15N库稀释法和15N示踪法在草地生态系统氮转化过程研究中的应用——方法与进展

氮素(N)是陆地生态系统尤其是草地生态系统第一生产力的重要限制性养分之一.陆地生态系统N素的可利用性由土壤N素的转化速率决定,其中包括氨化和硝化2个重要过程.准确测定N素在各转化过程中的量,对于估算陆地生态系统N转化非常重要.稳定性同位素¹⁵N由于其安全、准确且不干扰自然生态系统等特点,近年来在生态系统N循环研究方面得到广泛应用,常用方法包括¹⁵N自然丰度法、¹⁵N还原法、¹⁵N库稀释法和¹⁵N示踪法.在查阅大量文献的基础上,搜集整理了¹⁵N库稀释法和¹⁵N示踪法的详细操作流程并综述了其在草地生态系统应用的最新进展,分别从不同草地管理方式(增施氮肥、放牧、火烧和刈割等)和全球气候变化(增温、增雨、大气氮沉降和CO₂浓度升高等)对草地生态系统N转化过程的影响进行论述.同位素¹⁵N在草地生态系统应用的方法同样适用于森林、农田以及其他陆地生态系统.     

放牧对内蒙古不同类型草原植物和土壤总氮与稳定氮同位素的影响

为了探究过度放牧对不同草原生态系统氮（N）素的影响,选取内蒙古3种主要类型草原（草甸草原、典型草原和荒漠草原）为研究对象,分析了连续多年过度放牧对植物生物量与叶片、根系和土壤中总氮（TN）和稳定氮同位素（δ¹⁵N）值的影响。研究结果表明：过度放牧显著降低草原植被地上、地下生物量（P<0.05）;无牧条件下,3种主要类型草原植物叶片、根系和土壤的TN、δ¹⁵N值自东向西呈现下降趋势,并且所有植物叶片（R²=0.73, P<0.001）、根系（R²=0.86, P<0.001）的TN和δ¹⁵N表现出显著正相关;过度放牧降低了3种草原植物叶片、根系和土壤中TN、δ¹⁵N的值。综上所述,过度放牧对3种草地生态系统N循环造成不同程度的影响,因此我们应采取多样化的管理方式,使草原生态系统可持续发展。     

不同高寒草甸土壤碳氮稳定同位素和密度的差异

为了解不同类型高寒草甸土壤碳氮稳定同位素和密度的差异,采用稳定同位素质谱仪Isoprime100对采自黄河源区不同高寒草甸覆被条件下0~30 cm土壤进行了碳氮稳定同位素组成特征和密度分析。结果表明,高寒草甸土壤δ¹³C值介于-25.42‰~-24.20‰之间,δ¹⁵N值介于3.37‰~4.69‰之间,显著高于大气δ¹⁵N值。δ¹³C值和δ¹⁵N值均随土壤深度加深而增大。人工草地土壤δ¹³C值显著低于轻度和重度退化草甸(P<0.05),而δ¹⁵N值显著高于轻度和重度退化草甸(P<0.05)。土壤碳氮比最小值为7.89,最大值为9.97,平均碳氮比为8.71。土壤有机碳含量和全氮含量呈正相关(P<0.01),二者的回归方程为y=0.0963x+0.0336(R²=0.9619)。轻度退化草甸、严重退化草甸和人工草地0~30 cm土壤碳密度依次为7.14、6.67和6.46 kg/m²;全氮密度依次为0.83、0.77和0.75 kg/m²。植物吸收、生长有利于¹²C和¹⁴N的输出,而将较重的¹³C和¹⁵N留在了土壤中。人工草地植物生长势强,形成的地上生物量多,吸收了较多的土壤氮素¹⁴N,导致土壤¹⁵N升高。植被退化或种植人工草地均可导致土壤碳氮密度的显著降低,这种变化主要发生在0~20 cm土层。     

