定入渗率逐渐增大;成熟林土壤大团聚体含量、土壤持水量、孔隙度和水分稳定入渗率均表现出先增加后降低的趋势;(2)不同形态氮添加对土壤团聚体结构、孔隙度及水分稳定入渗率的作用无显著差异;(3)土壤持水能力、孔隙度和团聚体结构是土壤入渗性能的主要影响因子,外源氮添加增加中龄林土壤持水量和孔隙度,改善中龄林土壤团聚体结构稳定性和水分入渗性能。     

利用原状土柱研究华中地区菜地土壤氮素的矿化规律

本文以华中地区两种典型的菜地土壤-黄棕壤和潮土为研究对象,采用原状土柱系统,综合考虑了大气干湿沉降、灌溉、作物携出及淋失等氮素的影响因素,通过菜地轮作(2年8季蔬菜),研究了两种土壤氮素的矿化特性。结果表明,黄棕壤氮素的矿化总量和矿化速率分别为134.52 mg和0.04 mg kg-1 d-1;潮土的矿化总量和矿化速率分别为185.93 mg和0.06mg kg-1 d-1。研究还发现,土壤氮素的矿化受季节影响较大,春夏季土壤氮素的矿化量和矿化率明显高于秋冬季,同时耕作能明显增加菜地土壤氮素的矿化量与矿化速率。试验期间通过大气沉降输入的氮素总量为118.89 mg,是氮素输入的主要方式,而湿沉降约为氮素沉降总量的81.05%。黄棕壤和潮土氮素蔬菜作物氮素的携出量分别为178.96和230.37 mg;氮素淋失量分别为103.32和113.27 mg。     

氮添加对白羊草种群及土壤特征的影响

为探究氮沉降对白羊草种群及土壤属性的影响,以黄土高原典型地带性植被白羊草种群为研究对象,通过人工添加氮素,设置不同施氮处理(0、2.5、5、10 g/(m2·a)),系统研究土壤有效氮升高对白羊草种群特征及土壤养分的影响.结果表明:1)氮添加量在一定范围内,可显著改善白羊草种群特征,超过该范围,则会影响白羊草种群正常生长.在2.5 g/(m2·a)施氮量下,白羊草花序数量和株高最大,当施氮量大于该值时,白羊草花序数量和株高呈减小趋势,地上生物量随施氮量的增加显著增加(P＜0.05);在5 g/(m2 ·a)施氮量下,白羊草根系生物量密度最大,超过该值后根系生物量密度减小.2)随施氮量的增加,土壤中有机质和硝态氮质量分数增加,速效磷质量分数减小,全氮和铵态氮无显著变化,表明土壤中有效氮质量分数增加,可影响自身及其他营养元素的吸收转化过程,从而对白羊草种群的生长产生一定影响.研究结果可为黄土丘陵区草地植被建设与管理,提供基础数据和科学依据.     

The effects of simulated nitrogen deposition on plant root traits: A meta-analysis

Global atmospheric nitrogen deposition has increased steadily since the 20th century, and has complex effects on terrestrial ecosystems. This work synthesized results from 54 papers and conducted a meta-analysis to evaluate the general response of 15 variables related to plant root traits to simulated nitrogen deposition. Simulated nitrogen deposition resulted in significantly decreasing fine root biomass (<2 mm diameter; −12.8%), while significantly increasing coarse root (≥2 mm diameter; +56.5%) and total root (+20.2%) biomass, but had no remarkable effect on root morphology. This suggests that simulated nitrogen deposition could stimulate carbon accumulation in root biomass. The root: shoot ratio decreased (−10.7%) suggests that aboveground biomass was more sensitive to simulated nitrogen deposition than root biomass. In addition, simulated nitrogen deposition increased the fine root nitrogen content (+17.6%), but did not affect carbon content, and thus decreased the fine root C:N ratio (−13.5%). These changes delayed the decomposition of roots, combined with increasing of the fine root turnover rate (+21.4%), which suggests that simulated nitrogen deposition could increase carbon and nutrient retention in the soil. Simulated nitrogen deposition also strongly affected the functional traits of roots, which increased root respiration (+20.7%), but decreased fungal colonization (−17.0%). The effects of simulated nitrogen deposition on the plant root systems were dependent on ecosystem and climate zone types, because soil nutrient conditions and other biotic and abiotic factors vary widely. Long-term simulated experiments, in which the experimental N-addition levels were less than twofold of the average of atmospheric nitrogen deposition, would better reflect the response of ecosystems under atmospheric nitrogen deposition. These results provide a synthetic understanding of the effects of simulated nitrogen deposition on plant root systems, as well as the mechanisms underlying the effects of simulated nitrogen deposition on plants and the terrestrial ecosystem carbon cycle.     

模拟氮沉降对湿性常绿阔叶次生林土壤碳氮组分和酶活性的影响

为了研究氮沉降对次生林土壤碳氮组分和酶活性的影响,以华西雨屏区湿性常绿阔叶次生林为对象,从2014年1月起进行野外定位模拟氮沉降试验,分别设置对照(CK,+0 g/(m^2·a))、低氮(LN,+5 g/(m^2·a))和高氮(HN,+15 g/(m^2·a))3个氮添加水平。在氮沉降进行27个月后,按照腐殖质层和淋溶层表层进行取样,测定不同土层土壤总有机碳(TOC)、可浸提溶解性有机碳(EDOC)、易氧化碳(ROC)、全氮(TN)、硝态氮(NO_3^-—N)和铵态氮(NH_4^+—N)含量以及蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和多酚氧化酶活性。结果表明:模拟氮沉降显著增加该次生林腐殖质层土壤的TOC和NH_4^+—N含量,显著增加腐殖质层和淋溶层表层土壤的NO_3^-—N含量,腐殖质层土壤C/N显著升高。淋溶层表层土壤TOC、NH_4^+—N、C/N以及2层土壤的EDOC、ROC、TN和NH_4^+—N/NO_3^-—N均无显著影响。2层土壤的多酚氧化酶活性均随着氮添加量的升高而降低,其中淋溶层表层达到显著差异。模拟氮沉降对蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均无显著影响。腐殖质层中,NH_4^+—N和NO_3^-—N含量与TOC含量存在极显著正相关关系。2层土壤的多酚氧化酶活性均与NO_3^-—N含量呈极显著负相关。结果说明,模拟氮沉降使该次生林中原本较高的腐殖质层土壤TOC含量进一步显著增加,并且促进土壤无机氮的积累,而模拟氮沉降对多酚氧化酶的抑制作用更加有利于土壤有机质的积累。