模拟CO2升高及降水变化对红砂碳氮特征的影响

为探讨荒漠植物红砂根、茎、叶在CO₂升高与降水变化条件下的碳氮含量及分配特征,以当年生民勤红砂为试验材料,利用开顶式CO₂控制气室,研究了350、550及700 μmol·mol^-13种CO₂浓度和降水减少30%(-W₂)、减少15%(-W₁)、自然降水(W₀)、增加15%(+W₁)和增加30%(+W₂)5个降水变化下红砂根、茎、叶的有机碳、全氮含量、C/N及有机碳和全氮积累(吸收)量。结果表明:1)相同降水条件下,CO₂浓度升高使根、茎、叶有机碳含量显著增加,全氮含量显著减少;在-W₂降水量和700 μmol·mol^-1CO₂浓度时根有机碳含量增幅最大(13.33%),在+W₁降水量和700 μmol·mol^-1CO₂浓度时叶全氮含量降幅最大(56.31%);CO₂浓度升高使红砂根、茎、叶C/N显著升高,对有机碳、全氮积累(吸收)量影响显著。2)相同CO₂浓度条件下,降水增加对根、茎、叶有机碳含量及全氮含量影响显著;550 μmol·mol^-1CO₂浓度和+W₂降水量时叶有机碳含量增幅最大(11.56%),700 μmol·mol^-1CO₂浓度和+W₂降水量时叶全氮含量降幅最大(35.31%);降水量对红砂根、茎、叶的C/N及有机碳、全氮积累量影响显著。3)在CO₂浓度升高与降水变化下,红砂有机碳含量在根中最高,全氮含量在叶中最高,C/N在根中最大,红砂有机碳、全氮积累(吸收)量在叶中最高。综上所述,未来CO₂浓度升高及降水改变的情况下,红砂生长情况取决于CO₂浓度与降水量的协同作用对有机碳、全氮含量的影响,CO₂浓度升高会在一定程度上减缓干旱对红砂碳氮吸收及利用的抑制作用,在湿润条件下能有效地增强红砂对碳氮的吸收及利用能力。     

10年禁牧未改变藏西北高寒荒漠植物水氮利用效率

在气候变化和过度放牧影响下,高寒草地退化日趋严重。当前,围栏封育作为退化草地生态恢复的主要措施之一,其对植物功能性状和生理过程影响的研究相对较少。以藏西北荒漠草原植物为对象,选取植物叶片碳（LCC）和氮含量（LNC）及稳定同位素组成（δ¹³C和δ¹⁵N）来表征植物水分利用效率（WUE）和氮素利用效率（NUE）,以期探明围栏封育对高寒荒漠草原植物WUE和NUE的相对影响。结果表明：1）高寒荒漠草原不同功能群植物间LCC、LNC、δ¹³C和δ¹⁵N存在差异;2）在植物群落和功能群水平上,围栏封育对LCC、LNC、δ¹³C和δ¹⁵N均无显著影响;3）土壤含水量和pH值是影响荒漠植物叶片δ¹³C的主要因子,表明植物内在WUE主要受土壤因素的调控。生长季气温是影响叶片δ¹⁵N的主导因子,表明气候条件是影响藏西北荒漠草原生态系统氮循环的主导因素;4）荒漠草原植物WUE和NUE之间无明显权衡关系。综上所述,短期围栏封育并不会显著改变藏西北荒漠草原植物WUE和NUE;且荒漠草原生态系统碳氮循环主要受当地环境因素影响。因此,建议在脆弱高寒荒漠生态学研究中加强关于植物生理和功能性状对环境变化响应过程的研究,从而更好地理解群落构建和演替以及养分循环机制。     

放牧、氮添加对荒漠草原植物和土壤碳氮的影响

为了探究放牧和氮添加对内蒙古荒漠草原植物—土壤碳、氮循环的影响,在禁牧(UG,0只羊单位·hm^-2)和重度放牧(HG,1.74只羊单位·hm^-2)样地进行氮添加处理,各处理水平为：对照(CK,0 g·m^-2·a^-1)、低氮(LN,5 g·m^-2·a^-1)、中氮(MN,10 g·m^-2·a^-1)和高氮(HN,20 g·m^-2·a^-1)。通过对短花针茅(Stipa breviflora)叶片和土壤全碳(Total carbon, TC)、全氮(Total nitrogen, TN)、稳定碳同位素(Stable carbon isotopes, δ¹³C)、稳定氮同位素(Stable nitrogen isotopes, δ¹⁵N)及土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)、速效氮(Available nitr...     

三江源区高寒草甸草场植被和土壤对外源氮素输入的响应

为了探究不同形态氮素在高寒草甸中的分配及利用情况,本研究以玉树州称多县的高寒草甸为研究对象,利用¹⁵N标记技术,设置对照（N0）、铵态氮（N1,（¹⁵NH₄）₂SO₄）、硝态氮（N2,Ca （¹⁵NO₃）₂）、酰胺态氮（N3,CO （¹⁵NH₂）₂）四种处理,测定不同形态氮素添加下植物和土壤中的全氮及氮素回收率的指标。结果表明：不同形态氮素添加对植物地上部分生物量及全氮含量影响显著（P<0.05）,但对土壤全氮含量无显著影响;氮素的当季利用率在6.28%～26.82%之间,土壤残留率在16.06%～58.13%之间,损失率在15.05%～77.66%之间。试验表明高寒草甸中酰胺态是提高植物地上生物量、全氮含量及氮素利用率的最佳氮素形态。     

CO2浓度升高及降水变化对红砂植物碳氮特征的影响

本研究以荒漠优势植物红砂（Reaumuria soongorica） 1年生幼苗为研究对象,采用开顶式生长箱（Open top chambers,OTCs）模拟CO₂浓度变化（350和700 μmol·mol^-1）,研究了降水变化（-30%,-15%,0,+15%和+30%）及其协同作用对红砂地上和地下部分碳、氮含量与积累量的影响。结果发现：CO₂浓度倍增和降水对红砂地上和地下部分有机碳、全氮含量和有机碳积累量以及地上全氮积累量影响极显著,并且表现出极显著的交互作用。CO₂浓度倍增下,红砂地上和地下部分有机碳、C/N和有机碳积累量以及地下部分全氮显著增加。随着降水增加,红砂地上和地下部分有机碳含量和积累量以及地下部分全氮均呈增加趋势,地上和地下部分C/N呈先降后升趋势,而地上部分全氮先升后降。综上所述：未来CO₂升高时,降水增加协同高CO₂浓度有助于红砂植株有机碳积累,从而促进红砂植株对氮素的吸收,降水减少则有利于红砂调节自身碳氮平衡从而提高其抗旱性。     

祁连山东段高寒草甸高原鼢鼠和白牦牛营养生态位及其种间关系

了解同域分布的高原鼢鼠和家畜的营养生态位关系,对于正确认识高原鼢鼠在草地生态系统中的功能和位置,以及科学界定其危害具有重要意义。本研究选择祁连山东段高寒草甸同域分布的高原鼢鼠与白牦牛作为研究对象,通过稳定性同位素(¹³C和¹⁵N)技术研究二者的营养生态位及其种间关系。结果表明,高原鼢鼠食物源中的¹⁵N和¹³C稳定同位素在其肌肉中富集的时间最短,在毛发和骨骼中富集的时间最长,而白牦牛食物源中的¹⁵N和¹³C稳定同位素在其毛发中富集的时间最短,在肌肉和骨骼中富集的时间最长;白牦牛各组织中,肌肉组织的营养层次(NR)、摄食来源的多样性水平(CR)、δ¹³C/δ¹⁵N围成的总面积(TA)和校正后的总面积(SEA_C)最高,其次是骨骼组织,在毛发中最低,而在高原鼢鼠各组织中,骨骼组织的上述4种生态位指标最高,其次是肌肉组织,在毛发中最低;2种食草动物只有在肌肉组织中有生态位重叠,重叠面积为0.192‰<...     

氮磷钾肥对高羊茅扩展性和根系特性的影响

通过3因素3水平田间正交试验,研究了氮(N)、磷(P)、钾(K)肥对高羊茅(Festuca arundinacea Schreb.)单株扩展性和根系特性的影响,以期为西北地区高羊茅草坪合理施肥提供依据。结果表明:N肥是影响高羊茅地上扩展的主要因素,N肥施量越大,植株越高,覆盖面积和地上植物量越大,分蘖随N肥施量的增加呈先增大后减小的趋势,10 g/m²N肥高羊茅的分蘖数最多;P肥是影响高羊茅地下扩展的主要因素,P肥施量越大,根系越深,地下植物量、根系表面积和根系体积越大,根系扩展幅度随P肥施量的增加呈先增大后减小的趋势,10 g/m²P肥高羊茅的根系扩展幅度最大,3种肥料对地上、地下和综合扩展性的影响大小顺序分别为N>K>P、P>N>K和N>P>K;处理组合N₁₅P₁₅K₈,即15 g/m²N肥15 g/m²P肥、8 g/m²K肥是促进高羊茅地上扩展的最佳施肥组合,处理组合N₅P₁₅K₁₂,即5 g/m²N肥15 g/m²P肥12 g/m²K肥是促进高羊茅地下扩展的最佳施肥组合,处理组合N15P10K4,即15 g/m²N肥10 g/m²P肥4 g/m²K肥是促进高羊茅综合扩展的最佳施肥组合。     

CO2浓度升高、干旱胁迫和氮沉降对白羊草光响应曲线的影响

为揭示白羊草(Bothriochloa ischaemum (L.) Keng.)对全球气候变化的光合生理特征响应规律,采用盆栽控制试验,研究了白羊草在不同CO₂浓度、水分条件和施氮水平下叶片的叶绿素含量和光响应曲线特征。结果表明:随CO₂浓度升高和施氮量增加,白羊草叶片SPAD值,最大净光合速率(P_max),表观量子效率(AQE)和光饱和点(LSP)均呈增加趋势;干旱胁迫降低了SPAD值,P_max和LSP。多因素方差分析表明,CO₂浓度,水分处理和施氮水平对SPAD值,P_max和LSP有极显著影响,施氮水平对AQE有极显著影响。CO₂浓度和水分处理对P_max,AQE和LSP有显著的交互作用;CO₂浓度和施氮水平对P_max,AQE和光补偿点(LCP)有极显著的交互作用;水分处理和施氮水平对P_max,AQE和LSP有极显著的交互作用。RDA分析表明氮素是影响白羊草光合特征的最重要因素。全球CO₂浓度升高和氮沉降增加对干旱胁迫引起的白羊草光合速率下降有显著的缓解作用。     

关中地区紫花苜蓿，小麦及玉米根际土壤理化性质研究

为进一步明确关中地区基于牧草种植和传统农作物生产对土壤理化性质的影响，本试验测定了单播紫花苜蓿(A)、玉米(M)、小麦(W)及套种紫花苜蓿和玉米(AM)四年后土壤碳氮含量、稳定性同位素、微生物生物量及酶活性。结果表明：紫花苜蓿根际土壤全氮(TN)、同位素氮(δ¹⁵N)、微生物生物量碳氮(MBC、MBN)及蔗糖酶(SUC)、脲酶(UR)和中性磷酸酶(NP)均显著高于小麦和玉米。此外，AM的根际土壤全碳(TC)，TN和MBC显著高于单播作物。土壤TC和TN分别与δ¹⁵N,MBC和NP等呈极显著正相关(P<0.01)，且冗余分析中土壤C,N及微生物生物量分别解释了酶活性变化的50.86%和69.81%。因此，关中地区基于豆科牧草紫花苜蓿的种植模式能够实现C,N资源的高效利用与土壤的可持续生产。本研究从土壤理化性质的角度为关中地区落实“粮改饲”等政策，实现农业资源的高效利用提供理论依据。     

不同剂型联合固氮菌肥对青稞促生效应和固氮能力研究

利用联合固氮菌(Associative nitrogen-fixing bacteria)制作菌肥,设7个处理:CK1(基质对照,泥炭拌种)、CK2(半量¹⁵N尿素)、1N(全量氮肥)、1/2NL(半量¹⁵N尿素₊液态菌肥)、NL(液态菌肥)、1/2NS(半量¹⁵N尿素₊固态菌肥)、NS(固态菌肥),通过温室盆栽实验,利用¹⁵N稳定性同位素稀释法,测定其对青稞(Hordeum vulgarevar.nudum Hook.f.)生长及固氮能力的影响。结果表明,本研究研制的联合固氮菌肥符合《农用微生物菌剂》质量标准(GB20287-2006),且固体菌肥的有效活菌数在检测的各个时期都高于液体菌肥。对于株高、地上生物量、地下生物量、根冠比来说,联合固氮菌肥与半量氮肥(110kg·hm^-2)配合施用,表现出与全量氮肥相近的促生效果,即可节约近一半的氮肥用量(110kg·hm^-2);固体菌肥和液体菌肥的固氮百分率和固氮量分别为17.44%、14.03%和22.87 kg·hm^-2、21.29 kg·hm^-2。并且,固体菌肥对青稞生长的促进作用优于液体菌肥。     

日粮与牛组织中稳定性碳同位素的相关性研究

研究了日粮中C₃和C₄饲料组成不同时,牛不同组织中δ¹³C值的变化规律。18头12~14月龄的青年牛随机分为6组,分别饲喂C₄植物含量为52.0%,61.6%,71.2%,80.8%,90.4%,100.0%的饲料,其他日粮成分为C₃植物,132 d后屠宰。利用同位素比值质谱仪测定了牛尾毛、脱脂牛肉、粗脂肪、各种饲料的δ¹³C值。结果表明,牛组织中碳同位素组成主要受饲料的影响,随着时间的延长,饲喂同一种饲料的牛个体间碳同位素组成差异减小;牛尾毛、脱脂肌肉、粗脂肪中的δ¹³C值随着C₄植物含量在牛饲料中的比例增大而升高,并且均与C₄植物含量呈极显著的相关性(P＜0.01);牛尾毛、脱脂肌肉、粗脂肪中的δ¹³C值依次递减,三者之间相关性达到极显著水平(P＜0.01)。用牛组织中的δ¹³C值可以预测日粮中C₄植物所占的比例,牛尾毛、脱脂肌肉、粗脂肪均可作为牛肉溯源的材料。     

不同形式氮添加对草甸草原土壤磷素含量和碳氮磷化学计量特征的影响

由无机氮和有机氮沉降共同构成的大气氮沉降已成为全球变化的重要现象之一，影响着草原土壤磷循环过程。以内蒙古额尔古纳草甸草原为研究对象，进行了5年不同形式氮添加试验，设置的无机氮和有机氮比例分别为10:0 (N₁)、7:3 (N₂)、5:5 (N₃)、3:7 (N₄)、0:10 (N₅)和对照处理0:0 (CK)。通过测定土壤有效磷含量、全磷含量及酸性磷酸酶活性，结合生态化学计量学来探究不同形式氮添加对草甸草原不同土层磷素含量和碳氮磷化学计量特征的影响。结果表明，不同形式氮添加对土壤全磷含量和酸性磷酸酶活性无显著影响(P> 0.05);0-10 cm表层土壤有效磷含量在N₂处理下显著高于对照和其他氮添加处理(P <0.05)。土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)均不受氮添加形式的影响；0-10 cm表层土壤C/N、C/P、N/P均值低于全国平均水平。因此，有必要在更长的时间尺度上继续跟进不同形式氮添加对草原土壤磷循环的影响。     

青藏高原湿草甸土壤氮组分对氮添加浓度的响应

为研究青藏高原湿草甸土壤氮组分对氮添加程度的响应规律,分析氮素大量输入生态系统后可能产生的环境和生态问题,本研究以青藏高原东北边缘碌曲县尕海-则岔国家自然保护区境内的湿草甸土壤为研究对象,设置空白对照(CK,0 g·m^-2)、低浓度(N₅,5 g·m^-2)、中浓度(N₁₀,10 g·m^-2)和高浓度(N₁₅,15 g·m^-2)4种处理,分析不同氮添加下的土壤氮组分含量(铵态氮、硝态氮、可溶性有机氮)的垂直和季节变化。结果表明:不同氮添加处理均能增加土壤氮组分含量,其增加程度依次为N₅＞N₁₀＞N₁₅＞CK;在土壤垂直剖面上,土壤氮组分含量随土层深度增加而降低;在植物生长季内,氮添加处理后的土壤氮组分含量较高值出现在植物生长末期。本研究表明氮添加对青藏高原湿草甸土壤有效氮的增加具有显著促进作用。     

CO2浓度对高羊茅抗旱性及水分利用效率的影响分析

为探明CO₂浓度对高羊茅(Festuca arundinacea)抗旱性及水分利用效率的影响机制,通过控制土壤水分及大气CO₂浓度条件获得不同生境中高羊茅的生理光合参数,利用对比和统计分析的方法研究高羊茅的生理特征变化,并对影响高羊茅水分利用效率、蒸腾速率、净光合速率变动的主要环境因子进行了甄别与分析。结果表明:高大气CO₂浓度对干旱胁迫给高羊茅带来的负效应具有补偿作用,可提高高羊茅的抗旱性;在高大气CO₂浓度和干旱胁迫的交互作用下,影响高羊茅水分利用效率的主要环境因子是大气CO₂浓度,而该效应产生的主要原因是蒸腾作用的减弱;高羊茅的净光合速率及蒸腾速率主要受气孔导度等限制因素的影响。在高大气CO₂浓度和干旱胁迫交互作用时,蒸腾速率与气孔导度成线性关系,且R²超过0.97;而净光合速率除受气孔导度影响外,还与叶绿素含量及胞间CO₂浓度关系显著,是多种因素综合作用的结果。     

羊草草原豆科牧草生物固定量研究

采用样线和样方相结合的方法测定东北羊草草原豆科牧草的频度、密度和生物量,用微量凯氏定氮法测定豆科牧草和参照植物的氮浓度,用¹⁵N同位素稀释法测定豆科牧草的氮素固定比例,并结合生物量测定结果,计算豆科牧草的年际生物固氮量为1.5kgN/hm²。     

荒漠植物红砂地上和地下生物量分配关系对大气CO2浓度升高及降水量变化的响应

植物的生物量在各器官中的分配可反映植物对环境的适应性及其生长策略。未来大气CO₂浓度显著升高将引起降水量的变化,而这种变化必将对荒漠植物的生物量分配产生严重影响。本研究以荒漠优势植物红砂（Reaumuriasoongorica）1年生苗木为试材,采用开顶式CO₂控制气室模拟CO₂浓度变化（350 μmol·mol^-1和700 μmol·mol^-1）,研究了降水变化（-30%,0,+30%）及其与CO₂的协同作用对红砂生物量分配及相关生长关系的影响。结果表明：CO₂浓度升高对不同降水量下红砂地上和地下生物量均具有显著的促进作用（P<0.05）;降水减少,红砂生物量向地下分配的比例增加,但CO₂增加会减弱这一作用;CO₂浓度升高和降水变化通过影响红砂地上和地下器官的相对生长来影响生物量在不同器官中的分配,6种处理下的红砂地上-地下生物量分配斜率与1.0差异不显著,其相对生长关系均表现为等速生长。未来大气CO₂浓度升高及降水变化下,红砂生物量分配模式对环境变化的响应在一定程度上支持了最优分配假说。     

氮素添加对贝加尔针茅草原凋落物分解的影响

对内蒙古贝加尔针茅草原群落开展氮素添加实验,设置6个氮素添加水平,氮素类型为硝酸铵(NH₄NO₃):对照(N₀),1.5 g N/m²(N₁₅)、3.0 g N/m²(N₃₀)、5.0 g N/m²(N₅₀)、10.0 g N/m²(N₁₀₀)和15.0 g N/m²(N₁₅₀)。利用凋落物网袋分解法,研究贝加尔针茅、羊草和冷蒿3种植物不同器官凋落物分解对氮素添加的响应。结果表明:1) 3种植物不同器官凋落物C残留率的季节变化与植物残留率的变化趋势相同,呈释放模式。2)贝加尔针茅各器官凋落物分解95%所需时间为3.79~5.75年。羊草各器官凋落物分解95%所需时间为3.12~6.34年。冷蒿各器官凋落物分解95%所需时间为2.69~6.82年。3)不同植物、不同器官凋落物分解速率对氮素添加响应不同,初始化学组成不是控制凋落物分解的主要影响因子。4)凋落物分解速率与土壤铵态氮、硝态氮和土壤含水量无显著相关性,冷蒿凋落物与土壤微生物量碳氮显著相关。5)本试验进行期间,氮素添加对各器官凋落物分解无一致影响,仅个别施氮水平对不同器官凋落物分解速率及养分释放有促进或抑制作用。在氮素添加背景下,凋落物分解受到时间、分解底物类型及氮素输入水平的共同影响。